韓歡慶

（安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801）摘要：隨著(zhù)數據信息量的大幅度提升以及５Ｇ技術(shù)的發(fā)展，基于５Ｇ的邊緣計算技術(shù)，作為一種實(shí)時(shí)數據處理方式，具有廣闊的應用前景。先對５Ｇ、邊緣計算的特點(diǎn)進(jìn)行了研究，然后研究這兩種技術(shù)在網(wǎng)關(guān)中的融合，基于變電站的業(yè)務(wù)背景提出基于５Ｇ的邊緣計算網(wǎng)關(guān)應用解決方案。關(guān)鍵詞：５Ｇ網(wǎng)絡(luò )；邊緣計算；網(wǎng)關(guān)；電網(wǎng)應用
 0、引言     隨著(zhù)５Ｇ網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，基于５Ｇ的邊緣計算技術(shù)得到廣泛關(guān)注。業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò )升級進(jìn)一步驅動(dòng)了邊緣計算的發(fā)展［１］。云計算能力不足，不能滿(mǎn)足爆炸式增長(cháng)的海量數據需求。此外，傳輸負載急劇增加會(huì )導致時(shí)延加長(cháng)，不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，這些都使得邊緣計算變成了研究的熱點(diǎn)。     網(wǎng)關(guān)作為網(wǎng)絡(luò )數據傳輸中的關(guān)鍵設備，發(fā)揮著(zhù)協(xié)議轉換和數據處理的作用，通過(guò)邊緣計算的手段可以將數據在邊緣網(wǎng)關(guān)中進(jìn)行初步篩選并處理，將重要的安全信息發(fā)送到監管平臺并發(fā)出警告，使得處理信息效率得到提高并能夠更及時(shí)地獲得隱患信息。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，變電站在智能電網(wǎng)中發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用，但是由于傳感器數量不斷增多以及智能巡檢機器人的普及，數據傳輸不斷增加。如果全部數據均發(fā)送到云端進(jìn)行處理，會(huì )導致時(shí)延增長(cháng)，處理不及時(shí)，不能及時(shí)發(fā)現安全隱患，基于５Ｇ的邊緣計算技術(shù)可以解決這些問(wèn)題。     本文首先研究５Ｇ和邊緣計算的特點(diǎn)，然后研究這兩種技術(shù)在網(wǎng)關(guān)中的融合，基于電網(wǎng)中變電站的業(yè)務(wù)背景提出解決方案。 1、 ５Ｇ技術(shù)特點(diǎn)     ２０１９年６月，工信部發(fā)放了５Ｇ商用牌照，標志著(zhù)中國正式進(jìn)入５Ｇ商用元年，但是５Ｇ技術(shù)發(fā)展仍在繼續，正不斷地為我們的生活提供更加方便的應用。５Ｇ全稱(chēng)第五代通信技術(shù)，是新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，具有如下特點(diǎn)：（１）具有高數據傳輸率，可達１０ＧＢ／ｓ，可以滿(mǎn)足大數據量傳輸；（２）低延遲，ＬＴＥ網(wǎng)絡(luò )使得移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )時(shí)延達到１００ｍｓ，但是５Ｇ網(wǎng)絡(luò )能夠達到１ｍｓ的時(shí)延，可以滿(mǎn)足對時(shí)延要求很低的服務(wù)；（３）提高系統容量和大規模設備連接，可以滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)要求，將各個(gè)終端連接起來(lái)。５Ｇ不僅對手機移動(dòng)通信來(lái)說(shuō)是很大的進(jìn)步，而且對物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)也是非常有用的技術(shù)，它所帶來(lái)的方便以及技術(shù)變革將會(huì )促進(jìn)經(jīng)濟發(fā)展。2、邊緣計算技術(shù)的特點(diǎn)     在邊緣計算中，將數據處理這一過(guò)程集成到邊緣設備中，其目的就是為了減少延遲，這樣就能快速地處理數據，而不用等到數據傳輸到傳統的數據中心再進(jìn)行處理，延遲降低了之后，相應的應用程序就能夠更早地運行。同時(shí)，在本地設備的數據管理上的花費比在云和數據中心網(wǎng)絡(luò )上的花費更少，從而能夠降低成本［２］。具體而言，邊緣計算的特點(diǎn)如下：（１）時(shí)延低：利用邊緣設備處理數據，實(shí)現數據的實(shí)時(shí)處理，響應的時(shí)間有效地縮短。（２）成本低：利用邊緣設備實(shí)現數據的過(guò)濾、計算和分析，減少數據在骨干網(wǎng)絡(luò )的傳輸量，降低網(wǎng)絡(luò )帶寬需求，從而降低數據處理成本和設備能耗。（３）可靠性高：邊緣設備本身具有計算處理能力，即使上層數據處理中心出現問(wèn)題，也不會(huì )影響到用戶(hù)的正常使用。邊緣計算是為了解決云計算去中心化而提出的方法，目前云計算都是將服務(wù)器集中放置在一個(gè)數據中心，需要將數據先傳輸到數據中心然后再進(jìn)行集中處理，但是隨著(zhù)終端設備不斷增多帶來(lái)的數據量的逐漸變大，傳輸如此巨大的數據量成本很高，時(shí)延也成為瓶頸。邊緣計算分布式部署在設備端，即將各種終端設備增加了存儲、處理等功能，這樣就可以減少傳輸的數據量，減少時(shí)延，降低了成本。同時(shí)，隱私數據傳輸到云端的過(guò)程中可能存在泄露的問(wèn)題，使用邊緣計算可以降低數據泄露的可能性［３］。3、基于５Ｇ的移動(dòng)邊緣計算技術(shù)應用場(chǎng)景     傳統的移動(dòng)邊緣計算技術(shù)指的是在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )側配置具有計算和管理能力的服務(wù)器，提升無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )的信息處理能力，降低移動(dòng)骨干網(wǎng)絡(luò )的傳輸帶寬。５Ｇ具有低時(shí)延、高可靠性的特點(diǎn)，這將進(jìn)一步推動(dòng)移動(dòng)邊緣計算的發(fā)展。本文結合ＩＴＵ－Ｔ定義的５Ｇ網(wǎng)絡(luò )應用場(chǎng)景和邊緣計算技術(shù)特點(diǎn)，研究基于５Ｇ移動(dòng)邊緣計算技術(shù)的應用場(chǎng)景。3.1增強型移動(dòng)帶寬場(chǎng)景（ｅＭＭＢ）     相較于４Ｇ，５Ｇ采用ＬＤＰＣ編碼、高階調制、大規模ＭＩＭＯ和毫米波等技術(shù)手段，進(jìn)一步拓展頻譜帶寬，５Ｇ的整體頻譜效率比４Ｇ提升了３倍，用戶(hù)體驗速率可達到１ＧＢ／ｓ，這給人們帶來(lái)了不一樣的網(wǎng)絡(luò )體驗，同時(shí)也給核心網(wǎng)帶來(lái)了巨大的挑戰。     為了滿(mǎn)足５Ｇ網(wǎng)絡(luò )的靈活性和低時(shí)延、減輕網(wǎng)絡(luò )回傳負擔，核心網(wǎng)下沉和云邊緣化成為必然趨勢。云邊緣化就是使５Ｇ無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )具有云計算能力，實(shí)現業(yè)務(wù)的本地化、數據緩存、數據本地計算等功能。     以電網(wǎng)輸電線(xiàn)路無(wú)人機巡檢為例，無(wú)人機通過(guò)控制臺，與５Ｇ基站連接，在５Ｇ基站側部署邊緣計算服務(wù)器，實(shí)現視頻、圖 像和控制信息的本地存儲和處理，然后相關(guān)處理結果直接回傳至控制臺，保證巡檢工作順利進(jìn)行。3.2 海量機器類(lèi)通信（ｍＭＴＣ）     相較于４Ｇ，可連接數密度方面，５Ｇ每平方千米可連網(wǎng)設備的數量高達１００萬(wàn)個(gè)，提升了１０倍，同時(shí)５Ｇ海量機器類(lèi)通信具有數據包小、功耗低等特點(diǎn)。     根據數據預測，２０２０年全球的物聯(lián)網(wǎng)終端達到５００億個(gè)。大規模的物聯(lián)網(wǎng)終端部署，不但給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )系統帶來(lái)了挑戰，而且考驗著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)終端的電池容量?？梢哉f(shuō)，５Ｇ海量機器類(lèi)通信技術(shù)大大地滿(mǎn)足了物聯(lián)網(wǎng)終端飛速增長(cháng)的需求；此外，結合邊緣計算，縮短物聯(lián)網(wǎng)終端連接時(shí)間，將進(jìn)一步降低物聯(lián)網(wǎng)終端的能耗。     以電網(wǎng)采集類(lèi)業(yè)務(wù)為例，隨著(zhù)智能電網(wǎng)的發(fā)展，采集對象數量、采集內容種類(lèi)、采集頻次都大大增加。隨著(zhù)５Ｇ的部署，可實(shí)現采集的準實(shí)時(shí)、采集內容的多樣化，采集范圍更廣以及采集數量更多。3.3低時(shí)延高可靠通信（ｕＲＬＬＣ）     相較于４Ｇ，端到端時(shí)延方面，５Ｇ將達到１ｍｓ級，提升了１０倍；移動(dòng)性方面，５Ｇ支持時(shí)速高達５００ｋｍ／ｈ的通信環(huán)境，提升了１．４３倍。因此，５Ｇ網(wǎng)絡(luò )具有高速、低時(shí)延的處理能力。這可以滿(mǎn)足車(chē)聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等垂直行業(yè)的特殊應用需求。     以電網(wǎng)變電站機器巡檢為例，通過(guò)５Ｇ網(wǎng)絡(luò )實(shí)現機器人遠程控制，結合邊緣計算的技術(shù)，可實(shí)現毫秒級的響應，保證巡檢發(fā)現問(wèn)題時(shí)，故障信息及時(shí)回傳和處理，確保生產(chǎn)業(yè)務(wù)安全。4、基于５Ｇ的邊緣計算網(wǎng)關(guān)     基于５Ｇ的邊緣計算網(wǎng)關(guān)作為一個(gè)將網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)的設備，通過(guò)協(xié)議轉換來(lái)實(shí)現信息交換，一方面利用邊緣計算提高數據計算性能；另一方面利用５Ｇ提升信息傳遞效率［５］。     ５Ｇ邊緣計算網(wǎng)關(guān)系統結構圖如圖１所示。該網(wǎng)關(guān)系統由云服務(wù)器、邊緣計算網(wǎng)關(guān)設備以及傳感器等終端設備組成。邊緣計算模塊由邊緣應用程序和邊緣計算平臺兩個(gè)部分組成：數據采集模塊收集傳感器等終端設備的數據，然后邊緣計算平臺將采集到的數據進(jìn)行統一控制和管理。邊緣應用程序提供運行環(huán)境，包括信息獲取、邊緣數據處理，接收來(lái)自云服務(wù)器的指令并執行對應的操作。而用戶(hù)所需要操作的就是在云服務(wù)器完成指令的發(fā)送，云端服務(wù)器利用無(wú)線(xiàn)信號（如Ｗｉ－Ｆｉ等）、以太網(wǎng)和４Ｇ、５Ｇ等方式將指令發(fā)送到網(wǎng)關(guān)設備，網(wǎng)關(guān)對其進(jìn)行協(xié)議轉換后在邊緣計算模塊發(fā)出對終端設備的操作指令［４］。在現階段的５Ｇ發(fā)展中，由于正處于剛剛起步狀態(tài)，運營(yíng)商部署５Ｇ時(shí)使用的是非獨立組網(wǎng)，需要利用４Ｇ基站、增強型４Ｇ基站以及少量５Ｇ基站來(lái)實(shí)現，但是由于使用的仍然是４Ｇ核心網(wǎng)，并不能提供特別低的時(shí)延，需要等到５Ｇ技術(shù)不斷發(fā)展，通過(guò)獨立組網(wǎng)ＳＡ技術(shù)，５Ｇ核心網(wǎng)利用網(wǎng)絡(luò )切片靈活地使用網(wǎng)絡(luò )資源，才能大大提升網(wǎng)絡(luò )服務(wù)質(zhì)量以及提供低時(shí)延。 圖１５Ｇ邊緣計算網(wǎng)關(guān)系統     基于５Ｇ的邊緣計算，可以充分利用５Ｇ高速度、大容量和低時(shí)延的三個(gè)特點(diǎn)，實(shí)現海量數據的接入和處理，保證業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性和有效性。5、基于５Ｇ邊緣計算網(wǎng)關(guān)在電網(wǎng)中的應用5.1業(yè)務(wù)背景     在電網(wǎng)傳輸中，變電站發(fā)揮著(zhù)一個(gè)十分重要的作用———它是一個(gè)將電力系統中對電壓和電流進(jìn)行交換，接收電能及分配電能的場(chǎng)所，它將發(fā)電機發(fā)出的電能升壓后饋送到高壓電網(wǎng)中。     隨著(zhù)智能電網(wǎng)的發(fā)展，變電站中需要處理的信息越來(lái)越多，包括數據信息、視頻監控、安全信息等。變電站一般分布在人口相對較少的地區，又由于其情況時(shí)刻掌握以保證安全，所以需要專(zhuān)業(yè)人員實(shí)時(shí)監控變電站內部各個(gè)部分情況。     在現代化的變電站中由于智能機器人等智能巡檢設備的加入，可以不用像以前一樣需要人力頻繁去現場(chǎng)監控，減少了一定的安全隱患并且提高了效率。但是智能巡檢機器人或者變電站智能終端傳送到監控中心的數據量不斷變大，消耗了大量的流量資源。圖２面向業(yè)務(wù)的５Ｇ邊緣計算解決方案     除了變電站內部運維數據，從變電站向用戶(hù)傳輸電力時(shí)，每天各個(gè)時(shí)段輸送的電量、不同地區所需電量也屬于大流量數據，導致處理數據更加麻煩且任務(wù)量大。5.2面向業(yè)務(wù)的５Ｇ邊緣計算解決方案     通過(guò)利用５Ｇ和邊緣計算的網(wǎng)關(guān)設備，能夠在邊緣設備即可將大量的數據存儲并進(jìn)行初步處理，然后將非常重要的信息，例如有安全隱患的數據，發(fā)送到監控中心并提出警示信號，使得監管人員能夠發(fā)現并采取相應的措施，達到效率速度化。     根據電網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求，可分為：低時(shí)延的智能配電、準確負控業(yè)務(wù)，多連接的低壓抄表、分布接入業(yè)務(wù)和大帶寬的巡檢機器、應急通信業(yè)務(wù)；結合５Ｇ邊緣計算的特點(diǎn)，各種類(lèi)型的業(yè)務(wù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)匯聚，接入到邊緣計算中心；根據業(yè)務(wù)的需要，進(jìn)一步上傳到控制子站或主站。面向業(yè)務(wù)的５Ｇ邊緣計算解決方案如圖２所示。6安科瑞智能網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品解決方案6.1智能網(wǎng)關(guān)功能介紹   --  終端設備與系統平臺間的數據交互橋梁 A:數據采集（支持串口、以太網(wǎng)，只需配置即可兼容支持標準電力規約的各類(lèi)儀表）B:數據上傳（支持往上海分類(lèi)分項能耗平臺、寧夏電力需求側平臺、江蘇電力運維平臺、浙江電力運維平臺上傳數據），具有多平臺上傳能力；C:邊緣計算（靈活的報警閾值設置、主動(dòng)上傳報警信息、數據合并計算、斷點(diǎn)續傳、數據加密、4G路由）D:遠程管理（遠程配置、遠程升級、遠程監視） 6.2 安科瑞智能網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品介紹6.2.1 Anet-**/4G系列導軌式智能網(wǎng)關(guān)     ANet-**/4G是安科瑞電氣股份有限公司自主研發(fā)的一款帶全網(wǎng)通無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能的通用型智能 通信管理機，適用于國家公務(wù)機關(guān)、企事業(yè)單位、公共機構、住宅商業(yè)樓宇、酒店餐飲商場(chǎng)等領(lǐng)域， 可滿(mǎn)足水、電、氣、油、冷量、熱量等各種形式的用量及能源能耗分項計量數據采集的需求。 該設備可用于以下應用場(chǎng)景： ?電力監控系統 ?電能質(zhì)量系統 ?物聯(lián)網(wǎng)系統 ?電力需求側系統 ?建筑能耗系統 ?遠程預付費系統 ?消防防護系統 ?智能建筑系統技術(shù)特點(diǎn) 6.2.2Anet-2E4SM/4G模塊化智能網(wǎng)關(guān)     ANet-2E4SM模塊化通信管理機是安科瑞電氣股份有限公司自主研發(fā)的一款通用型智能通信管理機，將傳統管理機的接口拆分成可拼裝搭配的模塊，其中主模塊可作為標準智能通信管理機獨立工作， 整個(gè)設備可通過(guò)串口、以太網(wǎng)、Lora無(wú)線(xiàn)、wifi無(wú)線(xiàn)等鏈路采集水表、氣表、電表、微機保護等設備 終端的數據，標配的8路無(wú)源干接點(diǎn)可實(shí)時(shí)采集門(mén)禁、水浸、煙感等開(kāi)關(guān)量信息，可通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、 WiFi網(wǎng)絡(luò )、4G網(wǎng)絡(luò )等鏈路上傳告警、實(shí)時(shí)數據等信息。主模塊搭配從模塊可靈活擴展，增加更豐富的 應用場(chǎng)景，同時(shí)還可提供邊緣計算等需求。 該設備可用于以下應用場(chǎng)景： ?電力監控系統 ?電能質(zhì)量系統 ?物聯(lián)網(wǎng)系統 ?電力需求側系統 ?建筑能耗系統 ?遠程預付費系統 ?第三方云平臺 ?泛在電力物聯(lián)網(wǎng) ?運維系統平臺 ?能源綜合管理平臺 技術(shù)特點(diǎn)6.2.3AWT100系列簡(jiǎn)易型協(xié)議轉換模塊     AWT100 數據轉換模塊是安科瑞電氣推出的新型數據轉換 DTU，通訊數據      轉換包括 2G、4G、NB、LoRa、LoRaWAN，GPS,WiFi,CE,DP 等通訊方式，下行接口提供了標準 RS485 數據接口， 可以方便的連接電力儀表、RTU、PLC、工控機等設備，僅需一次性完成初始化配置，就可以完成對 MODBUS 設 備的數據采集；同時(shí) AWT100 系列無(wú)線(xiàn)通訊終端采用了功能強大的微處理芯片，配合內置看門(mén)狗技術(shù)，性能可靠穩定?？蓱糜谛袠I(yè)領(lǐng)域如下： ■無(wú)線(xiàn)抄表； ■樓宇自動(dòng)化與安防； ■機器人控制； ■電力配網(wǎng)監控、電力負荷監控； ■智能照明控制； ■自動(dòng)化數據采集； ■工業(yè)遙控遙測； ■高速公路、鐵路數據傳輸； ■其他電力以及工控行業(yè)等 a）4G/NB/2G型號及技術(shù)參數 B）Lora/LoraWAN型號及技術(shù)參數

C) GPS/WIFI/CE/DP通訊型號及技術(shù)參數

D)典型應用方案

AWT100-LoRa 無(wú)線(xiàn)通信終端典型應用

6.3Anet系列智能網(wǎng)關(guān)證書(shū)報告


               
7結語(yǔ)     本文對基于５Ｇ的邊緣計算網(wǎng)關(guān)及其在電網(wǎng)中的運用進(jìn)行討論，結合變電業(yè)務(wù)介紹了５Ｇ網(wǎng)絡(luò )、邊緣計算在變電站中的應用方案。雖然５Ｇ技術(shù)還在起步階段，初步部署也是使用非獨立組網(wǎng)，并不能夠*展現其特點(diǎn)（例如低時(shí)延），相信隨著(zhù)５Ｇ及邊緣計算技體系的不斷完善，獨立組網(wǎng)部署５Ｇ技術(shù)逐漸成熟，能夠更加準確、方便、快速地處理更多的數據信息，達到提升數據傳輸率、降低時(shí)延的目的。 8參考文獻[1]趙佶．邊緣計算網(wǎng)關(guān)設備的構建和部署問(wèn)題的研究［Ｄ］．大連：大連理工大學(xué)，２０１８．[2]馬洪源，肖子玉，卜忠貴，等．５Ｇ邊緣計算技術(shù)及應用展望［Ｊ］．電信科學(xué)，２０１９，３５（６）：１１４－１２３．[3]馬曉凱．５Ｇ邊緣計算技術(shù)詳解與應用分析［Ｊ］．中國新技術(shù)新產(chǎn)品，２０１９（１６）：２８－２９．[4]于海飛，張愛(ài)軍．基于ＭＱＴＴ的多協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設計與實(shí)現［Ｊ］．國外電子測量技術(shù)，２０１９，３８（１１）：４５－５１．[5]何錚．基于邊緣計算的企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)［Ｊ］．電腦編程技巧與維護，２０１９（０９）：１４９－１５１，１５９．[6]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版
作者簡(jiǎn)介：韓歡慶，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為無(wú)線(xiàn)通訊邊緣計算智能網(wǎng)關(guān)的研發(fā)與應用