融合移動邊緣計(jì)算的5G網(wǎng)絡(luò)在配電自動化管理大區(qū)主站中的應(yīng)用

潘宇婷，汪振宇，盛 夏

(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025)

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源生產(chǎn)及消費(fèi)結(jié)構(gòu)也在發(fā)生著深刻變革。國網(wǎng)公司提出了“三型兩網(wǎng)”的戰(zhàn)略新思路，在2019年初確立了建設(shè)世界一流能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的目標(biāo)，打造具備樞紐型、平臺型、共享型特征的現(xiàn)代企業(yè)，并充分應(yīng)用移動互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)和先進(jìn)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機(jī)交互，打造狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活的電力物聯(lián)網(wǎng)。以智能感知、數(shù)據(jù)融合和智能決策為主線，依托PMS 2.0建設(shè)架構(gòu)清晰、布局合理的管理大區(qū)配電網(wǎng)主站系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備、運(yùn)維檢修和生產(chǎn)管理智能化，提升設(shè)備管控力和管理穿透力，為配電網(wǎng)高效運(yùn)維、精益精細(xì)管理提供有力的決策與支撐。

本文通過建設(shè)融合移動邊緣計(jì)算(Mobile Edge Computing,簡稱MEC)的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將配電自動化管理大區(qū)主站與該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相融合，這是支撐智慧能源綜合服務(wù)平臺建設(shè)的有力保障。

1 配電自動化管理大區(qū)主站平臺建設(shè)

配電自動化管理大區(qū)主站建設(shè)分為三種方式：提高配電網(wǎng)運(yùn)行工況、綜合監(jiān)控配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險和配電網(wǎng)運(yùn)營效能。

對運(yùn)行和運(yùn)營過程異常事件的分類告警和對配電網(wǎng)數(shù)據(jù)指標(biāo)的提高進(jìn)行深入分析，實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)異常情況處理的全過程監(jiān)控，為配電網(wǎng)運(yùn)維、檢修智能化提供技術(shù)支撐。考慮到采用集約化方式建設(shè)有利于主站的運(yùn)行維護(hù)，同時采集并接入海量中低壓配電網(wǎng)的各類運(yùn)行、狀態(tài)及環(huán)境數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)綜合監(jiān)控，達(dá)到配電網(wǎng)全面感知，充分利用整個配電網(wǎng)運(yùn)行大數(shù)據(jù)，深層次挖掘出有用信息。因此，采用生產(chǎn)控制大區(qū)分散部署、管理信息大區(qū)集中部署的方式[1]，用于指導(dǎo)配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

配電自動化管理大區(qū)主站系統(tǒng)采用“配電主站+配電終端”兩層結(jié)構(gòu)，使用標(biāo)準(zhǔn)化、通用型軟硬件，基于B/S架構(gòu)進(jìn)行配電主站系統(tǒng)的部署。地區(qū)級生產(chǎn)控制大區(qū)應(yīng)用部署在各地區(qū)服務(wù)器上；地區(qū)級管理大區(qū)應(yīng)用部署在省級管理大區(qū)配電主站上，基于市級的云數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)配電自動化功能應(yīng)用。

系統(tǒng)基于信息交換總線，實(shí)現(xiàn)與能源管理系統(tǒng)(EMS)、設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)(PMS 2.0)和省級配電自動化主站管理大區(qū)云平臺等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，具備對外交互歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時數(shù)據(jù)的功能，支撐各層級數(shù)據(jù)分層應(yīng)用以及縱、橫向貫通[1]。

配電自動化“N+1”體系涉及市級統(tǒng)一部署的配電自動化管理大區(qū)主站、地區(qū)級部署的生產(chǎn)控制大區(qū)配電主站兩部分，配電網(wǎng)管理大區(qū)主站系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 配電網(wǎng)管理大區(qū)主站系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

配電物聯(lián)網(wǎng)云主站(管理信息大區(qū))硬件包括云平臺的管理節(jié)點(diǎn)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)服務(wù)器、計(jì)算節(jié)點(diǎn)服務(wù)器、陣列存儲設(shè)備、存儲光纖交換機(jī)、基板管理控制器(BMC)接入交換機(jī)、防火墻、管理交換機(jī)、業(yè)務(wù)交換機(jī)和核心交換機(jī)等。

2 通信需求

配電管理大區(qū)主站系統(tǒng)需要與地區(qū)各供電公司、PMS、用電信息采集系統(tǒng)、配電自動化主站系統(tǒng)和智能配電站等進(jìn)行信息交互，因此需要考慮主站通信方面的需求[2]。

2.1 業(yè)務(wù)需求

結(jié)合地區(qū)電力通信業(yè)務(wù)系統(tǒng)的屬性和應(yīng)用，預(yù)測配電管理大區(qū)主站系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求。配電管理大區(qū)主站系統(tǒng)業(yè)務(wù)帶寬分析結(jié)果(最高峰)見表1。

表1 配電管理大區(qū)主站系統(tǒng)業(yè)務(wù)帶寬分析結(jié)果(最高峰)

根據(jù)業(yè)務(wù)帶寬分析可知，III區(qū)和IV區(qū)業(yè)務(wù)帶寬需要按照642 Mb配置，I和II區(qū)業(yè)務(wù)帶寬需要按照310 Mb配置。配電管理大區(qū)主站通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 配電管理大區(qū)主站通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2 通信電源蓄電池組的容量配置

根據(jù)YD/T 5004—2005《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》以及相關(guān)技術(shù)原則，鉛酸蓄電池的總?cè)萘繛?/p>

(1)

式中Q——蓄電池容量，A·h；K——安全系數(shù)，取1.25；I——電流負(fù)載，A；T——放電小時數(shù)，取4 h；η——放電容量系數(shù),鉛酸蓄電池放電容量系數(shù)(見表2)；t——實(shí)際電池所在地最低環(huán)境溫度數(shù)值，所在地有采暖設(shè)備時，按15 ℃考慮，無采暖設(shè)備時，按5 ℃考慮；α——電池溫度系數(shù)，℃-1，當(dāng)放電小時率≥10 ℃-1，取α=0.006 ℃-1，當(dāng)10 h>放電小時率≥1 h時，取α=0.008 ℃-1，當(dāng)放電小時率<1 h時，取α=0.01℃-1。

表2 鉛酸蓄電池放電容量系數(shù)(η)表

本期考慮2路光端機(jī)、1個路由器、2個交換機(jī)和1套防火墻。配電管理大區(qū)主站系統(tǒng)本期總電流值情況(峰值)見表3。

由表3可知，總電流值為134.9 A。按照經(jīng)驗(yàn)值20%的負(fù)載用量考慮，本期配電管理大區(qū)主站系統(tǒng)電流總負(fù)載I為26.98 A。

表3 配電管理大區(qū)主站系統(tǒng)本期總電流值情況(峰值)

根據(jù)蓄電池容量公式測算，本期通信電源蓄電池容量見表4。

表4 本期通信電源蓄電池容量

中期考慮2路光端機(jī)、1個路由器、2個交換機(jī)、1個防火墻和1個光纖傳輸網(wǎng)(OTN)。其中，2路光端機(jī)、1個路由器、2個交換機(jī)和1個防火墻的總負(fù)荷按照20%的增長率考慮。配電管理大區(qū)主站系統(tǒng)中期總電流值情況(峰值)見表5。

表5 配電管理大區(qū)主站系統(tǒng)中期總電流值情況(峰值)

由表5可知，總電流值為266.08 A。按照經(jīng)驗(yàn)值20%的負(fù)載用量考慮，中期配電管理大區(qū)主站系統(tǒng)電流總負(fù)載I為53.22 A。

根據(jù)蓄電池容量公式測算，中期通信電源蓄電池容量見表6。

表6 中期通信電源蓄電池容量

由表6可知，中期配置2組160 A·h/300 A·h的通信電源可以滿足配電管理大區(qū)主站系統(tǒng)需求。

3 基于SDN/NFV技術(shù)的MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

MEC技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)側(cè)功能和應(yīng)用下沉至距離配電終端設(shè)備最近的無線接入網(wǎng)邊緣[3-6]，通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(SDN/NFV)技術(shù)實(shí)現(xiàn)會話管理功能(Session Management Function，簡稱SMF)和策略控制功能(Policy Control Function，簡稱PCF)等控制平面和用戶平面功能(User Plane Function，簡稱UPF)解耦[7]，實(shí)現(xiàn)配電終端與配電管理大區(qū)主站之間超高可靠與低延遲的通信。

3.1 UPF部署在MEC側(cè)

5G Open UPF白皮書指出，為有效實(shí)現(xiàn)行業(yè)應(yīng)用場景，采用最簡UPF功能[8-10]，通過開放接口、設(shè)備、服務(wù)和智能等，統(tǒng)一UPF架構(gòu)設(shè)計(jì)，解耦UPF和SMF之間的N4接口。UPF與MEC融合的結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 UPF與MEC融合的結(jié)構(gòu)示意圖

配電物聯(lián)網(wǎng)主站利用應(yīng)用程序(Application Function，簡稱AF)接入5G網(wǎng)絡(luò)時，通過解析配電物聯(lián)網(wǎng)主站中的不同業(yè)務(wù)內(nèi)容，5G核心網(wǎng)中的SMF將對會話業(yè)務(wù)路由進(jìn)行決策，將業(yè)務(wù)路由接至本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)訪問MEC端的UPF，達(dá)到低時延的目的。

3.2 MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)是Emulex網(wǎng)絡(luò)的一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議Open Flow分離控制面和數(shù)據(jù)面，路由表生成、路由協(xié)議交換等路由功能均可在統(tǒng)一的控制面完成，從而使得網(wǎng)絡(luò)控制面對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)面有一個宏觀操控能力。

通過SDN技術(shù)，實(shí)現(xiàn)核心云與邊緣云里面虛擬機(jī)(Virtual Machines，簡稱VMs)間的邏輯連接，構(gòu)建承載信令和數(shù)據(jù)流的通路。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化通過功能抽象及軟硬件解耦，可在通用的服務(wù)器、交換機(jī)和存儲設(shè)備上部署網(wǎng)絡(luò)功能，實(shí)現(xiàn)無線接入網(wǎng)(Radio Access Network，簡稱RAN)內(nèi)部各功能實(shí)體動態(tài)無縫連接，滿足配電管理大區(qū)主站業(yè)務(wù)需求自動部署、故障隔離和自愈等功能，從而可極大地降低成本和時間[10]。基于SDN/NFV技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)化配電管理大區(qū)主站MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖見圖4。

圖4 基于SDN/NFV技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)化配電管理大區(qū)主站MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)規(guī)約和物聯(lián)網(wǎng)信息模型，采用SDN/NFV技術(shù)，利用功能快速發(fā)布、靈活迭代的特性，提升邊緣層計(jì)算能力，將配電物聯(lián)網(wǎng)主站中的不同業(yè)務(wù)，包括供服系統(tǒng)、配電主站、數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)同步、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)(II區(qū))、行政辦公、行政電話(IMS)、變電站視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)下沉至邊緣層，業(yè)務(wù)就地分析決策、業(yè)務(wù)云邊協(xié)同交互，并通過獨(dú)立的虛擬網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，從而滿足不同業(yè)務(wù)對網(wǎng)路高可靠性、大帶寬和低時延等方面的需求。

4 結(jié)語

本文將融合MEC的5G新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)用于配電物聯(lián)網(wǎng)主站，基于SDN和NFV技術(shù)實(shí)現(xiàn)UPF下沉至本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)，從而可以實(shí)時感知終端運(yùn)行狀態(tài)，并為海量物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、編碼、存儲、檢索和維護(hù)提供大數(shù)據(jù)分析挖掘引擎。同時，結(jié)合邊緣計(jì)算，保證云端高效分析處理數(shù)據(jù)，并將分析后的數(shù)據(jù)傳至配電物聯(lián)網(wǎng)管理大區(qū)主站，統(tǒng)一協(xié)作管理，從而實(shí)現(xiàn)泛在物聯(lián)，為安全可靠的系統(tǒng)運(yùn)行提供堅(jiān)強(qiáng)保障。