電力多站融合數據中心的5G+MEC云邊協同技術研究

國網上海市電力公司 王 琰 唐懿穎 李世龍

中興通訊股份有限公司 張 軍 彭小剛

本文從電力邊緣云平臺建設、云邊協同、云網融合三個角度，分析了基于電力多站融合數據中心結合5G技術、多接入邊緣計算（MEC）技術、云計算技術等實現電力邊緣云整體解決方案的技術方案和實施建議。

1 研究背景

國家電網有限公司在2019年1月的公司“兩會”提出要探索利用變電站資源建設運營充換電（儲能）站和數據中心站新模式，從而拉開了多站融合數據中心建設序幕。

國家電網有限公司通過“多站融合”數據中心建設，可形成電網企業獨有的，電力、算力及通信服務能力相融合的，能為電網及上下游、運營商和廣大政企客戶提供滿足邊緣計算算力需求的云網融合型電力邊緣云整體解決方案，助力國家5G戰略和數字新基建戰略的蓬勃發展。

當前，以多站融合數據中心建設為核心的邊緣計算產業生態還不完善，盲目建設多點數據中心導致的結果：一方面為部署新業務不斷增加新的計算、存儲、網絡資源以及數據中心，另一方面各種設備資源能力過剩、利用率過低、數據中心資源富余導致資源浪費。因此，基于電網企業自身資源稟賦，結合5G通信技術和5G網絡部署、多接入邊緣計算（MEC）、IDC智能運維和運營等現狀和技術發展趨勢及運營商、政企客戶、電網及上下游對邊緣算力的需求特點，從構建電力邊緣計算產業生態出發，開展多站融合數據中心體系架構分析研究具有廣泛的社會和經濟價值。

本文將介紹基于電力多站融合數據中心開展電力邊緣云整體解決方案所涉及到的三個關鍵技術體系。

（1）電力邊緣云平臺

電力邊緣云平臺的建設可盤活和釋放電網企業基礎設施的資源共享價值。

（2）云邊協同技術分析

通過邊緣和中心云算力協同，達到性能和成本的平衡。

（3）云網融合技術研究

實現網絡感知算力，按需路由分散在各處的算力，實現算力的最佳化利用。

2 電力邊緣云平臺技術研究

2016年，ETSI把MEC的概念擴展為多接入邊緣計算（Multi-Access Edge Computing），將邊緣計算從電信蜂窩網絡進一步延伸至其他無線接入網絡（如WiFi）。MEC可以看作是一個運行在移動網絡邊緣的、運行特定任務的云服務器。

建設適應5G時代業務應用對用戶側分布式算力需求激增，靈活運用MEC技術體系架構的電力邊緣云平臺的必要性主要考慮三點：一是電網企業貫徹落實國家數字新基建政策；二是支撐電網企業向能源互聯網企業轉型發展；三是實現5G產業布局。圖1所示為電力邊緣云化數據中心整體框架。

圖1 電力邊緣云化數據中心整體框架

電力邊緣云化數據數據中心主要由IDC、存儲服務器、數通、雙核驅動輕量化云管平臺、能力開放平臺組成，可以為電網變電站輔控平臺、輸變電設備狀態監測等對內業務和綜合能源服務等電網拓展業務提供可靠的邊緣算力支撐。

2.1 數據中心基礎設施建設

電力邊緣云化數據中心的IDC基礎設施選型與建設需對電力物業空間規模、室內及室外、區域資源需求等綜合考慮，可以選用不同的IDC基礎設施建設方案進行項目部署。

邊緣數據中心點多面廣，建議在省級或地市中心級建設統一邊緣云基礎設施管理平臺（DCIM），實現IDC基礎設施的統一運維、智能管理，并在信息通信專業組建獨立的團隊進行運維管控作業。

2.2 ICT硬件基礎設施

ICT硬件基礎設施重點考慮邊緣計算場景對硬件資源的需求，專用硬件滿足不同感知數據全接入和業務加速需求，通用硬件提供池化算力資源保障。

2.3 輕量化云管平臺

通過OpenStack和Kubernetes的深度融合，構建輕量化云管平臺，提供虛擬機、容器雙核平臺環境，為三方應用提供云化的計算、網絡、存儲資源，滿足三方業務快速上線及容量彈縮需求。

2.4 能力開放平臺

能力開放平臺是設備資源管理、多維數據實時聚合、模型算法生態建設和能力引擎建設的綜合性軟件基礎平臺支撐設施，是銜接硬件能力和業務系統的樞紐。能力開放平臺應包括：

2.4.1 基礎能力組件

主要是消息中間件、IOT平臺、視頻云化存儲等基礎組件。IOT平臺實現小顆粒度數據的集中化管理和運營能力。視頻云化存儲，實現實時音視頻流的邊緣側分布式存儲，卸載中心云大流量音視頻存儲能力，降低網絡壓力，激發邊緣側AI音視頻分析能力，留存濃縮有效信息供中心云端調用。

2.4.2 擴展能力組件

擴展能力組件主要按需聚合行業AI算法、VR引擎、區塊鏈、數字孿生等，為業務層提供個性化的能力服務，是構建邊緣計算產業生態的價值核心，是未來各個廠商開展競爭的主戰場。

2.5 電網對內業務

通過對公司內部50多項典型信息系統和虛擬電廠、綜合能源服務等新型業務的分析來看，輸變電設備運行狀態監測、輸變配運行環境監控、作業安全監管等對設備、環境和安全作業的監測、監管部署了海量的感知終端，產生的數據具備強時空特性、高冗余、低價值密度特點，適合通過部署邊緣計算平臺，將業務進行合適的改造和更新，滿足信息系統架構由傳統的端-云向端-邊-云演進，向云邊協同方向發展，釋放電力邊緣云潛力，優化省級中心云業務，提升邊緣至中心網絡傳輸效率。

2.6 平臺建設要點分析

●基礎設施統一運維與運營

部署智能化基礎設施管控平臺，實現設備運維與系統運營統一化，提質增效。

●按機架進行物理分割，保障業務安全

電網自用與對外服務邊緣云按照整機架進行物理分割，安全分區管理。

●大區模式部署云管平臺

按地域及光纖網絡拓撲等聚合域內多個邊緣數據中心，在中心節點部署云管平臺和實現與互聯網的安全對接。

●建設標準化基礎能力平臺，開放能力組件平臺建設

標準平臺與開放能力相結合，打造邊緣計算能力開放生態。

●試驗與試點相結合，移植典型業務應用

總結經驗教訓，升級完善端-邊-云信息系統架構。

3 云邊協同體系架構研究

5G時代，隨著計算能力下沉成為趨勢，大量的業務尤其是行業應用將部署在邊緣云上。未來，電網及上下游企業、互聯網企業和廣大行業客戶，將面臨來自業務應用的剛性需求和用戶體驗提升要求等多重驅動力促使其將業務應用進行升級改造以適應云邊協同的信息系統架構演進趨勢。

基于電力多站融合數據中心打造的電力邊緣云化數字中心作為重要的邊緣算力資源，其算力成本高于中心云平臺，非時延敏感業務，由中心云處理，AI推理、策略執行等由邊緣計算平臺處理，云邊協同，合理分工，鏈路優化，提升信息服務品質。系統研究邊緣云與中心云的協同方式和技術體系架構特點，以指導未來的電力邊緣云規模商用和業務應用上云，具有廣泛的技術和經濟價值。云邊協同體系架構演進及特點如圖2所示。

圖2 云邊協同體系架構演進及特點

基于電力邊緣云的特點，按照承載的業務應用屬性、對接的不同對象等進行劃分，主要包括以下幾方面：

●電力邊緣云承載電網內部邊緣計算業務應用，實現與電網中心云（國網云）的對接；

●運營商租賃電力邊緣云基礎設施，部署5G UPF，對外提供邊緣計算服務；

●電力邊緣云基礎設施與企業及園區網絡的融合，提供融合型邊緣計算服務；

●電力邊緣云實現互聯網統一接入，與公有云的對接。

4 云網融合體系架構研究

電網企業因電力系統保護、控制和數據傳輸等需求，企業基于OPGW、地埋光纜和普通架空光纜構建了廣泛覆蓋、性能可靠，且資源具備一定冗余的龐大光纖鏈路。電網企業將閑散光纖資源進行整合，形成面向行業和社會的網絡資源，與電力邊緣云進行融合，助力運營商5G建設和行業客戶數字化轉型，為國家數字新基建戰略的發展提供重要支撐。云網融合體系架構下的邊緣云承載電網業務如圖3所示。

圖3 云網融合體系架構下的邊緣云承載電網業務

按照“大區方式”，基于OTN或SPN技術，實現跨站點的多物理數據中心互聯互通，短期內建議采用星型拓撲，將邊緣節點和區域邊緣中心節點互聯，在中心節點部署云管平臺和SDN控制器，實現網絡及計算資源的統一管控。跨節點的算力資源通過智能的網絡進行連接，讓網絡感知算力，并按照業務對網絡質量、算力能力的要求和業務優先級，通過智能化的路由進行調度，實現邊緣云與支撐網絡的深度融合。

在區域中心節點部署安全邊界防護，實現與運營商網絡的互通，便于輸電走廊監測、綜能服務、巡線等公網業務數據的實時回傳。

隨著國家電網邊緣計算產業生態建設的成熟，電網企業與運營商、行業大客戶及園區等普通客戶深度合作，進行云網融合，將電力邊緣云對外服務能力與電力對外服務傳輸網的通信能力進行整合，開發整體的云網融合一體化解決方案，深度適配行業大客戶和普通客戶的業務場景，實現電網資產的增值變現。

總結：國家“3060碳達峰、碳中和”計劃的提出，對電力行業和電網企業提出了更高要求，國家電網有限公司提出構建以新能源為主的新型電力系統，風力、光伏等新能源具有地域分布分散、供需時空跨度大、源網荷儲動態平衡要求高等特點，廣域海量的感知和實時的分布式計算需求高于傳統電力系統。

以云邊協同、云網融合理念建設的電力邊緣云相較于傳統的僅以電力自有物業空余空間出租、機架租賃、服務器托管等解決方案，具備更加廣闊的市場前景和競爭力。

未來，基于電力自有物業的多站融合數據中心及電力邊緣云平臺對內可提供廣泛的邊緣側算力支持，對外可對運營商、政企客戶等提供邊緣計算增值服務。