5G 邊緣計算與電力設施融合部署模式探析

劉元瑩 侯超 童彤

(國網江蘇省電力有限公司鎮江供電分公司,江蘇鎮江 212002)

1 邊緣計算技術的相關概述

1.1 邊緣計算技術的發展由來

在過去的40年中,集中式和分布式架構的二者之間的算力和處理不斷的循環的使用。處于2 1 世紀之中,互聯網、企業IT和智能手機的逐漸被大范圍的用于商用,掀起來了把大型集中服務器群作為依據而出現的云計算浪潮。很多公司也逐漸演變為該領域的先鋒,比如云計算中規模比較大的商家,亞馬遜、微軟和谷歌等是占有比較突出的地位。目前,也有一些公司逐漸地融入到這個大環境中,還處于不斷的規模變大,這就是IBM、Oracle以及中國的阿里巴巴和騰訊等這些后來居者。對于邊界而言,根本就無法給出準確的含義,可是通過一些現象顯示,邊緣計算正處于飛速發展的趨勢,這將對于算力和資源,能夠與客戶的分布部署更加地貼近可能會得以實現。就其根源來看,說明業務模式逐漸以網絡為中心發展成把工作負荷作為基點,具有本地性已經成為第一要務,這也不是丟掉西瓜撿芝麻的情況,云數據集中化也不會因此而變得不重要,它仍然是繼續擴大整體的容量,如物聯網和企業、5G時代低時延業務的發展逐漸把計算更加的貼近用戶的需求。3GPP含義要跟C/U分離的網絡架構,在5G網絡運行的過程中,UPF是MEC的數據進入的端口;ETSI能夠確定MEC所屬于的商業格局,主要是應用場景、全部的架構、部件以及API端口。UPF是ETSI與3GPP網絡架構相結合的錨點。在5G網絡中,用戶平面功能(UPF)的集成MEC分布里有著必不可少的作用。App是單純的軟件方式需要通過MEC可以提供,然后運行于虛擬技術框架以基礎設施作為基礎。數據面主要是把UPF作為錨點,進而再去進行連接+計算的匯集相融合節點。

1.2 邊緣計算技術理論

邊緣計算技術主要是云計算的延伸,用戶通過邊緣基礎設施或者大量的數據終端享受就近的服務,云計算主要是整體的掌控,而邊緣計算則把重點放在局部實時監控。邊緣計算主要有三個層面的核心技術:

(1)網絡技術。邊緣計算對臨近的數據源或數據端實現實時追蹤,快速配置、承受能力平衡和服務發現是邊緣計算的網絡結構。(2)隔離技術。想要邊緣計算服務擁有穩定性和可靠性就得靠著隔離技術來進行實現。隔離技術可以使邊緣計算資源進行隔離,在計算資源獲取過程不會產生外界的干擾,還可以使計算數據實現隔離,使程序訪問擁有各自的權限。(3)安全技術。邊緣計算跟用戶關系貼近,用戶在數據傳輸時,有可能會出現信息外泄的情況,邊緣計算依靠網絡安全和系統安全技術,使攻擊者不能攻擊入侵,把安全和信息泄露的問題做到有效的處理。那么邊緣計算還會出現在操作系統技術、新的系統結構、最新算法運行框架以及大規模新數據處理的平臺等技術領域中。

2 5G邊緣計算與電力設施融合部署模式

2.1 用電異常檢測

居民不正常的用電,企業多年的供電線路就會受到嚴重的損失,電力企業有序的運轉受到嚴重的制約。異常耗電出現的頻率過多,會給電力企業帶來較為嚴重的經濟效益下降的問題,還可能危及到人們的人身安全。所以,異常用電的檢測裝置具有智能高效的作用,這對于電力行業的管理部門有著巨大的影響力。當前我國主要依靠人工進行逐個排查或是用電數據庫的波動規律來進行預估的方法,這就是電力行業異常用電檢測最常用的方法。這些方法有很多的弊端,如適用性過低、準確率和效率達不到要求等情況。現在可行度高的處理方法,用戶設備通過邊緣人工智能,對于定位和電力異常檢測達到更好的效果,通過使用PCA+孤立森林的異常用電檢測模型來實施。最開始用PCA降維對數據降維進行改善,使大量的數據維度的降維到幾十個甚至到幾個,然后把降維后的數據傳輸進孤立森林算法的模型中,來開展有關的演練,用戶能夠在正常用電的情況下,行為邊界有效的被獲取到。用戶在正常用電行為達到行為邊界時,然后再根據用戶的所得到的用電情況,進行即時的分析,若是超過正常用電的行為的邊界,這也就有可能出現了異常用電行為。應用PCA+孤立森林模型對服務器、網絡等IT基礎設施進行對異常做出相應的檢測,模型上所顯示的精確度保持在99%左右,這就能夠確保電力行業對于用電異常檢測所具有的能力,可以達到比較低的延時性和準確程度較高[1]。

2.2 MEC與電力變電站融合

變電站所使用的傳感器是比較多的,例如,具有振感的傳感器、溫度傳感器、針對漏電的傳感器、科技性強的視頻式的傳感器、嵌入式傳感器等,以上的所涉及到的傳感器對于變電站具體的運行情況做實時監測、變電站的裝置所處的位置,還要針對變電站的相關數據進行周密的研究和分析。通常在安裝信息收集的裝置(基站或匯聚節點)就可以把各種傳感器所得到的數據進行集中到一起來采集。其還具有較強的協調性,還可以對異構網絡設備和傳感設備得到的信息做有效的收集和處理。變電站有兩個部分組成:具有智能化的高壓設備和變電站共享的信息平臺。智能化的高壓設備又被分成了智能變壓器、智能高壓閉合裝置、電子變壓器這幾種。變電站共享的信息平臺的功能主要是:它是水平信息共享的系統,使各種上層應用管理系統獲得更加統一的信息;它還是垂直信息標準化系統,主要使上層應用達到的透明化。變電站通過邊緣計算,能夠對絕大多數業務做到定位準確,把信息的處理達到智能化、設備溫濕度等相應的數據、人體和動物做出實時的監管任務等。邊緣計算采用最多的就是本地智能應對,對本地的邊緣網絡的信息進行收集。邊緣計算還能夠對主要的信息給出相應的決策,例如警報、智能儀表上得到的數據等,然后再對獲得的信息進行逐個的剖析后,接著把收集到的信息上傳至云計算的重要的位置,最后再做出及時的處理[2]。

2.3 MEC與電力開關站融合

在城市大街小巷時常會看到很多門外寫著“高壓危險”的“小房子”,這些是電力開關站或“箱式變電站”或“環網單元”。《規范》提出“10(20)kV開關站宜與10(20)kV配電室聯合起來建設”。開關站或環網單元的內部空間狹小,跟城市變電站相比,多余的空間比較小,考慮可以預留出10～15m2的空間,進行部署2～3個機柜和10～20kVA電源容量,還要有專門開設MEC業務專用門,更加方便于MEC部署和運維作業等。MEC與電力開關站融合部署如圖1所示。

圖1 MEC 與電力開關站融合部署圖Fig.1 MEC and power switch station integration deployment diagram

城市開關站主要位于城市的負荷的中心部位,如果其能跟MEC做到相互結合,電力物聯網、城市慧眼、無人駕駛、城市的智慧機器人等使這些場景為邊緣計算資源帶來高帶寬、低時延的特點。

3 應用場景和方案

(1)電力融合末端。處于電力融合末端的環境下,把分開的部分進行有效的統一化架構,他們所設計的理念主要是傳統架構的優點未超過邊緣計算,然后末端系統功能被系統所做出深層次的改善,然后確定每部分之間都有相連接的點。在系統在實施優化時,要把各個系統的好的地方要盡量的留住,取長補短,把每個系統都能融入到其他里面,進而達到本文起初的目標。具體有三部分來構成,分別是數據傳輸的優化、網絡側的減壓、故障局域化。圖2 所示關系結構圖。數據響應和網絡側減壓的構造里,保存著一個拓展結構的部分,針對信息傳輸路徑進行改善時,要把網絡側減壓這部分融入到其中,這主要是對數據的訪問和存儲,不需要每次都要去訪問主數據庫和核心服務端,選取臨近的數據庫來對數據實施更新和使用。在通信方面,核心控制終端的部分就是跟基礎業務的無關的聯系盡量減少,加強與地方存儲中心和服務端的聯系,把數據做出相應的改正和運送。在路徑的改進的部分,要留一部分當作攔截來使用,還要把故障局域也參與到里面,使電力故障可能會產生的危害降到最低[3]。

圖2 關系結構圖Fig.2 Relationship structure diagram

在冗錯部分中,邊緣平臺基礎設施層的創建要根據通用服務器來進行,使用網絡功能的虛擬性的模式,時之成為主要信息的趨勢的一種處理措施。在基站原始數據研究時,把數據冗錯功能添加到其中,對于故障問題產生的錯誤信息在最開始就進行解決。總而言之,邊緣計算能夠使末端的融合系統可以得到有效的改善,使信息技術能夠為電力末端融合系統的安全、可靠、運用有力重要的理論支持。在每個節點中,依據網絡狀況和觀測情況是節點存儲的最佳選擇,那么最佳網絡的抉擇是通過數據傳輸和計算服務器處理出最優的計算,使故障存在在局部,這樣系統的冗錯能力和安全性都能夠有了一定的保障。

(2)電網智能巡檢。根據邊緣計算的實時監測和秒拍架空線路的具體情況,來實施有效的分析解決,有效的避免作用不大的圖片的回傳,使寬帶壓力得到相應的降低,云計算的負荷受壓也得到減輕。邊緣計算設備系統依靠智能的計算方法和實時監測的變電工作站和配電房等的運轉實際情況,把得到的電力系統運行的數據做到隨時進行采集分析和相應的處理。

(3)綜合能源管理。邊緣能源計算管理系統的用戶對各種類型本地資源進行整體性的調度和波動觀測,智能化綜合管理與能源綜合使用之間相互協調、使網絡實現整合、電力消納的效率更高,使得能源負荷和綜合預測和能源可以實現綜合化的管理。另外,用電管理的正常運行、可靠度高的低時延監測、控制型的業務情況,以及家庭的能源網湖泊、電力側響應的供應、海量非侵入式負荷監測的相關采集類業務場景等都可以依靠邊緣計算來進行有效的實施。

4 結語

新的時代有新的使命,新的技術孕育新的機遇邊緣計算作為建立數據驅動的泛在物聯網應用的關鍵技術,為電力行業賦能發揮積極作用。5G技術的高帶寬、低時延和海量連接等技術特性預示著未來的行業應用場景將向著大帶寬、短時延、大連接的方向發展。