基于邊緣計算的輸電線路在線監測通信組網技術研究

汪強，溫東旭，呂磊，卜憲德，李永亮

（1.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000；2.國網四川省電力公司，四川 成都 610041；3.全球能源互聯網研究院有限公司，江蘇 南京 210003）

0 引言

輸電線路在線監測作為智能電網技術網絡化、信息化與自動化發展的關鍵組成部分［1-3］，可逐步代替人工巡檢方式，實時掌控輸電線路的運行狀態，提升輸電線路運行的管控水平。

目前，輸電線路在線監測系統大多采用運營商無線公網進行現場監測數據和視頻的傳送［4-6］，受無線網絡信號覆蓋差、傳輸速率低的制約，只能傳輸圖像/圖片和低帶寬的監測數據，無法高效地傳輸實時視頻等大帶寬數據。而且公網的租用費用高，運維環節多。采用光纖復合架空地線（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW）通信雖然具有傳輸速率高、實時性強、可實現視頻和監測信號的傳送的優點，但是存在不能頻繁將OPGW 光纜開口［4-5］、施工困難、纖芯協調困難等實際問題。

同時，隨著物聯網技術在輸電線路狀態感知中不斷擴大應用［7-9］，大量異構傳感器和采集業務終端接入在線監測系統，這些設備物理接口類型多樣、底層通信協議各異、傳輸媒介不同，造成數據共享存在困難。另一方面傳統的集中式管理和有限信息通道將難以適應大量數據的接入需求［10-14］，需要將計算任務下沉到在線監測設備邊緣側，提高數據研判的時效性，降低數據傳輸量和對通信帶寬的壓力。

鑒于上述情況，提出一種基于邊緣計算的輸電線路在線監測通信組網方案，重點研究輸電邊緣計算設備的功能架構和通道自動切換流程，充分利用3G/4G/5G、2.4 GHz、5.8 GHz 等不同通信制式的傳輸特性，通過構建星型、MESH 自組網以及點對點等多種組網方式來承載在線監測業務，有效解決現有通信方式通信覆蓋盲區、數據傳輸能力弱等問題，實現輸電線路的實時在線監測，提升運檢人員的工作效率，為輸電線路的在線監測與故障巡檢提供新的思路。

1 需求分析

1.1 輸電在線監測機理

隨著物聯網技術在輸電領域的大量應用［8-9］，輸電在線監測設備的物聯化日趨明晰。輸電設備管理物聯網是物聯網技術在設備管理領域的融合應用，是智能電網由系統智能化向設備智能化的延伸［15］，具有智慧化和多元化的特征。通過物聯網技術可以有效提高在線監測設備的性能指標，符合輸電網對設備狀態信息的準確獲取與網絡化交互的需要，因此，需要借助物聯網技術，研究輸電設備信息模型、網絡架構、業務交互方式、通信接口等問題，更好地實現設備管理和線路的在線監測。

1.2 多源異構業務的統一接入

輸電線路在線監測設備種類繁多，各類設備的接口差異較大，無線接口有LoRa、LTE230、公網3G/4G/5G 等，有線接口有RS232/485、Modbus、載波、以太網等；數據格式不統一，有結構化數據和非結構化數據［16］，有數值數據和視頻流數據；采用的通信標準多樣化，如Restful、MQTT、IEC104、IEC61850 等通信協議；在通信距離方面，既要支持本地通信，又要支持遠程通信；在通信方式方面，有單工、半雙工和全雙工3 種；在業務接入方面，既要兼容現有的業務終端，又要支持智能業務終端。因此，為了提升輸電線路在線監測設備在業務處理方面的靈活性和擴展性，同時考慮在邊緣側的處理能力和設備標準化發展的需求，輸電線路在線監測設備需要解決多源異構業務終端的統一接入問題。

1.3 邊緣計算

物聯網技術在輸電設備在線監測中的應用不斷擴大［7-9］，為設備狀態監測提供了更加快捷、經濟、靈活的技術實現途徑。隨著電力物聯網業務終端在輸電設備管理領域的廣泛應用，產生了海量異構數據，其采集、處理、運算對傳統的集中式管理造成極大的壓力，同時造成有限的信息通道出現擁塞［12-14］。為提升輸電設備物聯網感知與前端智能水平，解決輸電線路在線監測環境下信息通道不足、后臺計算壓力大的問題，亟須開展邊緣側的計算與研判［17-18］。利用邊緣計算，實現輸電線路在線監測數據的預處理和計算，提高數據實時處理能力，減輕網絡通道壓力，有效支撐邊緣智能服務。

1.4 多種組網方式

在輸電線路在線監測中可以采用一種或多種通信方式構建數據遠傳通道［5］，在公網信號好的區域，可以使用3G/4G/5G 通信；在公網信號不好的區域，可以使用2.4 GHz 或5.8 GHz 微波自組網通信；當發生自然災害，在公網、微波自組網信道不可用時，使用北斗短報文通信作為備用的應急通道。利用多種通信方式的各自特性，建立統一的通信網絡能夠保證輸電線路在線監測系統穩定運行。

2 輸電邊緣計算設備功能架構及通道自動切換流程設計

2.1 功能架構設計

為滿足輸電線路在線監測組網的需求，基于邊緣計算技術開發了一款輸電邊緣計算設備，其功能架構如圖1 所示，主要由通信接口、硬件平臺、軟件平臺和核心功能四部分組成，南向接入輸電線路各類業務終端，北向接入輸電物聯管理平臺、可視化監控平臺等業務平臺。

圖1 功能架構

輸電邊緣計算設備的硬件平臺主要包括處理器、存儲器、安全加密和電源等模塊，為邊緣計算提供一個可靠的硬件運行環境。

輸電邊緣計算設備的軟件平臺采用經過安全加固的Linux操作系統，為設備核心功能的開發提供一個安全的支撐環境。

輸電邊緣計算設備核心功能模塊設計如下：

1）協議解析模塊主要包括接口適配、協議適配和交換處理。接口適配負責匹配不同的通信接口，如以太網、RS485、4G/5G、2.4 GHz 等，支持輸電邊緣計算設備提供多種接入技術；協議適配實現不同通信協議的轉換，如Restful、Web Service、MQTT、HTTP等，完成輸電邊緣計算設備對多種業務的接入；交換處理模塊完成不同通信協議、不同通信技術接口下的通信數據交換處理。

2）數據處理模塊負責采集數據的本地存儲、清洗及處理等基本功能，包括第一數據處理單元和第二數據處理單元。第一數據處理單元獲取數值數據，并將數值數據與預先設定的告警閾值進行比較，如果大于告警閾值則發出故障告警信息。第二數據處理單元獲取圖像數據，依據預先設定的告警策略判斷是否需要發送故障告警信息。

3）管控模塊主要包括智能管控、智能轉發和接口配置3 個子模塊。智能管控模塊負責執行安全接入、資源配置等管理邏輯；智能轉發模塊執行網絡隔離、多模通信倒換等控制邏輯；接口配置模塊負責執行智能信道/功率調整等調度邏輯，獲取傳輸通道信號，并監測傳輸信號的傳輸報文平均時延，進而依據傳輸報文平均時延對2.4 GHz 通信單元、5.8 GHz 通信單元、3G/4G/5G 公網通信單元和北斗通信單元進行切換。

4）邊緣計算模塊負責對采集到的數值數據和圖像數據進行本地計算，并依據相應的決策做出就地處理與研判，確保輸電邊緣計算設備可靠運行。將數據計算從云端遷移到數據源頭端有利于降低網絡負載、加快服務響應速度。針對圖片、圖像等大流量數據在前端借助邊緣計算進行預處理，可以去除冗余信息，使得部分或全部視頻圖像分析下沉到邊緣側，從而降低了集中式云計算的計算、存儲和網絡帶寬的需求，提高了視頻分析處理的速度。

5）安全防護模塊提供本體、接入和通信3 個層面的安全策略。本體安全方面提供安全監測、審計和分析功能，集成了硬件加密模塊，支持哈希運算、數字證書等密碼算法。接入安全方面通過安全準入模塊實現業務終端的接入，采用安全接入模塊實現與物聯管理平臺的安全交互。通信安全方面通過安全準入模塊、加密模塊和安全接入模塊為業務數據的傳輸提供一個安全通道。

6）設備管理模塊主要實現輸電邊緣計算設備的信息查詢和配置管理兩方面的功能，提供遠程調試、監控和運維接口，還完成對設備本體、高級應用功能、通信鏈路的運行狀態進行監測。

7）人工智能模塊主要識別輸電線路通道內的外力破壞、山火、線下房屋等通道隱患，實時分析大型施工車輛、煙火、異物等目標類型，為輸電線路通道的故障及時預警和智能運維提供支撐。

2.2 通道自動切換流程設計

對于任意一個輸電邊緣計算設備C0，其通道自動切換流程設計如圖2所示。將3G/4G/5G公網通信單元的傳輸報文平均時延閾值設為t1，將2.4 GHz/5.8 GHz 通信單元的傳輸報文平均時延閾值設為t2，北斗通信單元的傳輸報文平均時延閾值為t3。

圖2 自動切換流程

具體步驟為：

1）C0上電。

2）C0經公網信道連接遠方主站。如果連接成功，并且測試報文平均延時＜t1，那么進行下一步；否則斷開連接，計時器t置0，轉到步驟5）。

3）C0打開第一個2.4 GHz/5.8 GHz 通信模塊M1。如果M1與另外一個輸電邊緣計算設備C1的微波通信模塊建立了連接，并且C1已經連接到主站，那么關閉M1。

4）C0打開第二個2.4 GHz/5.8 GHz 通信模塊M2。如果M2與另外一個輸電邊緣計算設備C2的2.4 GHz/5.8 GHz 通信模塊建立了連接，并且C2已經連接到主站，那么關閉M2。轉到步驟10）。

5）C0打開M1，如果M1與另外一個輸電邊緣計算設備C3的2.4 GHz/5.8 GHz 通信模塊建立了連接，并且C3已經連接到主站，那么C0也連接到了主站。

6）C0打開M2，如果M2與另外一個輸電邊緣計算設備C4的2.4 GHz/5.8 GHz 通信模塊建立了連接，且C4已經連接到主站，C0未連接到主站，那么C0也連接到了主站；否則，如果M2與C4的2.4 GHz/5.8 GHz 通信模塊建立了連接，且C4和C0已經連接到主站，那么關閉M2。

7）t+1時，如果t＜閾值t0且C0未連接到主站，那么轉到步驟5）；否則進行下一步。

8）如果C0連接到遠方主站，并且測試報文平均延時＜t2，那么轉到步驟10）；否則，C0斷開與主站的連接，關閉M1、M2，進行下一步。

9）C0打開北斗通信模塊，如果C0能夠與主站建立連接，且測試報文平均延時＜t3，那么進行下一步；否則，斷開與主站的連接，轉到步驟2）。

10）如果沒有數據要發送，那么等待；如果有數據要發送，那么C0發送數據，記錄平均延時t4。如果C0使用的是公網信道，且t4＞t1，那么斷開與主站連接，轉到步驟2）；如果C0使用的是微波信道，且t4＞t2，那么斷開與主站連接，關閉M1、M2，轉到步驟2）；如果C0使用的是北斗通道，且t4＞t3，那么斷開與主站連接，轉到步驟2）。

文中提到的數據是指輸電線路邊緣計算設備獲取的數值數據和圖像數據后，使用數據挖掘、圖形圖像識別等新興信息處理，在本地進行分析研判后，得到的告警與故障信息的判斷結果。

3 基于邊緣計算的通信組網方案設計

采用輸電線路邊緣計算設備，設計輸電線路在線監測通信組網方案，如圖3 所示，方案以星型無線網絡和MESH 無線網絡為基礎，匯聚每根鐵塔上的監測數據，匯聚后的數據通過點對點高速率無線網絡接力的方式傳輸至變電站。監測數據進入變電站后，經安全接入網關到后端分析設備，再通過電網專用光纖網絡傳輸至指定主站系統。

圖3 輸電線路在線監測系統通信網絡部署

針對不同的輸電線路情況可以設計不同的組網方式。

3.1 鐵塔間無遮擋組網

對于鐵塔間無遮擋的情況，選取一根中心鐵塔上的輸電邊緣計算節點設備作為匯聚節點，兩側鐵塔上的監測數據分別向中心節點匯聚，組成星型網絡，如圖4 所示。星型網絡抗單點失效性能好，組網簡單。根據現場實際情況決定使用1 對8、1 對12或1 對16 等不同組網形式，通信頻段使用2.4 GHz（2 401.5～2 481.5 MHz），采用全向天線，發射功率和工作頻率范圍滿足工信部相關規范。任意相鄰兩個星形網絡工作在不同頻點，以避開頻域干擾。

圖4 星型網絡部署

3.2 鐵塔局部走勢為直線或塔間有遮擋組網

在鐵塔局部走勢為直線或塔間有遮擋的情況下，為避免無線頻率干擾或因遮擋無法通信的問題，利用2.4 GHz 頻段繞射能力強和MESH 自組織、自愈以及自均衡的能力，采用2.4 GHz 的MESH 自組網技術，組網方式如圖5 所示，網絡中任意輸電邊緣節點設備間均能可靠地通信。根據現場情況在實際部署中可以使用4 跳、5 跳、6 跳不同組網方式，能較好應對因遮擋帶來的信號衰減問題。通信頻段使用2.4 GHz（2 401.5～2 481.5 MHz），采用全向天線，發射功率和工作頻率范圍符合工信部相關規范。任意相鄰兩個MESH 無線網絡工作在不同頻點，以避開頻域干擾。

圖5 MESH網絡部署

3.3 輸電線路局部平行組網

對于輸電線路有局部平行部分的情況，為避免無線頻率之間的干擾，一般選擇一根桿塔上的輸電邊緣計算節點作為匯聚節點，使用星型無線組網方式，如圖6 所示，把兩條輸電線路上的監測數據匯聚到同一個中心的輸電邊緣計算設備上。相較于同一輸電線路上的數據匯聚到同一輸電線路上而言，既能兼顧大規模組網，同時又可以有效避開頻域干擾。

圖6 兩條輸電線路局部平行網絡部署

3.4 匯聚后的監測數據遠傳

輸電線路監測匯聚后的數據量大，可以借助5.8 GHz 大帶寬的優勢，實現點對點的遠傳，組網方式如圖3中綠色箭頭所示，星型無線網絡或MESH 無線網絡匯聚后的總監測數據，通過點對點高速無線網絡背靠背接力傳輸至變電站。點對點通信工作在5.8 GHz 頻段，使用高增益定向天線增加傳輸距離，發射功率和工作頻率符合工信部相關規范。任意相鄰兩個點對點網絡的工作頻點保持不一致，避免頻域間相互干擾。

4 應用分析

為檢驗輸電邊緣計算設備在架空線路在線監測的實際通信組網應用能力，選擇某電網公司特高壓通道可視化項目開展線路視頻業務承載［2］。本次試點選擇具有代表性的山火與雷擊易發段、重要防外破區域等線路的200 基桿塔作為監測對象，在桿塔上安裝輸電邊緣計算設備，用以接收桿塔的監測數據，搭建輸電線路可視化數據傳輸通信網絡，最終將監測數據傳輸給就近變電站，再通過專網上傳給監控系統。

輸電邊緣計算設備能實現對輸電線路通道內的外力破壞、山火、線下房屋等通道隱患的自動識別，實時分析大型施工車輛、煙火、異物等目標類型，如圖7 所示，進行本地分析研判，并上傳邊緣分析結果及相應的圖像數據，實現輸電線路的全天候監測。桿塔上部署的導線溫度、微氣象等傳感器，可以通過LoRa/Modbus 等將采集數據接入同桿塔的輸電邊緣計算設備，實現監測點的數據圖像集中管控。

圖7 輸電線路視頻分析

本次試點自投運以來，輸電計算設備運行穩定，為輸電線路通道可視化監測提供了一個可靠的數據圖像傳輸通路，實現了各類在線監測裝置平均在線率超過98%，數據可用率超過98%；裝置缺陷消缺時間縮減到5 個工作日之內；試點區域線路主設備日常巡視由人工巡視方式調整為遠程監控為主，人工巡視為輔的方式，各類監測裝置遠程巡視周期降為每2 h一次，既節約了人力成本、減輕了人工勞動量，又提高了巡視效率。

5 結語

物聯網技術和邊緣計算技術已廣泛應用于輸電線路在線監測系統的建設，解決各應用場景下的異構多源業務終端的統一接入、數據處理和可靠傳輸。提出基于邊緣計算技術的通信組網方案，為保障輸電在線監測數據的可靠傳輸提供了有力保障，為運維人員快速辨識影響通道安全運行危險因素提供了重要依據，從而加強了運維管理和通道安全防護，提高了重要輸電通道抗風險能力，保障輸電線路的安全運行。