基于邊緣計算的輸電線路在線監測通信組網技術研究

張紹北

（中國南方電網超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545000）

0 引 言

輸電線路在線監測系統是智能電網建設的重要組成部分，對掌控輸電線路實時狀態、提升輸電線路運行管控水平等方面起到了積極的推進作用[1]。各地主要采用運營商提供的無線公網傳輸輸電線路狀態數據，但公網大多布設在偏遠地區，存在信號覆蓋弱、傳輸速率低的缺點，只能用于傳輸圖像等低寬帶數據，像視頻類高寬帶數據則無法實現穩定傳輸。公網通信模式使用費用高、維護環節較多，增加了數據傳輸成本。光纖傳輸具有傳輸效率高、實時性強的優點，但存在施工困難、纖芯協調困難等實際問題。此外，有少部分輸電公司采用無線專網傳輸，雖然和公網相比傳輸相對穩定，但是功耗較大，需要配備專門的電源系統，增加了維護成本。

隨著物聯網技術的不斷發展，大量異構傳感器和采集業務終端連入輸電線路在線監測系統。這些物理設備存在因通信串口、通信協議、傳輸媒介不同而引發的數據聯通問題，不僅對網絡傳輸帶寬的需求較高，而且大幅增加了采集數據量，增加了數據中心的工作強度。

邊緣計算作為一種能夠減少數據傳輸、就近及時處理數據的網絡技術，非常貼合當前輸電線路狀態在線監測系統的需求。因此，重點研究當前在線監測通信網絡的實際情況，設計合理的邊緣計算功能架構和適用的邊緣計算通信組網，更好地完善輸電線路的實時監控，為輸電線路的高效、穩定運行提供助力。

1 邊緣計算

1.1 邊緣計算的概念

邊緣計算也稱為邊緣處理，是一種將服務器放置在本地設備附近的網絡技術。所有的數據處理都是在傳感器或生成數據的設備處執行。服務器放置于設備附近，不僅有助于減少系統處理負載，還解決了數據傳輸延遲的問題[2]。

1.2 邊緣計算的優點

（1）運營效率高。邊緣計算通過收集本地站點的數據實現大量數據的快速處理，相比原先將所收集的數據發送到幾個時區之外的中央云或主數據中心更節省時間，運營效率更高。

（2）響應時間快。傳統數據處理是將收集的數據統一發送至中央處理器，會出現數據延遲、網絡瓶頸以及數據質量下降等問題。而邊緣計算能夠繞過集中式云和數據中心位置，可以更快、更可靠地實時處理數據，響應迅速。

（3）提高生產力。邊緣計算使企業能夠更快地完成項目交付，提高企業生產力。此外，在利用自動化和預測性維護的智能工作場所中，邊緣計算能夠確保員工所操作的設備平穩運行，不會出現中斷或其他容易預防的錯誤。

（4）提高工作場所安全性。在設備故障或工作條件變化時，基于物聯網傳感器和邊緣計算所獲得的設備現場或附近的實時數據，能夠及時發現安全隱患，從而提高工作場所的安全性，保障人們的生命財產安全。

（5）更強的遠程控制能力。在互聯網連接時斷時續或網絡寬帶有限的遠程地點，邊緣計算能夠使數據收集變得更加容易、便捷，具有更強的遠程控制能力。邊緣計算自帶的處理器能夠記錄和處理實時數據，將相關數據傳輸到中央數據中心進行進一步的處理和分析。

1.3 邊緣計算的應用場景

目前，邊緣計算憑借其優勢已經在諸多領域得到應用。第一，自動駕駛。汽車的人工智能芯片通過集成算法和傳感器，在車內完成邊緣計算，從而保證車輛數據處理的實時性。第二，智能家居。基于邊緣計算和無線傳感技術建立智能家具聯動機制，實現穩定運行。利用家中的邊緣服務器節點，通過有線傳感器或無線傳感器收集信息，調控室內環境。第三，智慧養老。基于室內傳感器和可穿戴設備采集用戶信息，通過邊緣計算節點進行用戶行為識別和異常判斷等。

此外，邊緣計算在智慧城市、智慧教育領域都有所應用。結合邊緣計算在智慧場景中的各種應用，應用邊緣計算推動智慧電力的發展，前景相當可觀。

核心功能模塊是邊緣計算設備最關鍵的部分，其發揮著重要作用。協議解析主要是針對通信接口和通信協議的多樣性，開展相應的接口適配和通信協議轉換，保證多樣化數據的快速傳輸。此外，在不同的協議與接口之間進行數據交換處理，實現異構設備之間的信息聯通。

數據處理模塊主要針對終端裝置采集的數據進行存儲、整理及分析處理，通過存儲實現數據的后續可查，通過整理實現無效數據的清除，通過分析處理實現對數據信息的反饋。數據處理主要涉及兩方面內容：一方面是針對數值數據進行處理，若數值超過事先設定的告警閾值，則發出故障告警信息；另一方面是針對圖像數據進行處理，若現有圖像與事先設定的圖像之間存在一定比列的偏差，則發出故障告警信息。

邊緣計算模塊負責對采集的數據和圖像信息進行本地計算，依據結果對應的設定行為發出行動指令，從而保障輸電線路的穩定運行。通過邊緣計算可減少不必要的數據傳輸，簡化數據中心的處理工作，有助于釋放通信帶寬并降低數據中心荷載。

智能管控模塊負責執行安全接入、資源配置等管理邏輯，并監測傳輸信號的報文傳輸平均時延，進而依據報文傳輸平均時延切換不同的通信方式。

安全防護模塊主要負責邊緣計算設備自身、接口及通信3個方面的安全保護。對于設備自身的安全防護，可以添加具有安全監測和分析功能的硬件模塊；對于接口的安全防護，可以添加安全準入模塊對終端設備的接入提供預防，添加安全接入模塊實現與管理平臺的雙向傳輸；對于通信的安全防護，可以綜合運用安全準入模塊、安全接入模塊以及加密模塊。

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，提供遠程調試、監控及運維接口，可監測設備本體狀態、通信鏈路的運行狀態等。

人工智能模塊主要識別輸電線路通道附近和通道內是否存在外力破壞等安全隱患，實時分析并識別大型施工車輛、煙火以及異物等目標，為輸電線路通道的故障報警和智能運維提供支撐。

2 輸電線路在線監測通信網絡邊緣計算功能架構設計

根據邊緣計算功能需求和輸電線路在線監測組網需求，設計的輸電線路邊緣計算設備由通信接口、硬件平臺、軟件平臺以及核心功能模塊4部分組合而成，具體如圖1所示[3]。

圖1 輸電線路邊緣計算設備結構

由圖1可知，輸電邊緣計算設備架設在物聯管理平臺和可視化監控平臺之間，其中多樣化的通信接口能夠滿足邊緣計算設備與異構終端裝置和管理平臺之間的通信需求。硬件平臺為邊緣計算設備的運行提供了必要的硬件支撐。軟件平臺為邊緣計算設備的核心功能提供安全的運行環境。

核心功能模塊是邊緣計算設備最關鍵的組成部分，其管控、安全防護以及設備管理都屬于常規功能。協議解析主要針對通信接口協議進行解析，實現相應的接口適配和通信協議間的轉換，以保證能夠進行數據多樣化傳輸。除此之外，在不同的協議與接口之間進行數據交換處理，實現異構設備之間的信息聯通。

針對終端裝置所采集的數據進行存儲、整理以及分析處理，通過存儲實現數據的后續可查，通過整理實現無效數據的清除，通過分析處理實現對數據信息的反饋。數據處理主要涉及2方面內容：一方面是針對數值數據進行處理，若數值超過事先設定的告警閾值，則發出故障告警信息；另一方面是針對圖像數據進行處理，若現有圖像與事先設定的圖像之間存在一定比列的偏差，則發出故障告警信息。

人工智能主要識別輸電線路通道附近和通道內是否存在外力破壞等安全隱患，實時分析并識別大型施工車輛、煙火以及異物等目標，為輸電線路通道的故障報警和智能運維提供支撐。

3 基于邊緣計算的通信組網方案設計

目前輸電線路狀態監測傳感器一般架設在塔桿上，因此輸電線路狀態在線監測通信組網可將邊緣計算設備設置在一個塔桿上，根據輸電線路塔桿的位置狀態，以這一塔桿為數據匯聚中心，構建星型無線網絡和Mesh無線網絡。將網絡覆蓋的所有塔桿數據匯聚一體后，通過點對點高速率無線網絡接力的方式將其傳輸至變電站。星型無線網絡部署如圖2所示，Mesh無線網絡部署如圖3所示。

圖2 星型無線網絡部署

圖3 Mesh無線網絡部署

3.1 塔桿間無遮擋的通信組網

在輸電線路塔桿之間沒有遮擋或塔桿局部處于相對平行的情況下，可以選擇將一根中心塔桿作為匯聚節點，圍繞中心塔桿的其他塔桿會將收集的數據傳輸到中心塔桿的邊緣計算設備，構建星型網絡[4]。其中，中心塔桿與周圍塔桿聯通的個數可以根據現場實際情況進行選擇，一般可以按照1對8、1對12或1對16等不同組網形式實現。這種組網方式結構簡單，且抗單點失效性能強。匯聚塔桿與周圍塔桿之間的通信可采用全向天線，使用2.4 GHz通信頻段進行通信，具體應用中需要保證其中任意2個相鄰的星型網絡通信頻段不在同一頻點，避免產生信號干擾。

3.2 塔桿間有遮擋的通信組網

輸電線路上塔桿局部走勢為直線或塔間有遮擋的情況下，可以選擇在一個塔桿上安裝邊緣計算設備，并以這一塔桿為中心向單邊輻射，將附近的塔桿收集到的數據匯聚到邊緣計算設備中構建Mesh網絡[5]。單邊輻射塔桿的數量可以根據現場實際情況，選擇4跳、5跳或6跳等不同的組網方式，以有效避免信號衰減帶來的通信問題。匯聚塔桿與周圍塔桿之間的通信可采用全向天線，使用2.4 GHz通信頻段進行通信。同時，要保證其中任意2個相鄰的Mesh網絡通信頻段不在同一頻點，避免產生信號干擾的問題。

4 結 論

通過將邊緣計算融入輸電線路狀態在線監測組網，能夠實現對網絡覆蓋范圍內輸電線路的信息高效處理，同時可以保證只有在出現特定異常情況時，數據才會由邊緣計算設備向管理中心傳輸，有效解決了帶寬問題。除此之外，在面對突發問題時，借助邊緣計算能夠及時處理反饋信息，從而采取合理的解決措施。通過對基于邊緣計算的輸電線路在線監測通信組網技術的拓展，能夠優化完善輸電線路狀態的監測，提供更加穩定、安全的實時信息反饋，為輸電線路的巡查維護工作提供更大的便利。