基于邊緣計算與5G技術的電力信息通信實時性與安全性優化研究

摘要：隨著國家大力推進智能電網建設，電網正在進行數字化轉型，電力終端會產生大量的數據，對電力信息通信的實時性與安全性提出了更高的要求，因此，將邊緣計算技術和5G通信技術引入智能電網。文章根據智能電網的業務需求引入了邊緣計算，對基于5G通信技術的通信裝置、邊緣計算技術以及相關算法進行了深入分析，通過在相關的應用場景中進行驗證，上述技術在電力信息通信的實時性和安全性方面有效發揮了作用，對于保證智能電網的安全性、穩定性、可靠性具有重要意義，可以進行大規模的推廣應用。

關鍵詞：邊緣計算；5G技術；電力信息通信

中圖分類號：TP309 ""文獻標志碼：A

0"引言

隨著智能電網的逐步發展，電力物聯網在智能電網的運行中發揮著越來越重要的作用，為智能電網基礎性業務的實現提供技術路徑^［1-2］。在電力物聯網中，傳感器、變電站、智能終端等設備由于具有智能屬性，所以能夠實現數據無縫交互，保證了智能電網的智能化水平^［3-4］。為了保證智能電網的運行效率，數據傳輸、故障診斷、狀態監控等方面都需要提高水平^［5-6］。

邊緣計算功能由邊緣服務器來實現，邊緣服務器通常配置在終端附近，這樣能夠直接提供相關服務給所需要的設備^［7-8］。邊緣計算和云計算具備一定的互補性，邊緣計算功能和數據存儲功能都配置在邊緣服務器中，由邊緣服務器將網絡中全部云計算資源進行擴展，延伸到邊緣網絡中，以便其能夠更好地為智能電網提供數據處理方面的支持，滿足不同類型電力業務的實際需求^［9-10］。

1"電力物聯網

隨著物聯網技術的深入發展，物聯網中的智能終端設備在運行中會產生海量的運行數據，海量的數據都會傳輸到云服務器中，但是云服務器不能夠完全承載。邊緣技術作為5G通信技術中的一項關鍵技術，能夠很好地應對上述問題，具備獨立計算功能的服務器可以由此介入邊緣節點中，邊緣計算的數據處理能力由邊緣節點和邊緣服務器的配置情況決定，邊緣計算在本質上是一種分布式計算^［11-12］。

將物聯網與智能電網相融合，能夠最終實現能源互聯網，物聯網能夠實時感知電網的實時運行狀態，將采集到的數據資源進行共享，提高了智能電網的運行水平和運行效率。

2"5G電力通信裝置應用分析

5G通信技術具有帶寬寬、準確度高、延時低、組網靈活的特點，利用5G網絡的切片化屬性，保證其中每一個獨立的網絡切片都具有完全獨立的網絡資源和網絡通信能力，將實際的物理網絡根據實際應用需求進行切割，得到多個切片虛擬網絡，基于QoS策略就能夠確保多個網絡切片運行性能。終端設備與網絡切片的對應關系如圖1所示。

5G電力通信設備除了包括常規功能模塊及常規功能單元外，還能夠兼容多端口、多功能的網關。該網關端口種類多、實現功能全面，能夠便捷接入常規的4G/5G網絡以及5G電力通信專用網絡，從而為電力數據的傳輸提供安全、穩定、可靠的信息傳輸通道，同時也確保傳輸安全性。5G電力通信設備具有較高的集成度，采用了多項先進技術等，不僅能夠保證數據傳輸的質量，還能夠保證數據傳輸的安全可靠。

3"邊緣計算技術及算法

3.1"邊緣計算技術

網絡邊緣終端可以是位于云計算中心和數據源之間的集網絡、計算、存儲、應用功能于一體的任意功能實體。

邊緣計算技術包含了如下幾個關鍵點：（1）虛擬化技術；（2）分布式數據存儲與處理。

邊緣計算應用于傳輸延遲低、帶寬足夠、可靠性高、連接節點多的場景。邊緣計算的運用優點是：（1）實時性能好，數據距離處理單元距離智能終端較近，大大降低了數據傳輸延時造成的影響；（2）降低了網絡的數據傳輸負載，提高了網絡的運行效率。

3.2"算法分析

本文所研究的通信網絡拓撲結構相對復雜，將星形結構和網狀結構相結合，配合中繼器，能夠運用此項技術的錯誤檢測功能以及故障排除功能。網絡拓撲結構會對網絡的性能指標產生重要影響。網絡的運行性能、安全性能、延展性能會受到連接方式和數據的傳遞方式的影響。網格拓撲結構在當下應用非常普遍，容錯率高是其最突出的優點，星形拓撲結構同樣也具有較低的容錯率，由于中心連接點處于正常工作狀態，應用較為普遍，如公式（1）所示：

G（a，b）=∑jdj fj+∑jejij+∑j.kfjT_jkij|f^（p）（1）

其中，G為云端的網關，fj為目標檢索，∑jdj為精準性位置，ejij呈現目標數據與未知數據之間的關系，T_jk為與目標相關聯的時間捕獲參數，f^（p）為過濾參數。

從本質角度來看，物聯網是接入了計算裝置、機械裝置、數字設備的網絡，網絡中的每個設備都有其單獨的標識方式，能夠自主或通過計算機控制進行數據的發送與接收。

Dj=S｛［α_gmin+δ（α_gmax-α_gmin）］+［αg（f）+αk（f）］｝∑^R_l=1S｛αg+［αg（f）+αk（f）］｝（2）

上式中，αg（f）、α_gmin、α_gmax分別代表了未知數據的平常數、最小數和最大數，S（·）描述了正確資源的材料的數量，R描述了不明的數量，Dj描述了第j層的綜合數字技術，f描述了接口的具體參數，αk描述了物體的尺寸，［］描述了［-2，+2］之間的隨機數。

3.3"基于邊緣計算的電力物聯網架構

邊緣計算是依賴于各種邊緣啟動的程序，更快速地響應網絡，以滿足實時控制、智能應用、安全防護方面的核心需求，有效降低數據傳輸壓力及數據計算壓力，從而為電網智能調度、實時監控等提供有效的技術支持。系統的基本架構主要包含了3個層級，即云層、邊緣層、端層。云層是指配置在云端的管理平臺，邊緣層是指邊緣物聯網，端層是指電網中的傳感器和執行機構等。

4"應用分析

4.1"傳輸應用

邊緣計算對于電能傳輸的需求包括輸電線路運行狀態實時監測、故障檢測及解決方案、桿塔氣象環境檢測等。以輸電線路運行狀態實時監測為例，其中普遍采用無人機檢測和內傳輸線檢測，無人機在屬性劃分上屬于邊緣層設備，須要配置紅外功能和可見光檢測功能，能夠進行智能化識別，從而完成對輸電線路智能檢測和故障的智能辨識。

采用邊緣計算技術將采集到的電力數據傳輸到物聯網中，這樣電力技術人員就能夠直接得到輸電線路的實時狀態信息，從而為電力技術人員的工作提供助力，完成相關檢測工作，提高輸電線路的運行效率、維護效率，能夠降低有效資源和時間的非必要消耗。

4.2"分布應用

配電室在電力系統中承擔了重要作用，是電力系統和用戶之間的橋梁。配電室內部配置了多種類型的傳感器，采集內部電力設備的運行狀態數據以及環境數據，構成了小型的電力物聯網，可以在配電平臺配置代理終端，從而完成對變壓器、斷路器的相關設備的監控。邊緣計算實現精確故障診斷定位和遠程智能化運維。分布應用業務主要包括低壓拓撲結構辨識、電能質量分析、故障診斷定位等。以故障診斷定位為例，邊緣節點在配電中承擔核心的角色，連接站內全部的傳感器，采集終端設備的實時數據，利用邊緣計算技術進行數據的初步分析，將運算結果推送給移動終端，提示技術人員完成相應的操作。

5"結語

邊緣計算技術在物聯網領域的應用非常普遍，作為5G通信中的一項核心技術，在狀態檢測和數據處理方面起到重要作用。本文專門對基于邊緣計算的電力通信實時性與安全性進行了深入研究。邊緣計算能夠提高智能電網的運行效率，降低數據傳輸的延時性，從而更進一步降低通信網絡的運行壓力，保證其數據只能在邊緣設備和源設備之間交互，強化了其安全防護性，能夠有效協調數據傳輸速率與云計算資源之間的匹配問題，對于智能電網的進一步發展具有重要意義。

參考文獻

［1］李彬，趙穎，祁兵，等.基于5G的需求響應通信安全問題分析與應用挑戰［J］.電網技術，2021（12）：4778-4788.

［2］陸旭，陳影，許中平，等.面向5G邊緣計算網絡的聯合需求響應與任務卸載策略［J］.中國電力，2022（10）：209-218.

［3］韓偉，張峰，蔡得雨，等.基于5G邊緣計算的配電網差動保護時延優化策略［J］.現代電子技術，2023（7）：161-166.

［4］馮春盛，王偉，付連宇，等.面向電力5G網絡的邊緣計算安全防護體系分析［J］.電力信息與通信技術，2021（9）：31-37.

［5］陳端云，蘇素燕，林巍，等.基于5G通信的配網差動保護移動邊緣計算方法［J］.信息技術，2022（3）：56-60，66.

［6］陳端云，蘇素燕，陳錦山，等.基于5G端到端網絡切片技術的配網差動保護方法［J］.微型電腦應用，2024（2）：81-84.

［7］林尾金.面向配網差動保護業務的移動邊緣計算平臺研究［J］.通信電源技術，2022（14）：89-91，95.

［8］張暉，佘蕊，張寧池，等.基于5G通信的智能配電網改造經濟性綜合評估方式［J］.科學技術與工程，2021（25）：10746-10754.

［9］曹玉文.基于5G邊緣計算的組網傳輸分散采樣值光纖差動保護同步測試分析［J］.電子技術（上海），2023（6）：42-45.

［10］馮毅雄，楊晨，胡炳濤，等.基于5G多接入邊緣計算的云化PLC系統架構設計與應用［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2024（1）：33-46.

［11］朱麗麗.基于5G邊緣計算技術的智慧校園專網云數據高效存儲方法［J］.金陵科技學院學報，2023（1）：20-24.

［12］崔俊浪，周傳凱，蔡藝培，等.面向邊緣微服務遷移的5G核心網協議定制研究［J］.信息技術與標準化，2023（9）：75-81.

（編輯"王永超）

Research on real time and security optimization of power information communication based on edge computing and 5G technology

CHEN "Fang¹， ZHAO "Chunhui²

（1.State Grid Jiangsu Electric Power Co.， Ltd.， Yangzhou Jiangdu District Power Supply Branch， Yangzhou 225200， China;

2.State Grid Jiangsu Electric Power Co.， Ltd.， Yangzhou Power Supply Branch， Yangzhou 225000， China）

Abstract： "As the country vigorously promotes the construction of smart grid， the grid is undergoing digital transformation， and power terminals will produce a large amount of data， which puts forward higher requirements for the real-time and security of power information communication， so edge computing technology and 5G communication technology are introduced into the smart grid. According to the business requirements of smart grid， this paper introduces edge computing， and conducts in-depth analysis on 5G communication technology based communication devices， edge computing technology and related algorithms. Through verification in relevant application scenarios， the above technologies have played an effective role in the real-time and security of power information communication， which is of great significance to ensure the security， stability and reliability of smart grid， and can be popularized and applied on a large scale.

Key words： edge computing; 5G technology; electric power information communication