陳兆雁，柴宜，平常，付兵彬，程紫運(yùn)

（國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，蘭州730050）

0 引言

隨著電網(wǎng)信息化建設(shè)的不斷發(fā)展，第四代移動(dòng)通信技術(shù)（4G）∕第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）無線專網(wǎng)逐漸應(yīng)用到發(fā)電、輸電、變電、配電、用電的各個(gè)環(huán)節(jié)。電力無線服務(wù)可分為控制類、采集類和移動(dòng)應(yīng)用類，包括配電自動(dòng)化、精確負(fù)荷控制、分布式能源調(diào)控、用電信息采集以及智能視頻采集等。為了支撐大量分布式需求側(cè)資源參與電網(wǎng)企業(yè)提供的可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)服務(wù)，可將云計(jì)算與邊緣計(jì)算系統(tǒng)集成，使可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)系統(tǒng)實(shí)體專注于更高級和更復(fù)雜的服務(wù)級應(yīng)用程序，并將基本的、通用的、面向服務(wù)的應(yīng)用程序外包給云，從而提高服務(wù)管理和集成水平［1］。需求響應(yīng)服務(wù)商可以借助云端的強(qiáng)大計(jì)算能力，輔助可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的負(fù)載平衡和可靠性管理，但已有學(xué)者提出了將需求側(cè)可調(diào)節(jié)負(fù)荷連接到聚合商的默認(rèn)訪問點(diǎn)時(shí)，在云環(huán)境中存在業(yè)務(wù)通信質(zhì)量難以保障的問題。盡管云計(jì)算具有強(qiáng)大的計(jì)算和存儲能力，并且被認(rèn)為是可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)系統(tǒng)的核心支撐技術(shù)，但隨著網(wǎng)絡(luò)接入終端的增多，在傳輸和集中計(jì)算等方面均表現(xiàn)出不同程度的瓶頸。霧計(jì)算是可以在云網(wǎng)絡(luò)邊緣提供計(jì)算服務(wù)的新范例，支持低延遲并提供位置感知服務(wù)。已有學(xué)者提出基于霧計(jì)算平臺，通過邊緣側(cè)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)家庭和微電網(wǎng)級別的能源管理系統(tǒng)原型，具有控制服務(wù)定制功能。IEEE 發(fā)布了IEEE 2030 TM《IEEE P2030 能源技術(shù)和信息技術(shù)與電力系統(tǒng)（EPS）、末端應(yīng)用及負(fù)荷的智能電網(wǎng)互操作性指南》，可用于指導(dǎo)末端用戶負(fù)荷與電網(wǎng)之間的互操作。國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)分局（ITU-T）也正致力于從信息與通信技術(shù)（ICT）角度進(jìn)行智能電網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作，分別在電網(wǎng)域、用戶域、智能計(jì)量域、通信網(wǎng)絡(luò)域以及業(yè)務(wù)提供者域進(jìn)行了相關(guān)研究。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）則關(guān)注于智能電網(wǎng)的概念模型，目前智能電網(wǎng)概念模型草案也已對外公開發(fā)布。需求側(cè)被作為未來參與電網(wǎng)互動(dòng)的重要資源，越來越受到學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注［2-3］。OpenADR 是伯克利國家實(shí)驗(yàn)室需求響應(yīng)研究中心依托高校及科研機(jī)構(gòu)提出的一套相對完整的互操作標(biāo)準(zhǔn)，提供了支持負(fù)荷側(cè)與電網(wǎng)互動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)模型。OpenADR 聯(lián)盟在1.0 版本的基礎(chǔ)上，陸續(xù)提出了2.0a 和2.0b 等升級版本標(biāo)準(zhǔn)［4］。國外早就已經(jīng)開始了分布式微網(wǎng)能源市場的建設(shè)規(guī)劃和研究［5］，我國需求側(cè)發(fā)展起步較晚但發(fā)展迅猛，國家電網(wǎng)有限公司通過參與IEC PC118 的標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)，在國內(nèi)成立了全國智能電網(wǎng)用戶接口標(biāo)準(zhǔn)化委員會SAC∕TC549，并牽頭完成了DL∕T 1867—2018《電力需求響應(yīng)信息交換規(guī)范》，這也是我國從系統(tǒng)層面提出的首個(gè)完整的互操作規(guī)范。該規(guī)范對OpenADR 進(jìn)行了適當(dāng)改版，以滿足國內(nèi)的需求響應(yīng)互操作要求。本文根據(jù)可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)業(yè)務(wù)發(fā)展的最新進(jìn)展，開展了關(guān)于基于5G邊緣計(jì)算的需求響應(yīng)（DR）終端接入方式以及邊緣計(jì)算動(dòng)態(tài)策略庫加載技術(shù)的研究，并嘗試提出未來5G網(wǎng)絡(luò)下可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)業(yè)務(wù)的發(fā)展思路。

1 基于5G邊緣計(jì)算的DR終端接入方式

移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）最初是由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會提出的，MEC 系統(tǒng)允許設(shè)備將計(jì)算任務(wù)卸載到網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)，如基站、無線接入點(diǎn)等。由于沒有經(jīng)歷回程鏈路和核心網(wǎng)絡(luò)，不僅可以減少延遲開銷，還可以有效降低網(wǎng)絡(luò)傳輸所帶來的能源消耗，從而延長末端物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的生命周期。由于采用分布式部署方式，單個(gè)服務(wù)器的服務(wù)規(guī)模較小，無需存儲太多有價(jià)值的信息，不容易被定位破解，可靠性更高；另一方面，大多數(shù)移動(dòng)邊緣云服務(wù)器是私有的，信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)較小。邊緣計(jì)算旨在通過邊緣端的智能處理模型降低數(shù)據(jù)傳送到云端的需求［6］，根據(jù)NIST 提出的智能電網(wǎng)概念模型，未來客戶側(cè)資源將在靈活調(diào)度能源、協(xié)調(diào)本地分布式發(fā)電組件和儲能方面發(fā)揮重要作用。隨著智能計(jì)算設(shè)備的迅速增加，未來可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)系統(tǒng)需要更加復(fù)雜的通信、計(jì)算和存儲能力，需要有超越傳統(tǒng)的15 min報(bào)告服務(wù)的能力，包括支持實(shí)時(shí)測量、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、基礎(chǔ)設(shè)施自動(dòng)化和安全認(rèn)證；同時(shí)，可調(diào)節(jié)負(fù)荷需要參與源荷互動(dòng)的調(diào)峰［7］。然而，考慮到安全、成本和操作合理性因素，通過現(xiàn)有的電力通信網(wǎng)絡(luò)難以實(shí)現(xiàn)上述功能，5G時(shí)代將有更多的控制終端接入可調(diào)節(jié)負(fù)荷（如需求響應(yīng)控制終端），需要訪問網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備將會更多。邊緣計(jì)算已經(jīng)被證明可以有效降低網(wǎng)絡(luò)的核心負(fù)載率［8］，未來基于5G 邊緣計(jì)算的DR終端將具有極大的應(yīng)用前景。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟提出的邊緣計(jì)算參考架構(gòu)3.0 由云層、邊緣層和站點(diǎn)層組成。邊緣層位于云層和站點(diǎn)層之間，提供了云層和站點(diǎn)層間的邏輯關(guān)聯(lián)，可以針對站點(diǎn)層的信息進(jìn)行處理并執(zhí)行特定的業(yè)務(wù)邏輯，以降低向云端發(fā)送數(shù)據(jù)的需求。邊緣層包括邊緣節(jié)點(diǎn)和邊緣管理器：邊緣節(jié)點(diǎn)由邊緣網(wǎng)關(guān)、邊緣控制器、邊緣云、邊緣傳感器等硬件實(shí)體組成，提供計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲等資源；邊緣管理器的核心是軟件，統(tǒng)一管理邊緣節(jié)點(diǎn)。邊緣計(jì)算系統(tǒng)通常通過以下方式使用資源：對于大量的需求響應(yīng)終端群，可通過5G 基站接入網(wǎng)絡(luò)的匯聚層和核心層，通過5G 核心網(wǎng)連接到上一級聚合商（如圖1 所示）；針對可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)參與的不同DR 項(xiàng)目，調(diào)整使用5G 網(wǎng)絡(luò)的切片資源。5G 采用高頻、中低頻雙連接方式合并網(wǎng)絡(luò)，高頻用于熱點(diǎn)覆蓋，中低頻實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋。目前共支持3 種不同的切片方案：其中增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）可以提供大容量、高帶寬的傳輸；超可靠低延遲通信（uRLLC）主要用于對象之間的實(shí)時(shí)通信，對延遲和可靠性要求極高，為了滿足低延遲的要求［9］，5G 采用了靈活的參數(shù)設(shè)置和帶寬管理機(jī)制，通過改變每個(gè)正交頻分復(fù)用（OFDM）符號持續(xù)時(shí)間來減少延遲；大規(guī)模機(jī)器類型通信（mMTC）的特點(diǎn)是有大量的連接設(shè)備，但每個(gè)設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)很少。在傳統(tǒng)的正交多址接入技術(shù)中，用戶只能獲得單一的無線資源，不能適應(yīng)這種上行鏈路密集的情況。因此，5G 采用非正交多址技術(shù)，將資源分配給多個(gè)用戶，從而獲得更高的頻譜效率?？烧{(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)可以分為緊急型和常規(guī)型：緊急型大多涉及電網(wǎng)的安全管理，應(yīng)采用uRLLC 方式；常規(guī)型的需求響應(yīng)則根據(jù)上下行業(yè)務(wù)需求進(jìn)行細(xì)分，如上行采用mMTC 方式，而下行采用uRLLC。對于中小型聚合商和區(qū)域聚合商而言，由于接入了所轄區(qū)域內(nèi)的眾多終端，每個(gè)互動(dòng)終端所產(chǎn)生的非實(shí)時(shí)報(bào)告數(shù)據(jù)可以根據(jù)時(shí)間進(jìn)行靈活調(diào)度管理，采用eMBB方式有利于提高系統(tǒng)的傳輸效率。

圖1 基于5G的DR終端接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of networked DR terminals based on 5G

網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)際上是一組建立在物理資源上的虛擬網(wǎng)絡(luò)［10］，利用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)對物理資源進(jìn)行虛擬化，采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對其進(jìn)行管理，為特定的服務(wù)提供合適的服務(wù)級別，從而達(dá)到專用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男Ч⒐?jié)約成本［11］。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)涉及端到端的過程，具體包括接入網(wǎng)切片、傳輸網(wǎng)切片、核心網(wǎng)切片以及虛擬資源分配、切片部署、切片連接等。DR 業(yè)務(wù)關(guān)心的是端到端時(shí)延特性，圖2給出了基于5G 的端到端DR 業(yè)務(wù)分段延時(shí)，可以看出，從DR 終端經(jīng)過5G 的射頻處理單元（RRU）、分布式單元（DU）、集中單元（CU）以及核心網(wǎng)到DR 邊緣側(cè)的主站，每一段都包括了無線電波的傳播時(shí)延和處理時(shí)延。為了進(jìn)一步提升業(yè)務(wù)的端到端性能指標(biāo)，可以選擇在某些中間環(huán)節(jié)進(jìn)行透傳或通過隊(duì)列管理技術(shù)提升性能，未來可以考慮引入深度學(xué)習(xí)策略增強(qiáng)DR業(yè)務(wù)的性能指標(biāo)［12］。

圖2 基于5G的端到端業(yè)務(wù)分段時(shí)延分析Fig.2 Piecewise and time-delay analysis on 5G based end-to-end service

2 邊緣計(jì)算動(dòng)態(tài)策略庫加載技術(shù)

2.1 基于邊緣計(jì)算的可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)架構(gòu)

在當(dāng)前的邊緣計(jì)算框架中，邊緣節(jié)點(diǎn)的資源通過接口封裝，邊緣管理器通過代碼下載、網(wǎng)絡(luò)策略配置和數(shù)據(jù)庫操作使用。資源被封裝到功能模塊中，邊緣管理節(jié)點(diǎn)通過模型驅(qū)動(dòng)的服務(wù)編排來組合和調(diào)用功能模塊。5G 網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算總體架構(gòu)可以由第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）標(biāo)準(zhǔn)化組織定義的5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的分布式用戶平面功能（UPF）和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ETSI）MEC 工作組定義的邊緣計(jì)算平臺（ECP）組成?？烧{(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中包括3 種實(shí)體：邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)（ECN）、聚合計(jì)算節(jié)點(diǎn)（ACN）和中央計(jì)算節(jié)點(diǎn)（CCN）。其中：ECN 最靠近用戶側(cè)，可以用于感知分析用戶的各種需求側(cè)資源和設(shè)備的狀態(tài)，并將這些狀態(tài)上報(bào)給上級管理機(jī)構(gòu)；ACN 則匯聚所轄區(qū)域內(nèi)的ECN 節(jié)點(diǎn)信息，經(jīng)過簡單的計(jì)算上報(bào)給ACN 或直接對接上級服務(wù)商；CCN 具有全局信息，可以借助人工智能（AI）技術(shù)計(jì)算分析最優(yōu)化的策略和運(yùn)行方式。圖3 給出了5G邊緣計(jì)算的可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)邏輯架構(gòu)，整個(gè)架構(gòu)可分為用戶層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層，各層功能簡要描述如下。

圖3 基于5G邊緣計(jì)算的可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)邏輯架構(gòu)Fig.3 Adjustable load interaction logic architecture of edge computing based on 5G

用戶層由各種類型的需求側(cè)資源以及配套的ECN 節(jié)點(diǎn)組成，需求側(cè)資源包括可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)系統(tǒng)中的物理設(shè)備、控制器等。用戶可以通過服務(wù)訪問點(diǎn)（SAP）向上層發(fā)起服務(wù)請求，上層將按需響應(yīng)服務(wù)請求，并且通過類似的SAP 從上層接收服務(wù)響應(yīng)。

網(wǎng)絡(luò)層可由中小型聚合商、區(qū)域聚合商以及對應(yīng)的多種通信設(shè)備組成，旨在實(shí)現(xiàn)需求側(cè)資源用戶與計(jì)算資源之間的交互，此外還可用于啟用需求側(cè)資源之間的交互以及服務(wù)層中已定義的2個(gè)子層之間的互操作。目前，除了5G 網(wǎng)絡(luò)，還有包括3G ∕4G、光纖等可支撐控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）互聯(lián)的多種異構(gòu)的融合網(wǎng)絡(luò)。此外，還可以借助軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)屏蔽底層通信設(shè)施的異質(zhì)性，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)作管理。

服務(wù)層包括2 個(gè)子層，涉及ACN 和CCN 2 個(gè)實(shí)體，支持常規(guī)云的永久云層和臨時(shí)霧的動(dòng)態(tài)層。由永久云和臨時(shí)霧中的計(jì)算能力支持的服務(wù)層，可以通過SAP 為需求側(cè)資源和用戶提供各種類型的可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)服務(wù)。在永久云層中，可以通過各種方式提供3 種不同類型的服務(wù)，即SaaS（如營銷、調(diào)度等配備的高級應(yīng)用程序），PaaS（如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫）和IaaS（如服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)），并以虛擬化形式組織可用的固定計(jì)算資源。

2.2 可調(diào)節(jié)負(fù)荷動(dòng)態(tài)互動(dòng)策略加載模型

在以往的可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)過程中，每個(gè)控制設(shè)備和終端所加載的策略通常是固定的，但隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，電力供需多方之間出現(xiàn)多種不同的業(yè)務(wù)場景［13-16］，雖然5G 網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)上支持邊緣計(jì)算的管道能力，但實(shí)際部署時(shí)仍面臨一系列問題。在組網(wǎng)方面，接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的部署方式復(fù)雜多樣。需要明確邊緣計(jì)算與接入網(wǎng)絡(luò)要素之間的關(guān)系以及邊緣計(jì)算在網(wǎng)絡(luò)中的定位，根據(jù)協(xié)議棧的不同，將接入網(wǎng)分為DU 和CU。由于核心網(wǎng)UPF 和邊緣計(jì)算平臺系統(tǒng)不能完全解析和識別DU 處理的數(shù)據(jù)，需要在CU 之后部署UPF 和ECP。服務(wù)時(shí)延要求為10 ms 或以下時(shí)可部署在接入機(jī)房，反之部署在邊緣云數(shù)據(jù)中心。

針對未來復(fù)雜能源互聯(lián)場景，可以加載動(dòng)態(tài)策略庫以滿足不同的業(yè)務(wù)需要（如圖4所示）。針對削峰填谷、新能源消納、輔助服務(wù)3 種不同的業(yè)務(wù)場景，可以通過設(shè)定不同的業(yè)務(wù)目標(biāo)和優(yōu)化目標(biāo)，動(dòng)態(tài)選擇邊緣計(jì)算策略庫最優(yōu)模型，再根據(jù)執(zhí)行效果，通過閉環(huán)反饋方式改變和調(diào)整在層級智能化終端內(nèi)部的運(yùn)行策略，即可調(diào)節(jié)負(fù)荷的信息物理深度融合模型。

圖4 邊緣計(jì)算動(dòng)態(tài)策略庫加載模型Fig.4 Loading model of the edge computing dynamic policy library

目前已有一些關(guān)于邊緣智能和云端智能融合的應(yīng)用案例［17］，云邊協(xié)同架構(gòu)也是未來5G邊緣計(jì)算在可調(diào)節(jié)負(fù)荷應(yīng)用的優(yōu)選發(fā)展路徑［18］，需要重點(diǎn)考慮不同可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)業(yè)務(wù)場景下的具體任務(wù)切割方法，尤其是針對時(shí)延敏感型的業(yè)務(wù)，需要采用差異化設(shè)計(jì)方式［19］。參考目前邊緣計(jì)算白皮書和一些典型的邊緣計(jì)算應(yīng)用［20-21］，可以考慮將任務(wù)遷移過程中的核心任務(wù)進(jìn)行分解［22］，針對不同的可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)業(yè)務(wù)場景，結(jié)合各自目標(biāo)進(jìn)行本地化的任務(wù)處理；同時(shí)，考慮云端的優(yōu)化目標(biāo)，將每個(gè)計(jì)算步驟進(jìn)行拆分，從而降低每個(gè)邊緣智能設(shè)備的計(jì)算任務(wù)量。針對基于5G 邊緣計(jì)算的可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)終端，在嵌入式板卡中引入開放計(jì)算能力，通過對外部環(huán)境和電網(wǎng)參量的智能感知計(jì)算，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)的深度信息物理融合，有效提升可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)的參與度。可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)業(yè)務(wù)所代表的垂直行業(yè)服務(wù)種類很多，服務(wù)水平的要求也有很大差異，因此，如何在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中滿足不同業(yè)務(wù)的差異化需求是一個(gè)值得關(guān)注的問題，而移動(dòng)邊緣計(jì)算、計(jì)算緩存技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)等5G 關(guān)鍵技術(shù)可以提供更為有效的解決方案。

3 結(jié)束語

本文分析了可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)業(yè)務(wù)對5G 邊緣計(jì)算業(yè)務(wù)場景的需要，根據(jù)可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)的業(yè)務(wù)流特征和參與互動(dòng)的項(xiàng)目類型，可分別采用uRLLC，mMTC，eMBB 等不同的5G 傳輸方式。由于電網(wǎng)中的工業(yè)控制服務(wù)對時(shí)延要求非常嚴(yán)格，在向核心網(wǎng)傳輸時(shí)很難滿足時(shí)延要求；同時(shí)，可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)業(yè)務(wù)涉及大量終端，降低能耗也是剛性需求：因此，可將這種時(shí)延敏感或能耗敏感的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行處理。未來5G邊緣計(jì)算中，網(wǎng)絡(luò)編排功能是切片技術(shù)的核心，需要根據(jù)服務(wù)需求實(shí)例化特定的切片，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況分配資源并進(jìn)行路由和切片部署。實(shí)時(shí)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)資源是動(dòng)態(tài)變化的，可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)業(yè)務(wù)運(yùn)營者需要同時(shí)考慮基礎(chǔ)設(shè)施的物理資源利用率和業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量，才能保證可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)業(yè)務(wù)順利開展。