賈濱誠

（國網(wǎng)河南省電力公司新鄉(xiāng)供電公司，河南新鄉(xiāng)453000）

0 引言

為響應(yīng)“新基建”國家戰(zhàn)略需要，2020 年國家電網(wǎng)有限公司與中國廣播電視網(wǎng)絡(luò)有限公司合作，加大對5G 基礎(chǔ)設(shè)施的投資，隨著電力設(shè)備的升級更新，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備逐漸擁有可以支撐邊緣計算的能力［1-2］。在能源互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的背景下，邊緣計算（Edge Computing，EC）作為一種近年來新興的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可在設(shè)備數(shù)據(jù)處理、通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等多個方面服務(wù)于智能電網(wǎng)的發(fā)展和建設(shè)［3-4］。

由于電網(wǎng)地理分布廣泛，電力設(shè)備數(shù)據(jù)種類多，且對于不同電力設(shè)備，數(shù)據(jù)采集方式不同，導(dǎo)致電力設(shè)備運行數(shù)據(jù)具有異構(gòu)、海量的特點［5］，采集存在一定困難。數(shù)據(jù)特征的多樣性，導(dǎo)致直接采用現(xiàn)有數(shù)據(jù)處理模型進行分析處理較為困難［6］。邊緣計算能夠很好地解決這些問題，邊緣計算是利用網(wǎng)絡(luò)中采集和通信節(jié)點過剩的數(shù)據(jù)處理能力，在靠近實物或者數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲以及應(yīng)用的分布式開發(fā)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)［7-9］。這種技術(shù)滿足了電力行業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)字化、實時性及安全性的要求，可以作為實際電力生產(chǎn)設(shè)備與智能電網(wǎng)的連接橋梁。

邊緣計算在網(wǎng)絡(luò)邊緣直接對數(shù)據(jù)進行初步處理，完成數(shù)據(jù)流量的卸載分流，有效降低了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸及上層云服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理壓力［10］。邊緣計算網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)更加實時和靈活，支持多種物理層接口及工業(yè)協(xié)議，并且引入軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）對本地網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，適應(yīng)電力設(shè)備信息管理對于低延遲的要求［11］。隨著電力設(shè)備智能化程度的提高，未來一個電力設(shè)備將與多個邊緣節(jié)點交互，有效降低數(shù)據(jù)處理難度，當上級節(jié)點出現(xiàn)故障時，多個邊緣節(jié)點可以暫時互聯(lián)，支持基本業(yè)務(wù)以保障正常的電力設(shè)備運行生產(chǎn)。

目前邊緣計算已經(jīng)應(yīng)用于電力行業(yè)的多個領(lǐng)域。文獻［12］中邊緣計算與區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合，考慮源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)對實時性、可擴展性和安全性的高要求，提出了面向源網(wǎng)荷儲系統(tǒng)的邊緣計算應(yīng)用框架。文獻［13］以電纜接頭為對象，研發(fā)了基于邊緣計算的檢測單元，針對放電過程中釋放的紫外和紅外信號的采集、數(shù)據(jù)傳輸、處理及特征辨識，對電纜的運行狀態(tài)進行感知。目前，邊緣計算與云計算、區(qū)塊鏈相互協(xié)同也成為研究熱點，為了更好地管理能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。文獻［14］將3 種計算相結(jié)合，提出了基于邊云鏈協(xié)同技術(shù)的能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理方案，為能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享與數(shù)據(jù)運營的實現(xiàn)提供技術(shù)支持。本文將邊緣計算技術(shù)應(yīng)用于電力設(shè)備信息管理及運行維護，構(gòu)架了基于邊緣計算的電力設(shè)備信息管理框架，分析了邊緣計算應(yīng)用于電力設(shè)備運維的關(guān)鍵技術(shù)，最后結(jié)合實際生產(chǎn)，對邊緣計算在電力設(shè)備運行維護中的典型應(yīng)用案例進行分析。

1 基于邊緣計算的電力設(shè)備信息管理系統(tǒng)

為了構(gòu)建基于邊緣計算的電力設(shè)備信息管理系統(tǒng)，需要分析邊緣側(cè)所需承擔的業(yè)務(wù)。整體的電力設(shè)備管理系統(tǒng)按照云、管、端的體系結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，以滿足電力物聯(lián)網(wǎng)及信息通信技術(shù)的發(fā)展要求。邊緣計算在電力設(shè)備信息管理系統(tǒng)中的應(yīng)用框架如圖1所示。邊緣側(cè)位于云平臺應(yīng)用與底層物理設(shè)備之間，分為網(wǎng)絡(luò)控制層和應(yīng)用接口層。網(wǎng)絡(luò)控制層針對下層異構(gòu)的電力設(shè)備的數(shù)據(jù)采集終端網(wǎng)絡(luò)，為其提供一致的協(xié)議互聯(lián)、連接管理以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點狀態(tài)監(jiān)測。應(yīng)用接口層針對上層云平臺，對數(shù)據(jù)進行初步處理，并為上層云平臺提供統(tǒng)一且便于調(diào)用的數(shù)據(jù)接口以及通信抽象服務(wù)接口?；谶吘売嬎愕碾娏υO(shè)備信息管理系統(tǒng)可根據(jù)這一體系架構(gòu)對電力設(shè)備進行全生命周期的、系統(tǒng)性的監(jiān)測和管理。

網(wǎng)絡(luò)邊緣層以下為數(shù)據(jù)采集終端層，為整個管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)采集服務(wù)。采集終端分布廣泛，實現(xiàn)對電力設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與遠程控制。終端節(jié)點直接與邊緣節(jié)點相連接，邊緣節(jié)點將其所采集的數(shù)據(jù)進行聚合處理。

圖1 邊緣計算在電力設(shè)備信息管理系統(tǒng)中的應(yīng)用框架Fig.1 Application framework of edge computing in power equipment information management

網(wǎng)絡(luò)控制層對邊緣計算節(jié)點進行組網(wǎng)，邊緣節(jié)點網(wǎng)絡(luò)包括傳輸網(wǎng)和接入網(wǎng)。傳輸網(wǎng)采用電力通信網(wǎng)，接入網(wǎng)根據(jù)實際情況選用光纖或銅芯雙絞線。網(wǎng)絡(luò)控制層為接入設(shè)備提供標準的接入?yún)f(xié)議，為邊緣節(jié)點的一致性連接提供協(xié)議保障。邊緣節(jié)點實現(xiàn)底層傳感器數(shù)據(jù)的匯集與存儲。由于電力設(shè)備眾多，底層傳感器所采集的數(shù)據(jù)量較大，采用邊緣節(jié)點對數(shù)據(jù)進行匯集和存儲可有效降低云平臺計算和存儲的壓力［12］。并且由于電力數(shù)據(jù)對于信息安全的要求性較高，數(shù)據(jù)敏感，集中存儲需要承擔更大的風險，一旦數(shù)據(jù)泄露或者失效，將會承擔不可逆的結(jié)果，故而采用邊緣節(jié)點進行存儲和處理，將數(shù)據(jù)進行脫敏，在降低云計算中心節(jié)點計算壓力的同時可有效提高信息安全［15］。

應(yīng)用接口層可為上層云平臺提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，為其提供連接管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理等多種基礎(chǔ)服務(wù)。EC應(yīng)用接口可對常用業(yè)務(wù)進行集成，并可支持多種上層云平臺的快速接入，使云平臺的業(yè)務(wù)請求能夠靈活、快速地完成。EC節(jié)點可基于現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為上層云平臺提供查詢通信連接狀態(tài)的接口，對下一次網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)進行感知和故障分析。應(yīng)用接口層屏蔽了底層傳感器異構(gòu)的通信協(xié)議和接口，實現(xiàn)了不同終端與云平臺的協(xié)同。上層云平臺無須與具體傳感設(shè)備相連，而是實現(xiàn)面向?qū)ο蟮脑O(shè)備管理，使上層云平臺更為高效可靠［16］。針對EC 節(jié)點對于數(shù)據(jù)的存儲功能，數(shù)據(jù)接口層提供的數(shù)據(jù)采集接口根據(jù)不同數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化處理，并按照不同業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)進行模塊化存儲，方便上層云平臺調(diào)用。

由于EC 設(shè)備提供了豐富的數(shù)據(jù)接口，上層云平臺也可隨之進行業(yè)務(wù)擴張，在現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)，面向單獨電力設(shè)備構(gòu)建鏈式的信息存儲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對電力設(shè)備的全生命周期管理?；谶吘売嬎愕碾娏υO(shè)備監(jiān)測層級結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于邊緣計算的電力設(shè)備監(jiān)測層級結(jié)構(gòu)Fig.2 Hierarchical structure of power equipment monitoring based on edge computing

2 邊緣計算在電力設(shè)備運行維護中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 邊緣網(wǎng)絡(luò)部署方案

邊緣計算在電力設(shè)備運行維護中的部署分為4個階段，分別為硬件部署、數(shù)據(jù)部署、服務(wù)部署和應(yīng)用部署［17-18］。硬件部署階段是對現(xiàn)有傳輸節(jié)點的升級和改造，使其具備一定的智能計算能力，為邊緣計算的整體部署提供最基礎(chǔ)的硬件條件。同時對于一些老舊網(wǎng)絡(luò)進行擴容，減少數(shù)據(jù)傳輸中遇到的瓶頸鏈路和節(jié)點，提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。數(shù)據(jù)部署階段是基于通用信息模型（Common Information Mode，CIM）對電力設(shè)備建立標準的信息模型，包括電力設(shè)備的名稱、類型、使用年限等基礎(chǔ)屬性信息，對不同的電力設(shè)備進行清晰的數(shù)據(jù)刻畫。服務(wù)部署階段需要為邊緣網(wǎng)絡(luò)制定統(tǒng)一的信息交互規(guī)范，在前一階段構(gòu)建的電力設(shè)備信息模型的基礎(chǔ)上，對服務(wù)進行定義，即定義面向不同電力設(shè)備的動作指令；可參考超文本傳輸協(xié)議（HTTP）、擴展消息與表示協(xié)議（XMPP）等，提出邊緣網(wǎng)絡(luò)中統(tǒng)一的電力設(shè)備信息交互協(xié)議，為構(gòu)建標準化的接口提供協(xié)議保障。應(yīng)用部署階段即形成針對上層云平臺的抽象通信服務(wù)接口（ACSI），將應(yīng)用業(yè)務(wù)的操作抽象為“動作+數(shù)據(jù)”模式，其中動作包括讀取、更改、添加、刪除，EC 節(jié)點會根據(jù)業(yè)務(wù)指令，完成對電力設(shè)備的控制。

2.2 邊緣數(shù)據(jù)處理

邊緣存儲是利用邊緣節(jié)點的存儲能力，將數(shù)據(jù)進行緩存和處理，進而減輕上層云平臺的數(shù)據(jù)存儲壓力，邊緣節(jié)點數(shù)據(jù)處理模式如圖3 所示。邊緣節(jié)點與傳感器節(jié)點直接相連，相比于云平臺更加靠近數(shù)據(jù)源，遇到緊急事件，邊緣節(jié)點可以更快地做出決策。在現(xiàn)階段，邊緣節(jié)點作為云平臺儲存空間的補充，數(shù)據(jù)源首先將數(shù)據(jù)上傳至邊緣節(jié)點，邊緣節(jié)點可以將數(shù)據(jù)緩存，在云平臺上可隨時獲取邊緣節(jié)點的數(shù)據(jù)，降低了云平臺中心節(jié)點的存儲壓力。由于邊緣節(jié)點的存儲空間有限，邊緣節(jié)點需要首先對數(shù)據(jù)進行分類，這一分類可由云平臺完成；需要長期存儲的數(shù)據(jù)，還按傳統(tǒng)模式，直接上傳至云端進行存儲［19］；而實時性較強的數(shù)據(jù)，則在邊緣節(jié)點進行緩存，并提高數(shù)據(jù)的更新頻率，在云平臺需要時進行上傳，這樣在不改變網(wǎng)絡(luò)容量的前提下，保障了云平臺數(shù)據(jù)的實時性。

圖3 邊緣節(jié)點數(shù)據(jù)處理模式Fig.3 Data processing mode of edge nodes

未來，隨著邊緣節(jié)點智能化水平的提高，邊緣節(jié)點將成為云平臺決策的補充。采用邊緣計算技術(shù)對電力設(shè)備數(shù)據(jù)進行動態(tài)監(jiān)測示意如圖4 所示。邊緣節(jié)點除了對數(shù)據(jù)進行緩存外，還可按照云平臺所授予的權(quán)限對數(shù)據(jù)進行處理。邊緣節(jié)點通常與數(shù)據(jù)采集終端直接相連，如遇數(shù)據(jù)異常，可向云平臺進行報警，提醒操作人員進行分析處置。此外，邊緣節(jié)點還可對數(shù)據(jù)進行脫敏，隱去數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中敏感的部分，與行業(yè)外進行充分合作，進一步挖掘數(shù)據(jù)價值，這對能源企業(yè)轉(zhuǎn)型具有重大意義［16］。

3 邊緣計算在電力設(shè)備運行維護中的應(yīng)用案例

3.1 設(shè)備動態(tài)監(jiān)測

圖4 采用邊緣計算技術(shù)對電力設(shè)備動態(tài)監(jiān)測示意Fig.4 Dynamic monitoring on power equipment using edge computing technology

針對電力設(shè)備的安全運行，利用邊緣節(jié)點的緩存與決策能力，實現(xiàn)對電力設(shè)備的運行狀態(tài)、維護情況以及周圍環(huán)境信息的全方位監(jiān)測［20-21］。在云計算背景下，對每一臺電力設(shè)備實現(xiàn)全方位監(jiān)測，需要耗費大量的網(wǎng)絡(luò)容量。而在電力通信網(wǎng)中首先要保證繼電保護業(yè)務(wù)的正常傳輸，無大量冗余容量分配給電力設(shè)備監(jiān)測，所以在云計算背景下對電力設(shè)備實時監(jiān)測難度較大，經(jīng)濟效益較差［22］。而依托邊緣計算技術(shù)，邊緣節(jié)點相比于云計算中心節(jié)點，所連接的電力設(shè)備少，可針對單一設(shè)備進行監(jiān)測和管理。在此基礎(chǔ)上，可以設(shè)置邊緣節(jié)點數(shù)據(jù)異常閾值，如溫度超高異常、濕度超高異常、表面變形異常、應(yīng)力變化異常等。一旦邊緣節(jié)點數(shù)據(jù)異常，邊緣節(jié)點可向云平臺快速發(fā)出預(yù)警，給予管理人員更多的判斷和處置時間。并且，隨著邊緣節(jié)點智能化程度的提高，可由多個邊緣節(jié)點互聯(lián)，形成邊緣節(jié)點集群，當一個邊緣節(jié)點所監(jiān)測的設(shè)備出現(xiàn)故障時，集群內(nèi)節(jié)點共同動作，完成備用線路或者設(shè)備切換。

隨著智能變電站的推廣及圖像處理技術(shù)的發(fā)展，未來可以依托邊緣節(jié)點對設(shè)備的監(jiān)控視頻進行處理［23-24］。若將視頻傳輸至云端，相比于傳感器所采集的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)中所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量將會幾何級數(shù)的增長，實現(xiàn)難度較大［25］。而邊緣節(jié)點則為視頻處理提供了一個很好的方法，邊緣節(jié)點將處理結(jié)果上傳至云端，邊緣節(jié)點集群對處理結(jié)果進行印證和補充，云端根據(jù)邊緣節(jié)點或集群的反饋進行決策制定，有效提高了云端設(shè)備或者運行監(jiān)測人員的決策效率。

3.2 電力設(shè)備檢測數(shù)據(jù)流計算模式

電力設(shè)備數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大的特點，并且某些對時間敏感的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的“先存儲后處理”方式不僅延長了數(shù)據(jù)的處理時間，還增加了數(shù)據(jù)處理的壓力，浪費了數(shù)據(jù)的時間價值［26-28］。而流計算技術(shù)是將數(shù)據(jù)按照時間進行分組，動態(tài)地對數(shù)據(jù)進行處理，在這一時刻數(shù)據(jù)到達時，前一時間段的數(shù)據(jù)已經(jīng)處理完畢，結(jié)合這一時刻數(shù)據(jù)繼續(xù)進行處理，這樣最大限度地保留了數(shù)據(jù)的時間價值，對故障預(yù)警這類實時性要求較高的業(yè)務(wù)有較好表現(xiàn)。這一技術(shù)目前最大的難點就是針對不同設(shè)備、不同業(yè)務(wù)需要選定不同的處理時間窗口以及數(shù)據(jù)實時性的要求［29-30］。隨著處理器的小型化，可能會出現(xiàn)一個邊緣節(jié)點針對一個電力設(shè)備甚至多個邊緣節(jié)點針對一個電力設(shè)備的情況。針對相同的設(shè)備，邊緣節(jié)點可以選用相同的時間窗口。目前主流流計算采用Hadoop 提供的Pig 擴展框架，這一框架支持采用JSON（JavaScript Object Notation）或可擴展標記語言（Extensible Markup Language，XML）進行存儲與操作，可以與基于CIM 構(gòu)建的電力設(shè)備信息模型進行無縫對接，大大簡化了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一致性的流程。并且，未來邊緣節(jié)點即傳感器，數(shù)據(jù)采集與處理實現(xiàn)“零延時”，這也擴展了流計算的應(yīng)用空間，而在邊緣節(jié)點與云平臺之間，傳輸?shù)囊仓皇沁吘壒?jié)點的處理結(jié)果。例如某一電力設(shè)備的邊緣節(jié)點經(jīng)過流計算發(fā)出設(shè)備故障預(yù)警，在網(wǎng)絡(luò)中只需傳輸一個故障預(yù)警信號，無須傳輸大量的冗余數(shù)據(jù)。對于上傳云端需要長期存儲的數(shù)據(jù)，經(jīng)過Pig 擴展框架處理之后，采用了統(tǒng)一的存儲格式，降低數(shù)據(jù)噪聲，進而提高下一步數(shù)據(jù)挖掘的可操作性。

4 結(jié)束語

本文研究了邊緣計算在電力設(shè)備管理及運行維護中的應(yīng)用，構(gòu)建了基于邊緣計算的電力設(shè)備信息管理框架，并研究了邊緣計算在電力設(shè)備運行維護中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，最后結(jié)合實際案例，對邊緣計算在電力設(shè)備運行維護中的實際應(yīng)用進行了分析。雖然尚存在一些關(guān)鍵問題亟待解決，如未形成邊緣計算在電力設(shè)備檢測領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)標準等，但未來隨著技術(shù)以及標準體系的不斷完善，邊緣計算將會成為能源供應(yīng)向能源服務(wù)轉(zhuǎn)變的一大重要助力。