許杰雄，余中杰，孫亞慧，陳佐，呂淳，余航

（1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京210096；2.北京中電普華信息技術(shù)有限公司，北京110000）

0 引言

隨著我國電力行業(yè)的蓬勃發(fā)展，2020年國家電網(wǎng)將“努力創(chuàng)新客戶服務(wù)新模式”列為改革攻堅重點工作之一，國網(wǎng)提出跨領(lǐng)域業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通、深入融合，構(gòu)建“網(wǎng)上國網(wǎng)”多元化產(chǎn)品生態(tài)。而在電力業(yè)務(wù)中，電費是營銷業(yè)務(wù)開展的基礎(chǔ)，由于數(shù)據(jù)實時性要求不斷提高且電力行業(yè)用戶體量較大，涉及到電費計算而產(chǎn)生的云端主站服務(wù)壓力倍增。以某省3 658萬低壓居民用戶的電費日結(jié)算為例，按照傳統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)搭建的系統(tǒng)需要計算61 h。數(shù)據(jù)的高延時性產(chǎn)生了2個問題：①日益蓬勃的電力營銷業(yè)務(wù)發(fā)展以及客戶對電費計算越來越高的實時性要求得不到滿足，例如電費余額預(yù)警預(yù)測等實時性要求較高的營銷業(yè)務(wù)；②數(shù)據(jù)的延時性越高，不法用戶通過私改計量設(shè)備注入虛假計量數(shù)據(jù)竊電的風險就越大。2019年8月，國網(wǎng)蘇州供電公司對吳中區(qū)胥口鎮(zhèn)某廠房進行現(xiàn)場用電檢查，發(fā)現(xiàn)廠房總電能表被私自改裝，嫌疑人通過非法改裝電能表，竊電量達101萬kWh，價值65萬余元。

針對上述問題，學者們展開了深入的研究，文獻［1］使用分布式存儲、服務(wù)化重構(gòu)、數(shù)據(jù)推送等技術(shù)，以此縮短數(shù)據(jù)的回寫和抽取時間。文獻［2］從數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)存儲2個關(guān)鍵技術(shù)入手，采用分布式微服務(wù)框架，提升了電費計算效率。文獻［3］通過改進電費計算業(yè)務(wù)系統(tǒng)模塊來優(yōu)化遠程費控。文獻［1］和文獻［2］提出的方法雖然可以提高計費的效率，但是計算壓力集中在云服務(wù)器上，不利于業(yè)務(wù)需求的拓展。文獻［3］提出的方法雖然改進了業(yè)務(wù)流程，但是傳統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)系統(tǒng)的性能瓶頸依舊存在，長期來看，不利于業(yè)務(wù)發(fā)展。

文中提出的基于邊緣計算技術(shù)的電費實時計算系統(tǒng)設(shè)計能夠?qū)⒃局髡痉?wù)器的運算壓力分散給各邊緣網(wǎng)關(guān)，提高了電費計算效率，在營銷業(yè)務(wù)需要拓展時，使用云主站的應(yīng)用管理功能對各邊緣網(wǎng)關(guān)進行模塊升級，大部分新業(yè)務(wù)計算繼續(xù)由各邊緣網(wǎng)關(guān)承擔，以此保證整個系統(tǒng)的高效運行。

1 邊緣計算技術(shù)

邊緣計算是云計算［4］的延伸和補充，未來前景廣闊。

邊緣計算的適用場景則差別較大，數(shù)據(jù)實時性高、數(shù)據(jù)量大的情況下可以選擇部署。需要注意的是一個邊緣端接入終端的數(shù)量是不固定的，例如自動駕駛汽車產(chǎn)生大量實時性數(shù)據(jù)和計算任務(wù)，所以汽車本身既是終端又是邊緣端，而城市智能系統(tǒng)中，邊緣端則接入攝像頭、路燈、信號燈傳感器等數(shù)百米范圍內(nèi)數(shù)十至數(shù)萬不等數(shù)量的終端。而在實時電費計算體系下，可以小區(qū)為單位進行邊緣端部署，一個邊緣端接入小區(qū)內(nèi)的所有計量設(shè)備，當然有些特別大的小區(qū)，可以分片區(qū)接入不同的邊緣端，在保證邊緣端算力的同時方便管理。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 關(guān)鍵技術(shù)選型

2.1.1 系統(tǒng)框架選型

目前常見的邊緣計算框架有：CORD、Cloudlet、OpenEdge、KubeEdge、EdgeX。但通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)上述框架對于電費實時計算系統(tǒng)并不適合，具體原因為：CORD目前還處于開發(fā)階段，性能很不穩(wěn)定，會發(fā)生階段性崩潰；Cloudlet設(shè)計目標是為移動設(shè)備提供計算資源，支持計算密集型和交互式且具有嚴格時延要求的移動應(yīng)用，比如對移動設(shè)備的人臉識別、語音翻譯和增強現(xiàn)實應(yīng)用、遠程渲染的云游戲提供支撐等；OpenEdge功能有限，但和百度物聯(lián)網(wǎng)平臺綁定緊密，不便于2次開發(fā)；KubeEdge是華為提供的基于kubernetes技術(shù)適配邊緣計算，同樣與平臺緊耦合，不便于2次開發(fā)。

文中系統(tǒng)選擇EdgeX作為邊緣計算的開發(fā)框架。其具備如下3個優(yōu)勢：①EdgeX為Linux基金會的物聯(lián)網(wǎng)頂級項目，具有繁榮的生態(tài)和眾多廠家的支持，社區(qū)活躍度高；②EdgeX相較于OpenEdge與KubeEdge而言，項目開放時間更長且技術(shù)更為成熟；③EdgeX采用模塊化設(shè)計，各個功能模塊以微服務(wù)形式運行，可根據(jù)需要修改或替換，可塑性更強。

2.1.2 安全協(xié)同傳輸和控制協(xié)議選型

安全協(xié)同傳輸主要有HTTP和MQTT 2種協(xié)議，在現(xiàn)有平臺中若使用HTTP協(xié)議，則每個應(yīng)用都需要在平臺上注冊。平臺向這些應(yīng)用分別推送數(shù)據(jù)，會發(fā)生推送重復(fù)數(shù)據(jù)的情況，這樣會增加平臺的運行壓力。若使用MQTT協(xié)議，不同的數(shù)據(jù)平臺只需要以不同主題向MQTT服務(wù)器上發(fā)送一次，各應(yīng)用只需訂閱相關(guān)主題便可接收到相應(yīng)數(shù)據(jù)，大大減輕平臺壓力，并且MQTT協(xié)議屬于小型傳輸協(xié)議，占用資源小，平臺使用輕便。

文中基于MQTT協(xié)議的設(shè)備接入和控制模型，實現(xiàn)邊緣的設(shè)備傳輸和控制，在邊緣側(cè)，將設(shè)備狀態(tài)和實時數(shù)據(jù)傳輸至云平臺。在云端，通過MQTT雙向控制協(xié)議，將控制指令下發(fā)，實現(xiàn)云端設(shè)備管控和邊緣智能分析。

文中設(shè)備接入模型和接口中，同樣釆用MQTT技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)的傳輸通過調(diào)用過程和傳輸過程雙認證和加密的方式以確保數(shù)據(jù)接入和傳輸?shù)陌踩?。其中在接口調(diào)用過程中，通過身份登陸驗證的方式驗證合法調(diào)用；在傳輸過程中，通過數(shù)據(jù)加密來保證傳輸?shù)陌踩裕?］。

2.1.3 設(shè)備集成接入技術(shù)選型

設(shè)備集成接入分為直接接入和間接接入2種方式，所采用的關(guān)鍵技術(shù)也不相同，其中直接接入方式比較常用的是邊緣計算感知接入方法［6—7］，而間接接入方式比較常用的是WebService接口接入方法［8］。文中采用間接接入的方法實現(xiàn)設(shè)備集成。

2.2 系統(tǒng)框架的搭建

在仿真實驗服務(wù)器上部署EdgeX Foundry平臺作為邊緣計算網(wǎng)關(guān)，所有終端設(shè)備統(tǒng)一將數(shù)據(jù)推送到邊緣計算網(wǎng)關(guān)上。

開發(fā)并部署各種邊緣計算應(yīng)用，應(yīng)用以微服務(wù)的形式運行，邊緣端實現(xiàn)對設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、聚合計算、預(yù)警處理并將最終結(jié)果推送到云端，最后在云端展示最終結(jié)果，核驗邊緣計算結(jié)果的正確性。文中設(shè)計的基于邊緣計算技術(shù)的電量數(shù)據(jù)收集計算及預(yù)警系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件功能架構(gòu)圖Fig.1 Functional architecture of system software

2.3 應(yīng)用層設(shè)計

準備邊緣端服務(wù)器和云端主站服務(wù)器，配置見表1。分別用于部署邊緣代理服務(wù)和云平臺服務(wù)，實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的聚合、計算和預(yù)警并將數(shù)據(jù)推送到云端主站，云端主站接收邊緣代理推送的數(shù)據(jù)并展示。服務(wù)器軟件環(huán)境見表2。

表1 實驗硬件環(huán)境配置Table 1 Configuration of experimental hardware environment

表2 實驗軟件環(huán)境配置Table 2 Configuration of experimental software environment

應(yīng)用層的主要實現(xiàn)目標分為3部分：①物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集：實現(xiàn)邊緣端對終端數(shù)據(jù)的采集、流轉(zhuǎn)、存儲和上報設(shè)備數(shù)據(jù)至云端；②基于采集數(shù)據(jù)的聚合和計算：通過邊緣端部署的計算微服務(wù)對采集數(shù)據(jù)進行聚合和計算，并將結(jié)果推送到云端；③邊緣設(shè)備的預(yù)警：通過邊緣端部署的數(shù)據(jù)預(yù)測與預(yù)警微服務(wù)對采集數(shù)據(jù)進行實時告警判斷，當告警發(fā)生時邊緣端會將告警信息推送到云端。

根據(jù)邊緣計算的電費實時計算功能，應(yīng)用層分成2部分：數(shù)據(jù)展示、應(yīng)用管理。數(shù)據(jù)展示分為收集展示，其中包括采集時間、電表和當前讀數(shù)指標。實時電費計算展示包括實時用電量和實時電費。電費預(yù)測與預(yù)警展示包括：賬戶余額、可用余額、繳費建議、本月預(yù)估用電量和本月預(yù)估電費。應(yīng)用管理分為應(yīng)用啟動與停止、卸載與安裝2大功能。

2.3.1 邊緣計算網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集

在邊緣端上啟動設(shè)備數(shù)據(jù)采集微服務(wù)，定時采集設(shè)備數(shù)據(jù)后將其轉(zhuǎn)發(fā)到云端主站，同時云端主站能實時顯示出設(shè)備終端數(shù)據(jù)。流程見圖2對應(yīng)線框。

圖2 邊緣計算網(wǎng)關(guān)的功能示意圖Fig.2 Functional diagram of edge computing gateway

（1）在邊緣端上啟動數(shù)據(jù)采集微服務(wù)。服務(wù)啟動后會定時從計量設(shè)備上采集數(shù)據(jù)，并將結(jié)果發(fā)送到EdgeX foundry平臺。

（2）將云端主站的數(shù)據(jù)接收地址在邊緣端的EdgeX foundry平臺上進行注冊，平臺會將采集到的數(shù)據(jù)以RESTful方式推送到云主站。

（3）云端主站接收到終端數(shù)據(jù)后將其保存到數(shù)據(jù)庫中，并在前端頁面中實時進行顯示。

2.3.2 邊緣計算網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)聚合和計算

在邊緣端上啟動數(shù)據(jù)計算微服務(wù)，對接收到的數(shù)據(jù)進行聚合計算，并將結(jié)果推送到云端主站顯示。流程見圖2對應(yīng)線框。

（1）開發(fā)數(shù)據(jù)計算微服務(wù)并在邊緣計算網(wǎng)關(guān)上部署。同時在邊緣端的MQTT服務(wù)器上訂閱需要的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，終端上報的數(shù)據(jù)便會由EdgeX foundry發(fā)送到MQTT服務(wù)器，再由MQTT服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)計算微服務(wù)上。

（2）數(shù)據(jù)計算微服務(wù)啟動后首先會從云端主站獲取電價標準比如峰谷電價、階梯電費等以及各個電能表上一次結(jié)算時的讀數(shù)。當接收到推送的實時電表讀數(shù)時，計算出實時用電量和實時電費，并將計算結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)回EdgeX foundry平臺，再由EdgeX foundry平臺統(tǒng)一將數(shù)據(jù)以RESTful方式推送到云端主站。

（3）云端主站接收到實時用電量、實時電費這些計算數(shù)據(jù)后將其保存到數(shù)據(jù)庫中，并在前端頁面實時顯示。

2.3.3 邊緣計算網(wǎng)關(guān)的預(yù)警

在邊緣端上啟動告警微服務(wù)，對接收到的數(shù)據(jù)進行判斷，一旦發(fā)現(xiàn)有異常情況則產(chǎn)生告警并將告警信息推送到云端主站顯示。流程見圖2對應(yīng)線框。

應(yīng)用的原理與2.3.2相似，文中不再贅述。

3 仿真實驗與分析

實驗數(shù)據(jù)采用模擬用戶數(shù)據(jù)3 658萬戶，其中包括檔案數(shù)據(jù)、抄表示數(shù)、電量電費測算數(shù)據(jù)以及測算回寫數(shù)據(jù)。

由于邊緣計算的技術(shù)特性，接入的終端從幾十個到幾萬個不等，但需遵循物理距離就近的原則，確保數(shù)據(jù)及時計算，及時響應(yīng)。按照電能表分布情況，預(yù)估單個邊緣端的最大接入為1萬戶，在不考慮網(wǎng)絡(luò)波動的情況下，以此為基礎(chǔ)進行仿真實驗并做性能分析。實驗環(huán)境配置如表1、表2所示。

在測試環(huán)境下，對邊緣端和云端主站進行性能測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 實驗結(jié)果Table 3 Experimental results

仿真實驗結(jié)果表明，對于電量、電費實時展示、電費預(yù)警預(yù)測等實時性要求高的業(yè)務(wù)，邊緣端可以輕便高效地完成，原因在于邊緣端將大數(shù)據(jù)量的用戶檔案進行拆解，將已接入的終端用戶檔案進行緩存，快速地讀寫數(shù)據(jù)使得整體效率變高，對比傳統(tǒng)架構(gòu)下的電費計算系統(tǒng)，檔案抽取一項的耗時就超過1 h。云端主站由于沒有具體的電費計算任務(wù)，主要耗時集中在回寫邊緣端上傳的電費數(shù)據(jù)，所以整個流程大大壓縮了電費計算的時間。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于邊緣計算技術(shù)的電費實時計算體系，通過在仿真實驗環(huán)境上搭建部署邊緣計算環(huán)境，并根據(jù)邊緣計算網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集能力、數(shù)據(jù)聚合計算能力、預(yù)警能力3個需求目標開發(fā)部署相應(yīng)的實時計算服務(wù)。仿真實驗結(jié)果表明：邊緣端實現(xiàn)終端數(shù)據(jù)的采集、計算、預(yù)警工作，并將結(jié)果推送到云端展示，耗時73 s，同時云端主站壓力明顯減輕，數(shù)據(jù)實時性較強，為今后開展對數(shù)據(jù)實時性要求較高的業(yè)務(wù)提供了參考。