李學齡,崔 焱,柴雁欣

(南方電網數字電網研究院有限公司平臺安全分公司，廣東 廣州 510663)

0 引言

隨著社會經濟的高速發(fā)展，電力數據的規(guī)模急劇增加。電力行業(yè)是我國經濟的重要組成部分。電力行業(yè)的發(fā)展依賴于高效的電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)作為工業(yè)物聯網的主要創(chuàng)新應用對象[1]，可以通過物聯網技術將電網中的各種設備連接起來，從而形成智能電網。傳統(tǒng)的電力信息采集主要依靠人工來完成，存在工作效率低的問題，且會導致勞動力的浪費[2]。智能電網在信息化建設中，大量運用了智能化終端對電力數據進行信息采集和處理。整個電力系統(tǒng)運用了傳感器、智能電表的終端設備以及服務管理平臺，促進形成電網一體化。邊緣計算可以彌補電力數據傳輸和存儲的不足，減少終端時延，同時提高服務工作的負載。電力數據是電力產業(yè)的寶貴信息，在向智慧電網發(fā)展轉變的過程中，電力網絡規(guī)模越來越大，電力負荷數據爆炸性增長[3]。利用邊緣計算技術對電力共享服務進行有效的業(yè)務場景實現是十分重要的。以美國的麻省理工學院的Auto-ID實驗室為例[4]。該實驗室提出的Networked Auto-ID體系結構可以實現自動化的物聯網標識[5]。同時，美國弗吉尼亞大學提出的Physical-net體系也對物聯網技術的發(fā)展產生實際的進步意義[6]。除此之外，歐洲電信標準組織提出的機器到機器(machine-to-machine，M2M)架構與歐盟第七框架計劃(7th framework programme，FP7)提出的物聯網-A架構是眾多歐盟國家主導的物聯網體系架構[7]，在歐盟國家的物聯網技術的研究和應用中占有十分重要的戰(zhàn)略地位。

本文通過基于邊緣計算的電力物聯網技術解決異常用戶檢測、能效管理等行業(yè)痛點，具有較高的實際價值。

1 電網共享服務與工作負載

1.1 共享服務的概念

共享服務管理模式是現代管理模式的一次深度變革。該模式是在提供服務時，共享組織成員和技術等服務資源。共享服務最早應用于事務型的常規(guī)工作，后來逐漸發(fā)展到各個專業(yè)領域。共享服務具有規(guī)模性、統(tǒng)一性、服務性和專業(yè)性等特點。規(guī)模性表示通過對分散的服務單元進行整合從而形成規(guī)模效應，以更好地完成任務。統(tǒng)一性是指將業(yè)務流程標準化，建立統(tǒng)一的操作模式，執(zhí)行統(tǒng)一的標準。共享服務管理平臺擁有專業(yè)化的知識和人員，能為業(yè)務提供專業(yè)化的共享服務。其高度依賴于組織，受到組織的統(tǒng)一管控和規(guī)劃管理。綜上可知，共享服務管理平臺通過內部資源整合減少冗余，提供支持性服務，以降低服務成本。作為一個獨立的組織單元，其超越了集權化組織的特點，能夠為企業(yè)帶來收益，實現降本增效；同時，可以加速企業(yè)的標準化進程，為企業(yè)的數字化轉型賦能，增強企業(yè)靈活性。

1.2 基于邊緣計算的電力物聯網

電網共享服務依賴于新的網絡結構，而邊緣計算是目前效率較高的網絡結構之一。邊緣計算是指在網絡的邊緣側緊鄰人、物或者數據端，對網絡、計算、存儲、應用等核心功能加以融合的新型網絡架構[8]。其優(yōu)勢是將計算資源和計算能力應用到數據源頭的網絡邊緣側，將智能服務直接提供給用戶。上述功能可以滿足用戶對海量數據的低時延、大數據量需求。回程鏈路負載在邊緣計算的功能下得到有效減少。該鏈路是指數據源到數據云中心的通路。邊緣計算正是該鏈路可用的計算資源[9]。邊緣計算網絡既具備傳統(tǒng)集中式網絡結構的優(yōu)勢，包含了資源的高聚合性、管理的簡單性、低網絡依賴性和高可擴展性，又避免了傳統(tǒng)集中式網絡結構的劣勢，對網絡資源的利用率達到最優(yōu)。邊緣計算體系框架包含應用域、數據域、網絡域和設備域。這些功能域共同組成了邊緣計算的整體框架分層結構。

邊緣計算體系結構如圖1所示。

圖1 邊緣計算體系結構

設備域、網絡域和數據域共同與應用域接口進行聯系。應用域的運營主要是依靠對業(yè)務的全周期管理來完成的。應用的可視化呈現是應用域的最終結果[10]。而數據域在邊緣計算中承擔數據安全和數據隱私的作用，并且為數據的聚合與互操作提供支撐[11]，對電力數據進行分析，實現數據計算。網絡域能實現海量的連接與自動化運維，承擔著數據傳輸與網絡安全的重要作用，是整個體系的重要環(huán)節(jié)。設備域處于架構的底層，管理電網傳感器、電表、監(jiān)控終端等設備，能夠為現場設備實現實時智能應用提供有力的支撐。

1.3 流量負載分配

隨著電力行業(yè)的變革，對電力通信數據的有效信息提取也是十分有價值的，流量負載的分配依賴于流量負載模型。流量負載模型用于計算終端節(jié)點接收到數據包的工作量情況，對于通信數據量的監(jiān)控起到關鍵作用，并且流量負載的計算也相對復雜。

為了獲取終端節(jié)點的數據率，需運用香農-哈利特(Shannon-Hartley)定理[12]。此定理給出了通信信息傳送速率的上限和信通信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)及帶寬的關系，可以解釋現代各種無線制式由于帶寬不同，所支持的單載波最大吞吐量的不同。對本文而言，終端j與該邊緣計算終端節(jié)點i進行關聯，終端節(jié)點i的數據率ri可以表示為SNR 的對數函數，如式(1)和式(2)所示。

ri=wilog2(1+γi)

(1)

式中：ri為數據率；γi為SNR；wi為信號的頻帶寬度。

(2)

式中：Pi為節(jié)點i的傳輸功率；gi為對邊緣計算終端節(jié)點i的信道增益；σ2為噪聲功率。

終端j的k類業(yè)務數包以遵循泊松分布的平均到達率λjk生成。到達函數為Pjk。k類業(yè)務在邊緣計算終端節(jié)點i處的到達率如式(3)所示。

(3)

式中：λjk為平均到達率，滿足泊松分布；xijk為到達函數的權重。

k類業(yè)務數據包中的每類平均包大小sk遵循指數分布。邊緣計算終端節(jié)點接收數據包的服務時間也同樣遵循指數分布。P為服務時間。因此，邊緣計算終端節(jié)點i處接收數據包每個時刻的流量負載率如式(4)所示。

(4)

式中：ρi為流量負載率，取值范圍是[0,1)；ri為數據率；sk為每類平均數據包的大??；Pjk為到達函數。

由于下行鏈路數量不是很多，相比而言其時延過小，可以忽略不計。在僅考慮上行鏈路傳播時延的情況下，邊緣計算終端節(jié)點i相關聯的終端j的平均傳輸延遲如式(5)所示。

(5)

式中：lij為終端j到節(jié)點i的平均傳輸距離；ω為電磁波在介質中的傳播速度；ψjk為在終端j處發(fā)送k類業(yè)務數據包的平均發(fā)送時延；φik為節(jié)點i處的k類業(yè)務數據包排隊的平均等待時間。

2 共享服務管理

2.1 云邊交互架構

共享服務管理平臺可以分成三層。上層為數據訪問接口層，包括各類接口訪問函數和Web 訪問接口等，用于服務的展現。中間層為實時數據平臺的核心層，包括數據存儲和系統(tǒng)管理等。其中，系統(tǒng)管理部分包括共享服務與共享數據庫等。底層是數據采集層，管理對數據庫數據的讀寫更新，提供通過文件傳輸協(xié)議(file transfer protocol，FTP)和網絡文件系統(tǒng)(network file system，NFS)兩種方式供其他系統(tǒng)調用。共享服務管理平臺框架如圖2所示。

圖2 共享服務管理平臺框架圖

云邊交互框架包含共享服務管理平臺、邊緣計算設備以及配電云主站等。云邊交互框架由于緊鄰數據源，可以高效地提供計算、存儲等服務，以期實現服務能力的最大化。邊緣物聯代理是布署在現場、具備邊緣計算能力的智能設備。其核心是邊緣計算框架。邊緣計算框架是運行于硬件設備上的基礎框架軟件，為各類邊緣應用(application，APP)提供一整套的應用開發(fā)和運行環(huán)境[13]。邊緣計算框架是打造邊緣生態(tài)、連通電力上下游企業(yè)的關鍵。統(tǒng)一云邊交互協(xié)議基于物聯網通用的消息隊列傳輸(message queuing telemetry transport，MQTT)協(xié)議，可以實現“設備自己說話”、與平臺的智能交互、設備的即插即用以及數據的跨專業(yè)共享。云邊交互框架如圖3所示。

圖3 云邊交互框架圖

用戶可以在應用商店下載相關業(yè)務APP，通過與邊緣設備中的邊緣計算框架交互，利用MQTT與物聯管理平臺智能交互。而用電信息采集則通過代理性狀態(tài)轉移(repressentation state transiton,REST)應用程序接口(application programming interface,API)與物聯網管理平臺智能實現相互聯動。此外，配電云主站與企業(yè)中臺、企業(yè)中臺與物聯管理平臺間可實現實時聯動。在總公司統(tǒng)一組織下，各大廠商共同制定統(tǒng)一云邊協(xié)議國網企標，并在物聯管理平臺中全面遵循、應用該協(xié)議，可以實現不同專業(yè)、不同品牌的邊緣設備接入平臺統(tǒng)一納管。在邊緣計算框架的支撐下，鏈路各節(jié)點間通信方式的統(tǒng)一化，構成全鏈路監(jiān)測系統(tǒng)運行的基礎。

2.2 功能設計

應用開發(fā)是基于自描述的語法格式。在應用開發(fā)中需要對設備所需的全部信息進行描述。而設計的系統(tǒng)接口是指物聯終端接收控制命令，并作出相應動作的描述。接口需要符合一定的格式。在應用開發(fā)中，首先要對設計的物理模型接口進行定義。接口定義如表1所示。

表1 接口定義

Tab.1 Interface definition

參數描述必選接口名稱支持中文、大小寫 字母、數字、短劃線和下劃線是接口標識唯一標識符,同一電力物聯終端下服務標識不能重復是調用方式異步、同步是輸入參數設置該接口的輸入參數否輸出參數設置該接口的輸出參數否描述對屬性的描述,長度限制為100 B否擴展描述支持通信協(xié)議到標準物聯模型的映射關系是

基于事件觸發(fā)設備控制的邊緣計算流程如圖4所示。

圖4 基于事件觸發(fā)設備控制的邊緣計算流程

本文設計了基于事件觸發(fā)設備控制操作的邊緣計算方式。該方式依靠規(guī)則引擎的判斷，使APP根據命令完成觸發(fā)功能，從而實現對具體電網設備的控制，完成預定的功能。

在應用層，服務管理平臺借助遠程通信技術實現對網關的連接與交互，再通過網關與終端采集設備完成雙控制與采集行為。依照要求對不同的APP進行加載，以實現對應功能。

APP采集的數據通過規(guī)則引擎比對后，當達到條件就會實現觸發(fā)功能。規(guī)則引擎依照服務分發(fā)指示啟動命令服務。命令服務依靠將要執(zhí)行的函數調用后臺接口對臺變APP進行控制，從而實現設備對采集數據的處理。交互協(xié)議中設備升級的消息格式如表2所示。

表2 交互協(xié)議中設備升級的消息格式

測試過程包括數據通信過程、數據采集與處理、遙控觸發(fā)等環(huán)節(jié)。對于管理平臺，首先檢查相關的測試功能，確認功能無誤后對網關端口進行配置。配置客戶端ID和網關連接地址。測試參數如下：額定電壓為AC 220 V/DC 12 V；頻率為50 Hz；啟動電流為1級；功耗小于20 W；接口為RS-485。

終端設備的統(tǒng)計結果如圖5所示。

圖5 終端設備的統(tǒng)計結果

3 基于邊緣計算的平臺業(yè)務場景實現

由于電網企業(yè)信息系統(tǒng)的安全等級具有嚴格的劃分，管理信息系統(tǒng)(management information system，MIS)和數據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition，SCADA)處于兩個安全級別不同的異構網絡中。SCADA采集的電網實時數據位于獨立的調度生產網絡系統(tǒng)中，通過實時數據庫管理系統(tǒng)進行管理應用。根據電力系統(tǒng)安全防護的規(guī)定，生產自動化系統(tǒng)與其他信息管理系統(tǒng)之間必須在物理層面上進行隔離。為了完成SCADA的實時數據向MIS側的安全傳輸，該平臺的數據集成方案如圖6所示。實時數據采集接口軟件運行在數據采集工作站上，SCADA的實時數據通過內部通信協(xié)議傳送給數據共享平臺進行存儲和共享。

圖6 數據集成方案圖

共享服務管理技術實測現場依照上述開發(fā)過程，在實際應用共享服務管理時，運維人員在云主站前端界面點擊下發(fā)一條遙測或停(復)電指令，鏈路即開始執(zhí)行自檢操作。自檢的反饋結果會即時在日志中記錄。

日志系統(tǒng)不僅會完整記錄每臺設備執(zhí)行的每次歷史操作與其操作結果，而且會展示每次監(jiān)測鏈路間的詳細通信情況，并直觀顯示異常節(jié)點。共享服務管理平臺也會顯示自檢成功頁面。此外，在共享服務管理中還加入故障智能分析功能。當反饋結果為失敗、鏈路不通暢時，系統(tǒng)即可針對斷點所在位置智能分析本次自檢失敗原因。共享服務管理平臺會顯示自檢失敗原因的分析界面。相比人工排錯，該平臺大大降低了運維成本。通過對業(yè)務場景進行管理，實現了共享服務的目的。

共享服務管理平臺可依托豐富的歷史數據，分析豐富的生產數據和各種數據，并通過接口的方式滿足不同用戶的需求。通過需求分析處理等業(yè)務的共享，能使問題與需求分析處理的流程規(guī)范化、標準化。同時，一支熟悉電網業(yè)務的共享服務團隊能保障需求表達和問題溝通過程順暢，適應多樣化、復雜化的用戶需求，提升處理速度與質量，實現用戶需求的快速、準確響應。此外，通過將分散的信息化業(yè)務集中處理并由一支專業(yè)的團隊按統(tǒng)一的流程和標準執(zhí)行，減少了因各地分散處理業(yè)務所導致信息安全受威脅的狀況。

4 結論

本文對共享服務的功能進行了分析。首先，基于國內外共享服務的研究現狀，對共享服務中的關鍵技術——邊緣計算展開分析，闡述了基于邊緣計算的電力物聯網框架，并對其中的流量負載模型進行重點分析和構建。然后，基于邊緣計算技術，開展對整個管理平臺的架構設計，并對其中的重點功能模塊進行分析和設計。最后，對實現的共享服務管理平臺進行遙測觸發(fā)驗證，說明該平臺具有對業(yè)務場景的管理和自檢功能。在未來的研究中，提高邊緣計算的快速算法能力是研究重點和方向。