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基于无线通讯技术的边缘计算网关及其在电网中的应用

发布时间: 2021-12-07  点击次数: 189次

摘要:随着数据信息量的大幅度提升以及5G技术的发展,基于5G的边缘计算技术,作为一种实时快速数据处理方式,具有广阔的应用前景。先对5G、边缘计算的特点进行了研究,然后研究这两种技术在网关中的融合,基于变电站的业务背景提出基于5G的边缘计算网关应用解决方案。

关键词:5G网络;边缘计算;网关;电网应用

0、引言


随着5G网络技术的发展,基于5G的边缘计算技术得到广泛关注。业务需求和网络升级进一步驱动了边缘计算的发展[1]。云计算能力不足,不能满足爆炸式增长的海量数据需求。此外,传输负载急剧增加会导致时延加长,不能满足实时性要求,这些都使得边缘计算变成了研究的热点。

网关作为网络数据传输中的关键设备,发挥着协议转换和数据处理的作用,通过边缘计算的手段可以将数据在边缘网关中进行初步筛选并处理,将重要的安全信息发送到监管平台并发出警告,使得处理信息效率得到提高并能够更及时地获得隐患信息。随着物联网技术的发展,变电站在智能电网中发挥着越来越重要的作用,但是由于传感器数量不断增多以及智能巡检机器人的普及,数据传输不断增加。如果全部数据均发送到云端进行处理,会导致时延增长,处理不及时,不能及时发现安全隐患,基于5G的边缘计算技术可以解决这些问题。

本文首先研究5G和边缘计算的特点,然后研究这两种技术在网关中的融合,提出基于电网中变电站的业务背景的解决方案。


1、 5G技术特点

2019年6月,工信部发放了5G商用牌照,标志着中国正式进入5G商用元年,但是5G技术发展仍在继续,正不断地为我们的生活提供更加方便的应用。

5G全称第五代通信技术,是新一代蜂窝移动通信技术,具有如下特点:

(1)具有高数据传输率,可达10GB/S,可以满足大数据量传输;

(2)低延迟,LTE网络使得移动网络时延达到100ms,但是5G网络能够达到1ms的时延,可以满足对时延要求很低的服务;

(3)提高系统容量和大规模设备连接,可以满足物联网要求,将各个终端连接起来。

5G不仅对手机移动通信来说是很大的进步,而且对物联网来说也是非常有用的技术,它所带来的方便以及技术变革将会促进经济发展。

2、边缘计算技术的特点

在边缘计算中,将数据处理这一过程集成到边缘设备中,其目的就是为了减少延迟,这样就能快速地处理数据,而不用等到数据传输到传统的数据中心再进行处理,延迟降低了之后,相应的应用程序就能够更早地运行。同时,在本地设备的数据管理上的花费比在云和数据中心网络上的花费更少,从而能够降低成本[2]。具体而言,边缘计算的特点如下:

(1)时延低:利用边缘设备处理数据,实现数据的实时处理,响应的时间缩短。

(2)成本低:利用边缘设备实现数据的过滤、计算和分析,减少数据在骨干网络的传输量,降低网络带宽需求,从而降低数据处理成本和设备能耗。

(3)可靠性高:边缘设备本身具有计算处理能力,即使上层数据处理中心出现问题,也不会影响到用户的正常使用。

边缘计算是为了解决云计算去中心化而提出的方法,目前云计算都是将服务器集中放置在一个数据中心,

需要将数据先传输到数据中心然后再进行集中处理,但是随着终端设备不断增多带来的数据量的逐渐变大,传输如此巨大的数据量成本很高,时延也成为瓶颈。边缘计算分布式部署在设备端,即将各种终端设备增加了存储、处理等功能,这样就可以减少传输的数据量,减少时延,降低了成本。同时,隐私数据传输到云端的过程中可能存在泄露的问题,使用边缘计算可以降低数据泄露的可能性[3]。

3、基于5G的移动边缘计算技术应用场景

传统的移动边缘计算技术指的是在移动通信网络侧配置具有计算和管理能力的服务器提升无线接入网络的信息处理能力,降低移动骨干网络的传输带宽。5G具有低时延、高可靠性的特点,这将进一步推动移动边缘计算的发展。本文结合ITU-T定义的5G网络应用场景和边缘计算技术特点,研究基于5G移动边缘计算技术的应用场景。

3.1增强型移动带宽场景(EMMB)

相较于4G,5G采用LDPC编码、高阶调制、大规模MIMO和毫米波等技术手段,进一步拓展频谱带宽,5G的整体频谱效率比4G提升了3倍,用户体验速率可达到1GB/S,这给人们带来了不一样的网络体验,同时也给核心网带来了巨大的挑战。

为了满足5G网络的灵活性和低时延、减轻网络回传负担,核心网下沉和云边缘化成为必然趋势。云边缘化就是使5G无线接入网络具有云计算能力,实现业务的本地化、数据缓存、数据本地计算等功能。

以电网输电线路无人机巡检为例,无人机通过控制台,与5G基站连接,在5G基站侧部署边缘计算服务器,实现视频、图像和控制信息的本地存储和处理,然后相关处理结果直接回传至控制台,保证巡检工作顺利进行。

3.2 海量机器类通信(MMTC)

相较于4G,可连接数密度方面,5G每平方千米可连网设备的数量高达100万个,提升了10倍,同时5G海量机器类通信具有数据包小、功耗低等特点。

根据数据预测,2020年全球的物联网终端达到500亿个。大规模的物联网终端部署,不但给物联网网络系统带来了挑战,而且考验着物联网终端的电池容量。可以说,5G海量机器类通信技术大地满足了物联网终端飞速增长的需求;此外,结合边缘计算,缩短物联网终端连接时间,将进一步降低物联网终端的能耗。

以电网采集类业务为例,随着智能电网的发展,采集对象数量、采集内容种类、采集频次都大大增加。随着5G的部署,可实现采集的准实时、采集内容的多样化,采集范围更广以及采集数量更多。

3.3低时延高可靠通信(URLLC)

相较于4G,端到端时延方面,5G将达到1ms级,提升了10倍;移动性方面,5G支持时速高达500km/h的通信环境,提升了1.43倍。因此,5gG网络具有高速、低时延的处理能力。这可以满足车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求。

以电网变电站机器巡检为例,通过5G网络实现机器人远程控制,结合边缘计算的技术,可实现毫秒级的响应,保证巡检发现问题时,故障信息及时回传和处理,确保生产业务安全。

4、基于5G的边缘计算网关

基于5G的边缘计算网关作为一个将网络互联的设备,通过协议转换来实现信息交换,一方面利用边缘计算提高数据计算性能;另一方面利用5G提升信息传递效率[5]。

5G边缘计算网关系统结构图如图1所示。该网关系统由云服务器、边缘计算网关设备以及传感器等终端设备组成。边缘计算模块由边缘应用程序和边缘计算平台两个部分组成:数据采集模块收集传感器等终端设备的数据,然后边缘计算平台将采集到的数据进行统一控制和管理。边缘应用程序提供运行环境,包括信息获取、边缘数据处理,接收来自云服务器的指令并执行对应的操作。而用户所需要操作的就是在云服务器完成指令的发送,云端服务器利用无线信号(如Wi-Fi等)、以太网和4G、5G等方式将指令发送到网关设备,网关对其进行协议转换后在边缘计算模块发出对终端设备的操作指令[4]。在现阶段的5G发展中,由于正处于刚刚起步状态,运营商部署5G时使用的是非独立组网,需要利用4G基站、增强型4G基站以及少量5G基站来实现,但是由于使用的仍然是4G核心网,并不能提供特别低的时延,需要等到5G技术不断发展,通过独立组网SA技术,5G核心网利用网络切片灵活地使用网络资源,才能大大提升网络服务质量以及提供低时延。

 

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图1 5G边缘计算网关系统

基于5G的边缘计算,可以充分利用5G高速度、大容量和低时延的三个特点,实现海量数据的接入和处理,保证业务的实时性。

5、基于5G边缘计算网关在电网中的应用

5.1业务背景

在电网传输中,变电站发挥着一个十分重要的作用———它是一个将电力系统中对电压和电流进行交换,接收电能及分配电能的场所,它将发电机发出的电能升压后馈送到高压电网中。

随着智能电网的发展,变电站中需要处理的信息越来越多,包括数据信息、视频监控、安全信息等。变电站一般分布在人口相对稀少的地区,又由于其情况需要时刻掌握以保证安全,所以需要相关人员实时监控变电站内部各个部分情况。

在现代化的变电站中由于智能机器人等智能巡检设备的加入,可以不用像以前一样需要人力频繁去现场监控,减少了一定的安全隐患并且提高了效率。但是智能巡检机器人或者变电站智能终端传送到监控中心的数据量不断增大,消耗了大量的流量资源。

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图2面向业务的5G边缘计算解决方案

除了变电站内部运维数据,从变电站向用户传输电力时,每天各个时段输送的电量、不同地区所需电量也属于大流量数据,导致处理数据更加麻烦且任务量大。

5.2面向业务的5G边缘计算解决方案

通过利用5G和边缘计算的网关设备,能够在边缘设备即可将大量的数据存储并进行初步处理,然后将非常重要的信息,例如有安全隐患的数据,发送到监控中心并提出警示信号,使得监管人员能够在及时发现并采取相应的措施,达到效率速度化。

根据电网的业务需求,可分为:低时延的智能配电、负控业务,多连接的低压抄表、分布接入业务和大带宽的巡检机器、应急通信业务;结合5G边缘计算的特点,各种类型的业务通过网关汇聚,接入到边缘计算中心;根据业务的需要,进一步上传到控制子站或主站。

面向业务的5G边缘计算解决方案如图2所示。

6安科瑞智能网关产品解决方案

6.1智能网关功能介绍

   --  终端设备与系统平台间的数据交互桥梁

 

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A:数据采集(支持串口、以太网,只需配置即可兼容支持标准电力规约的各类仪表)

B:数据上传(支持往上海分类分项能耗平台、宁夏电力需求侧平台、江苏电力运维平台、浙江电力运维平台上传数据),具有多平台上传能力;

C:边缘计算(灵活的报警阈值设置、主动上传报警信息、数据合并计算、断点续传、数据加密、4G路由)

D:远程管理(远程配置、远程升级、远程监视)

 

6.2 安科瑞智能网关产品介绍

6.2.1 Anet-**/4G系列导轨式智能网关

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ANet-**/4G是安科瑞电气股份有限公司自主研发的一款带全网通无线联网功能的通用型智能 通信管理机,适用于国家公务机关、企事业单位、公共机构、住宅商业楼宇、酒店餐饮商场等领域, 可满足水、电、气、油、冷量、热量等各种形式的用量及能源能耗分项计量数据采集的需求。

该设备可用于以下应用场景:

电力监控系统 电能质量系统 物联网系统 电力需求侧系统

建筑能耗系统 远程预付费系统 消防防护系统 智能建筑系统

技术特点

设备配置

C/S 架构 ANetCM 配置管理软件, 开放式模板管理,纯文本或excel工程信息管理

 

快速更新

ANetOS 提供 1-3 秒配置更新,3-7 秒固件升级更新。

如更新错误配置,防损算法在 3-5 秒内将设备自动恢复到更新前配置状态。 如升级有问题固件, 防损算法在 5-10 秒内将设备自动恢复到升级前状态。

Console 配置

RS232 串行命令行简约命令集配置管理

网络通讯方式

Socket 方式, 支持 XML 格式压缩上传,提供 AES 加密及 MD5 身份认证等安全需求

数据采集周期

 级自定义配置

自动上传周期

秒、分钟 级自定义配置,视上传协议而定

协议支持

除一般标准协议外, 可支持对采集侧及上位机非标准协议的定制化开发

与上位机对时

实时保持与上位机同步对时

断点续传

实时检测, 上传失败自动保存待传数据, 支持外部存储介质的即插即用和空间扩容, 网络恢复时待传数据自动上传

历史库存储 (断点续传)

根据自动上传周期进行历史库存储,

可自定义历史库数据保存天数,到期先进先出,

存储空间自动防溢, 近溢值先进先出

 

协议支持

GBT19582-2008(Modbus、ModbusTCP)、 DL/T645-1997、DL/T645-2007、         CJT188-2004、IEC60870-5(101、103、104)、 DGJ08-2068-2012 上海建筑能耗、 DGJ32/TJ111-2010 江苏建筑能耗、电力需求侧(需定制) 、远程预付费、运维云平 台、 -网透传等

 




6.2.2Anet-2E4SM/4G模块化智能网关

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ANet-2E4SM模块化通信管理机是安科瑞电气股份有限公司自主研发的一款通用型智能通信管理机,将传统管理机的接口拆分成可拼装搭配的模块,其中主模块可作为标准智能通信管理机独立工作,  整个设备可通过串口、以太网、Lora无线、wifi无线等链路采集水表、气表、电表、微机保护等设备  终端的数据,标配的8路无源干接点可实时采集门禁、水浸、烟感等开关量信息,可通过有线网络、  WiFi网络、4G网络等链路上传告警、实时数据等信息。主模块搭配从模块可灵活扩展,增加更丰富的 应用场景,同时还可提供边缘计算等需求。

该设备可用于以下应用场景:

电力监控系统 电能质量系统 物联网系统 电力需求侧系统

建筑能耗系统 远程预付费系统 第三方云平台 泛在电力物联网

运维系统平台 能源综合管理平台

技术特点


设备配置

C/S 架构 ANetCM 配置管理软件, 开放式模板管理,纯文本或excel工程信息管理

Console 配置

RS232 串行命令行简约命令集配置管理

网络通讯方式

Socket 方式, 支持 XML 格式压缩上传,提供 AES 加密及 MD5 身份认证等安全需求

数据采集周期

 级自定义配置

自动上传周期

秒、分钟 级自定义配置,视上传协议而定

协议支持

除一般标准协议外, 可支持对采集侧及上位机非标准协议的定制化开发

与上位机对时

实时保持与上位机同步对时

断点续传

实时检测, 上传失败自动保存待传数据, 支持外部存储介质的即插即用和空间扩容, 网络恢复时待传数据自动上传,保存天数及存储空间自动防溢,先进先出

 

协议支持

GBT19582-2008(Modbus、ModbusTCP)、 DL/T645-1997、DL/T645-2007、         CJT188-2004  IEC60870-5( 103  104)、 DGJ08-2068-2012 上海建筑 能耗  DGJ32/TJ111-2010 江苏建筑能耗、电力需求侧(需定制) 、远程预付费、运维云平 台、 -网透传等

 



6.2.3AWT100系列简易型协议转换模块

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AWT100 数据转换模块是安科瑞电气推出的新型数据转换 DTU,通讯数据

转换包括  2G、4G、NB、LoRa、LoRaWAN,GPS,WiFi,CE,DP 等通讯方式,下行接口提供了标准 RS485 数据接口,  可以方便的连接电力仪表、RTU、PLC、工控机等设备,仅需一次性完成初始化配置,就可以完成对 MODBUS 设 备的数据采集;同时 AWT100  系列无线通讯终端采用了功能强大的微处理芯片,配合内置看门狗技术,性能可靠稳定

可应用于行业领域如下:

■无线抄表;

■楼宇自动化与安防;

■机器人控制;

■电力配网监控、电力负荷监控;

■智能照明控制;

■自动化数据采集;

■工业遥控遥测;

■高速公路、铁路数据传输;

■其他电力以及工控行业等

a4G/NB/2G型号及技术参数

参数名称

AWT100-4G

AWT100-NB

AWT100-2G

 

工作频段

LTE-FDD B1 B3 B5 B8

 

H-FDD B1 B3 B8 B5 B20

GSM 850

EGSM 900

DCS    1800

PCS    1900

LTE-TDD B34 B38 B39 B40 B41

CDMA

B1 B5 B8

GSM

900/1800M

 

传输速率

LTE-FDD  下行速率 150Mbps 上行速率 50Mbps

 

下行速率25.2Kbps 上行速率15.62Kbps

 

GPRS

下行速率 85.6kbps

上行速率 85.6kbps

LTE-TDD  下行速率 130Mbps 上行速率 35Mbps

CDMA

GSM

下行速率 3.1Mbps 上行速率 1.8Mbps

下行速率 107Kbps 上行速率 85.6Kbps

下行

RS485 通讯

上行

4G 通讯

NB-IoT 通讯

2G 通讯

SIM 卡电压

3V 1 8V

工作电流

静态功耗: 1W ,瞬态功耗: 3W

天线接口

50Ω/SMA(母头)

串口类型

RS-485

波特率

4800bps 9600bps 19200bps 38400bps(默认 9600bps

工作电压

DC24V  AC/DC220V

工作温度

- 10℃~55

储存温度

-40℃~85

湿度范围

095%  非冷凝

 

B)Lora/LoraWAN型号及技术参数

参数名称

AWT100-LoRa

AWT100-LW

AWT100-LW868

AWT100-LW923

AWT100-LORAHW

工作频段

460510MHz

470MHZ

863-870MHZ

920-928MHZ

860-935MHZ

传输速率

LoRa    62.5kbps

下行

RS485 通讯

上行

LoRa 通讯

工作电流

静态功耗: 0.5W ,瞬态功耗: 1W

天线接口

50Ω/SMA(母头)

串口类型

RS 485

波特率

4800bps 9600bps 19200bps 38400bps(默认 9600bps

工作电压

DC24V  AC/DC220V

工作温度

- 10℃~55

储存温度

-40℃~85

湿度范围

095%  非冷凝

 

C) GPS/WIFI/CE/DP通讯型号及技术参数

参数名称

AWT100-GPS

AWT100-WiFi

AWT100-CE

AWT100-DP

 

工作

 

定位精度: 2.5-5m

支持 2.4G 频段

WiFi 速率: 115200bps

以太网速率 10/100M 

适应

Profibus 地址: 1~ 125  (注)

下行

RS485 通讯

上行

GPS 定位

WiFi 无线

以太网通讯

Profibus 通讯

工作电流

静态功耗: 1W ,瞬态功耗: 3W

静态功耗: 0.5W

瞬态功耗: 1W

接口

50Ω/SMA(母头)

RJ45

DP9 

串口类型

RS-485

波特率

4800bps 9600bps 19200bps 38400bps(默认 9600bps

工作电压

DC24V  AC/DC220V

工作温度

- 10℃~55

储存温度

-40℃~85

湿度范围

095%  非冷凝

 





D) 典型应用方案

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AWT100-2G/NB/4G 无线通信终端典型应用

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AWT100-LoRa 无线通信终端典型应用

 

6.3Anet系列智能网关证书报告



 

   


      

 

7结语

本文对基于5G的边缘计算网关及其在电网中的运用进行讨论,结合变电业务介绍了5G网络、边缘计算在变电站中的应用方案。虽然5G技术还在起步阶段,初步部署也是使用非独立组网,并不能够完全展现其特点(例如低时延),相信随着5G及边缘计算技体系的不断完善,独立组网部署5G技术逐渐成熟,能够更加方便、快速地处理更多的数据信息,达到提升数据传输率、降低时延的目的。

 

8参考文献

[1]赵佶.边缘计算网关设备的构建和部署问题的研究[D].大连:大连理工大学,2018.

[2]马洪源,肖子玉,卜忠贵,等.5G边缘计算技术及应用展望[J].电信科学,2019,35(6):114-123.

[3]马晓凯.5G边缘计算技术详解与应用分析[J].中国新技术新产品,2019(16):28-29.

[4]于海飞,张爱军.基于MQTT的多协议物联网网关设计与实现[J].国外电子测量技术,2019,8(11):45-51.

[5]何铮.基于边缘计算的企业物联网网关[J].电脑编程技巧与维护,2019(09):149-151,159.

[6]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版


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