電力多站融合數(shù)據(jù)中心的5G+MEC云邊協(xié)同技術(shù)研究

國網(wǎng)上海市電力公司 王 琰 唐懿穎 李世龍

中興通訊股份有限公司 張 軍 彭小剛

本文從電力邊緣云平臺(tái)建設(shè)、云邊協(xié)同、云網(wǎng)融合三個(gè)角度，分析了基于電力多站融合數(shù)據(jù)中心結(jié)合5G技術(shù)、多接入邊緣計(jì)算（MEC）技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等實(shí)現(xiàn)電力邊緣云整體解決方案的技術(shù)方案和實(shí)施建議。

1 研究背景

國家電網(wǎng)有限公司在2019年1月的公司“兩會(huì)”提出要探索利用變電站資源建設(shè)運(yùn)營充換電（儲(chǔ)能）站和數(shù)據(jù)中心站新模式，從而拉開了多站融合數(shù)據(jù)中心建設(shè)序幕。

國家電網(wǎng)有限公司通過“多站融合”數(shù)據(jù)中心建設(shè)，可形成電網(wǎng)企業(yè)獨(dú)有的，電力、算力及通信服務(wù)能力相融合的，能為電網(wǎng)及上下游、運(yùn)營商和廣大政企客戶提供滿足邊緣計(jì)算算力需求的云網(wǎng)融合型電力邊緣云整體解決方案，助力國家5G戰(zhàn)略和數(shù)字新基建戰(zhàn)略的蓬勃發(fā)展。

當(dāng)前，以多站融合數(shù)據(jù)中心建設(shè)為核心的邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)生態(tài)還不完善，盲目建設(shè)多點(diǎn)數(shù)據(jù)中心導(dǎo)致的結(jié)果：一方面為部署新業(yè)務(wù)不斷增加新的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源以及數(shù)據(jù)中心，另一方面各種設(shè)備資源能力過剩、利用率過低、數(shù)據(jù)中心資源富余導(dǎo)致資源浪費(fèi)。因此，基于電網(wǎng)企業(yè)自身資源稟賦，結(jié)合5G通信技術(shù)和5G網(wǎng)絡(luò)部署、多接入邊緣計(jì)算（MEC）、IDC智能運(yùn)維和運(yùn)營等現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及運(yùn)營商、政企客戶、電網(wǎng)及上下游對(duì)邊緣算力的需求特點(diǎn)，從構(gòu)建電力邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)生態(tài)出發(fā)，開展多站融合數(shù)據(jù)中心體系架構(gòu)分析研究具有廣泛的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

本文將介紹基于電力多站融合數(shù)據(jù)中心開展電力邊緣云整體解決方案所涉及到的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)體系。

（1）電力邊緣云平臺(tái)

電力邊緣云平臺(tái)的建設(shè)可盤活和釋放電網(wǎng)企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的資源共享價(jià)值。

（2）云邊協(xié)同技術(shù)分析

通過邊緣和中心云算力協(xié)同，達(dá)到性能和成本的平衡。

（3）云網(wǎng)融合技術(shù)研究

實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)感知算力，按需路由分散在各處的算力，實(shí)現(xiàn)算力的最佳化利用。

2 電力邊緣云平臺(tái)技術(shù)研究

2016年，ETSI把MEC的概念擴(kuò)展為多接入邊緣計(jì)算（Multi-Access Edge Computing），將邊緣計(jì)算從電信蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步延伸至其他無線接入網(wǎng)絡(luò)（如WiFi）。MEC可以看作是一個(gè)運(yùn)行在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣的、運(yùn)行特定任務(wù)的云服務(wù)器。

建設(shè)適應(yīng)5G時(shí)代業(yè)務(wù)應(yīng)用對(duì)用戶側(cè)分布式算力需求激增，靈活運(yùn)用MEC技術(shù)體系架構(gòu)的電力邊緣云平臺(tái)的必要性主要考慮三點(diǎn)：一是電網(wǎng)企業(yè)貫徹落實(shí)國家數(shù)字新基建政策；二是支撐電網(wǎng)企業(yè)向能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展；三是實(shí)現(xiàn)5G產(chǎn)業(yè)布局。圖1所示為電力邊緣云化數(shù)據(jù)中心整體框架。

圖1 電力邊緣云化數(shù)據(jù)中心整體框架

電力邊緣云化數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)中心主要由IDC、存儲(chǔ)服務(wù)器、數(shù)通、雙核驅(qū)動(dòng)輕量化云管平臺(tái)、能力開放平臺(tái)組成，可以為電網(wǎng)變電站輔控平臺(tái)、輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)等對(duì)內(nèi)業(yè)務(wù)和綜合能源服務(wù)等電網(wǎng)拓展業(yè)務(wù)提供可靠的邊緣算力支撐。

2.1 數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

電力邊緣云化數(shù)據(jù)中心的IDC基礎(chǔ)設(shè)施選型與建設(shè)需對(duì)電力物業(yè)空間規(guī)模、室內(nèi)及室外、區(qū)域資源需求等綜合考慮，可以選用不同的IDC基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方案進(jìn)行項(xiàng)目部署。

邊緣數(shù)據(jù)中心點(diǎn)多面廣，建議在省級(jí)或地市中心級(jí)建設(shè)統(tǒng)一邊緣云基礎(chǔ)設(shè)施管理平臺(tái)（DCIM），實(shí)現(xiàn)IDC基礎(chǔ)設(shè)施的統(tǒng)一運(yùn)維、智能管理，并在信息通信專業(yè)組建獨(dú)立的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行運(yùn)維管控作業(yè)。

2.2 ICT硬件基礎(chǔ)設(shè)施

ICT硬件基礎(chǔ)設(shè)施重點(diǎn)考慮邊緣計(jì)算場(chǎng)景對(duì)硬件資源的需求，專用硬件滿足不同感知數(shù)據(jù)全接入和業(yè)務(wù)加速需求，通用硬件提供池化算力資源保障。

2.3 輕量化云管平臺(tái)

通過OpenStack和Kubernetes的深度融合，構(gòu)建輕量化云管平臺(tái)，提供虛擬機(jī)、容器雙核平臺(tái)環(huán)境，為三方應(yīng)用提供云化的計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)資源，滿足三方業(yè)務(wù)快速上線及容量彈縮需求。

2.4 能力開放平臺(tái)

能力開放平臺(tái)是設(shè)備資源管理、多維數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)聚合、模型算法生態(tài)建設(shè)和能力引擎建設(shè)的綜合性軟件基礎(chǔ)平臺(tái)支撐設(shè)施，是銜接硬件能力和業(yè)務(wù)系統(tǒng)的樞紐。能力開放平臺(tái)應(yīng)包括：

2.4.1 基礎(chǔ)能力組件

主要是消息中間件、IOT平臺(tái)、視頻云化存儲(chǔ)等基礎(chǔ)組件。IOT平臺(tái)實(shí)現(xiàn)小顆粒度數(shù)據(jù)的集中化管理和運(yùn)營能力。視頻云化存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)音視頻流的邊緣側(cè)分布式存儲(chǔ)，卸載中心云大流量音視頻存儲(chǔ)能力，降低網(wǎng)絡(luò)壓力，激發(fā)邊緣側(cè)AI音視頻分析能力，留存濃縮有效信息供中心云端調(diào)用。

2.4.2 擴(kuò)展能力組件

擴(kuò)展能力組件主要按需聚合行業(yè)AI算法、VR引擎、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生等，為業(yè)務(wù)層提供個(gè)性化的能力服務(wù)，是構(gòu)建邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)生態(tài)的價(jià)值核心，是未來各個(gè)廠商開展競(jìng)爭(zhēng)的主戰(zhàn)場(chǎng)。

2.5 電網(wǎng)對(duì)內(nèi)業(yè)務(wù)

通過對(duì)公司內(nèi)部50多項(xiàng)典型信息系統(tǒng)和虛擬電廠、綜合能源服務(wù)等新型業(yè)務(wù)的分析來看，輸變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、輸變配運(yùn)行環(huán)境監(jiān)控、作業(yè)安全監(jiān)管等對(duì)設(shè)備、環(huán)境和安全作業(yè)的監(jiān)測(cè)、監(jiān)管部署了海量的感知終端，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)具備強(qiáng)時(shí)空特性、高冗余、低價(jià)值密度特點(diǎn)，適合通過部署邊緣計(jì)算平臺(tái)，將業(yè)務(wù)進(jìn)行合適的改造和更新，滿足信息系統(tǒng)架構(gòu)由傳統(tǒng)的端-云向端-邊-云演進(jìn)，向云邊協(xié)同方向發(fā)展，釋放電力邊緣云潛力，優(yōu)化省級(jí)中心云業(yè)務(wù)，提升邊緣至中心網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。

2.6 平臺(tái)建設(shè)要點(diǎn)分析

●基礎(chǔ)設(shè)施統(tǒng)一運(yùn)維與運(yùn)營

部署智能化基礎(chǔ)設(shè)施管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)維與系統(tǒng)運(yùn)營統(tǒng)一化，提質(zhì)增效。

●按機(jī)架進(jìn)行物理分割，保障業(yè)務(wù)安全

電網(wǎng)自用與對(duì)外服務(wù)邊緣云按照整機(jī)架進(jìn)行物理分割，安全分區(qū)管理。

●大區(qū)模式部署云管平臺(tái)

按地域及光纖網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞染酆嫌騼?nèi)多個(gè)邊緣數(shù)據(jù)中心，在中心節(jié)點(diǎn)部署云管平臺(tái)和實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的安全對(duì)接。

●建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)能力平臺(tái)，開放能力組件平臺(tái)建設(shè)

標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)與開放能力相結(jié)合，打造邊緣計(jì)算能力開放生態(tài)。

●試驗(yàn)與試點(diǎn)相結(jié)合，移植典型業(yè)務(wù)應(yīng)用

總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，升級(jí)完善端-邊-云信息系統(tǒng)架構(gòu)。

3 云邊協(xié)同體系架構(gòu)研究

5G時(shí)代，隨著計(jì)算能力下沉成為趨勢(shì)，大量的業(yè)務(wù)尤其是行業(yè)應(yīng)用將部署在邊緣云上。未來，電網(wǎng)及上下游企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和廣大行業(yè)客戶，將面臨來自業(yè)務(wù)應(yīng)用的剛性需求和用戶體驗(yàn)提升要求等多重驅(qū)動(dòng)力促使其將業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行升級(jí)改造以適應(yīng)云邊協(xié)同的信息系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)趨勢(shì)。

基于電力多站融合數(shù)據(jù)中心打造的電力邊緣云化數(shù)字中心作為重要的邊緣算力資源，其算力成本高于中心云平臺(tái)，非時(shí)延敏感業(yè)務(wù)，由中心云處理，AI推理、策略執(zhí)行等由邊緣計(jì)算平臺(tái)處理，云邊協(xié)同，合理分工，鏈路優(yōu)化，提升信息服務(wù)品質(zhì)。系統(tǒng)研究邊緣云與中心云的協(xié)同方式和技術(shù)體系架構(gòu)特點(diǎn)，以指導(dǎo)未來的電力邊緣云規(guī)模商用和業(yè)務(wù)應(yīng)用上云，具有廣泛的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。云邊協(xié)同體系架構(gòu)演進(jìn)及特點(diǎn)如圖2所示。

圖2 云邊協(xié)同體系架構(gòu)演進(jìn)及特點(diǎn)

基于電力邊緣云的特點(diǎn)，按照承載的業(yè)務(wù)應(yīng)用屬性、對(duì)接的不同對(duì)象等進(jìn)行劃分，主要包括以下幾方面：

●電力邊緣云承載電網(wǎng)內(nèi)部邊緣計(jì)算業(yè)務(wù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)中心云（國網(wǎng)云）的對(duì)接；

●運(yùn)營商租賃電力邊緣云基礎(chǔ)設(shè)施，部署5G UPF，對(duì)外提供邊緣計(jì)算服務(wù)；

●電力邊緣云基礎(chǔ)設(shè)施與企業(yè)及園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的融合，提供融合型邊緣計(jì)算服務(wù)；

●電力邊緣云實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一接入，與公有云的對(duì)接。

4 云網(wǎng)融合體系架構(gòu)研究

電網(wǎng)企業(yè)因電力系統(tǒng)保護(hù)、控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃枨?，企業(yè)基于OPGW、地埋光纜和普通架空光纜構(gòu)建了廣泛覆蓋、性能可靠，且資源具備一定冗余的龐大光纖鏈路。電網(wǎng)企業(yè)將閑散光纖資源進(jìn)行整合，形成面向行業(yè)和社會(huì)的網(wǎng)絡(luò)資源，與電力邊緣云進(jìn)行融合，助力運(yùn)營商5G建設(shè)和行業(yè)客戶數(shù)字化轉(zhuǎn)型，為國家數(shù)字新基建戰(zhàn)略的發(fā)展提供重要支撐。云網(wǎng)融合體系架構(gòu)下的邊緣云承載電網(wǎng)業(yè)務(wù)如圖3所示。

圖3 云網(wǎng)融合體系架構(gòu)下的邊緣云承載電網(wǎng)業(yè)務(wù)

按照“大區(qū)方式”，基于OTN或SPN技術(shù)，實(shí)現(xiàn)跨站點(diǎn)的多物理數(shù)據(jù)中心互聯(lián)互通，短期內(nèi)建議采用星型拓?fù)?，將邊緣?jié)點(diǎn)和區(qū)域邊緣中心節(jié)點(diǎn)互聯(lián)，在中心節(jié)點(diǎn)部署云管平臺(tái)和SDN控制器，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及計(jì)算資源的統(tǒng)一管控?？绻?jié)點(diǎn)的算力資源通過智能的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，讓網(wǎng)絡(luò)感知算力，并按照業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、算力能力的要求和業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)，通過智能化的路由進(jìn)行調(diào)度，實(shí)現(xiàn)邊緣云與支撐網(wǎng)絡(luò)的深度融合。

在區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)部署安全邊界防護(hù)，實(shí)現(xiàn)與運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的互通，便于輸電走廊監(jiān)測(cè)、綜能服務(wù)、巡線等公網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳。

隨著國家電網(wǎng)邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)的成熟，電網(wǎng)企業(yè)與運(yùn)營商、行業(yè)大客戶及園區(qū)等普通客戶深度合作，進(jìn)行云網(wǎng)融合，將電力邊緣云對(duì)外服務(wù)能力與電力對(duì)外服務(wù)傳輸網(wǎng)的通信能力進(jìn)行整合，開發(fā)整體的云網(wǎng)融合一體化解決方案，深度適配行業(yè)大客戶和普通客戶的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)資產(chǎn)的增值變現(xiàn)。

總結(jié)：國家“3060碳達(dá)峰、碳中和”計(jì)劃的提出，對(duì)電力行業(yè)和電網(wǎng)企業(yè)提出了更高要求，國家電網(wǎng)有限公司提出構(gòu)建以新能源為主的新型電力系統(tǒng)，風(fēng)力、光伏等新能源具有地域分布分散、供需時(shí)空跨度大、源網(wǎng)荷儲(chǔ)動(dòng)態(tài)平衡要求高等特點(diǎn)，廣域海量的感知和實(shí)時(shí)的分布式計(jì)算需求高于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)。

以云邊協(xié)同、云網(wǎng)融合理念建設(shè)的電力邊緣云相較于傳統(tǒng)的僅以電力自有物業(yè)空余空間出租、機(jī)架租賃、服務(wù)器托管等解決方案，具備更加廣闊的市場(chǎng)前景和競(jìng)爭(zhēng)力。

未來，基于電力自有物業(yè)的多站融合數(shù)據(jù)中心及電力邊緣云平臺(tái)對(duì)內(nèi)可提供廣泛的邊緣側(cè)算力支持，對(duì)外可對(duì)運(yùn)營商、政企客戶等提供邊緣計(jì)算增值服務(wù)。