LPWAN與邊緣計(jì)算融合在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究

邱曙光 龐成鑫 賈佳

摘 要：電力物聯(lián)網(wǎng)是推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要技術(shù)支撐之一，是獲取電力能源信息的有效途徑。文中提出將低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)和邊緣計(jì)算（EC）融合應(yīng)用在電力物聯(lián)網(wǎng)中，構(gòu)建云邊端一體化管控的平臺(tái)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力數(shù)據(jù)的全面、深度感知，并將云服務(wù)下沉，提高現(xiàn)有電力系統(tǒng)信息智能化水平，為能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供新的思路。

關(guān)鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng);低功耗廣域網(wǎng);邊緣計(jì)算;電力物聯(lián)網(wǎng);一體化管控;云服務(wù)

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）07-00-04

0 引 言

能源互聯(lián)網(wǎng)是未來能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，通過開放性信息共享平臺(tái)，將供電、供熱、供氣以及可再生能源等能源體系互聯(lián)起來，以清潔可再生能源優(yōu)先，以電力能源為中心，實(shí)現(xiàn)多能源體系優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[1]，形成一個(gè)互聯(lián)互通的智慧能源系統(tǒng)。電力物聯(lián)網(wǎng)通過在電力系統(tǒng)中部署各類感知設(shè)備、智能終端和通信裝置等，實(shí)現(xiàn)電力信息的有效感知、獲取與處理，經(jīng)有線與無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可靠傳輸，并對(duì)獲取信息進(jìn)行存儲(chǔ)、分析與處理[2]。電力物聯(lián)網(wǎng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

隨著能源互聯(lián)系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大，現(xiàn)有電力物聯(lián)網(wǎng)必然存在諸多問題與挑戰(zhàn)。一方面，電力物聯(lián)網(wǎng)通過電力專網(wǎng)方式通信基本實(shí)現(xiàn)了電力生產(chǎn)業(yè)務(wù)中某些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)連接，且業(yè)務(wù)相關(guān)性強(qiáng);連接難、分布廣、分散性強(qiáng)且不易供電;數(shù)據(jù)價(jià)值密度低，需要大數(shù)據(jù)技術(shù)支撐;狀態(tài)變化緩慢穩(wěn)定，采集頻次低;日常關(guān)注度低的海量“小數(shù)據(jù)”連接不全面[3-4]，如電力設(shè)備的環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、氣壓、酸堿度等）及電力設(shè)備狀態(tài)參數(shù)（電力塔桿姿態(tài)、設(shè)備絕緣程度等）。

另一方面，物聯(lián)終端“大連接、低延時(shí)”是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然需求。海量部署的電力物聯(lián)終端設(shè)備會(huì)產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和電力云端數(shù)據(jù)計(jì)算中心的運(yùn)算能力提出了更高要求。傳統(tǒng)云技術(shù)數(shù)據(jù)處理機(jī)制將面臨處理龐大規(guī)模數(shù)據(jù)乏力、時(shí)效性差等問題，直接影響電力業(yè)務(wù)的安全和經(jīng)濟(jì)效益。

本文提出將LPWAN技術(shù)和邊緣計(jì)算融合應(yīng)用到電力物聯(lián)網(wǎng)中。首先，結(jié)合LPWAN技術(shù)，借助其超低功耗、低寬帶、低速率、覆蓋廣以及支持海量連接的特點(diǎn)，更好地解決電力系統(tǒng)中海量“小數(shù)據(jù)”的連接獲取問題。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高，傳輸量大的數(shù)據(jù)采用電力物聯(lián)網(wǎng)中的高速通信網(wǎng)絡(luò)傳輸，如電力光纖、電力載波、3G/4G等。兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全面感知。其次，結(jié)合邊緣計(jì)算，將電力云中心的部分計(jì)算任務(wù)遷移至網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，在靠近數(shù)據(jù)的源頭進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提高數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性、安全性，并降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)帶寬要求。

1 關(guān)鍵技術(shù)及其融合

1.1 LPWAN技術(shù)

LPWAN是近年來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新熱點(diǎn)，與ZigBee，WiFi，Bluetooth等通信技術(shù)致力于高速率不同，其更關(guān)注低功耗、遠(yuǎn)距離、低帶寬、易于部署等方面。其中，NB-IoT和LoRa是LPWAN技術(shù)的典型代表[5]。NB-IoT采用蜂窩通信技術(shù)，工作在授權(quán)頻段，由電信運(yùn)營商主導(dǎo)建設(shè)[6];LoRa采用線性擴(kuò)頻技術(shù)，工作在非授權(quán)頻段，由使用者自行組網(wǎng)，可工作在移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)[7]。幾種通信技術(shù)的比較見表1所列。由表1可知，LoRa和NB-IoT在功耗上有明顯優(yōu)勢(shì)，且組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目龐大，傳輸距離遠(yuǎn)，適合終端設(shè)備的海量部署和連接。LPWAN的眾多優(yōu)點(diǎn)是以犧牲通信速率為代價(jià)的，但在“小數(shù)據(jù)”監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景下，對(duì)數(shù)據(jù)通信速率要求不高，因此適用。

1.2 邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算（EC）是在物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)及云計(jì)算快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)快速轉(zhuǎn)型、變革形勢(shì)下提出的新計(jì)算模式，可將具有計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用等能力的智慧平臺(tái)部署在靠近數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)側(cè)，提供邊緣意義上的智能服務(wù)[8]。邊緣計(jì)算基本模型如圖1所示。在邊緣計(jì)算中，智能邊緣設(shè)備充當(dāng)數(shù)據(jù)“生產(chǎn)者”和“消費(fèi)者”的聯(lián)合體，傳統(tǒng)云集中式計(jì)算服務(wù)中心的部分計(jì)算遷移至邊緣設(shè)備。邊緣設(shè)備作為數(shù)據(jù)的第一入口，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、處理、存儲(chǔ)以及分析，對(duì)要求響應(yīng)速度較快的場(chǎng)合，可以直接對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行決策，最終將處理結(jié)果上傳云端，減少網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求和云端計(jì)算的壓力。

1.3 LPWAN與邊緣計(jì)算融合

LPWAN技術(shù)和邊緣計(jì)算是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智能技術(shù)快速發(fā)展形勢(shì)下演變出的新技術(shù)，都為解決互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)變革中所產(chǎn)生的難題提供了技術(shù)支撐。LPWAN與邊緣計(jì)算都有其自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將兩個(gè)技術(shù)融合應(yīng)用到電力物聯(lián)網(wǎng)中，在特定場(chǎng)合下將展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

（1）提高網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞撵`活性

大多數(shù)LPWAN拓?fù)浞桨妇捎眯切屯負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過單跳方式直接與網(wǎng)關(guān)或基站通信，簡(jiǎn)化了協(xié)議棧，便于集中管理[9]。但LPWAN中的大部分終端節(jié)點(diǎn)均采用電池供電，在遠(yuǎn)離網(wǎng)關(guān)或者基站時(shí)，必須以高功率電平進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，加快了電池電量消耗。利用邊緣計(jì)算對(duì)LPWAN組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)、路由、帶寬等關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，動(dòng)態(tài)重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)智能路由，從而降低各節(jié)點(diǎn)的能耗，保證LPWAN應(yīng)用在電力物聯(lián)網(wǎng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)的可靠性。

（2）提高數(shù)據(jù)分析質(zhì)量

現(xiàn)有電力物聯(lián)網(wǎng)對(duì)“小數(shù)據(jù)”的連接不夠全面，數(shù)據(jù)源采集的數(shù)據(jù)包含大量無用數(shù)據(jù)，使得服務(wù)器性能下降，且隨著終端數(shù)量不斷增加，服務(wù)的實(shí)時(shí)性也無法得到保證。LPWAN技術(shù)可與現(xiàn)有電力通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊緣數(shù)據(jù)的全面感知，而且通過邊緣計(jì)算，可以在數(shù)據(jù)源頭對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾和處理，去除大部分臨時(shí)數(shù)據(jù)，只將部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)上傳云端。服務(wù)器只需集中處理這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)即可，提高數(shù)據(jù)分析質(zhì)量，及時(shí)響應(yīng)業(yè)務(wù)需求。

（3）提供安全與隱私保護(hù)

傳統(tǒng)電力云大數(shù)據(jù)中心向電力用戶提供服務(wù)時(shí)，需要收集用戶側(cè)上傳的所有數(shù)據(jù)。隨著網(wǎng)絡(luò)的日益復(fù)雜和計(jì)算機(jī)病毒的不斷升級(jí)，勢(shì)必會(huì)給網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸帶來威脅。LPWAN終端設(shè)備具備一定的運(yùn)算能力，能夠部署輕量級(jí)加密算法，如基于LoRa的終端設(shè)備，通信協(xié)議中使用多個(gè)密鑰以及雙重128AES加密機(jī)制，以提供通信安全保障[10];如基于NB-IoT的終端設(shè)備，支持雙向鑒權(quán)和空口加密機(jī)制，可確保終端設(shè)備在發(fā)送接收數(shù)據(jù)時(shí)的空口安全性。同時(shí)，邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)可對(duì)終端設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入封裝和加密，部分敏感數(shù)據(jù)可直接在網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行處理，不必上傳網(wǎng)絡(luò)，以保證數(shù)據(jù)安全及隱私。

2 融合LPWAN與邊緣計(jì)算的電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

融合LPWAN技術(shù)和邊緣計(jì)算的電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)可以劃分成感知層、邊緣層、云計(jì)算層、應(yīng)用層，如圖2所示。其中感知層加入基于LPWAN的監(jiān)控終端設(shè)備，在信息獲取上相比傳統(tǒng)的電力物聯(lián)網(wǎng)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。此外，在云集中式處理數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)模式下加入邊緣層，將云服務(wù)下沉至邊緣，使數(shù)據(jù)處理更靠近數(shù)據(jù)源頭，構(gòu)建“云-邊-端”一體化管控的平臺(tái)架構(gòu)。

2.1 感知層

感知層包括部署在電力系統(tǒng)中的各類型傳感器和監(jiān)控設(shè)備、控制設(shè)備及智能終端等。感知層的各類設(shè)備通過電力光纖、電力載波、LPWAN等通信方式實(shí)現(xiàn)與邊緣層的連接，或直接與云計(jì)算層中各類服務(wù)器進(jìn)行連接。通信網(wǎng)絡(luò)可以使用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過邊緣網(wǎng)關(guān)連接至廣域網(wǎng)絡(luò)。

2.2 邊緣層

邊緣層接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)來自感知層的數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)邊緣智能計(jì)算、數(shù)據(jù)分析，提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)控制等時(shí)間敏感服務(wù)。邊緣層由邊緣節(jié)點(diǎn)和邊緣管理器組成。邊緣節(jié)點(diǎn)是邊緣計(jì)算的核心，包括以網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理和轉(zhuǎn)換的邊緣網(wǎng)關(guān)、支持實(shí)時(shí)閉環(huán)控制的邊緣敏捷控制器、集中處理邊緣大數(shù)據(jù)的邊緣云等。邊緣管理器的核心是軟件，主要對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

2.3 云計(jì)算層

云計(jì)算層是由數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)運(yùn)算服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器等各類型服務(wù)器組成的集群。云計(jì)算層從感知層和邊緣層接收數(shù)據(jù)流，向感知層發(fā)出控制信息，同時(shí)根據(jù)業(yè)務(wù)需求，云計(jì)算層可以和邊緣層協(xié)同合作，最終實(shí)現(xiàn)從全局范圍內(nèi)對(duì)資源進(jìn)行調(diào)度，向電力行業(yè)提供服務(wù)。

2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層包括中間件和應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施，提供計(jì)算、信息處理、資源調(diào)度等功能接口。利用模式識(shí)別、智能計(jì)算等技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)信息的處理和綜合分析與智能化控制與決策服務(wù)，提高發(fā)電、配電、輸電、用電等應(yīng)用環(huán)節(jié)的智能化水平。

3 LPWAN與EC融合在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

在能源互聯(lián)網(wǎng)“泛感知”的需求下，LPWAN技術(shù)與EC的融合應(yīng)用到電力物聯(lián)網(wǎng)中，可為電力行業(yè)發(fā)展中出現(xiàn)的問題提供解決方案。

3.1 電力設(shè)備環(huán)境監(jiān)測(cè)

電力能源系統(tǒng)發(fā)電、配電、輸電、用電等環(huán)節(jié)中設(shè)備數(shù)量龐大，每個(gè)設(shè)備的工作環(huán)境狀態(tài)是否在正常范圍內(nèi)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性影響巨大。如電力設(shè)備周圍溫度、氣壓、濕度、酸堿度等，如電力塔桿傾斜、移動(dòng)、震動(dòng)等。由于數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)多，分布范圍廣，高度分散，監(jiān)測(cè)設(shè)備不易供電，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)無法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效連接和管理。如果對(duì)邊緣小數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，則可以提高電力巡檢的效率，預(yù)防電力事故的發(fā)生。圖3所示為L(zhǎng)PWAN技術(shù)和EC融合到電力設(shè)備環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用場(chǎng)景示意。通過LPWAN技術(shù)，各環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)可使用電池供電，靈活部署在各環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)，使電力設(shè)備環(huán)境監(jiān)測(cè)的廣泛普及成為可能。分布式邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)在網(wǎng)絡(luò)邊緣對(duì)海量環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行多協(xié)議解析、實(shí)時(shí)分析和管理，并與電力監(jiān)控中心協(xié)同，向電力檢修平臺(tái)以及在偏僻地區(qū)進(jìn)行電力檢修的工作人員提供智能服務(wù)。

3.2 新能源發(fā)電監(jiān)測(cè)

清潔新能源發(fā)電在能源互聯(lián)網(wǎng)體系中占有重要地位，是電力系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵，對(duì)分布式能源、儲(chǔ)能設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控是電力能源供需領(lǐng)域互動(dòng)的重要技術(shù)支撐[11-12]。各種新能源發(fā)電資源，如風(fēng)能、太陽能、潮汐能等分散性強(qiáng)且地域偏僻，數(shù)據(jù)采集存在一定的困難。LPWAN和EC融合在新能源發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用如圖4所示。電力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)可使用“電力通信專網(wǎng)+LPWAN組網(wǎng)”方式通信，實(shí)現(xiàn)電力數(shù)據(jù)的全面感知。對(duì)于時(shí)間敏感型業(yè)務(wù)采用高速電力通信專網(wǎng);對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，數(shù)據(jù)采集量不大的業(yè)務(wù)采用LPWAN組網(wǎng)方式通信，以提高電力通信網(wǎng)絡(luò)的靈活性，降低電力通信基礎(chǔ)設(shè)施的部署成本。

分布式發(fā)電能源并網(wǎng)后，電力數(shù)據(jù)量龐大，能源管理與需求響應(yīng)的實(shí)時(shí)性要求高。通過部署邊緣計(jì)算將傳統(tǒng)電力云中的部分計(jì)算任務(wù)遷移至邊緣云。分布式邊緣云根據(jù)電力業(yè)務(wù)和功能需求進(jìn)行任務(wù)劃分，并使計(jì)算節(jié)點(diǎn)更靠近數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。分布式邊緣云和電力中心云協(xié)同合作，為電力管理部門和電力用戶提供實(shí)時(shí)高效的服務(wù)。

4 結(jié) 語

LPWAN是物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的重要突破，其擁有的優(yōu)勢(shì)能夠填補(bǔ)電力能源領(lǐng)域中“小數(shù)據(jù)”獲取的空白，實(shí)現(xiàn)電力信息數(shù)據(jù)的全面深入感知。邊緣計(jì)算將云端的計(jì)算任務(wù)有效分配到網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，降低數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求和云計(jì)算中心的計(jì)算負(fù)荷，提高電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求響應(yīng)的速度。能源互聯(lián)網(wǎng)是未來發(fā)展的趨勢(shì)，兩個(gè)技術(shù)融合應(yīng)用，在構(gòu)建互聯(lián)互通的智慧能源體系過程中將發(fā)揮重要作用。

除了電力領(lǐng)域，LPWAN技術(shù)與邊緣計(jì)算融合的應(yīng)用還可以延伸至梯聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智慧水務(wù)、智慧交通等領(lǐng)域，其邊緣計(jì)算的節(jié)點(diǎn)選擇靈活多變。隨著邊緣計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不斷完善以及計(jì)算芯片與存儲(chǔ)設(shè)備成本的下降，以深度學(xué)習(xí)為代表的新一代AI可以實(shí)現(xiàn)邊緣化的部署[13]，為各行各業(yè)提供更加優(yōu)質(zhì)、便捷、靈活的服務(wù)。

注：本文通訊作者為龐成鑫。

參 考 文 獻(xiàn)

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