基于5G边缘计算的可调节负荷互动技术研究

陈兆雁，柴宜，平常，付兵彬，程紫运

（国网甘肃省电力公司经济技术研究院，兰州730050）

0 引言

随着电网信息化建设的不断发展，第四代移动通信技术（4G）∕第五代移动通信技术（5G）无线专网逐渐应用到发电、输电、变电、配电、用电的各个环节。电力无线服务可分为控制类、采集类和移动应用类，包括配电自动化、精确负荷控制、分布式能源调控、用电信息采集以及智能视频采集等。为了支撑大量分布式需求侧资源参与电网企业提供的可调节负荷互动服务，可将云计算与边缘计算系统集成，使可调节负荷互动系统实体专注于更高级和更复杂的服务级应用程序，并将基本的、通用的、面向服务的应用程序外包给云，从而提高服务管理和集成水平［1］。需求响应服务商可以借助云端的强大计算能力，辅助可调节负荷互动系统实现电网的负载平衡和可靠性管理，但已有学者提出了将需求侧可调节负荷连接到聚合商的默认访问点时，在云环境中存在业务通信质量难以保障的问题。尽管云计算具有强大的计算和存储能力，并且被认为是可调节负荷互动系统的核心支撑技术，但随着网络接入终端的增多，在传输和集中计算等方面均表现出不同程度的瓶颈。雾计算是可以在云网络边缘提供计算服务的新范例，支持低延迟并提供位置感知服务。已有学者提出基于雾计算平台，通过边缘侧优化实现家庭和微电网级别的能源管理系统原型，具有控制服务定制功能。IEEE 发布了IEEE 2030 TM《IEEE P2030 能源技术和信息技术与电力系统（EPS）、末端应用及负荷的智能电网互操作性指南》，可用于指导末端用户负荷与电网之间的互操作。国际电信联盟电信标准分局（ITU-T）也正致力于从信息与通信技术（ICT）角度进行智能电网的相关标准化工作，分别在电网域、用户域、智能计量域、通信网络域以及业务提供者域进行了相关研究。美国国家标准与技术研究院（NIST）则关注于智能电网的概念模型，目前智能电网概念模型草案也已对外公开发布。需求侧被作为未来参与电网互动的重要资源，越来越受到学者和科研机构的关注［2-3］。OpenADR 是伯克利国家实验室需求响应研究中心依托高校及科研机构提出的一套相对完整的互操作标准，提供了支持负荷侧与电网互动的标准化服务模型。OpenADR 联盟在1.0 版本的基础上，陆续提出了2.0a 和2.0b 等升级版本标准［4］。国外早就已经开始了分布式微网能源市场的建设规划和研究［5］，我国需求侧发展起步较晚但发展迅猛，国家电网有限公司通过参与IEC PC118 的标准化活动，在国内成立了全国智能电网用户接口标准化委员会SAC∕TC549，并牵头完成了DL∕T 1867—2018《电力需求响应信息交换规范》，这也是我国从系统层面提出的首个完整的互操作规范。该规范对OpenADR 进行了适当改版，以满足国内的需求响应互操作要求。本文根据可调节负荷互动业务发展的最新进展，开展了关于基于5G边缘计算的需求响应（DR）终端接入方式以及边缘计算动态策略库加载技术的研究，并尝试提出未来5G网络下可调节负荷互动业务的发展思路。

1 基于5G边缘计算的DR终端接入方式

移动边缘计算（MEC）最初是由欧洲电信标准协会提出的，MEC 系统允许设备将计算任务卸载到网络边缘节点，如基站、无线接入点等。由于没有经历回程链路和核心网络，不仅可以减少延迟开销，还可以有效降低网络传输所带来的能源消耗，从而延长末端物联网设备的生命周期。由于采用分布式部署方式，单个服务器的服务规模较小，无需存储太多有价值的信息，不容易被定位破解，可靠性更高；另一方面，大多数移动边缘云服务器是私有的，信息泄露的风险较小。边缘计算旨在通过边缘端的智能处理模型降低数据传送到云端的需求［6］，根据NIST 提出的智能电网概念模型，未来客户侧资源将在灵活调度能源、协调本地分布式发电组件和储能方面发挥重要作用。随着智能计算设备的迅速增加，未来可调节负荷互动系统需要更加复杂的通信、计算和存储能力，需要有超越传统的15 min报告服务的能力，包括支持实时测量、服务发现、基础设施自动化和安全认证；同时，可调节负荷需要参与源荷互动的调峰［7］。然而，考虑到安全、成本和操作合理性因素，通过现有的电力通信网络难以实现上述功能，5G时代将有更多的控制终端接入可调节负荷（如需求响应控制终端），需要访问网络的设备将会更多。边缘计算已经被证明可以有效降低网络的核心负载率［8］，未来基于5G 边缘计算的DR终端将具有极大的应用前景。

工业互联网产业联盟提出的边缘计算参考架构3.0 由云层、边缘层和站点层组成。边缘层位于云层和站点层之间，提供了云层和站点层间的逻辑关联，可以针对站点层的信息进行处理并执行特定的业务逻辑，以降低向云端发送数据的需求。边缘层包括边缘节点和边缘管理器：边缘节点由边缘网关、边缘控制器、边缘云、边缘传感器等硬件实体组成，提供计算、网络和存储等资源；边缘管理器的核心是软件，统一管理边缘节点。边缘计算系统通常通过以下方式使用资源：对于大量的需求响应终端群，可通过5G 基站接入网络的汇聚层和核心层，通过5G 核心网连接到上一级聚合商（如图1 所示）；针对可调节负荷互动参与的不同DR 项目，调整使用5G 网络的切片资源。5G 采用高频、中低频双连接方式合并网络，高频用于热点覆盖，中低频实现连续覆盖。目前共支持3 种不同的切片方案：其中增强移动宽带（eMBB）可以提供大容量、高带宽的传输；超可靠低延迟通信（uRLLC）主要用于对象之间的实时通信，对延迟和可靠性要求极高，为了满足低延迟的要求［9］，5G 采用了灵活的参数设置和带宽管理机制，通过改变每个正交频分复用（OFDM）符号持续时间来减少延迟；大规模机器类型通信（mMTC）的特点是有大量的连接设备，但每个设备传输的数据很少。在传统的正交多址接入技术中，用户只能获得单一的无线资源，不能适应这种上行链路密集的情况。因此，5G 采用非正交多址技术，将资源分配给多个用户，从而获得更高的频谱效率。可调节负荷互动可以分为紧急型和常规型：紧急型大多涉及电网的安全管理，应采用uRLLC 方式；常规型的需求响应则根据上下行业务需求进行细分，如上行采用mMTC 方式，而下行采用uRLLC。对于中小型聚合商和区域聚合商而言，由于接入了所辖区域内的众多终端，每个互动终端所产生的非实时报告数据可以根据时间进行灵活调度管理，采用eMBB方式有利于提高系统的传输效率。

图1 基于5G的DR终端接入网络结构Fig.1 Architecture of networked DR terminals based on 5G

网络切片实际上是一组建立在物理资源上的虚拟网络［10］，利用网络虚拟化技术对物理资源进行虚拟化，采用软件定义网络技术对其进行管理，为特定的服务提供合适的服务级别，从而达到专用网络传输的效果并节约成本［11］。网络切片技术涉及端到端的过程，具体包括接入网切片、传输网切片、核心网切片以及虚拟资源分配、切片部署、切片连接等。DR 业务关心的是端到端时延特性，图2给出了基于5G 的端到端DR 业务分段延时，可以看出，从DR 终端经过5G 的射频处理单元（RRU）、分布式单元（DU）、集中单元（CU）以及核心网到DR 边缘侧的主站，每一段都包括了无线电波的传播时延和处理时延。为了进一步提升业务的端到端性能指标，可以选择在某些中间环节进行透传或通过队列管理技术提升性能，未来可以考虑引入深度学习策略增强DR业务的性能指标［12］。

图2 基于5G的端到端业务分段时延分析Fig.2 Piecewise and time-delay analysis on 5G based end-to-end service

2 边缘计算动态策略库加载技术

2.1 基于边缘计算的可调节负荷互动架构

在当前的边缘计算框架中，边缘节点的资源通过接口封装，边缘管理器通过代码下载、网络策略配置和数据库操作使用。资源被封装到功能模块中，边缘管理节点通过模型驱动的服务编排来组合和调用功能模块。5G 网络边缘计算总体架构可以由第三代合作伙伴计划（3GPP）标准化组织定义的5G 网络架构中的分布式用户平面功能（UPF）和欧洲电信标准化协会（ETSI）MEC 工作组定义的边缘计算平台（ECP）组成。可调节负荷互动的网络架构中包括3 种实体：边缘计算节点（ECN）、聚合计算节点（ACN）和中央计算节点（CCN）。其中：ECN 最靠近用户侧，可以用于感知分析用户的各种需求侧资源和设备的状态，并将这些状态上报给上级管理机构；ACN 则汇聚所辖区域内的ECN 节点信息，经过简单的计算上报给ACN 或直接对接上级服务商；CCN 具有全局信息，可以借助人工智能（AI）技术计算分析最优化的策略和运行方式。图3 给出了5G边缘计算的可调节负荷互动逻辑架构，整个架构可分为用户层、网络层、服务层，各层功能简要描述如下。

图3 基于5G边缘计算的可调节负荷互动逻辑架构Fig.3 Adjustable load interaction logic architecture of edge computing based on 5G

用户层由各种类型的需求侧资源以及配套的ECN 节点组成，需求侧资源包括可调节负荷互动系统中的物理设备、控制器等。用户可以通过服务访问点（SAP）向上层发起服务请求，上层将按需响应服务请求，并且通过类似的SAP 从上层接收服务响应。

网络层可由中小型聚合商、区域聚合商以及对应的多种通信设备组成，旨在实现需求侧资源用户与计算资源之间的交互，此外还可用于启用需求侧资源之间的交互以及服务层中已定义的2个子层之间的互操作。目前，除了5G 网络，还有包括3G ∕4G、光纤等可支撑控制器局域网络（CAN）互联的多种异构的融合网络。此外，还可以借助软件定义网络技术屏蔽底层通信设施的异质性，实现异构网络间的协作管理。

服务层包括2 个子层，涉及ACN 和CCN 2 个实体，支持常规云的永久云层和临时雾的动态层。由永久云和临时雾中的计算能力支持的服务层，可以通过SAP 为需求侧资源和用户提供各种类型的可调节负荷互动服务。在永久云层中，可以通过各种方式提供3 种不同类型的服务，即SaaS（如营销、调度等配备的高级应用程序），PaaS（如操作系统、数据库）和IaaS（如服务器、存储、网络），并以虚拟化形式组织可用的固定计算资源。

2.2 可调节负荷动态互动策略加载模型

在以往的可调节负荷互动过程中，每个控制设备和终端所加载的策略通常是固定的，但随着能源互联网的快速发展，电力供需多方之间出现多种不同的业务场景［13-16］，虽然5G 网络在技术上支持边缘计算的管道能力，但实际部署时仍面临一系列问题。在组网方面，接入网和核心网的部署方式复杂多样。需要明确边缘计算与接入网络要素之间的关系以及边缘计算在网络中的定位，根据协议栈的不同，将接入网分为DU 和CU。由于核心网UPF 和边缘计算平台系统不能完全解析和识别DU 处理的数据，需要在CU 之后部署UPF 和ECP。服务时延要求为10 ms 或以下时可部署在接入机房，反之部署在边缘云数据中心。

针对未来复杂能源互联场景，可以加载动态策略库以满足不同的业务需要（如图4所示）。针对削峰填谷、新能源消纳、辅助服务3 种不同的业务场景，可以通过设定不同的业务目标和优化目标，动态选择边缘计算策略库最优模型，再根据执行效果，通过闭环反馈方式改变和调整在层级智能化终端内部的运行策略，即可调节负荷的信息物理深度融合模型。

图4 边缘计算动态策略库加载模型Fig.4 Loading model of the edge computing dynamic policy library

目前已有一些关于边缘智能和云端智能融合的应用案例［17］，云边协同架构也是未来5G边缘计算在可调节负荷应用的优选发展路径［18］，需要重点考虑不同可调节负荷互动业务场景下的具体任务切割方法，尤其是针对时延敏感型的业务，需要采用差异化设计方式［19］。参考目前边缘计算白皮书和一些典型的边缘计算应用［20-21］，可以考虑将任务迁移过程中的核心任务进行分解［22］，针对不同的可调节负荷互动业务场景，结合各自目标进行本地化的任务处理；同时，考虑云端的优化目标，将每个计算步骤进行拆分，从而降低每个边缘智能设备的计算任务量。针对基于5G 边缘计算的可调节负荷互动终端，在嵌入式板卡中引入开放计算能力，通过对外部环境和电网参量的智能感知计算，实现电网侧和用户侧的深度信息物理融合，有效提升可调节负荷互动的参与度。可调节负荷互动业务所代表的垂直行业服务种类很多，服务水平的要求也有很大差异，因此，如何在一个网络中满足不同业务的差异化需求是一个值得关注的问题，而移动边缘计算、计算缓存技术、网络切片技术等5G 关键技术可以提供更为有效的解决方案。

3 结束语

本文分析了可调节负荷互动业务对5G 边缘计算业务场景的需要，根据可调节负荷互动的业务流特征和参与互动的项目类型，可分别采用uRLLC，mMTC，eMBB 等不同的5G 传输方式。由于电网中的工业控制服务对时延要求非常严格，在向核心网传输时很难满足时延要求；同时，可调节负荷互动业务涉及大量终端，降低能耗也是刚性需求：因此，可将这种时延敏感或能耗敏感的业务转移到网络边缘进行处理。未来5G边缘计算中，网络编排功能是切片技术的核心，需要根据服务需求实例化特定的切片，根据网络实际情况分配资源并进行路由和切片部署。实时运行网络中的业务需求和网络资源是动态变化的，可调节负荷互动业务运营者需要同时考虑基础设施的物理资源利用率和业务服务质量，才能保证可调节负荷互动业务顺利开展。