电力多站融合数据中心的5G+MEC云边协同技术研究

国网上海市电力公司 王 琰 唐懿颖 李世龙

中兴通讯股份有限公司 张 军 彭小刚

本文从电力边缘云平台建设、云边协同、云网融合三个角度，分析了基于电力多站融合数据中心结合5G技术、多接入边缘计算（MEC）技术、云计算技术等实现电力边缘云整体解决方案的技术方案和实施建议。

1 研究背景

国家电网有限公司在2019年1月的公司“两会”提出要探索利用变电站资源建设运营充换电（储能）站和数据中心站新模式，从而拉开了多站融合数据中心建设序幕。

国家电网有限公司通过“多站融合”数据中心建设，可形成电网企业独有的，电力、算力及通信服务能力相融合的，能为电网及上下游、运营商和广大政企客户提供满足边缘计算算力需求的云网融合型电力边缘云整体解决方案，助力国家5G战略和数字新基建战略的蓬勃发展。

当前，以多站融合数据中心建设为核心的边缘计算产业生态还不完善，盲目建设多点数据中心导致的结果：一方面为部署新业务不断增加新的计算、存储、网络资源以及数据中心，另一方面各种设备资源能力过剩、利用率过低、数据中心资源富余导致资源浪费。因此，基于电网企业自身资源禀赋，结合5G通信技术和5G网络部署、多接入边缘计算（MEC）、IDC智能运维和运营等现状和技术发展趋势及运营商、政企客户、电网及上下游对边缘算力的需求特点，从构建电力边缘计算产业生态出发，开展多站融合数据中心体系架构分析研究具有广泛的社会和经济价值。

本文将介绍基于电力多站融合数据中心开展电力边缘云整体解决方案所涉及到的三个关键技术体系。

（1）电力边缘云平台

电力边缘云平台的建设可盘活和释放电网企业基础设施的资源共享价值。

（2）云边协同技术分析

通过边缘和中心云算力协同，达到性能和成本的平衡。

（3）云网融合技术研究

实现网络感知算力，按需路由分散在各处的算力，实现算力的最佳化利用。

2 电力边缘云平台技术研究

2016年，ETSI把MEC的概念扩展为多接入边缘计算（Multi-Access Edge Computing），将边缘计算从电信蜂窝网络进一步延伸至其他无线接入网络（如WiFi）。MEC可以看作是一个运行在移动网络边缘的、运行特定任务的云服务器。

建设适应5G时代业务应用对用户侧分布式算力需求激增，灵活运用MEC技术体系架构的电力边缘云平台的必要性主要考虑三点：一是电网企业贯彻落实国家数字新基建政策；二是支撑电网企业向能源互联网企业转型发展；三是实现5G产业布局。图1所示为电力边缘云化数据中心整体框架。

图1 电力边缘云化数据中心整体框架

电力边缘云化数据数据中心主要由IDC、存储服务器、数通、双核驱动轻量化云管平台、能力开放平台组成，可以为电网变电站辅控平台、输变电设备状态监测等对内业务和综合能源服务等电网拓展业务提供可靠的边缘算力支撑。

2.1 数据中心基础设施建设

电力边缘云化数据中心的IDC基础设施选型与建设需对电力物业空间规模、室内及室外、区域资源需求等综合考虑，可以选用不同的IDC基础设施建设方案进行项目部署。

边缘数据中心点多面广，建议在省级或地市中心级建设统一边缘云基础设施管理平台（DCIM），实现IDC基础设施的统一运维、智能管理，并在信息通信专业组建独立的团队进行运维管控作业。

2.2 ICT硬件基础设施

ICT硬件基础设施重点考虑边缘计算场景对硬件资源的需求，专用硬件满足不同感知数据全接入和业务加速需求，通用硬件提供池化算力资源保障。

2.3 轻量化云管平台

通过OpenStack和Kubernetes的深度融合，构建轻量化云管平台，提供虚拟机、容器双核平台环境，为三方应用提供云化的计算、网络、存储资源，满足三方业务快速上线及容量弹缩需求。

2.4 能力开放平台

能力开放平台是设备资源管理、多维数据实时聚合、模型算法生态建设和能力引擎建设的综合性软件基础平台支撑设施，是衔接硬件能力和业务系统的枢纽。能力开放平台应包括：

2.4.1 基础能力组件

主要是消息中间件、IOT平台、视频云化存储等基础组件。IOT平台实现小颗粒度数据的集中化管理和运营能力。视频云化存储，实现实时音视频流的边缘侧分布式存储，卸载中心云大流量音视频存储能力，降低网络压力，激发边缘侧AI音视频分析能力，留存浓缩有效信息供中心云端调用。

2.4.2 扩展能力组件

扩展能力组件主要按需聚合行业AI算法、VR引擎、区块链、数字孪生等，为业务层提供个性化的能力服务，是构建边缘计算产业生态的价值核心，是未来各个厂商开展竞争的主战场。

2.5 电网对内业务

通过对公司内部50多项典型信息系统和虚拟电厂、综合能源服务等新型业务的分析来看，输变电设备运行状态监测、输变配运行环境监控、作业安全监管等对设备、环境和安全作业的监测、监管部署了海量的感知终端，产生的数据具备强时空特性、高冗余、低价值密度特点，适合通过部署边缘计算平台，将业务进行合适的改造和更新，满足信息系统架构由传统的端-云向端-边-云演进，向云边协同方向发展，释放电力边缘云潜力，优化省级中心云业务，提升边缘至中心网络传输效率。

2.6 平台建设要点分析

●基础设施统一运维与运营

部署智能化基础设施管控平台，实现设备运维与系统运营统一化，提质增效。

●按机架进行物理分割，保障业务安全

电网自用与对外服务边缘云按照整机架进行物理分割，安全分区管理。

●大区模式部署云管平台

按地域及光纤网络拓扑等聚合域内多个边缘数据中心，在中心节点部署云管平台和实现与互联网的安全对接。

●建设标准化基础能力平台，开放能力组件平台建设

标准平台与开放能力相结合，打造边缘计算能力开放生态。

●试验与试点相结合，移植典型业务应用

总结经验教训，升级完善端-边-云信息系统架构。

3 云边协同体系架构研究

5G时代，随着计算能力下沉成为趋势，大量的业务尤其是行业应用将部署在边缘云上。未来，电网及上下游企业、互联网企业和广大行业客户，将面临来自业务应用的刚性需求和用户体验提升要求等多重驱动力促使其将业务应用进行升级改造以适应云边协同的信息系统架构演进趋势。

基于电力多站融合数据中心打造的电力边缘云化数字中心作为重要的边缘算力资源，其算力成本高于中心云平台，非时延敏感业务，由中心云处理，AI推理、策略执行等由边缘计算平台处理，云边协同，合理分工，链路优化，提升信息服务品质。系统研究边缘云与中心云的协同方式和技术体系架构特点，以指导未来的电力边缘云规模商用和业务应用上云，具有广泛的技术和经济价值。云边协同体系架构演进及特点如图2所示。

图2 云边协同体系架构演进及特点

基于电力边缘云的特点，按照承载的业务应用属性、对接的不同对象等进行划分，主要包括以下几方面：

●电力边缘云承载电网内部边缘计算业务应用，实现与电网中心云（国网云）的对接；

●运营商租赁电力边缘云基础设施，部署5G UPF，对外提供边缘计算服务；

●电力边缘云基础设施与企业及园区网络的融合，提供融合型边缘计算服务；

●电力边缘云实现互联网统一接入，与公有云的对接。

4 云网融合体系架构研究

电网企业因电力系统保护、控制和数据传输等需求，企业基于OPGW、地埋光缆和普通架空光缆构建了广泛覆盖、性能可靠，且资源具备一定冗余的庞大光纤链路。电网企业将闲散光纤资源进行整合，形成面向行业和社会的网络资源，与电力边缘云进行融合，助力运营商5G建设和行业客户数字化转型，为国家数字新基建战略的发展提供重要支撑。云网融合体系架构下的边缘云承载电网业务如图3所示。

图3 云网融合体系架构下的边缘云承载电网业务

按照“大区方式”，基于OTN或SPN技术，实现跨站点的多物理数据中心互联互通，短期内建议采用星型拓扑，将边缘节点和区域边缘中心节点互联，在中心节点部署云管平台和SDN控制器，实现网络及计算资源的统一管控。跨节点的算力资源通过智能的网络进行连接，让网络感知算力，并按照业务对网络质量、算力能力的要求和业务优先级，通过智能化的路由进行调度，实现边缘云与支撑网络的深度融合。

在区域中心节点部署安全边界防护，实现与运营商网络的互通，便于输电走廊监测、综能服务、巡线等公网业务数据的实时回传。

随着国家电网边缘计算产业生态建设的成熟，电网企业与运营商、行业大客户及园区等普通客户深度合作，进行云网融合，将电力边缘云对外服务能力与电力对外服务传输网的通信能力进行整合，开发整体的云网融合一体化解决方案，深度适配行业大客户和普通客户的业务场景，实现电网资产的增值变现。

总结：国家“3060碳达峰、碳中和”计划的提出，对电力行业和电网企业提出了更高要求，国家电网有限公司提出构建以新能源为主的新型电力系统，风力、光伏等新能源具有地域分布分散、供需时空跨度大、源网荷储动态平衡要求高等特点，广域海量的感知和实时的分布式计算需求高于传统电力系统。

以云边协同、云网融合理念建设的电力边缘云相较于传统的仅以电力自有物业空余空间出租、机架租赁、服务器托管等解决方案，具备更加广阔的市场前景和竞争力。

未来，基于电力自有物业的多站融合数据中心及电力边缘云平台对内可提供广泛的边缘侧算力支持，对外可对运营商、政企客户等提供边缘计算增值服务。