基于边缘计算的输电线路在线监测通信组网技术研究

汪强，温东旭，吕磊，卜宪德，李永亮

（1.许继集团有限公司，河南 许昌 461000；2.国网四川省电力公司，四川 成都 610041；3.全球能源互联网研究院有限公司，江苏 南京 210003）

0 引言

输电线路在线监测作为智能电网技术网络化、信息化与自动化发展的关键组成部分［1-3］，可逐步代替人工巡检方式，实时掌控输电线路的运行状态，提升输电线路运行的管控水平。

目前，输电线路在线监测系统大多采用运营商无线公网进行现场监测数据和视频的传送［4-6］，受无线网络信号覆盖差、传输速率低的制约，只能传输图像/图片和低带宽的监测数据，无法高效地传输实时视频等大带宽数据。而且公网的租用费用高，运维环节多。采用光纤复合架空地线（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW）通信虽然具有传输速率高、实时性强、可实现视频和监测信号的传送的优点，但是存在不能频繁将OPGW 光缆开口［4-5］、施工困难、纤芯协调困难等实际问题。

同时，随着物联网技术在输电线路状态感知中不断扩大应用［7-9］，大量异构传感器和采集业务终端接入在线监测系统，这些设备物理接口类型多样、底层通信协议各异、传输媒介不同，造成数据共享存在困难。另一方面传统的集中式管理和有限信息通道将难以适应大量数据的接入需求［10-14］，需要将计算任务下沉到在线监测设备边缘侧，提高数据研判的时效性，降低数据传输量和对通信带宽的压力。

鉴于上述情况，提出一种基于边缘计算的输电线路在线监测通信组网方案，重点研究输电边缘计算设备的功能架构和通道自动切换流程，充分利用3G/4G/5G、2.4 GHz、5.8 GHz 等不同通信制式的传输特性，通过构建星型、MESH 自组网以及点对点等多种组网方式来承载在线监测业务，有效解决现有通信方式通信覆盖盲区、数据传输能力弱等问题，实现输电线路的实时在线监测，提升运检人员的工作效率，为输电线路的在线监测与故障巡检提供新的思路。

1 需求分析

1.1 输电在线监测机理

随着物联网技术在输电领域的大量应用［8-9］，输电在线监测设备的物联化日趋明晰。输电设备管理物联网是物联网技术在设备管理领域的融合应用，是智能电网由系统智能化向设备智能化的延伸［15］，具有智慧化和多元化的特征。通过物联网技术可以有效提高在线监测设备的性能指标，符合输电网对设备状态信息的准确获取与网络化交互的需要，因此，需要借助物联网技术，研究输电设备信息模型、网络架构、业务交互方式、通信接口等问题，更好地实现设备管理和线路的在线监测。

1.2 多源异构业务的统一接入

输电线路在线监测设备种类繁多，各类设备的接口差异较大，无线接口有LoRa、LTE230、公网3G/4G/5G 等，有线接口有RS232/485、Modbus、载波、以太网等；数据格式不统一，有结构化数据和非结构化数据［16］，有数值数据和视频流数据；采用的通信标准多样化，如Restful、MQTT、IEC104、IEC61850 等通信协议；在通信距离方面，既要支持本地通信，又要支持远程通信；在通信方式方面，有单工、半双工和全双工3 种；在业务接入方面，既要兼容现有的业务终端，又要支持智能业务终端。因此，为了提升输电线路在线监测设备在业务处理方面的灵活性和扩展性，同时考虑在边缘侧的处理能力和设备标准化发展的需求，输电线路在线监测设备需要解决多源异构业务终端的统一接入问题。

1.3 边缘计算

物联网技术在输电设备在线监测中的应用不断扩大［7-9］，为设备状态监测提供了更加快捷、经济、灵活的技术实现途径。随着电力物联网业务终端在输电设备管理领域的广泛应用，产生了海量异构数据，其采集、处理、运算对传统的集中式管理造成极大的压力，同时造成有限的信息通道出现拥塞［12-14］。为提升输电设备物联网感知与前端智能水平，解决输电线路在线监测环境下信息通道不足、后台计算压力大的问题，亟须开展边缘侧的计算与研判［17-18］。利用边缘计算，实现输电线路在线监测数据的预处理和计算，提高数据实时处理能力，减轻网络通道压力，有效支撑边缘智能服务。

1.4 多种组网方式

在输电线路在线监测中可以采用一种或多种通信方式构建数据远传通道［5］，在公网信号好的区域，可以使用3G/4G/5G 通信；在公网信号不好的区域，可以使用2.4 GHz 或5.8 GHz 微波自组网通信；当发生自然灾害，在公网、微波自组网信道不可用时，使用北斗短报文通信作为备用的应急通道。利用多种通信方式的各自特性，建立统一的通信网络能够保证输电线路在线监测系统稳定运行。

2 输电边缘计算设备功能架构及通道自动切换流程设计

2.1 功能架构设计

为满足输电线路在线监测组网的需求，基于边缘计算技术开发了一款输电边缘计算设备，其功能架构如图1 所示，主要由通信接口、硬件平台、软件平台和核心功能四部分组成，南向接入输电线路各类业务终端，北向接入输电物联管理平台、可视化监控平台等业务平台。

图1 功能架构

输电边缘计算设备的硬件平台主要包括处理器、存储器、安全加密和电源等模块，为边缘计算提供一个可靠的硬件运行环境。

输电边缘计算设备的软件平台采用经过安全加固的Linux操作系统，为设备核心功能的开发提供一个安全的支撑环境。

输电边缘计算设备核心功能模块设计如下：

1）协议解析模块主要包括接口适配、协议适配和交换处理。接口适配负责匹配不同的通信接口，如以太网、RS485、4G/5G、2.4 GHz 等，支持输电边缘计算设备提供多种接入技术；协议适配实现不同通信协议的转换，如Restful、Web Service、MQTT、HTTP等，完成输电边缘计算设备对多种业务的接入；交换处理模块完成不同通信协议、不同通信技术接口下的通信数据交换处理。

2）数据处理模块负责采集数据的本地存储、清洗及处理等基本功能，包括第一数据处理单元和第二数据处理单元。第一数据处理单元获取数值数据，并将数值数据与预先设定的告警阈值进行比较，如果大于告警阈值则发出故障告警信息。第二数据处理单元获取图像数据，依据预先设定的告警策略判断是否需要发送故障告警信息。

3）管控模块主要包括智能管控、智能转发和接口配置3 个子模块。智能管控模块负责执行安全接入、资源配置等管理逻辑；智能转发模块执行网络隔离、多模通信倒换等控制逻辑；接口配置模块负责执行智能信道/功率调整等调度逻辑，获取传输通道信号，并监测传输信号的传输报文平均时延，进而依据传输报文平均时延对2.4 GHz 通信单元、5.8 GHz 通信单元、3G/4G/5G 公网通信单元和北斗通信单元进行切换。

4）边缘计算模块负责对采集到的数值数据和图像数据进行本地计算，并依据相应的决策做出就地处理与研判，确保输电边缘计算设备可靠运行。将数据计算从云端迁移到数据源头端有利于降低网络负载、加快服务响应速度。针对图片、图像等大流量数据在前端借助边缘计算进行预处理，可以去除冗余信息，使得部分或全部视频图像分析下沉到边缘侧，从而降低了集中式云计算的计算、存储和网络带宽的需求，提高了视频分析处理的速度。

5）安全防护模块提供本体、接入和通信3 个层面的安全策略。本体安全方面提供安全监测、审计和分析功能，集成了硬件加密模块，支持哈希运算、数字证书等密码算法。接入安全方面通过安全准入模块实现业务终端的接入，采用安全接入模块实现与物联管理平台的安全交互。通信安全方面通过安全准入模块、加密模块和安全接入模块为业务数据的传输提供一个安全通道。

6）设备管理模块主要实现输电边缘计算设备的信息查询和配置管理两方面的功能，提供远程调试、监控和运维接口，还完成对设备本体、高级应用功能、通信链路的运行状态进行监测。

7）人工智能模块主要识别输电线路通道内的外力破坏、山火、线下房屋等通道隐患，实时分析大型施工车辆、烟火、异物等目标类型，为输电线路通道的故障及时预警和智能运维提供支撑。

2.2 通道自动切换流程设计

对于任意一个输电边缘计算设备C0，其通道自动切换流程设计如图2所示。将3G/4G/5G公网通信单元的传输报文平均时延阈值设为t1，将2.4 GHz/5.8 GHz 通信单元的传输报文平均时延阈值设为t2，北斗通信单元的传输报文平均时延阈值为t3。

图2 自动切换流程

具体步骤为：

1）C0上电。

2）C0经公网信道连接远方主站。如果连接成功，并且测试报文平均延时＜t1，那么进行下一步；否则断开连接，计时器t置0，转到步骤5）。

3）C0打开第一个2.4 GHz/5.8 GHz 通信模块M1。如果M1与另外一个输电边缘计算设备C1的微波通信模块建立了连接，并且C1已经连接到主站，那么关闭M1。

4）C0打开第二个2.4 GHz/5.8 GHz 通信模块M2。如果M2与另外一个输电边缘计算设备C2的2.4 GHz/5.8 GHz 通信模块建立了连接，并且C2已经连接到主站，那么关闭M2。转到步骤10）。

5）C0打开M1，如果M1与另外一个输电边缘计算设备C3的2.4 GHz/5.8 GHz 通信模块建立了连接，并且C3已经连接到主站，那么C0也连接到了主站。

6）C0打开M2，如果M2与另外一个输电边缘计算设备C4的2.4 GHz/5.8 GHz 通信模块建立了连接，且C4已经连接到主站，C0未连接到主站，那么C0也连接到了主站；否则，如果M2与C4的2.4 GHz/5.8 GHz 通信模块建立了连接，且C4和C0已经连接到主站，那么关闭M2。

7）t+1时，如果t＜阈值t0且C0未连接到主站，那么转到步骤5）；否则进行下一步。

8）如果C0连接到远方主站，并且测试报文平均延时＜t2，那么转到步骤10）；否则，C0断开与主站的连接，关闭M1、M2，进行下一步。

9）C0打开北斗通信模块，如果C0能够与主站建立连接，且测试报文平均延时＜t3，那么进行下一步；否则，断开与主站的连接，转到步骤2）。

10）如果没有数据要发送，那么等待；如果有数据要发送，那么C0发送数据，记录平均延时t4。如果C0使用的是公网信道，且t4＞t1，那么断开与主站连接，转到步骤2）；如果C0使用的是微波信道，且t4＞t2，那么断开与主站连接，关闭M1、M2，转到步骤2）；如果C0使用的是北斗通道，且t4＞t3，那么断开与主站连接，转到步骤2）。

文中提到的数据是指输电线路边缘计算设备获取的数值数据和图像数据后，使用数据挖掘、图形图像识别等新兴信息处理，在本地进行分析研判后，得到的告警与故障信息的判断结果。

3 基于边缘计算的通信组网方案设计

采用输电线路边缘计算设备，设计输电线路在线监测通信组网方案，如图3 所示，方案以星型无线网络和MESH 无线网络为基础，汇聚每根铁塔上的监测数据，汇聚后的数据通过点对点高速率无线网络接力的方式传输至变电站。监测数据进入变电站后，经安全接入网关到后端分析设备，再通过电网专用光纤网络传输至指定主站系统。

图3 输电线路在线监测系统通信网络部署

针对不同的输电线路情况可以设计不同的组网方式。

3.1 铁塔间无遮挡组网

对于铁塔间无遮挡的情况，选取一根中心铁塔上的输电边缘计算节点设备作为汇聚节点，两侧铁塔上的监测数据分别向中心节点汇聚，组成星型网络，如图4 所示。星型网络抗单点失效性能好，组网简单。根据现场实际情况决定使用1 对8、1 对12或1 对16 等不同组网形式，通信频段使用2.4 GHz（2 401.5～2 481.5 MHz），采用全向天线，发射功率和工作频率范围满足工信部相关规范。任意相邻两个星形网络工作在不同频点，以避开频域干扰。

图4 星型网络部署

3.2 铁塔局部走势为直线或塔间有遮挡组网

在铁塔局部走势为直线或塔间有遮挡的情况下，为避免无线频率干扰或因遮挡无法通信的问题，利用2.4 GHz 频段绕射能力强和MESH 自组织、自愈以及自均衡的能力，采用2.4 GHz 的MESH 自组网技术，组网方式如图5 所示，网络中任意输电边缘节点设备间均能可靠地通信。根据现场情况在实际部署中可以使用4 跳、5 跳、6 跳不同组网方式，能较好应对因遮挡带来的信号衰减问题。通信频段使用2.4 GHz（2 401.5～2 481.5 MHz），采用全向天线，发射功率和工作频率范围符合工信部相关规范。任意相邻两个MESH 无线网络工作在不同频点，以避开频域干扰。

图5 MESH网络部署

3.3 输电线路局部平行组网

对于输电线路有局部平行部分的情况，为避免无线频率之间的干扰，一般选择一根杆塔上的输电边缘计算节点作为汇聚节点，使用星型无线组网方式，如图6 所示，把两条输电线路上的监测数据汇聚到同一个中心的输电边缘计算设备上。相较于同一输电线路上的数据汇聚到同一输电线路上而言，既能兼顾大规模组网，同时又可以有效避开频域干扰。

图6 两条输电线路局部平行网络部署

3.4 汇聚后的监测数据远传

输电线路监测汇聚后的数据量大，可以借助5.8 GHz 大带宽的优势，实现点对点的远传，组网方式如图3中绿色箭头所示，星型无线网络或MESH 无线网络汇聚后的总监测数据，通过点对点高速无线网络背靠背接力传输至变电站。点对点通信工作在5.8 GHz 频段，使用高增益定向天线增加传输距离，发射功率和工作频率符合工信部相关规范。任意相邻两个点对点网络的工作频点保持不一致，避免频域间相互干扰。

4 应用分析

为检验输电边缘计算设备在架空线路在线监测的实际通信组网应用能力，选择某电网公司特高压通道可视化项目开展线路视频业务承载［2］。本次试点选择具有代表性的山火与雷击易发段、重要防外破区域等线路的200 基杆塔作为监测对象，在杆塔上安装输电边缘计算设备，用以接收杆塔的监测数据，搭建输电线路可视化数据传输通信网络，最终将监测数据传输给就近变电站，再通过专网上传给监控系统。

输电边缘计算设备能实现对输电线路通道内的外力破坏、山火、线下房屋等通道隐患的自动识别，实时分析大型施工车辆、烟火、异物等目标类型，如图7 所示，进行本地分析研判，并上传边缘分析结果及相应的图像数据，实现输电线路的全天候监测。杆塔上部署的导线温度、微气象等传感器，可以通过LoRa/Modbus 等将采集数据接入同杆塔的输电边缘计算设备，实现监测点的数据图像集中管控。

图7 输电线路视频分析

本次试点自投运以来，输电计算设备运行稳定，为输电线路通道可视化监测提供了一个可靠的数据图像传输通路，实现了各类在线监测装置平均在线率超过98%，数据可用率超过98%；装置缺陷消缺时间缩减到5 个工作日之内；试点区域线路主设备日常巡视由人工巡视方式调整为远程监控为主，人工巡视为辅的方式，各类监测装置远程巡视周期降为每2 h一次，既节约了人力成本、减轻了人工劳动量，又提高了巡视效率。

5 结语

物联网技术和边缘计算技术已广泛应用于输电线路在线监测系统的建设，解决各应用场景下的异构多源业务终端的统一接入、数据处理和可靠传输。提出基于边缘计算技术的通信组网方案，为保障输电在线监测数据的可靠传输提供了有力保障，为运维人员快速辨识影响通道安全运行危险因素提供了重要依据，从而加强了运维管理和通道安全防护，提高了重要输电通道抗风险能力，保障输电线路的安全运行。