基于ICN 的电力物联网多源信息接入技术研究

李喆锋,姬艳鹏,李 杰,刘良帅,冯海燕

(1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021;2.国网河北省电力有限公司石家庄供电分公司,河北 石家庄 050051)

0 引言

电力物联网的“最后一公里”是边缘计算设备与智能侧设备交互的关键媒介,是实现数字化转型的重要建设内容,也是电网公司服务好社会广大客户的重要物质基础,更是实现“碳中和、碳达峰”,构建以新能源为主体的新型电力系统的重要组成部分。然而由于现有通信接入方式较多、组网技术庞杂、标准不统一,致使通信链路利用率极低,无法实现电力应用数据的顶层复用,电力物联网数据传输的效率和鲁棒性也受到了严重影响。同时,对电力物联网多方面的应用需求,有必要对电力物联网多源信息有效接入技术进行研究。在此背景下,本文提出了一套详细的研究方案,将时间敏感网络(Time Sensitive Network,TSN)与信息中心网络(Information Centric Networking,ICN)相结合以构建新型电力物联网多源信息接入方法,充分利用TSN 高带宽、低延迟的特点和ICN 支持以内容为中心的数据智能检索的优势,打造电力物联网有效接入的统一规范标准,实现电力数据的高效传输。

1 国内外研究现状及发展趋势分析

1.1 电力物联网接入技术研究

传统电力物联网的主要接入方式有电力线载波通信技术、无源光网络、工业以太网光网络,无线通信接入网包括无线公网、长期演进LTE230 MHz和LTE1.8 GHz电力无线通信专网。其中,电力线载波通信技术不需要额外增加通信线路的铺设,只能作为光纤通信方式在一些特定场景下的补充[1-4];无源光网络中间节点停电不影响后继节点的通信,可以灵活地增加传输节点设备,通信服务扩容方便[5-7]。工业以太网光网络可以提高组网的可靠性,但后继节点信号传输需通过前面节点经光/电/光转换进行传输,难以保证通信网络的可靠性[8-11]。长期演进230 MHz为电力专用频段,频谱适应性强,但无线网技术门槛高,容易受到电磁兼容影响,导致电力无线专网的利用率不高。

1.2 TSN 研究

TSN 本质上是传统以太网的扩展集,能够兼容以往的以太网标准。基于以太网技术的IEEE 802.1TSN 逐渐成为工业4.0网络标准的关键组成部分[12]。同时受到了工业界和学术界的高度重视,在工业通信领域,TSN 越来越被人所熟知[13]。

TSN 行业领军企业主要有英特尔、思科、德国KUKA 等。2017 年博通的TSN 交换机提供了基于以太网支持的、标准的确定性实时通信机制[14]。2018年思博伦举办了“新时代汽车以太网、TSN 和V2X 通信测试技术研讨会”[15]。另外,我国华为、中兴等科技公司也开始了TSN 关键技术的研究[16-18]。

目前学术界针对TSN 主要关注以下方向:不同应用场景的探索及新型协议标准的完善,协议时延性能分析,门控调度算法的研究,时钟同步精度对门控调度的影响等。Imtiaz等人对工业通信中AVB的时延性能进行了分析[19];埃因霍温理工大学学者给出了一种基于定义合理的间隔去计算最坏延迟的方法[20];TSN 对时钟同步精度的影响也得到了相关研究[21]。另外,TTE 中时间触发的调度策略也有了一定的研究[22]。

在TSN 的不断发展过程中,TSN 能够提供可计算的、有保障的端到端时延,短暂的延迟起伏,以及极低的丢包率。这些优势对于电力物联网的多源信息有效接入研究来说是无价的。

1.3 ICN 研究

随着网络技术的发展与普及,用户需求将成为移动互联网发展的新核心。然而传统IP网络互联架构在很多方面均难以适应现代用户不断增长的信息需求。与以主机地址为中心的传统网络体系结构不同的是,ICN 变成以内容为中心的网络模式,忽略IP 地址的作用,具有低时延、低功耗、高可靠等特点[23]。同时,ICN将所有命名数据都由提供者加密保护,请求者均可以通过签名验证内容,而无论其来源[24]。

ICN 在移动性、安全性、可部署性等方面均具有良好的表现。全球已有多个国家针对ICN 的网络系统架构、路由转发机制、安全缓存机制等方向开展了深入研究。

2 基于ICN的电力物联网接入技术方案

2.1 理论和实践依据

本文提出一种将TSN 与ICN 相结合的新型电力物联网多源信息接入方法,构建以TSN 和ICN 为核心的电力物联网接入架构。该架构充分利用了TSN 高带宽、低延迟的特点和ICN 支持以内容为中心的数据智能检索的优势,将为电力物联网有效接入提供一个统一的规范标准,实现电力数据低时延、高可靠、高复用的高效传输。

2.2 以TSN 和ICN 为核心的电力物联网多源信息接入架构

随着现代信息通信技术的发展以及智能电网建设的不断深入,各类新能源、智能终端、新业务开始大规模接入电力通信网络,电力物联网接入示意如图1所示,端侧是大量的智能感知设备,包括直升机、智能配电终端、机器人、单兵设备等,这些感知设备通过近场通信等技术将数据信息传输给边缘代理装置,集中处理后通过有线/无线长距通信上送到物联管理中心,满足上层业务系统需求。除了实现数据上传和指令下发外,各智能感知设备数据又存在复用和关联。与传统通信方式相比,电力物联网的组网方法、装置、存储介质及时效性方面都有了新的改变,电力物联网对大带宽、泛连接、低时延要求更高,因而亟须构建安全可靠、双向互动的“普适化、全方位”的电力通信接入新模式。

图1 电力物联网接入示意

基于电力物联网接入的发展趋势和需求,结合ICN 数据与位置解耦、强制签名以及网内缓存等特点,提出在网络层部署ICN 的内容块协议,在链路层使用TSN,构建以TSN 和ICN 为核心的电力物联网多源信息接入通信架构。传统IP 网络采用“沙漏模型”的体系架构,下层协议的设计与底层物理链路相适应,上层协议的设计则对应相关应用,具有较高的逻辑性。“沙漏模型”中最重要的是“瘦腰”部分的网络层协议,鉴于当前基于IP地址的“瘦腰”结构无法很好适应电力物联网多源接入数据面向内容本身的转变趋势,制约了电力物联网的发展,本文将对电力物联网接入通信架构进行全新设计。ICN 中传输的数据包不再携带主机或端口的任何地址信息并可缓存在路由节点,使数据传输效率得到较大地提升。同时,ICN 基于名称数据的路由方式彻底解决了IP 网络中地址空间耗尽、内网穿透以及移动性问题。由此设想,若在“沙漏模型”的“瘦腰”处利用ICN的内容块协议来代替传统网络协议,同时在链路层使用TSN,通过时分复用的思想为流量提供网络需要的传输路径并保证可靠的传输时延,构造基于ICN 的新型电力物联网接入通信架构,使电力物联网大数据量、高数据率、低延迟的发展需求成为可能。

综上,基于ICN 的网络通信整体架构如图2所示,采用一种只有4层协议的体系结构,由上到下是应用层、网络和策略层、数据链路层与物理层。其中应用层与当前物联网一致,支持基于Co-AP的数据、管理、安全认证以及多种应用;网络层主要完成子网间的数据包路由选择功能。此外,网络层还处理拥塞控制、网际互连等网络中的问题;策略层取代了传统网络的传输层,能够优化架构的同时提升访问性能和数据共享能力。基于命名数据网络的路由转发策略,该网络架构能够较好地支持数据缓存和组播交付,而不用像传统网络叠加各种通信机制或网络协议。所以,在TSN和ICN 高效的网络资源控制与系统调度下,基于ICN 的电力物联网通信网络架构将会被进一步简化,为实现分布式海量数据储存系统负载均衡奠定基础,符合未来电力物联网接入通信技术的设计要求。

图2 以ICN和TSN为核心的电力物联网接入通信架构

3 基于ICN的电力物联网接入技术应用前瞻

3.1 新型电力系统多源异构数据采集、融合中的应用

智能电网可以实现故障远程诊断、数据远程采集、在线监测、远程监控等,形成以传统电网为基础,集传感通信计算与控制为一体的综合数物复合型平台。另外,由于智能电网采集到的数据来源众多、数据形式不同、包含的时间尺度也不一样,具有广泛的多源异构性特征。所以新型电力系统对数据的传输、分析、处理和信息安全提出了更高的要求。同时,由于业务壁垒、标准差异、新能源及电力电子设备接入等原因,缺乏有效共享互通,新型电力系统多源异构数据的融合需求变得更为迫切。基于ICN 的电力物联网多源信息有效通信接入技术为新型电力系统多源异构数据采集、融合提供了新方案,通过将传统网络体系架构“瘦腰”处的IP协议替换成基于ICN 的内容块协议,使得多源异构数据以命名数据运行,不再包含IP主机地址,从而充分满足大带宽、大容量、大平台的接入需求,进一步提升多源异构数据收集过程的可靠性,并且通过对多源异构数据的深度关联、估计和整合,通过调用服务完成不同需求,实现多源异构数据的深度融合。

3.2 电力运维抢修智能化发展中的应用

在传统模式下,以电力设备运行状态为标准的检修机制无法满足目前电网发展的需求。以往传统电力系统通信中对电缆沟道、电网设备状态实时全面监测一直是电力系统运维检修工作的难点和痛点。当电力系统出现事故后,由于技术、人工操作等因素使得查找故障点时间存在不确定,甚至因电力系统管理盲区难以做出全面分析而造成设备故障的扩大。

基于ICN的电力物联网多源信息有效接入技术以“全方位、多维度、全感知”为特点融入电力系统运维抢修模式后,通过智能采集终端和通信设备,实时全面地将电气运行设备参数、系统信息和环境检测数据传输到电力物联网智慧云平台,基于多源异构数据进行深入的融合分析,并对设备运行状态的故障信息加以诊断,从而对事故点进行精准定位和及时预警。随后将相关数据传输到监控设备,使电力作业人员能够及时掌握相关故障情况,并在最短时间内将应急物资调拨到抢修现场,避免故障定位不准、故障抢修不及时、运维抢修不合理等问题出现,使“被动运维”变成“主动运维”,进一步提升电力系统抢修的速度和效率,不断提升供电可靠性与系统可靠性,增强客户用电体验感和“获得感”,基于ICN 的电力物联网中多源信息有效接入技术故障快速处理示意如图3所示。

图3 基于ICN的电力物联网多源信息有效接入技术故障快速处理示意

4 总结及展望

本文针对电力物联网中通信接入方式存在的问题进行了分析,主要对电力物联网接入技术、TSN、ICN 的研究现状进行研究,提出了一种基于TSN 与ICN 相结合的新型电力物联网多源信息接入方案,实现电力系统各个环节万物互联、人机交互,实现“数据一个源、电网一张图、业务一条线”,为电网智能化信息化的发展建设奠定基础。最后,探讨了基于ICN 的电力物联网多源信息有效接入技术在电力通信业务接入方面的应用。

下一步,将结合电力物联网有效接入的信息化建设,挖掘电网“最后一公里”设备的数据信息,利用机器学习技术进一步优化流量测量模型和流量控制策略,为电网信息化、数字化、智能化的转型发展奠定坚实的基础。