基于边缘计算的输电线路在线监测通信组网技术研究

张绍北

（中国南方电网超高压输电公司柳州局，广西 柳州 545000）

0 引 言

输电线路在线监测系统是智能电网建设的重要组成部分，对掌控输电线路实时状态、提升输电线路运行管控水平等方面起到了积极的推进作用[1]。各地主要采用运营商提供的无线公网传输输电线路状态数据，但公网大多布设在偏远地区，存在信号覆盖弱、传输速率低的缺点，只能用于传输图像等低宽带数据，像视频类高宽带数据则无法实现稳定传输。公网通信模式使用费用高、维护环节较多，增加了数据传输成本。光纤传输具有传输效率高、实时性强的优点，但存在施工困难、纤芯协调困难等实际问题。此外，有少部分输电公司采用无线专网传输，虽然和公网相比传输相对稳定，但是功耗较大，需要配备专门的电源系统，增加了维护成本。

随着物联网技术的不断发展，大量异构传感器和采集业务终端连入输电线路在线监测系统。这些物理设备存在因通信串口、通信协议、传输媒介不同而引发的数据联通问题，不仅对网络传输带宽的需求较高，而且大幅增加了采集数据量，增加了数据中心的工作强度。

边缘计算作为一种能够减少数据传输、就近及时处理数据的网络技术，非常贴合当前输电线路状态在线监测系统的需求。因此，重点研究当前在线监测通信网络的实际情况，设计合理的边缘计算功能架构和适用的边缘计算通信组网，更好地完善输电线路的实时监控，为输电线路的高效、稳定运行提供助力。

1 边缘计算

1.1 边缘计算的概念

边缘计算也称为边缘处理，是一种将服务器放置在本地设备附近的网络技术。所有的数据处理都是在传感器或生成数据的设备处执行。服务器放置于设备附近，不仅有助于减少系统处理负载，还解决了数据传输延迟的问题[2]。

1.2 边缘计算的优点

（1）运营效率高。边缘计算通过收集本地站点的数据实现大量数据的快速处理，相比原先将所收集的数据发送到几个时区之外的中央云或主数据中心更节省时间，运营效率更高。

（2）响应时间快。传统数据处理是将收集的数据统一发送至中央处理器，会出现数据延迟、网络瓶颈以及数据质量下降等问题。而边缘计算能够绕过集中式云和数据中心位置，可以更快、更可靠地实时处理数据，响应迅速。

（3）提高生产力。边缘计算使企业能够更快地完成项目交付，提高企业生产力。此外，在利用自动化和预测性维护的智能工作场所中，边缘计算能够确保员工所操作的设备平稳运行，不会出现中断或其他容易预防的错误。

（4）提高工作场所安全性。在设备故障或工作条件变化时，基于物联网传感器和边缘计算所获得的设备现场或附近的实时数据，能够及时发现安全隐患，从而提高工作场所的安全性，保障人们的生命财产安全。

（5）更强的远程控制能力。在互联网连接时断时续或网络宽带有限的远程地点，边缘计算能够使数据收集变得更加容易、便捷，具有更强的远程控制能力。边缘计算自带的处理器能够记录和处理实时数据，将相关数据传输到中央数据中心进行进一步的处理和分析。

1.3 边缘计算的应用场景

目前，边缘计算凭借其优势已经在诸多领域得到应用。第一，自动驾驶。汽车的人工智能芯片通过集成算法和传感器，在车内完成边缘计算，从而保证车辆数据处理的实时性。第二，智能家居。基于边缘计算和无线传感技术建立智能家具联动机制，实现稳定运行。利用家中的边缘服务器节点，通过有线传感器或无线传感器收集信息，调控室内环境。第三，智慧养老。基于室内传感器和可穿戴设备采集用户信息，通过边缘计算节点进行用户行为识别和异常判断等。

此外，边缘计算在智慧城市、智慧教育领域都有所应用。结合边缘计算在智慧场景中的各种应用，应用边缘计算推动智慧电力的发展，前景相当可观。

核心功能模块是边缘计算设备最关键的部分，其发挥着重要作用。协议解析主要是针对通信接口和通信协议的多样性，开展相应的接口适配和通信协议转换，保证多样化数据的快速传输。此外，在不同的协议与接口之间进行数据交换处理，实现异构设备之间的信息联通。

数据处理模块主要针对终端装置采集的数据进行存储、整理及分析处理，通过存储实现数据的后续可查，通过整理实现无效数据的清除，通过分析处理实现对数据信息的反馈。数据处理主要涉及两方面内容：一方面是针对数值数据进行处理，若数值超过事先设定的告警阈值，则发出故障告警信息；另一方面是针对图像数据进行处理，若现有图像与事先设定的图像之间存在一定比列的偏差，则发出故障告警信息。

边缘计算模块负责对采集的数据和图像信息进行本地计算，依据结果对应的设定行为发出行动指令，从而保障输电线路的稳定运行。通过边缘计算可减少不必要的数据传输，简化数据中心的处理工作，有助于释放通信带宽并降低数据中心荷载。

智能管控模块负责执行安全接入、资源配置等管理逻辑，并监测传输信号的报文传输平均时延，进而依据报文传输平均时延切换不同的通信方式。

安全防护模块主要负责边缘计算设备自身、接口及通信3个方面的安全保护。对于设备自身的安全防护，可以添加具有安全监测和分析功能的硬件模块；对于接口的安全防护，可以添加安全准入模块对终端设备的接入提供预防，添加安全接入模块实现与管理平台的双向传输；对于通信的安全防护，可以综合运用安全准入模块、安全接入模块以及加密模块。

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，提供远程调试、监控及运维接口，可监测设备本体状态、通信链路的运行状态等。

人工智能模块主要识别输电线路通道附近和通道内是否存在外力破坏等安全隐患，实时分析并识别大型施工车辆、烟火以及异物等目标，为输电线路通道的故障报警和智能运维提供支撑。

2 输电线路在线监测通信网络边缘计算功能架构设计

根据边缘计算功能需求和输电线路在线监测组网需求，设计的输电线路边缘计算设备由通信接口、硬件平台、软件平台以及核心功能模块4部分组合而成，具体如图1所示[3]。

图1 输电线路边缘计算设备结构

由图1可知，输电边缘计算设备架设在物联管理平台和可视化监控平台之间，其中多样化的通信接口能够满足边缘计算设备与异构终端装置和管理平台之间的通信需求。硬件平台为边缘计算设备的运行提供了必要的硬件支撑。软件平台为边缘计算设备的核心功能提供安全的运行环境。

核心功能模块是边缘计算设备最关键的组成部分，其管控、安全防护以及设备管理都属于常规功能。协议解析主要针对通信接口协议进行解析，实现相应的接口适配和通信协议间的转换，以保证能够进行数据多样化传输。除此之外，在不同的协议与接口之间进行数据交换处理，实现异构设备之间的信息联通。

针对终端装置所采集的数据进行存储、整理以及分析处理，通过存储实现数据的后续可查，通过整理实现无效数据的清除，通过分析处理实现对数据信息的反馈。数据处理主要涉及2方面内容：一方面是针对数值数据进行处理，若数值超过事先设定的告警阈值，则发出故障告警信息；另一方面是针对图像数据进行处理，若现有图像与事先设定的图像之间存在一定比列的偏差，则发出故障告警信息。

人工智能主要识别输电线路通道附近和通道内是否存在外力破坏等安全隐患，实时分析并识别大型施工车辆、烟火以及异物等目标，为输电线路通道的故障报警和智能运维提供支撑。

3 基于边缘计算的通信组网方案设计

目前输电线路状态监测传感器一般架设在塔杆上，因此输电线路状态在线监测通信组网可将边缘计算设备设置在一个塔杆上，根据输电线路塔杆的位置状态，以这一塔杆为数据汇聚中心，构建星型无线网络和Mesh无线网络。将网络覆盖的所有塔杆数据汇聚一体后，通过点对点高速率无线网络接力的方式将其传输至变电站。星型无线网络部署如图2所示，Mesh无线网络部署如图3所示。

图2 星型无线网络部署

图3 Mesh无线网络部署

3.1 塔杆间无遮挡的通信组网

在输电线路塔杆之间没有遮挡或塔杆局部处于相对平行的情况下，可以选择将一根中心塔杆作为汇聚节点，围绕中心塔杆的其他塔杆会将收集的数据传输到中心塔杆的边缘计算设备，构建星型网络[4]。其中，中心塔杆与周围塔杆联通的个数可以根据现场实际情况进行选择，一般可以按照1对8、1对12或1对16等不同组网形式实现。这种组网方式结构简单，且抗单点失效性能强。汇聚塔杆与周围塔杆之间的通信可采用全向天线，使用2.4 GHz通信频段进行通信，具体应用中需要保证其中任意2个相邻的星型网络通信频段不在同一频点，避免产生信号干扰。

3.2 塔杆间有遮挡的通信组网

输电线路上塔杆局部走势为直线或塔间有遮挡的情况下，可以选择在一个塔杆上安装边缘计算设备，并以这一塔杆为中心向单边辐射，将附近的塔杆收集到的数据汇聚到边缘计算设备中构建Mesh网络[5]。单边辐射塔杆的数量可以根据现场实际情况，选择4跳、5跳或6跳等不同的组网方式，以有效避免信号衰减带来的通信问题。汇聚塔杆与周围塔杆之间的通信可采用全向天线，使用2.4 GHz通信频段进行通信。同时，要保证其中任意2个相邻的Mesh网络通信频段不在同一频点，避免产生信号干扰的问题。

4 结 论

通过将边缘计算融入输电线路状态在线监测组网，能够实现对网络覆盖范围内输电线路的信息高效处理，同时可以保证只有在出现特定异常情况时，数据才会由边缘计算设备向管理中心传输，有效解决了带宽问题。除此之外，在面对突发问题时，借助边缘计算能够及时处理反馈信息，从而采取合理的解决措施。通过对基于边缘计算的输电线路在线监测通信组网技术的拓展，能够优化完善输电线路状态的监测，提供更加稳定、安全的实时信息反馈，为输电线路的巡查维护工作提供更大的便利。