基于边缘计算与5G技术的电力信息通信实时性与安全性优化研究

摘要：随着国家大力推进智能电网建设，电网正在进行数字化转型，电力终端会产生大量的数据，对电力信息通信的实时性与安全性提出了更高的要求，因此，将边缘计算技术和5G通信技术引入智能电网。文章根据智能电网的业务需求引入了边缘计算，对基于5G通信技术的通信装置、边缘计算技术以及相关算法进行了深入分析，通过在相关的应用场景中进行验证，上述技术在电力信息通信的实时性和安全性方面有效发挥了作用，对于保证智能电网的安全性、稳定性、可靠性具有重要意义，可以进行大规模的推广应用。

关键词：边缘计算；5G技术；电力信息通信

中图分类号：TP309 ""文献标志码：A

0"引言

随着智能电网的逐步发展，电力物联网在智能电网的运行中发挥着越来越重要的作用，为智能电网基础性业务的实现提供技术路径^［1-2］。在电力物联网中，传感器、变电站、智能终端等设备由于具有智能属性，所以能够实现数据无缝交互，保证了智能电网的智能化水平^［3-4］。为了保证智能电网的运行效率，数据传输、故障诊断、状态监控等方面都需要提高水平^［5-6］。

边缘计算功能由边缘服务器来实现，边缘服务器通常配置在终端附近，这样能够直接提供相关服务给所需要的设备^［7-8］。边缘计算和云计算具备一定的互补性，边缘计算功能和数据存储功能都配置在边缘服务器中，由边缘服务器将网络中全部云计算资源进行扩展，延伸到边缘网络中，以便其能够更好地为智能电网提供数据处理方面的支持，满足不同类型电力业务的实际需求^［9-10］。

1"电力物联网

随着物联网技术的深入发展，物联网中的智能终端设备在运行中会产生海量的运行数据，海量的数据都会传输到云服务器中，但是云服务器不能够完全承载。边缘技术作为5G通信技术中的一项关键技术，能够很好地应对上述问题，具备独立计算功能的服务器可以由此介入边缘节点中，边缘计算的数据处理能力由边缘节点和边缘服务器的配置情况决定，边缘计算在本质上是一种分布式计算^［11-12］。

将物联网与智能电网相融合，能够最终实现能源互联网，物联网能够实时感知电网的实时运行状态，将采集到的数据资源进行共享，提高了智能电网的运行水平和运行效率。

2"5G电力通信装置应用分析

5G通信技术具有带宽宽、准确度高、延时低、组网灵活的特点，利用5G网络的切片化属性，保证其中每一个独立的网络切片都具有完全独立的网络资源和网络通信能力，将实际的物理网络根据实际应用需求进行切割，得到多个切片虚拟网络，基于QoS策略就能够确保多个网络切片运行性能。终端设备与网络切片的对应关系如图1所示。

5G电力通信设备除了包括常规功能模块及常规功能单元外，还能够兼容多端口、多功能的网关。该网关端口种类多、实现功能全面，能够便捷接入常规的4G/5G网络以及5G电力通信专用网络，从而为电力数据的传输提供安全、稳定、可靠的信息传输通道，同时也确保传输安全性。5G电力通信设备具有较高的集成度，采用了多项先进技术等，不仅能够保证数据传输的质量，还能够保证数据传输的安全可靠。

3"边缘计算技术及算法

3.1"边缘计算技术

网络边缘终端可以是位于云计算中心和数据源之间的集网络、计算、存储、应用功能于一体的任意功能实体。

边缘计算技术包含了如下几个关键点：（1）虚拟化技术；（2）分布式数据存储与处理。

边缘计算应用于传输延迟低、带宽足够、可靠性高、连接节点多的场景。边缘计算的运用优点是：（1）实时性能好，数据距离处理单元距离智能终端较近，大大降低了数据传输延时造成的影响；（2）降低了网络的数据传输负载，提高了网络的运行效率。

3.2"算法分析

本文所研究的通信网络拓扑结构相对复杂，将星形结构和网状结构相结合，配合中继器，能够运用此项技术的错误检测功能以及故障排除功能。网络拓扑结构会对网络的性能指标产生重要影响。网络的运行性能、安全性能、延展性能会受到连接方式和数据的传递方式的影响。网格拓扑结构在当下应用非常普遍，容错率高是其最突出的优点，星形拓扑结构同样也具有较低的容错率，由于中心连接点处于正常工作状态，应用较为普遍，如公式（1）所示：

G（a，b）=∑jdj fj+∑jejij+∑j.kfjT_jkij|f^（p）（1）

其中，G为云端的网关，fj为目标检索，∑jdj为精准性位置，ejij呈现目标数据与未知数据之间的关系，T_jk为与目标相关联的时间捕获参数，f^（p）为过滤参数。

从本质角度来看，物联网是接入了计算装置、机械装置、数字设备的网络，网络中的每个设备都有其单独的标识方式，能够自主或通过计算机控制进行数据的发送与接收。

Dj=S｛［α_gmin+δ（α_gmax-α_gmin）］+［αg（f）+αk（f）］｝∑^R_l=1S｛αg+［αg（f）+αk（f）］｝（2）

上式中，αg（f）、α_gmin、α_gmax分别代表了未知数据的平常数、最小数和最大数，S（·）描述了正确资源的材料的数量，R描述了不明的数量，Dj描述了第j层的综合数字技术，f描述了接口的具体参数，αk描述了物体的尺寸，［］描述了［-2，+2］之间的随机数。

3.3"基于边缘计算的电力物联网架构

边缘计算是依赖于各种边缘启动的程序，更快速地响应网络，以满足实时控制、智能应用、安全防护方面的核心需求，有效降低数据传输压力及数据计算压力，从而为电网智能调度、实时监控等提供有效的技术支持。系统的基本架构主要包含了3个层级，即云层、边缘层、端层。云层是指配置在云端的管理平台，边缘层是指边缘物联网，端层是指电网中的传感器和执行机构等。

4"应用分析

4.1"传输应用

边缘计算对于电能传输的需求包括输电线路运行状态实时监测、故障检测及解决方案、杆塔气象环境检测等。以输电线路运行状态实时监测为例，其中普遍采用无人机检测和内传输线检测，无人机在属性划分上属于边缘层设备，须要配置红外功能和可见光检测功能，能够进行智能化识别，从而完成对输电线路智能检测和故障的智能辨识。

采用边缘计算技术将采集到的电力数据传输到物联网中，这样电力技术人员就能够直接得到输电线路的实时状态信息，从而为电力技术人员的工作提供助力，完成相关检测工作，提高输电线路的运行效率、维护效率，能够降低有效资源和时间的非必要消耗。

4.2"分布应用

配电室在电力系统中承担了重要作用，是电力系统和用户之间的桥梁。配电室内部配置了多种类型的传感器，采集内部电力设备的运行状态数据以及环境数据，构成了小型的电力物联网，可以在配电平台配置代理终端，从而完成对变压器、断路器的相关设备的监控。边缘计算实现精确故障诊断定位和远程智能化运维。分布应用业务主要包括低压拓扑结构辨识、电能质量分析、故障诊断定位等。以故障诊断定位为例，边缘节点在配电中承担核心的角色，连接站内全部的传感器，采集终端设备的实时数据，利用边缘计算技术进行数据的初步分析，将运算结果推送给移动终端，提示技术人员完成相应的操作。

5"结语

边缘计算技术在物联网领域的应用非常普遍，作为5G通信中的一项核心技术，在状态检测和数据处理方面起到重要作用。本文专门对基于边缘计算的电力通信实时性与安全性进行了深入研究。边缘计算能够提高智能电网的运行效率，降低数据传输的延时性，从而更进一步降低通信网络的运行压力，保证其数据只能在边缘设备和源设备之间交互，强化了其安全防护性，能够有效协调数据传输速率与云计算资源之间的匹配问题，对于智能电网的进一步发展具有重要意义。

参考文献

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（编辑"王永超）

Research on real time and security optimization of power information communication based on edge computing and 5G technology

CHEN "Fang¹， ZHAO "Chunhui²

（1.State Grid Jiangsu Electric Power Co.， Ltd.， Yangzhou Jiangdu District Power Supply Branch， Yangzhou 225200， China;

2.State Grid Jiangsu Electric Power Co.， Ltd.， Yangzhou Power Supply Branch， Yangzhou 225000， China）

Abstract： "As the country vigorously promotes the construction of smart grid， the grid is undergoing digital transformation， and power terminals will produce a large amount of data， which puts forward higher requirements for the real-time and security of power information communication， so edge computing technology and 5G communication technology are introduced into the smart grid. According to the business requirements of smart grid， this paper introduces edge computing， and conducts in-depth analysis on 5G communication technology based communication devices， edge computing technology and related algorithms. Through verification in relevant application scenarios， the above technologies have played an effective role in the real-time and security of power information communication， which is of great significance to ensure the security， stability and reliability of smart grid， and can be popularized and applied on a large scale.

Key words： edge computing; 5G technology; electric power information communication