汪強(qiáng)，溫東旭，呂磊，卜憲德，李永亮

（1.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000；2.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041；3.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，江蘇 南京 210003）

0 引言

輸電線路在線監(jiān)測作為智能電網(wǎng)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化、信息化與自動化發(fā)展的關(guān)鍵組成部分［1-3］，可逐步代替人工巡檢方式，實時掌控輸電線路的運行狀態(tài)，提升輸電線路運行的管控水平。

目前，輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)大多采用運營商無線公網(wǎng)進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻的傳送［4-6］，受無線網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋差、傳輸速率低的制約，只能傳輸圖像/圖片和低帶寬的監(jiān)測數(shù)據(jù)，無法高效地傳輸實時視頻等大帶寬數(shù)據(jù)。而且公網(wǎng)的租用費用高，運維環(huán)節(jié)多。采用光纖復(fù)合架空地線（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW）通信雖然具有傳輸速率高、實時性強(qiáng)、可實現(xiàn)視頻和監(jiān)測信號的傳送的優(yōu)點，但是存在不能頻繁將OPGW 光纜開口［4-5］、施工困難、纖芯協(xié)調(diào)困難等實際問題。

同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在輸電線路狀態(tài)感知中不斷擴(kuò)大應(yīng)用［7-9］，大量異構(gòu)傳感器和采集業(yè)務(wù)終端接入在線監(jiān)測系統(tǒng)，這些設(shè)備物理接口類型多樣、底層通信協(xié)議各異、傳輸媒介不同，造成數(shù)據(jù)共享存在困難。另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的集中式管理和有限信息通道將難以適應(yīng)大量數(shù)據(jù)的接入需求［10-14］，需要將計算任務(wù)下沉到在線監(jiān)測設(shè)備邊緣側(cè)，提高數(shù)據(jù)研判的時效性，降低數(shù)據(jù)傳輸量和對通信帶寬的壓力。

鑒于上述情況，提出一種基于邊緣計算的輸電線路在線監(jiān)測通信組網(wǎng)方案，重點研究輸電邊緣計算設(shè)備的功能架構(gòu)和通道自動切換流程，充分利用3G/4G/5G、2.4 GHz、5.8 GHz 等不同通信制式的傳輸特性，通過構(gòu)建星型、MESH 自組網(wǎng)以及點對點等多種組網(wǎng)方式來承載在線監(jiān)測業(yè)務(wù)，有效解決現(xiàn)有通信方式通信覆蓋盲區(qū)、數(shù)據(jù)傳輸能力弱等問題，實現(xiàn)輸電線路的實時在線監(jiān)測，提升運檢人員的工作效率，為輸電線路的在線監(jiān)測與故障巡檢提供新的思路。

1 需求分析

1.1 輸電在線監(jiān)測機(jī)理

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在輸電領(lǐng)域的大量應(yīng)用［8-9］，輸電在線監(jiān)測設(shè)備的物聯(lián)化日趨明晰。輸電設(shè)備管理物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)備管理領(lǐng)域的融合應(yīng)用，是智能電網(wǎng)由系統(tǒng)智能化向設(shè)備智能化的延伸［15］，具有智慧化和多元化的特征。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以有效提高在線監(jiān)測設(shè)備的性能指標(biāo)，符合輸電網(wǎng)對設(shè)備狀態(tài)信息的準(zhǔn)確獲取與網(wǎng)絡(luò)化交互的需要，因此，需要借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研究輸電設(shè)備信息模型、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)交互方式、通信接口等問題，更好地實現(xiàn)設(shè)備管理和線路的在線監(jiān)測。

1.2 多源異構(gòu)業(yè)務(wù)的統(tǒng)一接入

輸電線路在線監(jiān)測設(shè)備種類繁多，各類設(shè)備的接口差異較大，無線接口有LoRa、LTE230、公網(wǎng)3G/4G/5G 等，有線接口有RS232/485、Modbus、載波、以太網(wǎng)等；數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)［16］，有數(shù)值數(shù)據(jù)和視頻流數(shù)據(jù)；采用的通信標(biāo)準(zhǔn)多樣化，如Restful、MQTT、IEC104、IEC61850 等通信協(xié)議；在通信距離方面，既要支持本地通信，又要支持遠(yuǎn)程通信；在通信方式方面，有單工、半雙工和全雙工3 種；在業(yè)務(wù)接入方面，既要兼容現(xiàn)有的業(yè)務(wù)終端，又要支持智能業(yè)務(wù)終端。因此，為了提升輸電線路在線監(jiān)測設(shè)備在業(yè)務(wù)處理方面的靈活性和擴(kuò)展性，同時考慮在邊緣側(cè)的處理能力和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的需求，輸電線路在線監(jiān)測設(shè)備需要解決多源異構(gòu)業(yè)務(wù)終端的統(tǒng)一接入問題。

1.3 邊緣計算

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在輸電設(shè)備在線監(jiān)測中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大［7-9］，為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測提供了更加快捷、經(jīng)濟(jì)、靈活的技術(shù)實現(xiàn)途徑。隨著電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)終端在輸電設(shè)備管理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了海量異構(gòu)數(shù)據(jù)，其采集、處理、運算對傳統(tǒng)的集中式管理造成極大的壓力，同時造成有限的信息通道出現(xiàn)擁塞［12-14］。為提升輸電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)感知與前端智能水平，解決輸電線路在線監(jiān)測環(huán)境下信息通道不足、后臺計算壓力大的問題，亟須開展邊緣側(cè)的計算與研判［17-18］。利用邊緣計算，實現(xiàn)輸電線路在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理和計算，提高數(shù)據(jù)實時處理能力，減輕網(wǎng)絡(luò)通道壓力，有效支撐邊緣智能服務(wù)。

1.4 多種組網(wǎng)方式

在輸電線路在線監(jiān)測中可以采用一種或多種通信方式構(gòu)建數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳通道［5］，在公網(wǎng)信號好的區(qū)域，可以使用3G/4G/5G 通信；在公網(wǎng)信號不好的區(qū)域，可以使用2.4 GHz 或5.8 GHz 微波自組網(wǎng)通信；當(dāng)發(fā)生自然災(zāi)害，在公網(wǎng)、微波自組網(wǎng)信道不可用時，使用北斗短報文通信作為備用的應(yīng)急通道。利用多種通信方式的各自特性，建立統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)能夠保證輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2 輸電邊緣計算設(shè)備功能架構(gòu)及通道自動切換流程設(shè)計

2.1 功能架構(gòu)設(shè)計

為滿足輸電線路在線監(jiān)測組網(wǎng)的需求，基于邊緣計算技術(shù)開發(fā)了一款輸電邊緣計算設(shè)備，其功能架構(gòu)如圖1 所示，主要由通信接口、硬件平臺、軟件平臺和核心功能四部分組成，南向接入輸電線路各類業(yè)務(wù)終端，北向接入輸電物聯(lián)管理平臺、可視化監(jiān)控平臺等業(yè)務(wù)平臺。

圖1 功能架構(gòu)

輸電邊緣計算設(shè)備的硬件平臺主要包括處理器、存儲器、安全加密和電源等模塊，為邊緣計算提供一個可靠的硬件運行環(huán)境。

輸電邊緣計算設(shè)備的軟件平臺采用經(jīng)過安全加固的Linux操作系統(tǒng)，為設(shè)備核心功能的開發(fā)提供一個安全的支撐環(huán)境。

輸電邊緣計算設(shè)備核心功能模塊設(shè)計如下：

1）協(xié)議解析模塊主要包括接口適配、協(xié)議適配和交換處理。接口適配負(fù)責(zé)匹配不同的通信接口，如以太網(wǎng)、RS485、4G/5G、2.4 GHz 等，支持輸電邊緣計算設(shè)備提供多種接入技術(shù)；協(xié)議適配實現(xiàn)不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，如Restful、Web Service、MQTT、HTTP等，完成輸電邊緣計算設(shè)備對多種業(yè)務(wù)的接入；交換處理模塊完成不同通信協(xié)議、不同通信技術(shù)接口下的通信數(shù)據(jù)交換處理。

2）數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的本地存儲、清洗及處理等基本功能，包括第一數(shù)據(jù)處理單元和第二數(shù)據(jù)處理單元。第一數(shù)據(jù)處理單元獲取數(shù)值數(shù)據(jù)，并將數(shù)值數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的告警閾值進(jìn)行比較，如果大于告警閾值則發(fā)出故障告警信息。第二數(shù)據(jù)處理單元獲取圖像數(shù)據(jù)，依據(jù)預(yù)先設(shè)定的告警策略判斷是否需要發(fā)送故障告警信息。

3）管控模塊主要包括智能管控、智能轉(zhuǎn)發(fā)和接口配置3 個子模塊。智能管控模塊負(fù)責(zé)執(zhí)行安全接入、資源配置等管理邏輯；智能轉(zhuǎn)發(fā)模塊執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)隔離、多模通信倒換等控制邏輯；接口配置模塊負(fù)責(zé)執(zhí)行智能信道/功率調(diào)整等調(diào)度邏輯，獲取傳輸通道信號，并監(jiān)測傳輸信號的傳輸報文平均時延，進(jìn)而依據(jù)傳輸報文平均時延對2.4 GHz 通信單元、5.8 GHz 通信單元、3G/4G/5G 公網(wǎng)通信單元和北斗通信單元進(jìn)行切換。

4）邊緣計算模塊負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)值數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行本地計算，并依據(jù)相應(yīng)的決策做出就地處理與研判，確保輸電邊緣計算設(shè)備可靠運行。將數(shù)據(jù)計算從云端遷移到數(shù)據(jù)源頭端有利于降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、加快服務(wù)響應(yīng)速度。針對圖片、圖像等大流量數(shù)據(jù)在前端借助邊緣計算進(jìn)行預(yù)處理，可以去除冗余信息，使得部分或全部視頻圖像分析下沉到邊緣側(cè)，從而降低了集中式云計算的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求，提高了視頻分析處理的速度。

5）安全防護(hù)模塊提供本體、接入和通信3 個層面的安全策略。本體安全方面提供安全監(jiān)測、審計和分析功能，集成了硬件加密模塊，支持哈希運算、數(shù)字證書等密碼算法。接入安全方面通過安全準(zhǔn)入模塊實現(xiàn)業(yè)務(wù)終端的接入，采用安全接入模塊實現(xiàn)與物聯(lián)管理平臺的安全交互。通信安全方面通過安全準(zhǔn)入模塊、加密模塊和安全接入模塊為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸提供一個安全通道。

6）設(shè)備管理模塊主要實現(xiàn)輸電邊緣計算設(shè)備的信息查詢和配置管理兩方面的功能，提供遠(yuǎn)程調(diào)試、監(jiān)控和運維接口，還完成對設(shè)備本體、高級應(yīng)用功能、通信鏈路的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

7）人工智能模塊主要識別輸電線路通道內(nèi)的外力破壞、山火、線下房屋等通道隱患，實時分析大型施工車輛、煙火、異物等目標(biāo)類型，為輸電線路通道的故障及時預(yù)警和智能運維提供支撐。

2.2 通道自動切換流程設(shè)計

對于任意一個輸電邊緣計算設(shè)備C0，其通道自動切換流程設(shè)計如圖2所示。將3G/4G/5G公網(wǎng)通信單元的傳輸報文平均時延閾值設(shè)為t1，將2.4 GHz/5.8 GHz 通信單元的傳輸報文平均時延閾值設(shè)為t2，北斗通信單元的傳輸報文平均時延閾值為t3。

圖2 自動切換流程

具體步驟為：

1）C0上電。

2）C0經(jīng)公網(wǎng)信道連接遠(yuǎn)方主站。如果連接成功，并且測試報文平均延時＜t1，那么進(jìn)行下一步；否則斷開連接，計時器t置0，轉(zhuǎn)到步驟5）。

3）C0打開第一個2.4 GHz/5.8 GHz 通信模塊M1。如果M1與另外一個輸電邊緣計算設(shè)備C1的微波通信模塊建立了連接，并且C1已經(jīng)連接到主站，那么關(guān)閉M1。

4）C0打開第二個2.4 GHz/5.8 GHz 通信模塊M2。如果M2與另外一個輸電邊緣計算設(shè)備C2的2.4 GHz/5.8 GHz 通信模塊建立了連接，并且C2已經(jīng)連接到主站，那么關(guān)閉M2。轉(zhuǎn)到步驟10）。

5）C0打開M1，如果M1與另外一個輸電邊緣計算設(shè)備C3的2.4 GHz/5.8 GHz 通信模塊建立了連接，并且C3已經(jīng)連接到主站，那么C0也連接到了主站。

6）C0打開M2，如果M2與另外一個輸電邊緣計算設(shè)備C4的2.4 GHz/5.8 GHz 通信模塊建立了連接，且C4已經(jīng)連接到主站，C0未連接到主站，那么C0也連接到了主站；否則，如果M2與C4的2.4 GHz/5.8 GHz 通信模塊建立了連接，且C4和C0已經(jīng)連接到主站，那么關(guān)閉M2。

7）t+1時，如果t＜閾值t0且C0未連接到主站，那么轉(zhuǎn)到步驟5）；否則進(jìn)行下一步。

8）如果C0連接到遠(yuǎn)方主站，并且測試報文平均延時＜t2，那么轉(zhuǎn)到步驟10）；否則，C0斷開與主站的連接，關(guān)閉M1、M2，進(jìn)行下一步。

9）C0打開北斗通信模塊，如果C0能夠與主站建立連接，且測試報文平均延時＜t3，那么進(jìn)行下一步；否則，斷開與主站的連接，轉(zhuǎn)到步驟2）。

10）如果沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送，那么等待；如果有數(shù)據(jù)要發(fā)送，那么C0發(fā)送數(shù)據(jù)，記錄平均延時t4。如果C0使用的是公網(wǎng)信道，且t4＞t1，那么斷開與主站連接，轉(zhuǎn)到步驟2）；如果C0使用的是微波信道，且t4＞t2，那么斷開與主站連接，關(guān)閉M1、M2，轉(zhuǎn)到步驟2）；如果C0使用的是北斗通道，且t4＞t3，那么斷開與主站連接，轉(zhuǎn)到步驟2）。

文中提到的數(shù)據(jù)是指輸電線路邊緣計算設(shè)備獲取的數(shù)值數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)后，使用數(shù)據(jù)挖掘、圖形圖像識別等新興信息處理，在本地進(jìn)行分析研判后，得到的告警與故障信息的判斷結(jié)果。

3 基于邊緣計算的通信組網(wǎng)方案設(shè)計

采用輸電線路邊緣計算設(shè)備，設(shè)計輸電線路在線監(jiān)測通信組網(wǎng)方案，如圖3 所示，方案以星型無線網(wǎng)絡(luò)和MESH 無線網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，匯聚每根鐵塔上的監(jiān)測數(shù)據(jù)，匯聚后的數(shù)據(jù)通過點對點高速率無線網(wǎng)絡(luò)接力的方式傳輸至變電站。監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)入變電站后，經(jīng)安全接入網(wǎng)關(guān)到后端分析設(shè)備，再通過電網(wǎng)專用光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸至指定主站系統(tǒng)。

圖3 輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)部署

針對不同的輸電線路情況可以設(shè)計不同的組網(wǎng)方式。

3.1 鐵塔間無遮擋組網(wǎng)

對于鐵塔間無遮擋的情況，選取一根中心鐵塔上的輸電邊緣計算節(jié)點設(shè)備作為匯聚節(jié)點，兩側(cè)鐵塔上的監(jiān)測數(shù)據(jù)分別向中心節(jié)點匯聚，組成星型網(wǎng)絡(luò)，如圖4 所示。星型網(wǎng)絡(luò)抗單點失效性能好，組網(wǎng)簡單。根據(jù)現(xiàn)場實際情況決定使用1 對8、1 對12或1 對16 等不同組網(wǎng)形式，通信頻段使用2.4 GHz（2 401.5～2 481.5 MHz），采用全向天線，發(fā)射功率和工作頻率范圍滿足工信部相關(guān)規(guī)范。任意相鄰兩個星形網(wǎng)絡(luò)工作在不同頻點，以避開頻域干擾。

圖4 星型網(wǎng)絡(luò)部署

3.2 鐵塔局部走勢為直線或塔間有遮擋組網(wǎng)

在鐵塔局部走勢為直線或塔間有遮擋的情況下，為避免無線頻率干擾或因遮擋無法通信的問題，利用2.4 GHz 頻段繞射能力強(qiáng)和MESH 自組織、自愈以及自均衡的能力，采用2.4 GHz 的MESH 自組網(wǎng)技術(shù)，組網(wǎng)方式如圖5 所示，網(wǎng)絡(luò)中任意輸電邊緣節(jié)點設(shè)備間均能可靠地通信。根據(jù)現(xiàn)場情況在實際部署中可以使用4 跳、5 跳、6 跳不同組網(wǎng)方式，能較好應(yīng)對因遮擋帶來的信號衰減問題。通信頻段使用2.4 GHz（2 401.5～2 481.5 MHz），采用全向天線，發(fā)射功率和工作頻率范圍符合工信部相關(guān)規(guī)范。任意相鄰兩個MESH 無線網(wǎng)絡(luò)工作在不同頻點，以避開頻域干擾。

圖5 MESH網(wǎng)絡(luò)部署

3.3 輸電線路局部平行組網(wǎng)

對于輸電線路有局部平行部分的情況，為避免無線頻率之間的干擾，一般選擇一根桿塔上的輸電邊緣計算節(jié)點作為匯聚節(jié)點，使用星型無線組網(wǎng)方式，如圖6 所示，把兩條輸電線路上的監(jiān)測數(shù)據(jù)匯聚到同一個中心的輸電邊緣計算設(shè)備上。相較于同一輸電線路上的數(shù)據(jù)匯聚到同一輸電線路上而言，既能兼顧大規(guī)模組網(wǎng)，同時又可以有效避開頻域干擾。

圖6 兩條輸電線路局部平行網(wǎng)絡(luò)部署

3.4 匯聚后的監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳

輸電線路監(jiān)測匯聚后的數(shù)據(jù)量大，可以借助5.8 GHz 大帶寬的優(yōu)勢，實現(xiàn)點對點的遠(yuǎn)傳，組網(wǎng)方式如圖3中綠色箭頭所示，星型無線網(wǎng)絡(luò)或MESH 無線網(wǎng)絡(luò)匯聚后的總監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過點對點高速無線網(wǎng)絡(luò)背靠背接力傳輸至變電站。點對點通信工作在5.8 GHz 頻段，使用高增益定向天線增加傳輸距離，發(fā)射功率和工作頻率符合工信部相關(guān)規(guī)范。任意相鄰兩個點對點網(wǎng)絡(luò)的工作頻點保持不一致，避免頻域間相互干擾。

4 應(yīng)用分析

為檢驗輸電邊緣計算設(shè)備在架空線路在線監(jiān)測的實際通信組網(wǎng)應(yīng)用能力，選擇某電網(wǎng)公司特高壓通道可視化項目開展線路視頻業(yè)務(wù)承載［2］。本次試點選擇具有代表性的山火與雷擊易發(fā)段、重要防外破區(qū)域等線路的200 基桿塔作為監(jiān)測對象，在桿塔上安裝輸電邊緣計算設(shè)備，用以接收桿塔的監(jiān)測數(shù)據(jù)，搭建輸電線路可視化數(shù)據(jù)傳輸通信網(wǎng)絡(luò)，最終將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給就近變電站，再通過專網(wǎng)上傳給監(jiān)控系統(tǒng)。

輸電邊緣計算設(shè)備能實現(xiàn)對輸電線路通道內(nèi)的外力破壞、山火、線下房屋等通道隱患的自動識別，實時分析大型施工車輛、煙火、異物等目標(biāo)類型，如圖7 所示，進(jìn)行本地分析研判，并上傳邊緣分析結(jié)果及相應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)輸電線路的全天候監(jiān)測。桿塔上部署的導(dǎo)線溫度、微氣象等傳感器，可以通過LoRa/Modbus 等將采集數(shù)據(jù)接入同桿塔的輸電邊緣計算設(shè)備，實現(xiàn)監(jiān)測點的數(shù)據(jù)圖像集中管控。

圖7 輸電線路視頻分析

本次試點自投運以來，輸電計算設(shè)備運行穩(wěn)定，為輸電線路通道可視化監(jiān)測提供了一個可靠的數(shù)據(jù)圖像傳輸通路，實現(xiàn)了各類在線監(jiān)測裝置平均在線率超過98%，數(shù)據(jù)可用率超過98%；裝置缺陷消缺時間縮減到5 個工作日之內(nèi)；試點區(qū)域線路主設(shè)備日常巡視由人工巡視方式調(diào)整為遠(yuǎn)程監(jiān)控為主，人工巡視為輔的方式，各類監(jiān)測裝置遠(yuǎn)程巡視周期降為每2 h一次，既節(jié)約了人力成本、減輕了人工勞動量，又提高了巡視效率。

5 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和邊緣計算技術(shù)已廣泛應(yīng)用于輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，解決各應(yīng)用場景下的異構(gòu)多源業(yè)務(wù)終端的統(tǒng)一接入、數(shù)據(jù)處理和可靠傳輸。提出基于邊緣計算技術(shù)的通信組網(wǎng)方案，為保障輸電在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠傳輸提供了有力保障，為運維人員快速辨識影響通道安全運行危險因素提供了重要依據(jù)，從而加強(qiáng)了運維管理和通道安全防護(hù)，提高了重要輸電通道抗風(fēng)險能力，保障輸電線路的安全運行。