融合移動邊緣計算的5G網絡在配電自動化管理大區主站中的應用

潘宇婷，汪振宇，盛 夏

(上海電力設計院有限公司，上海 200025)

隨著我國社會經濟的飛速發展，能源生產及消費結構也在發生著深刻變革。國網公司提出了“三型兩網”的戰略新思路，在2019年初確立了建設世界一流能源互聯網企業的目標，打造具備樞紐型、平臺型、共享型特征的現代企業，并充分應用移動互聯、人工智能等現代信息技術和先進通信技術，實現電力系統各個環節萬物互聯、人機交互，打造狀態全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活的電力物聯網。以智能感知、數據融合和智能決策為主線，依托PMS 2.0建設架構清晰、布局合理的管理大區配電網主站系統，可以實現設備、運維檢修和生產管理智能化，提升設備管控力和管理穿透力，為配電網高效運維、精益精細管理提供有力的決策與支撐。

本文通過建設融合移動邊緣計算(Mobile Edge Computing,簡稱MEC)的5G網絡架構，將配電自動化管理大區主站與該網絡架構相融合，這是支撐智慧能源綜合服務平臺建設的有力保障。

1 配電自動化管理大區主站平臺建設

配電自動化管理大區主站建設分為三種方式：提高配電網運行工況、綜合監控配電網運行風險和配電網運營效能。

對運行和運營過程異常事件的分類告警和對配電網數據指標的提高進行深入分析，實現對配電網異常情況處理的全過程監控，為配電網運維、檢修智能化提供技術支撐。考慮到采用集約化方式建設有利于主站的運行維護，同時采集并接入海量中低壓配電網的各類運行、狀態及環境數據，可以實現配電網綜合監控，達到配電網全面感知，充分利用整個配電網運行大數據，深層次挖掘出有用信息。因此，采用生產控制大區分散部署、管理信息大區集中部署的方式[1]，用于指導配電網安全穩定運行。

配電自動化管理大區主站系統采用“配電主站+配電終端”兩層結構，使用標準化、通用型軟硬件，基于B/S架構進行配電主站系統的部署。地區級生產控制大區應用部署在各地區服務器上；地區級管理大區應用部署在省級管理大區配電主站上，基于市級的云數據中心實現配電自動化功能應用。

系統基于信息交換總線，實現與能源管理系統(EMS)、設備運維管理系統(PMS 2.0)和省級配電自動化主站管理大區云平臺等系統的數據共享，具備對外交互歷史數據和實時數據的功能，支撐各層級數據分層應用以及縱、橫向貫通[1]。

配電自動化“N+1”體系涉及市級統一部署的配電自動化管理大區主站、地區級部署的生產控制大區配電主站兩部分，配電網管理大區主站系統總體結構示意圖見圖1。

圖1 配電網管理大區主站系統總體結構示意圖

配電物聯網云主站(管理信息大區)硬件包括云平臺的管理節點服務器、網絡管理節點服務器、計算節點服務器、陣列存儲設備、存儲光纖交換機、基板管理控制器(BMC)接入交換機、防火墻、管理交換機、業務交換機和核心交換機等。

2 通信需求

配電管理大區主站系統需要與地區各供電公司、PMS、用電信息采集系統、配電自動化主站系統和智能配電站等進行信息交互，因此需要考慮主站通信方面的需求[2]。

2.1 業務需求

結合地區電力通信業務系統的屬性和應用，預測配電管理大區主站系統業務需求。配電管理大區主站系統業務帶寬分析結果(最高峰)見表1。

表1 配電管理大區主站系統業務帶寬分析結果(最高峰)

根據業務帶寬分析可知，III區和IV區業務帶寬需要按照642 Mb配置，I和II區業務帶寬需要按照310 Mb配置。配電管理大區主站通信網絡結構如圖2所示。

圖2 配電管理大區主站通信網絡結構

2.2 通信電源蓄電池組的容量配置

根據YD/T 5004—2005《通信電源設備安裝工程設計規范》以及相關技術原則，鉛酸蓄電池的總容量為

(1)

式中Q——蓄電池容量，A·h；K——安全系數，取1.25；I——電流負載，A；T——放電小時數，取4 h；η——放電容量系數,鉛酸蓄電池放電容量系數(見表2)；t——實際電池所在地最低環境溫度數值，所在地有采暖設備時，按15 ℃考慮，無采暖設備時，按5 ℃考慮；α——電池溫度系數，℃-1，當放電小時率≥10 ℃-1，取α=0.006 ℃-1，當10 h>放電小時率≥1 h時，取α=0.008 ℃-1，當放電小時率<1 h時，取α=0.01℃-1。

表2 鉛酸蓄電池放電容量系數(η)表

本期考慮2路光端機、1個路由器、2個交換機和1套防火墻。配電管理大區主站系統本期總電流值情況(峰值)見表3。

由表3可知，總電流值為134.9 A。按照經驗值20%的負載用量考慮，本期配電管理大區主站系統電流總負載I為26.98 A。

表3 配電管理大區主站系統本期總電流值情況(峰值)

根據蓄電池容量公式測算，本期通信電源蓄電池容量見表4。

表4 本期通信電源蓄電池容量

中期考慮2路光端機、1個路由器、2個交換機、1個防火墻和1個光纖傳輸網(OTN)。其中，2路光端機、1個路由器、2個交換機和1個防火墻的總負荷按照20%的增長率考慮。配電管理大區主站系統中期總電流值情況(峰值)見表5。

表5 配電管理大區主站系統中期總電流值情況(峰值)

由表5可知，總電流值為266.08 A。按照經驗值20%的負載用量考慮，中期配電管理大區主站系統電流總負載I為53.22 A。

根據蓄電池容量公式測算，中期通信電源蓄電池容量見表6。

表6 中期通信電源蓄電池容量

由表6可知，中期配置2組160 A·h/300 A·h的通信電源可以滿足配電管理大區主站系統需求。

3 基于SDN/NFV技術的MEC網絡架構

MEC技術將網絡側功能和應用下沉至距離配電終端設備最近的無線接入網邊緣[3-6]，通過軟件定義網絡/網絡功能虛擬化(SDN/NFV)技術實現會話管理功能(Session Management Function，簡稱SMF)和策略控制功能(Policy Control Function，簡稱PCF)等控制平面和用戶平面功能(User Plane Function，簡稱UPF)解耦[7]，實現配電終端與配電管理大區主站之間超高可靠與低延遲的通信。

3.1 UPF部署在MEC側

5G Open UPF白皮書指出，為有效實現行業應用場景，采用最簡UPF功能[8-10]，通過開放接口、設備、服務和智能等，統一UPF架構設計，解耦UPF和SMF之間的N4接口。UPF與MEC融合的結構示意圖見圖3。

圖3 UPF與MEC融合的結構示意圖

配電物聯網主站利用應用程序(Application Function，簡稱AF)接入5G網絡時，通過解析配電物聯網主站中的不同業務內容，5G核心網中的SMF將對會話業務路由進行決策，將業務路由接至本地數據網，從而實現訪問MEC端的UPF，達到低時延的目的。

3.2 MEC網絡架構

軟件定義網絡是Emulex網絡的一種新型網絡創新架構，通過網絡協議Open Flow分離控制面和數據面，路由表生成、路由協議交換等路由功能均可在統一的控制面完成，從而使得網絡控制面對網絡數據面有一個宏觀操控能力。

通過SDN技術，實現核心云與邊緣云里面虛擬機(Virtual Machines，簡稱VMs)間的邏輯連接，構建承載信令和數據流的通路。

網絡功能虛擬化通過功能抽象及軟硬件解耦，可在通用的服務器、交換機和存儲設備上部署網絡功能，實現無線接入網(Radio Access Network，簡稱RAN)內部各功能實體動態無縫連接，滿足配電管理大區主站業務需求自動部署、故障隔離和自愈等功能，從而可極大地降低成本和時間[10]。基于SDN/NFV技術的物聯網化配電管理大區主站MEC網絡架構示意圖見圖4。

圖4 基于SDN/NFV技術的物聯網化配電管理大區主站MEC網絡架構示意圖

基于物聯網架構、物聯網規約和物聯網信息模型，采用SDN/NFV技術，利用功能快速發布、靈活迭代的特性，提升邊緣層計算能力，將配電物聯網主站中的不同業務，包括供服系統、配電主站、數據中心數據同步、調度數據網(II區)、行政辦公、行政電話(IMS)、變電站視頻監控業務下沉至邊緣層，業務就地分析決策、業務云邊協同交互，并通過獨立的虛擬網絡傳輸數據，從而滿足不同業務對網路高可靠性、大帶寬和低時延等方面的需求。

4 結語

本文將融合MEC的5G新型網絡架構應用于配電物聯網主站，基于SDN和NFV技術實現UPF下沉至本地數據網，從而可以實時感知終端運行狀態，并為海量物聯網數據進行分類、編碼、存儲、檢索和維護提供大數據分析挖掘引擎。同時，結合邊緣計算，保證云端高效分析處理數據，并將分析后的數據傳至配電物聯網管理大區主站，統一協作管理，從而實現泛在物聯，為安全可靠的系統運行提供堅強保障。