基于邊緣計(jì)算的低壓電力通信數(shù)據(jù)分流方法

岳歐, 龔玲玲， 李嘉懿， 吳浩瀚

(國網(wǎng)四川省電力公司, 廣安供電公司，四川, 廣安 638000)

0 引言

低壓電力線數(shù)據(jù)通信是一種把低壓電力線作為載波通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞與交換的通信技術(shù)。電力企業(yè)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送音頻、文字以及影像等數(shù)據(jù)來達(dá)到監(jiān)督電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行是否安全的目的，同時(shí)通過大數(shù)據(jù)的支撐，使電能的供應(yīng)能夠精準(zhǔn)、及時(shí)。

文獻(xiàn)[1]提出基于雙鏈接無線網(wǎng)絡(luò)的電力通信數(shù)據(jù)分流方法，計(jì)算電力分流函數(shù)與數(shù)據(jù)單元密度，根據(jù)上述結(jié)果確定雙鏈接無線網(wǎng)絡(luò)的分流參數(shù)值，完成電力通信數(shù)據(jù)分流。文獻(xiàn)[2]提出基于鏈路調(diào)制的電力通信數(shù)據(jù)分流方法，計(jì)算通信節(jié)點(diǎn)的信息量，以降低數(shù)據(jù)丟失概率，匹配節(jié)點(diǎn)信息量與傳輸帶寬的適應(yīng)度，完成通信數(shù)據(jù)分流。上述分流會(huì)導(dǎo)致部分重要數(shù)據(jù)遺失，破壞獲取電力大數(shù)據(jù)的完整性。因此，提出基于邊緣計(jì)算的低壓電力通信數(shù)據(jù)分流方法。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

邊緣計(jì)算技術(shù)指的是利用將服務(wù)器設(shè)置在無線接入側(cè)，以此使無線接入網(wǎng)獲得IT與云計(jì)算的功能[3]。無線接入網(wǎng)因而擁有了低時(shí)延、高帶寬的傳輸特征，能夠很大程度上解決今后移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在帶寬以及時(shí)延2個(gè)方面的問題[4-6]?；谶吘売?jì)算技術(shù)的通信數(shù)據(jù)分流平臺(tái)如圖1所示。

圖1 基于邊緣計(jì)算技術(shù)的數(shù)據(jù)分流平臺(tái)

本文主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為以下幾點(diǎn)。

(1)本地業(yè)務(wù)

利用基于邊緣計(jì)算技術(shù)的通信數(shù)據(jù)分流平臺(tái)，用戶能夠直接進(jìn)入本地網(wǎng)絡(luò)，使本地的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流可以直接通過通信數(shù)據(jù)分流平臺(tái)傳輸?shù)奖镜鼐W(wǎng)絡(luò)，不再需要通過核心網(wǎng)。

(2)公網(wǎng)業(yè)務(wù)

用戶能夠通過2種形式訪問公網(wǎng)業(yè)務(wù)。一是通過通信數(shù)據(jù)分流平臺(tái)將全部的公網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)直接傳送到核心網(wǎng)；二是基于通信數(shù)據(jù)分流平臺(tái)，利用本地分流的方式從本地代理服務(wù)器接入Internet來處理指定的IP業(yè)務(wù)。

(3)終端/網(wǎng)絡(luò)

本地分流方案若想實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分流，就要利用基于邊緣計(jì)算技術(shù)的通信數(shù)據(jù)分流平臺(tái)合理部署終端與網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)方案不需要再改造終端用戶以及核心網(wǎng)，基于邊緣計(jì)算技術(shù)的本地分流方案降低了現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用部署的難度[7]。

2 基于邊緣計(jì)算的低壓電力通信數(shù)據(jù)分流

2.1 數(shù)據(jù)分流方案

低壓電力通信數(shù)據(jù)分流和系統(tǒng)電力服務(wù)質(zhì)量參數(shù)是緊密相連的，所以需要在確定系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分流，電力大數(shù)據(jù)分流的優(yōu)先級(jí)是由平臺(tái)系統(tǒng)對(duì)電力數(shù)據(jù)誤差的容忍程度決定的，容忍程度越高，數(shù)據(jù)分流就會(huì)越精確[8-10]。低壓電力數(shù)據(jù)分流單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 低壓電力通信數(shù)據(jù)分流單元結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)電力通信數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)分流，以邊緣計(jì)算為依據(jù)的本地分流方案具體包括以下環(huán)節(jié)：

(1)本地分流；

(2)控制面數(shù)據(jù)分流；

(3)上行用戶面數(shù)據(jù)處理；

(4)下行用戶面數(shù)據(jù)處理。

2.2 分流評(píng)價(jià)指標(biāo)函數(shù)建立

為了實(shí)現(xiàn)低壓電力通信數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)分流，需要計(jì)算低壓電力通信數(shù)據(jù)的分流評(píng)價(jià)指標(biāo)函數(shù)。

(1)

設(shè)n為接入的邊緣節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，N為所有低壓電力用戶的個(gè)數(shù),再設(shè)電力網(wǎng)絡(luò)的全部覆蓋范圍為S，則低壓電力大數(shù)據(jù)單元密度ρj(t)可以用t時(shí)刻的單個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入用戶nj(t)進(jìn)行表達(dá)：

(2)

電力網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍S涵蓋的用戶數(shù)和用戶規(guī)?？勺鳛檫吘壏?wù)質(zhì)量重要參數(shù)計(jì)算的決定性依據(jù)[11]。為了使電力服務(wù)系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)更為準(zhǔn)確，將電力用戶滿意度評(píng)價(jià)指標(biāo)函數(shù)ηj(t)作為數(shù)據(jù)分流精度的基本判定條件：

(3)

其中，hmax、hmin分別表示分流標(biāo)簽的最大值與最小值。

根據(jù)計(jì)算獲得的分流評(píng)價(jià)指標(biāo)函數(shù)，確定低壓電力大數(shù)據(jù)的邊緣服務(wù)質(zhì)量參數(shù)如下：

(4)

其中，δ表示用戶容忍度，Q1、Q2和Q3為3種電力用戶的容忍度上限，當(dāng)容忍度滿足條件0

首先要找出系統(tǒng)的邊緣服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，然后就能夠根據(jù)用戶各自的分類標(biāo)簽以及用戶低壓電力大數(shù)據(jù)的主要特點(diǎn)，把獲取的低壓電力大數(shù)據(jù)全部輸入到平臺(tái)的各個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道里面，使電力大數(shù)據(jù)的的分流規(guī)范化，通過用戶的分類標(biāo)簽找出服務(wù)質(zhì)量參數(shù)以及評(píng)價(jià)指標(biāo)函數(shù)。數(shù)據(jù)分流的實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示。

圖3 低壓電力通信數(shù)據(jù)分流流程

需要分流的低壓電力通信數(shù)據(jù)量是十分龐大的，電力分流是不斷循環(huán)的，對(duì)需要分流的數(shù)據(jù)設(shè)定特定的分流標(biāo)準(zhǔn)，一旦未達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)將被退回到用戶層，再次分配分類標(biāo)簽，進(jìn)行又一批次的數(shù)據(jù)分流操作，以此來保證低壓電力通信數(shù)據(jù)分流的精準(zhǔn)性。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證基于邊緣計(jì)算的低壓電力通信數(shù)據(jù)分流方法的分流精準(zhǔn)度，進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)定

在IPv6試驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)數(shù)據(jù)分流方法的精準(zhǔn)度進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)所需的測(cè)試環(huán)境如表1所示。

表1 試驗(yàn)所需的測(cè)試環(huán)境

3.2 數(shù)據(jù)資源分析

低壓電力通信數(shù)據(jù)中的離線、在線數(shù)據(jù)資源如表2所示。

表2 離線、在線數(shù)據(jù)低壓電力通信數(shù)據(jù)資源

采用高配置PC主機(jī)，CPU為Inter Core i7，內(nèi)存為32 GB。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)邊緣計(jì)算環(huán)境下的3個(gè)處理器分配數(shù)據(jù)流，如圖4所示。

(a)處理器1

由圖4可知，在處理器1下數(shù)據(jù)流數(shù)最高可達(dá)到1 000個(gè)，隨著時(shí)間增加，數(shù)據(jù)流數(shù)下降；在處理器2下數(shù)據(jù)流數(shù)在時(shí)間為30～35 s時(shí)，達(dá)到最高為1 000個(gè)；在處理器3下，數(shù)據(jù)流數(shù)基本保持不變，最高可達(dá)到600個(gè)。

根據(jù)上述內(nèi)容，分別采用基于雙鏈接無線網(wǎng)絡(luò)方法、基于鏈路調(diào)制方法與基于邊緣計(jì)算方法對(duì)低壓電力通信數(shù)據(jù)分流結(jié)果精準(zhǔn)度進(jìn)行對(duì)比分析。分流精度的計(jì)算式為

(5)

其中，Ttotal表示分流數(shù)據(jù)總量，T′表示未能完成分流的數(shù)據(jù)量。

不同處理器下，3種方法的分流精度對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 不同方法下通信數(shù)據(jù)分流結(jié)果精準(zhǔn)度對(duì)比分析

處理器1:當(dāng)時(shí)間為10 s時(shí)，基于邊緣計(jì)算方法比2種傳統(tǒng)方法分流結(jié)果精準(zhǔn)度高22%；當(dāng)時(shí)間為20 s時(shí)，基于邊緣計(jì)算方法比2種傳統(tǒng)方法分流結(jié)果精準(zhǔn)度高29%；當(dāng)時(shí)間為30 s時(shí)，基于邊緣計(jì)算方法比2種傳統(tǒng)方法分流結(jié)果精準(zhǔn)度高26%；當(dāng)時(shí)間為40 s時(shí)，基于邊緣計(jì)算方法比2種傳統(tǒng)方法分流裂結(jié)果精準(zhǔn)度高18%。用處理器，基于邊緣計(jì)算方法的最高分流結(jié)果精準(zhǔn)度可達(dá)到98%。

處理器2:當(dāng)時(shí)間為10 s時(shí)，基于邊緣計(jì)算方法比2種傳統(tǒng)方法分流結(jié)果精準(zhǔn)度高28%；當(dāng)時(shí)間為20 s時(shí)，基于邊緣計(jì)算方法比2種傳統(tǒng)方法分流結(jié)果精準(zhǔn)度高20%；當(dāng)時(shí)間為30 s時(shí)，基于邊緣計(jì)算方法比2種傳統(tǒng)方法分流結(jié)果精準(zhǔn)度高26%；當(dāng)時(shí)間為40 s時(shí)，基于邊緣計(jì)算方法比2種傳統(tǒng)方法分流結(jié)果精準(zhǔn)度高22%。用處理器，基于邊緣計(jì)算方法最高分流結(jié)果精準(zhǔn)度可達(dá)到95%。

處理器3:當(dāng)時(shí)間為10 s時(shí)，基于邊緣計(jì)算方法比2種傳統(tǒng)方法分流結(jié)果精準(zhǔn)度高35%；當(dāng)時(shí)間為20 s時(shí)，基于邊緣計(jì)算方法比2種傳統(tǒng)方法分流結(jié)果精準(zhǔn)度高33%；當(dāng)時(shí)間為30 s時(shí)，基于邊緣計(jì)算方法2種傳統(tǒng)方法分流結(jié)果精準(zhǔn)度高47%；當(dāng)時(shí)間為40 s時(shí)，基于邊緣計(jì)算方法比2種傳統(tǒng)方法分流結(jié)果精準(zhǔn)度高47%。用處理器，基于邊緣計(jì)算方法最高分流結(jié)果精準(zhǔn)度可達(dá)到96%。

綜上所述基于邊緣計(jì)算的低壓電力通信數(shù)據(jù)分流方法分流結(jié)果精準(zhǔn)度較高。

為了充分證明所提分流方法的有效性，以分流后電力網(wǎng)絡(luò)的吞吐量為實(shí)驗(yàn)比較指標(biāo)，進(jìn)行3種方法的比較實(shí)驗(yàn)。3種方法分流后的電力網(wǎng)絡(luò)吞吐量比較結(jié)果如圖5所示。

圖5 電力網(wǎng)絡(luò)吞吐量對(duì)比結(jié)果

從圖4的電力網(wǎng)絡(luò)吞吐量對(duì)比結(jié)果可以看出，隨著電力網(wǎng)絡(luò)信道數(shù)量的增加，基于邊緣計(jì)算分流方法處理后，電力網(wǎng)絡(luò)吞吐量的持續(xù)上升，而基于雙鏈接無線網(wǎng)絡(luò)分流方法與基于鏈路調(diào)制分流方法處理后，電力網(wǎng)絡(luò)的吞吐量波動(dòng)較大，吞吐量均低于基于邊緣計(jì)算分流方法。

4 總結(jié)

由于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分流方法存在明顯的分流精度低的問題，因此基于邊緣計(jì)算的低壓電力通信數(shù)據(jù)分流方法應(yīng)運(yùn)而生。從電力通信用戶的角度出發(fā)，將收集的電力大數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)匹配，使數(shù)據(jù)分流更為準(zhǔn)確、合理。

目前的技術(shù)與工藝還不夠成熟，所以低壓電力線數(shù)據(jù)的傳輸距離還很有限，不具備太強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。但技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新一定會(huì)使低壓電力線數(shù)據(jù)通信沖破電信行業(yè)的屏障，在競(jìng)爭(zhēng)激烈的通信市場(chǎng)中占有一席之地。