基于邊緣計算的輸電通道可視化監(jiān)控系統(tǒng)設計

郭子培，蔣再新，黃勝幫，唐彰蔚，周柏樂

（1.廣西電網(wǎng)有限責任公司欽州供電局，廣西欽州 535000；2.深圳市鼎信智慧科技有限公司，廣東深圳 518116）

邊緣計算是就近提供端口服務的應用算法，在靠近數(shù)據(jù)源頭或信息輸入端的一側，常設置開放型網(wǎng)絡平臺，一方面，使得連接程序能夠更快傳輸數(shù)據(jù)信息產生響應，另一方面，也可更高滿足網(wǎng)絡主機對于信息參量的傳輸與存儲需求[1]。對于區(qū)域性電網(wǎng)組織或輸電供應平臺而言，邊緣計算法則必須在多個物理實體結構的作用下，才能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息參量的按需分揀，且由于頂端云服務主機元件的存在，所有已成生的歷史信息都可被直接存儲于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫之中，不但避免了混亂信息互傳行為的出現(xiàn)，也可以從根本上解決網(wǎng)絡主機容納能力不足的問題[2-3]。

在輸電網(wǎng)絡平臺中，由于電信號攻擊等外界干擾行為的存在，供應電流極易在個別位置處出現(xiàn)過量泄露的情況，從而導致電網(wǎng)主機對于傳輸電量的實時監(jiān)控能力下降。為解決此問題，基于邊云協(xié)同的監(jiān)控系統(tǒng)通過3dsMax 軟件對電信號傳輸與反饋環(huán)境進行建模，再借助Eclipse 工具，傳輸電量信號所處的實時傳輸位置，并依靠輸入信道，將這些信息參量反饋回核心電網(wǎng)主機元件之中[4]。然而此系統(tǒng)對于電流泄露行為的控制能力并不能完全達到實際應用需求，導致系統(tǒng)主機在可視化監(jiān)控方面的適應能力相對較弱。為避免上述情況的發(fā)生，引入邊緣計算法則，并以此為基礎，設計一種新型輸電通道可視化監(jiān)控系統(tǒng)。

1 輸電通道可視化監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

1.1 輸電監(jiān)控回路

輸電監(jiān)控回路以MAX811T 芯片、L-Bank 裝置作為核心搭建元件，能夠在電流輸入端與電流輸出端之間，通過電量傳輸行為變更的處理方式，控制供應電流的實時輸出量，從而滿足電網(wǎng)主機對于電量傳輸行為的可視化監(jiān)控需求。MAX811T 芯片同時監(jiān)管多個連接電阻，可在感知電流傳輸水平的同時，記錄電量信號的擊穿作用強度[5-6]。L-Bank 裝置則主要負責對傳輸電量進行疏導與分流，可將未完全消耗的電流平均分配至已連接電阻元件之中，再借助復位器裝置，將這些電量信號整合成全新的傳輸形式，以供電網(wǎng)主機的選取與利用。具體回路連接結構如圖1 所示。

圖1 輸電監(jiān)控回路連接示意圖

輸電控制主機作為唯一與監(jiān)控回路相連的下級應用結構，能夠準確記錄電量信號的實時消耗情況，并可將記錄信息直接反饋給電網(wǎng)核心控制元件。

1.2 連接設置模塊

在輸電通道可視化監(jiān)控系統(tǒng)中，連接設置模塊可同時管控輸電量、電流信息、通道寬度、監(jiān)控原則等多項指標參量，且可以在邊緣計算作用的支持下，規(guī)劃可視化監(jiān)控主機的實際執(zhí)行強度，從而實現(xiàn)對電流泄露行為的有效管控[7]。輸電量、電流信息與通道寬度同屬于硬性規(guī)定指標，可直接作用于核心輸電控制主機，對于連接設置模塊而言，上述物理指標的數(shù)值水平越高，則表示監(jiān)控主機對于傳輸電流的管控作用能力越強，反之則越弱[8]。詳細的連接設置模塊功能結構圖如圖2 所示。

圖2 連接設置模塊的功能結構圖

監(jiān)控原則設置結果屬于非硬性規(guī)定指標，對于核心輸電控制主機的連接能力，只能起到一定的影響與約束作用。

1.3 監(jiān)控信息查詢模塊

監(jiān)控信息查詢模塊的執(zhí)行功能主要劃分為如下三類：

1）對于已存儲的電流供應信息，查詢模塊可根據(jù)邊緣計算法則，對當前情況下的主體監(jiān)控對象進行定義，從而滿足核心電網(wǎng)主機對于傳輸電量信號的可視化管控需求。

2）對于未存儲的電流供應信息，查詢模塊主要負責對這些數(shù)據(jù)參量進行封裝處理，并可將這些物理信息反饋回連接設置模塊，以供核心輸電主機的繼續(xù)調取與利用[9]。

3）由于輸電通道的實時容納能力具有較強的不確定性，所以監(jiān)控信息查詢模塊中指令文件的輸出行為并不能保持絕對穩(wěn)定的存在狀態(tài)。

2 輸電通道可視化監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

2.1 Unity 3D引擎

Unity 3D 引擎是具有三維渲染能力的圖像復原軟件，可對監(jiān)控主機所捕獲的輸電信號進行二次加工與處理，并可根據(jù)邊緣計算原則，將個別節(jié)點參量放置在準確的監(jiān)控位置之中[10-11]。在輸電通道可視化監(jiān)控系統(tǒng)中，Unity 3D 引擎始終保持多平臺共通的連接形式，可同時與連接設置模塊、監(jiān)控信息查詢模塊保持數(shù)據(jù)傳輸關系，且在整個監(jiān)控過程中，引擎元件對于輸電信號的處理必須遵循邊緣計算原則。

設s表示基于邊緣計算原則的輸電節(jié)點編碼條件，xs表示編碼節(jié)點s的橫坐標，ys表示編碼節(jié)點s的縱坐標，x0表示初始監(jiān)控節(jié)點的橫坐標，y0表示初始監(jiān)控節(jié)點的縱坐標。聯(lián)立上述物理量，可將Unity 3D 引擎連接原則表示為：

式中，g表示基于邊緣計算原則的監(jiān)控節(jié)點橫坐標協(xié)調系數(shù)，j表示基于邊緣計算原則的監(jiān)控節(jié)點縱坐標協(xié)調系數(shù)。在邊緣計算原則作用強度保持不變的情況下，g、j的取值結果也始終保持不變。

2.2 數(shù)據(jù)流采集

數(shù)據(jù)流是指輸電通道監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸，在可視化監(jiān)控系統(tǒng)中，只有保障數(shù)據(jù)流采集結果的唯一性，才能有限避免供應電流出現(xiàn)過量泄露的表現(xiàn)行為[12]。在不考慮其他干擾條件下，數(shù)據(jù)流采集結果會受到輸電信號單位傳輸量、電量監(jiān)控指征兩項物理指標的直接影響[13]。輸電信號的單位傳輸量可表示為ΔK，在邊緣計算原則的支持下，可認為該項物理指標的取值量越大，最終所得的數(shù)據(jù)流采集結果也就越接近其物理最小值。電量監(jiān)控指征由最大值dmax、最小值dmin兩部分組成，一般來說，極值指標之間的物理差值越大，數(shù)據(jù)流采集結果也就越接近其物理最大值。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（1），可將數(shù)據(jù)流采集結果表示為：

式中，e表示邊緣計算系數(shù)的初始取值結果，ω表示可視化監(jiān)控系數(shù)，f表示特定的輸電信號取值特征。在考慮邊緣計算法則的影響下，輸電通道可視化監(jiān)控系統(tǒng)的設計必須以數(shù)據(jù)流采集結果作為核心參考條件[14]。

2.3 邊緣信息過濾

邊緣信息過濾是輸電通道可視化監(jiān)控系統(tǒng)設計的關鍵執(zhí)行環(huán)節(jié)，可根據(jù)邊緣計算原則，對已存儲的輸電信號參量進行篩選，并從中剔除非必要的數(shù)據(jù)信息，從而大幅緩解系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主機所面臨的信息存儲壓力[15-16]。

規(guī)定v、m表示兩個不同的輸電信號邊緣化分布系數(shù)，在可視化監(jiān)控系統(tǒng)的作用下，v≠m的不等式取值結果恒成立。c1、c2、…、cn表示n個不同的電量信號過濾權重值，一般來說，系數(shù)n的取值結果越大，與之對應的過濾指標權重等級也就越高。聯(lián)立式（2），可將基于邊緣計算原則的電量信息過濾表達式定義為：

式中，β表示電量信息的可視化判別系數(shù)，Hˉ表示輸電通道內的電量信號傳輸均值。在邊緣計算原則的支持下，電網(wǎng)主機對于傳輸信息參量的過濾能力越強，輸電通道可視化監(jiān)控系統(tǒng)的實際應用能力也就越強。

3 實例分析

為驗證基于邊緣計算的輸電通道可視化監(jiān)控系統(tǒng)的實際應用能力，設計如下對比實驗。選取一臺運行能力相對穩(wěn)定的電力供應主機作為實驗對象，將其置于完整的輸電規(guī)劃網(wǎng)絡中。單位時間內的供應電流泄露量能夠反映電網(wǎng)主機對于輸電通道內電量傳輸行為的可視化監(jiān)控能力，一般情況下，供應電流的單位泄露量越少，則表示電網(wǎng)主機對于輸電通道內電量傳輸行為的可視化監(jiān)控能力越強，反之則越弱。

表1 記錄了單位時間內供應電流泄露量的理想化數(shù)值水平。

表1 電流泄露量的理想數(shù)值

分析表1可知，實驗取15 min作為一個單位時長。在第一個單位時長內，供應電流泄露量始終保持絕對穩(wěn)定的數(shù)值存在狀態(tài)，且其均值水平相對較低；從第二個單位時長開始，供應電流泄露量始終保持不斷上升的數(shù)值變化趨勢，且其單位上升幅度基本保持一致。全局最大值2.6 mA 與全局最小值0.8 mA相比，上升了1.8 mA。

圖3 反映了實驗組、對照組供應電流泄漏量在前兩個單位時長內的數(shù)值變化情況。

分析圖3 所示曲線可知，在前兩個單位時長內，實驗組供應電流泄漏量保持不斷上升的數(shù)值變化態(tài)勢，但其整體均值水平相對較低，全局最大值僅能達到1.09 mA，與理想最大值1.5 mA 相比，下降了0.41 mA；對照組供應電流泄漏量雖然也保持不斷上升的數(shù)值變化態(tài)勢，但其整體均值水平相對較高，全局最大值達到了1.72 mA，與理想最大值1.5 mA 相比，上升了0.22 mA，更遠高于實驗組數(shù)值水平。

圖4 反映了實驗組、對照組供應電流泄露量在前后個單位時長內的數(shù)值變化情況。

圖4 供應電流泄漏量（后兩個單位時長）

分析圖4 所示曲線可知，在后兩個單位時長內，實驗組供應電流泄漏量在一段時間的上升狀態(tài)后，開始逐漸趨于穩(wěn)定，其全局最大值僅能達到2.0 mA，與理想最大值2.6 mA 相比，下降了0.6 mA；對照組供應電流泄漏量則呈現(xiàn)上升、下降交替出現(xiàn)的數(shù)值變化形式。其全局最大值達到了2.65 mA，與理想最大值2.6 mA 相比，上升了0.05 mA，更遠高于實驗組數(shù)值水平。

4 結束語

在邊緣計算原則的作用下，信息輸電通道可視化監(jiān)控系統(tǒng)重新定義了輸電監(jiān)控回路的作用能力，又聯(lián)合連接設置模塊與監(jiān)控信息查詢模塊，設置了Unity 3D 引擎的布局形式。對于電信號數(shù)據(jù)流而言，由于邊緣計算原則的存在，個別信息參量能夠得到準確過濾，不但能夠實現(xiàn)對供應電流泄露行為的有效控制，也可以滿足電網(wǎng)主機對于輸電通道內電量傳輸行為進行可視化監(jiān)控的實際應用需求。