基于5G 通信技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張忠偉

（國(guó)網(wǎng)秭歸縣供電公司，湖北 宜昌 443600）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，社會(huì)各界對(duì)電力的需求不斷增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的電力監(jiān)控系統(tǒng)已無(wú)法滿足日益復(fù)雜的監(jiān)控任務(wù)，存在監(jiān)控范圍小、信息傳輸效率低、數(shù)據(jù)收集及處理能力差等諸多問(wèn)題，阻礙著電網(wǎng)智能化的進(jìn)程。為了解決這些問(wèn)題，提出了一種基于5G 通信技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)。5G 技術(shù)作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，在帶寬、傳輸速率和連接密度等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，可以有效支撐大規(guī)模的智能終端設(shè)備的連接，實(shí)現(xiàn)低延遲和高可靠性的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，為智能電網(wǎng)的成功構(gòu)建提供了技術(shù)基礎(chǔ)。文章通過(guò)系統(tǒng)層面的設(shè)計(jì)，利用5G技術(shù)在電力監(jiān)控系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、傳輸、計(jì)算以及分析等環(huán)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，旨在提升整體系統(tǒng)的監(jiān)控能力。該系統(tǒng)不僅可以解決當(dāng)前電力監(jiān)控面臨的各種挑戰(zhàn)，而且對(duì)推進(jìn)電網(wǎng)的智能化進(jìn)程具有重要意義。

1 技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 電力監(jiān)控系統(tǒng)

近年來(lái)電力監(jiān)控系統(tǒng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用，主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制、優(yōu)化電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，以確保電力供應(yīng)的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性[1]。電力監(jiān)控系統(tǒng)需要從各種傳感器和設(shè)備中收集大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如視頻、電壓、電流以及功率等。同時(shí)，需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，便于后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)的分析和控制。電力監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的潛在故障。近年來(lái)，人工智能技術(shù)在這一領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。電力監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)等模型，可以更準(zhǔn)確地識(shí)別故障類型和故障原因，提前采取措施，防止事故的發(fā)生[2]。未來(lái)，電力監(jiān)控系統(tǒng)朝著智能化、高效化和安全化的方向發(fā)展。

1.2 5G 通信技術(shù)

5G 通信技術(shù)具有傳輸速率快、延遲低和連接密度高等優(yōu)勢(shì)。5G 通信技術(shù)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)真正的全球互聯(lián)網(wǎng)接入，無(wú)論用戶身處何處，都能獲得高速、可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[3]。5G 網(wǎng)絡(luò)的下行峰值速率可以達(dá)到10 Gb/s，比4G 網(wǎng)絡(luò)的峰值速率快100 倍左右，使高清視頻流、在線游戲和其他需要大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用變得更加流暢。而5G 網(wǎng)絡(luò)的延遲預(yù)計(jì)將降低為1 ms左右，對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)、遠(yuǎn)程醫(yī)療手術(shù)等需要實(shí)時(shí)響應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。5G 網(wǎng)絡(luò)可以支持更多的設(shè)備同時(shí)連接，有助于智能家居、物聯(lián)網(wǎng)和智能城市等領(lǐng)域的發(fā)展。5G 通信技術(shù)為電網(wǎng)監(jiān)控和管理提供了高質(zhì)量的無(wú)線通信支持，也為電力監(jiān)控系統(tǒng)的智能化升級(jí)提供了重要技術(shù)保障[4]。

2 基于5G 通信技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的組成

為靈活、高效地監(jiān)控電力系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了一種基于5G 通信技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由邊緣設(shè)備端、數(shù)據(jù)傳輸端和云服務(wù)器端3 部分組成，具體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于5G 通信技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 邊緣設(shè)備端

邊緣設(shè)備端作為電力監(jiān)控系統(tǒng)的前端，承擔(dān)著收集與預(yù)處理數(shù)據(jù)的重要職責(zé)。一方面，在電力設(shè)備場(chǎng)地內(nèi)安裝了高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭等監(jiān)控設(shè)備，進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，無(wú)線化采集電力設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如電壓、電流和功率等。這些數(shù)據(jù)集由邊緣計(jì)算一體機(jī)進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)壓縮和匯總，以降低核心網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。另一方面，配置了流媒體服務(wù)器，以處理監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)流。流媒體服務(wù)器能從視頻采集設(shè)備中獲取實(shí)時(shí)視頻流，并憑借流協(xié)議準(zhǔn)確地將視頻流推送至目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸端

數(shù)據(jù)傳輸端的主要職責(zé)是構(gòu)建邊緣設(shè)備端與云服務(wù)器端之間的數(shù)據(jù)傳輸通道。在傳輸層，將客戶前置設(shè)備作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備與邊緣計(jì)算設(shè)備的入網(wǎng)工具，并提供內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)[5]。這樣即使在電力環(huán)境中無(wú)法建立專網(wǎng)連接的情況下，用戶端與邊緣設(shè)備端也可以直接通信，從而保證了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性與普適性。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，采用面向可靠連接的傳輸控制（Transmission Control Protocol，TCP）協(xié)議，將收集的數(shù)據(jù)包上傳至云端，同時(shí)保留本地備份。

內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)允許外部網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)[6]。本次擬采用內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)器（Network Port Server，NPS），NPS 是一款強(qiáng)大的內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)器，能夠提供易于管理的Web 管理端，支持TCP 協(xié)議、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）流量轉(zhuǎn)發(fā)、內(nèi)網(wǎng)超文本傳輸協(xié)議（HyperText Transfer Protocol，HTTP）代理、內(nèi)網(wǎng)socks5 代理協(xié)議以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)（Peer-to-Peer，P2P）等功能。在公網(wǎng)上部署NPS 服務(wù)器，在內(nèi)網(wǎng)設(shè)備上配置NPS 客戶端。當(dāng)NPS 客戶端啟動(dòng)后，會(huì)主動(dòng)向NPS 服務(wù)器發(fā)起連接請(qǐng)求，連接成功后，NPS 服務(wù)器與內(nèi)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行通信。通過(guò)這種方式，使用公網(wǎng)設(shè)備訪問(wèn)內(nèi)網(wǎng)設(shè)備的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)客戶前端設(shè)備的內(nèi)網(wǎng)穿透功能。

2.3 云服務(wù)器端

云服務(wù)器端作為系統(tǒng)的后端，主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)與分析電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)與管理員的交互。在機(jī)房?jī)?nèi)部署了云平臺(tái)，借助虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算和存儲(chǔ)資源的統(tǒng)一分配，同時(shí)對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行集中管理和彈性資源擴(kuò)展。

云服務(wù)器端的設(shè)備主要包括應(yīng)用服務(wù)器和高可靠性存儲(chǔ)陣列設(shè)備。其中，應(yīng)用服務(wù)器包括流媒體服務(wù)器和Web 服務(wù)器。云端為管理員提供流媒體服務(wù)與Web 服務(wù)，用戶端與云端通過(guò)瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，用戶可以直接通過(guò)瀏覽器控制邊緣設(shè)備端的監(jiān)控設(shè)備，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的易用性和可擴(kuò)展性。管理員可以通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)云端服務(wù)器，訪問(wèn)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)；用戶可以通過(guò)流媒體服務(wù)模塊觀看監(jiān)控錄像的回放。

3 基于5G 通信技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的性能評(píng)估

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了評(píng)估電力監(jiān)控系統(tǒng)的性能，以視頻數(shù)據(jù)為主要監(jiān)控對(duì)象搭建了仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境。首先，使用Unity等測(cè)試工具構(gòu)建了一個(gè)模擬的變電站場(chǎng)景，并設(shè)置高清攝像頭作為測(cè)試的邊緣端設(shè)備；其次，搭建了一個(gè)虛擬的5G 核心網(wǎng)絡(luò)，具備接入和移動(dòng)性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、會(huì)話管理功能（Session Management Function，SMF）和用戶面功能（User Plane Function，UPF）等功能，以模擬5G 網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行環(huán)境；最后，將圖像處理器（Graphics Processing Unit，GPU）作為云處理平臺(tái)，用于處理和分析攝像頭收集的視頻數(shù)據(jù)，并且開(kāi)發(fā)了一套視頻流程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻數(shù)據(jù)的編碼、解碼和傳輸。

3.2 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)

在仿真實(shí)驗(yàn)中，主要關(guān)注端到端視頻傳輸延遲和網(wǎng)絡(luò)傳輸丟包率2 個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。

端到端視頻傳輸延遲反映了從視頻采集到云端播放的整個(gè)過(guò)程的總延遲，計(jì)算公式為

式中：Tsen表示視頻采集和編碼延遲，受編碼復(fù)雜度影響；Ttrans表示5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲；Tproc表示云平臺(tái)視頻處理延遲，受虛擬機(jī)配置和調(diào)度算法影響；Tbuff表示受網(wǎng)絡(luò)緩沖和播放緩沖引起的延遲。

網(wǎng)絡(luò)傳輸丟包率反應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?jì)算公式為

式中：totalsen指發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)包總數(shù)；totalrec指接收端實(shí)際接收到的視頻數(shù)據(jù)包數(shù)。

同時(shí)，招募10 名志愿者，實(shí)時(shí)觀看監(jiān)控視頻，對(duì)視頻質(zhì)量進(jìn)行評(píng)分。采用1 ～5 分制的視頻效果評(píng)分，以平均分作為視頻質(zhì)量的最終評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)變量為5G 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度， 分別為-50 dBm、-70 dBm 和-90 dBm。首先，將仿真平臺(tái)攝像頭采集的視頻經(jīng)過(guò)編碼后發(fā)送到虛擬的5G 基站；其次，核心網(wǎng)將經(jīng)過(guò)編碼的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云服務(wù)器，云服務(wù)器接收并處理視頻流，計(jì)算端到端的延遲和網(wǎng)絡(luò)丟包率；最后，邀請(qǐng)被試者觀看不同條件下的實(shí)驗(yàn)視頻，并給出質(zhì)量評(píng)分，評(píng)分結(jié)果如表1 所示。

表1 不同信號(hào)質(zhì)量下電力監(jiān)控系統(tǒng)性能的對(duì)比

由表1 可知，Td隨著信號(hào)強(qiáng)度的減小而增加，這是因?yàn)?G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲和云平臺(tái)視頻處理延遲會(huì)隨著信號(hào)強(qiáng)度的減小而增加，導(dǎo)致Td增加；PLR隨著信號(hào)強(qiáng)度的減小而增大，導(dǎo)致視頻質(zhì)量下降。延遲的增加和丟包率的增大會(huì)影響視頻的流暢度和清晰度，導(dǎo)致用戶觀看體驗(yàn)不佳，平均質(zhì)量評(píng)分減小。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)條件是影響智能電力監(jiān)控系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程中，可以通過(guò)提高信號(hào)質(zhì)量、增加網(wǎng)絡(luò)帶寬、減少網(wǎng)絡(luò)延遲等方式，提升系統(tǒng)的性能，增加電力監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展性，為電力系統(tǒng)提供高可靠、低延遲、可擴(kuò)展的新型監(jiān)控方案。

4 結(jié) 論

文章針對(duì)電力監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一種基于5G 技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由邊緣設(shè)備端、數(shù)據(jù)傳輸端和云服務(wù)器端3 部分組成，具有無(wú)線采集監(jiān)控信息、降低數(shù)據(jù)傳輸延遲和高可靠傳輸?shù)葍?yōu)良性能。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該智能電力監(jiān)控系統(tǒng)滿足電力系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求，同時(shí)能靈活應(yīng)對(duì)監(jiān)控需求的變化。同時(shí)，該系統(tǒng)為電力系統(tǒng)提供了高可靠、低延遲、可擴(kuò)展的新型監(jiān)控方案，有利于推動(dòng)電網(wǎng)向智能化的方向發(fā)展。