面向電力物聯網的戶外智能維護與保養：融合型邊緣計算裝置設計

摘要：近年來，泛在電力物聯網的建設推動了電力系統智能化發展，其中智能維護與保養解決方案的應用有效提升了維護與保養的安全性、合規性以及效率。然而，隨著各種物聯網技術的融合應用，快速增長的感知數據量對上行帶寬的需求日益增加，給網絡通路帶來巨大壓力，同時也面臨著上行帶寬瓶頸帶來的信息實時性及可靠性的下降。針對上述問題及面臨的挑戰，本文設計了一種適用于戶外維護與保養的集成AI算力單元以及多種無線通信技術的邊緣計算裝置總體架構，同時分析了關鍵模塊的設計流程，并測試驗證了關鍵性能指標，為解決方案實際應用提供一定參考，助力電力設施的維護與保養智能化發展。

關鍵詞：電力物聯網；邊緣計算；無線通信技術

引言

隨著智能電網和物聯網技術的快速發展，電力物聯網（IoT in power industry）已成為提升電力系統智能化水平的關鍵途徑[1]。在電力物聯網的建設中，邊緣計算裝置作為核心組成部分，發揮著至關重要的作用。這些裝置能夠在施工現場提供實時的數據處理和通信服務，為電力系統的穩定運行和高效管理提供了有力支撐，將云端的計算任務有效分配到網絡邊緣側，降低數據傳輸帶寬要求和云計算中心的計算負荷，提高電力系統業務需求響應的速度[2]。本文旨在提供一種集成多物聯網通信技術，適用于戶外電力維護與保養作業現場邊緣計算裝置的設計方案，為相關領域的研究和應用提供參考。

1. 背景

電力維護與保養是確保戶外電力設施正常運行、延長設施使用壽命、預防安全事故發生的重要工作。戶外電力設施如變壓器、避雷器、電力電纜、配電柜等，由于長期暴露在自然環境中，容易受到風吹雨打、雷電沖擊、溫濕度變化等因素的影響，從而導致設備老化、損壞或性能下降。因此，定期進行設施維護與保養，可以及時發現并消除設備隱患，確保電網的安全穩定運行[3-4]。

目前現場維護與保養除了通過一人或多人協作的人工校驗、檢查、記錄來提高安全性和信息收集以外，有條件的團隊還能攜帶包括布控球、智能運維設備箱等信息化設備到現場，通過電子操作票、電子巡檢、攝像頭等工具，更加高效、準確地記錄、校驗現場操作信息，提高運維管理的水平和現場的安全性。

維護與保養現場不僅有常見的設備維修、老舊部件更換等操作，還需要收集各種傳感器數據，包括配電柜內傳感器、現場人員的安全帽、高壓電塔或電線桿上的傾角傳感器、位移傳感器等。

2. 傳統方案存在的問題及面臨的挑戰

（1）傳統方案依賴于云端物理集中的算力資源，任何數據在云中心的處理效率無疑是最高的，然而隨著越來越多的原始數據在網絡邊緣側產生，在傳統的云中心計算模式中，數據傳輸速度顯然已經成為云邊端架構中的性能瓶頸[5]。布控球作為維護與保養現場的流量大戶，要保障視頻數據流暢回傳到遠處的控制中心，以4k、H.265編碼、30fps視頻流為例，回傳鏈路需要提供穩定的15～40Mbps的帶寬，而在特殊情況下，現場可能會有4臺布控球，若都連接到同一臺路由器，則該路由器需提供穩定的60～160Mbps的上行帶寬才能滿足需求。在室內場景，有穩定的光纖接入，基本可以滿足以上需求，但是在荒無人煙的戶外、山林等場景，4G/5G的覆蓋相對較弱，很難保證有良好的蜂窩接入，容易造成丟幀、卡頓，甚至斷開連接的情況。這些網絡延時和帶寬的問題[6]，對于操作合規監控的實時性要求來說，是無法接受的。

（2）現場設備種類豐富，按傳統方案進行維護與保養操作，運維人員需要攜帶布控球、LoRa網關、藍牙網關、無線熱點（一般是4G/5G CPE）、戶外電源等，造成運維人員負擔重、現場信息化部署時間長等問題。

（3）面對無網絡場景，如何保障現場正常作業。在戶外維護與保養場景，某些極端情況下，現場無4G/5G信號覆蓋，不僅造成數據無法回傳，云端無法對現場情況進行研判，員工在緊急情況下也無法與外界進行溝通，存在一定的人身安全隱患。

3. 融合邊緣計算裝置的設計方案

本文提供了一種帶AI算力并集成多種數據通信技術及功能模塊的邊緣計算裝置（以下簡稱“裝置”）的整機設計方案。裝置主要是針對電力能源設施維護與保養場景需求而做的開發，以強大AI算力為核心能力，集成多種數據交互通道，包括Wi-Fi，蜂窩、LoRa、藍牙、北斗短報文等，同時還可以靈活擴展外接攝像頭、人員定位、電子圍欄等多種物聯網應用，支持內置鋰電池供電和外部供電兩種方式，適應移動應急業務需求。這些技術的融合使得裝置能夠在復雜多變的施工現場環境中穩定運行，并提供高效的數據處理和通信服務。AI邊緣計算技術使得裝置能夠在靠近數據產生源處對數據進行預處理、本地計算、推理研判，從而減少上傳到云端的通信帶寬需求，降低傳輸時延和傳輸功耗[7]。Wi-Fi、LoRa、藍牙技術則提供了靈活的無線連接方案，方便施工現場物聯網設備的互聯互通、數據收集。結合云端的監管平臺，形成云-邊-端架構的智慧電力維護與保養整體解決方案[8-10]，通過云端集中管理、邊緣快速響應與終端數據采集，實現了數據的高效實時處理，降低了對中心網絡的依賴，增強了系統的安全性和靈活性，為電力設施維護與保養、戶外施工提供了高效、可靠、靈活的技術支撐。

裝置的整體設計框圖如圖1所示，考慮到開發靈活性和后續性能升級的兼容性，整機硬件采用模塊化設計，主模塊（AI算力卡）、5G模塊、LoRa模塊、Wi-Fi模塊等均可以根據實際需求或相關技術的發展迭代進行選擇適配，支持更輕量化或者更高級別的技術方案，甚至可在產品生命周期內通過簡單地更換硬件實現整機性能的升級。

圖1 整體設計框圖

關鍵模塊設計方案如下：

3.1 主模塊

主模塊是裝置的核心部件，選用帶AI算力的計算卡（如NVIDIA的Jetson Xavier系列，最大支持32TOPS算力，內置8核ARM處理器，32GB內存），主要負責智能解算、信息處理、數據存儲轉發，協議轉換，網管路由等。系統采用雙硬盤設計，增強系統和數據的健壯性，封裝選用M.2 NVME SSD，減小系統尺寸并降低整機功耗，硬盤容量可根據實際需要進行選擇。主模塊安裝在載板上，通過載板與Wi-Fi模塊、系統監控板等次級主控模塊以及5G模塊、語音模塊、LoRa模塊、北斗模塊、藍牙模塊等功能模塊協同工作。

3.2 Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊在系統中的作用主要有兩部分：一是AP功能，提供近距離Wi-Fi設備的接入（布控球、PDA、安全帽等）；二是無線網橋功能，與遠端中繼設備橋接，為遠端機接入的Wi-Fi設備提供數據上聯鏈路，擴大裝置的信號覆蓋范圍。

Wi-Fi模塊根據實際需求選擇不同的主芯片方案，無線部分由三個MAC/PHY Radio以及對應的RF電路組成，提供射頻鏈路匹配、濾波、功率放大、外部天線接口等。以博通公司的BCM47622方案為例，可支持多達上百個STA的接入，配合大功率FEM及內置全向天線，可滿足現場近距離的PDA、布控球、安全帽等設備的接入需求。外掛的獨立5G MAC/PHY Radio用作橋接口，射頻鏈路通過ipex轉N轉接線接到裝置外殼上，外部通過饋線連接到定向天線，配合遠端機的對等性能定向天線及Wi-Fi方案，在滿足一定吞吐性能的前提下，通過以下遠場空間傳輸損耗公式計算，可實現300米以上的橋接距離，即

R=32.4+20log（D）+20log（M） （1）

M為工作頻段，設為5.2GHz，R為射頻鏈路預算，約為發射功率（23dBm）-接收靈敏度（-61dBm）+發射天線增益（8dBi）+接收天線增益（8dBi）-饋線接口損耗（2dB）=98dB，計算距離D約為366米。

有線部分，SoC內置GPHY引出MDI信號，經過隔離變壓器及板間連接器，接入交換模塊與主模塊互通并傳輸數據，作為Wi-Fi模塊的上聯口，為接入的Wi-Fi設備及遠端機接入的Wi-Fi設備提供數據上聯通路。

3.3 交換模塊

裝置作為多控制器系統，各主控及模塊之間選用以太網作為進行數據交互的通信協議。相比傳統的I2C、SPI、RS485等板間通信協議，以太網有其他協議不具備的高帶寬的優勢，這也是Wi-Fi模塊、加密算法模塊對高帶寬的需求。除此之外，為了將來能擴展其他通信協議網關，交換模塊也能提供額外的以太網接口，為其他網關設備提供數據服務。由于系統內交換模塊只提供數據交換及接口擴展功能，網關路由功能在主核心模塊內實現，因此芯片方案選用二層交換芯片，相比三層交換方案，可降低模塊的電路復雜度及軟件開發工作量，減少整機的物料成本及開發成本，縮短產品開發周期。

3.4 系統監控模塊

系統監控模塊主要用于監控各功能模塊的狀態，并將狀態通過OLED屏、指示燈陣列對外顯示，便于使用人員快速識別系統狀態。監控狀態包括電池電量、Wi-Fi接入設備數量、LoRa設備數量、橋接信號強度、5G/4G信號強度、充電狀態、北斗信號、設備溫度等信息。由于狀態信息數據量較小，監控模塊主芯片方案選用MCU實現，通信協議選用MQTT傳輸協議。相比TCP/IP協議，MQTT傳輸協議效率高，對系統要求低，適用于低帶寬低功耗的場景，也不需要龐大的協議棧，可以選用更低成本低配置的MCU型號。在主模塊上運行MQTT服務端，收集各功能模塊的狀態信息并發布，監控模塊通過MQTT協議從服務器訂閱所需的信息，并在設備面板上指示。

3.5 5G模塊

蜂窩模塊優選5G模塊（向下兼容LTE），目前5G芯片方案根據性能、Release版本有MTK T730/T850系列、高通X62/X72系列、展銳V510/V516系列等芯片方案可選，模組廠家優選移遠、龍尚、有方。由于蜂窩模塊開發門檻較高，常規應用一般直接購買模組廠家成熟產品，通過連接器安裝在載板上，與主模塊通過USB3.0協議進行通信，為整個系統提供數據上聯鏈路。一般5G模塊需要外接4根天線，天線陣子安裝在天線支架上，通過饋線連接到5G模塊的ipex座子。

3.6 藍牙模塊

藍牙通信一般用作近場低速無線數據傳輸，裝置的藍牙模塊用于收集回傳現場藍牙設備的數據。實際使用時可通過修改軟件配置，將藍牙模塊修改為藍牙串口功能，實現無線本地運維，進行串口調試。由于藍牙方案成本較低，外圍電路簡單，可選擇Telink的TLSR系列藍牙芯片，直接在載板上實現設計，通過ipex將藍牙天線引出到裝置內部的天線支架上。

3.7 LoRa模塊

LoRa模塊市面上可選的比較多，一般為mini PCIe接口，通過SPI、USB等協議與主機進行通信，主機通過AT指令對LoRa模塊進行配置、收發信息。若對LoRa功能性能有特殊要求的，也可單獨設計LoRa模塊，封裝成mini PCIe金手指設計，兼容外購LoRa模組。

3.8 北斗模塊

北斗模塊由于應用的特殊性，有著較高的使用成本，模組和通信卡均在千元以上，考慮到應用選型的靈活性，采用外接方案，在裝置側邊設計M12 X-code接口，預留出12V供電及RS232接口，供后續適配所需的北斗模塊。

4. 方案實現及效果

裝置整機裝配的設計實現如圖2所示。各主板模塊均固定在主體支架上，支架固定在箱體上，電池組選用10AH軍工級別三元鋰電池組，配合系統低功耗設計，可支持10h以上續航，箱體可支持IP66以上的防水防塵等級，滿足戶外電力維護與保養場景的應用需求。

圖2 整機裝配示意圖

多用戶與橋接性能測試拓撲及測試結果如圖3所示，通過部署不同數量的數據采集終端，測試本地無線數據通路的多用戶吞吐性能。實際應用中，現場Wi-Fi終端數量一般在15個以內，高吞吐終端在5個以內，從測試數據看，完全滿足實際應用需求。通過在室外拉遠裝置和遠端機的距離，在兩端分別部署一臺數據采集終端，測試不同距離下的橋接性能。在200米距離下，橋接性能可達到接近250Mbps，滿足遠端接入的性能要求。

結語

本文設計了一款融合型邊緣計算裝置，該裝置集成了AI邊緣計算功能，融合了包括蜂窩、Wi-Fi、以太網、藍牙、LoRa、北斗等通信技術，結合大容量電池組及防水外箱的設計，具備了較強的戶外作業能力，還特別設計了網橋功能，大大提高了邊緣計算裝置的信號覆蓋能力，對于戶外電力維護與保養場景的邊緣計算裝置開發及解決方案設計具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]馬丁.基于RFID的電力設備管理系統的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2019.

[2]劉國.淺談邊緣計算技術在風電行業的應用[A]//中國電力技術市場協會.2023年電力行業技術監督工作交流會暨專業技術論壇論文集（上冊）[C].新疆：華潤新能源投資有限公司新疆分公司，2023：3.

[3]陳川.電力運行設備的日常保養及維護探討[J].低碳世界，2015（32）：46-47.

[4]黃琳.論電力運行設備的日常保養與維護[J].科技創新與應用，2013（36）：93.

[5]魏歡.邊緣計算在電力行業的應用[J].信息技術與標準化，2021（4）：15-21.

[6]洪學海，汪洋.邊緣計算技術發展與對策研究[J].中國工程科學，2018，20（2）：20-26.

[7]仝杰，齊子豪，蒲天驕，等.電力物聯網邊緣智能：概念、架構、技術及應用[J].中國電機工程學報，2024，44（14）：5473-5496.

[8]祝文軍，李炎，楊成，等.基于電力物聯網的邊緣計算技術應用[J].電子技術，2021，50（5）：182-183.

[9]王亮，鮮柯.電力物聯網中5G邊緣計算技術的研究[J].電力大數據，2020，23（4）：24-30.

[10]謝可，郭文靜，祝文軍，等.面向電力物聯網海量終端接入技術研究綜述[J].電力信息與通信技術，2021，19（9）：57-69.

作者簡介：梁舜，碩士研究生，工程師，459457721@qq.com，研究方向：無線通信與網絡。