基于边缘计算的变电站物联网系统

1. 引言

推动能源革命和绿色、低碳、清洁能源体系的发展，是中国新时代能源发展的重要突破口。未来，能源产业将逐步与大数据、虚拟电厂、智能电网、物联网、共享经济、区块链技术及数字技术相融合。发电成本将持续下降，能源投资的重点将转向绿色和清洁能源，产业结构和能源消费结构将进一步优化。中国已在《能源技术革命创新计划（2016‐2030）》中制定了可再生能源、先进储能、智能电网等技术的发展路线图，技术创新已成为未来能源转型的重要战略支撑。

在能源转型背景下，2019年，国家电网公司提出了加快泛在电力物联网（UPIoT）建设的目标，并将UPIoT定位为能源互联网的重要组成部分。本质上，UPIoT是一种物联网，是泛在物联网在电力行业中的具体体现和应用。目前，国内外已针对物联网在电力系统中的应用开展了一系列研究。文献[1]从内涵、特征和实现手段等方面阐述了物联网与智能电网之间的兼容性。文献[2]和[3]提出了电力物联网的基本概念，并构建了覆盖电力传输、电力变换、配电和用电四个环节的电力物联网分层架构。文献[4]‐[10]研究了物联网技术在变电站运维、配电网运行、智能用电、资产管理等领域的应用，梳理了支撑电力物联网建设的关键技术。文献[11]进一步提出了智能能源物联网的概念，展望了物联网技术在能源互联网中的应用前景。综上可知，国内外现有研究主要聚焦于物联网技术在整个能源电力行业的应用架构，信息互联是泛在电力物联网建设的基础[12]。目前，电力侧海量设备尚未实现充分的信息互联，电力系统的“最后一公里”难题依然存在，亟待解决。因此，未来泛在电力物联网将重点聚焦于用电侧，这也是本文的研究重点。

首先，本文讨论了泛在电力物联网的基本概念和主要特征。基于边缘计算，构建了由感知层、网络层、平台层和应用层组成的变电站物联网基本架构。其次，探讨了变电站物联网建设中的关键技术，最后分析了边缘计算在变电站物联网建设中的具体应用。

2. 泛在电力物联网的基本概念和主要特征

2.1. 泛在电力物联网的概念

泛在连接是指任何时间、任何地点、任何人和任何物之间的信息连接与交互。泛在电力物联网是物联网在电力行业中的具体体现和应用。换句话说，泛在电力物联网是一种特殊的物联网，它是连接电力用户及其设备、发电企业及其设备、供应商及其设备以及人与物的信息网络。

智能电网是一种信息物理系统，泛在电力物联网是其信息系统的升级和扩展。泛在电力物联网通过广泛布置末端感知节点，将物联网的数据源从电网侧扩展到发电侧和用电侧。同时，将温湿度等环境数据以及市场报价、结算价格等交易数据纳入采集的数据中。通过获取和共享电力生产、传输和使用全过程的全链条、多类型数据，实现对整个智能电力生态系统的全面感知[13]。

2.2. 主要特征

泛在电力物联网（UPIoT）贯穿并深度融合了新型通信技术和新一代电力系统。在感知层，它是万物互联的感知能力；在网络层，它是泛在通信能力；在平台层，它是全景设备与数据的控制能力。其主要特征基本包含4个方面[14]。

2.2.1. 总体感知

总体感知是指通过射频识别和传感器，对“发‐输‐变‐用”各个环节中不同设备和用户的状态信息进行动态获取。

2.2.2. 泛在连接

泛在连接是指通过电力专网或移动网络实现电力系统中所有设备和用户信息与数据的实时连接，从而实现电网与上下游企业及客户之间的实时泛在连接。

2.2.3. 开放共享

开放共享是指在统一平台上利用智能技术进行数据的共享与管理。并提升数据质量，挖掘有效信息，实现数据上下联动、全方位实时交互。将更好地发挥引领作用，为整个行业及更多市场主体创造更大发展机遇，实现价值共创。

2.2.4. 集成创新

集成创新是指通过不同设备、用户以及时空信息的融合，实现全部业务在线和电网的安全稳定运行。

3. 基于边缘计算的变电站物联网基本架构

泛在电力物联网的建设应与一流配电网的建设相结合。然而，目前配电侧海量设备的信息互联尚未完全实现，电力系统的“最后一公里”问题仍然存在，亟需解决。作为配电系统的重要设备，变电站物联网的建设是提升配电系统运行安全的重要保障。

变电站物联网架构由四层组成：感知层、网络层、平台层和应用层，如图1所示。

3.1. 感知层

在传感扩展层，采用智能传感器元件和设备实现信息的完整采集以及变电站状态的全面感知。通过LoRa、Zigbee、NB‐IoT、有线网络和本地无线网络通信方式上传至枢纽网络的边缘计算层，实现本地边缘计算和终端智能化。同时，根据上层系统的计算结果和控制命令，实现终端的自动响应。传感扩展层和边缘计算层可实现对变电站的全面感知。

3.2. 网络层

网络层实现边缘计算层与平台层之间的数据传输和实时通信。目前，电力系统的网络传输方式主要有GPRS、4G无线公网通信、电力载波通信和光纤通信。5G通信的成熟必将使其在泛在电力物联网的未来建设中发挥重要作用。此外，LTE无线专网、北斗卫星通信、广域窄带物联网等通信方式的发展也增加了通信的灵活性和容错性，大幅提升了网络传输能力。

3.3. 平台层

平台层利用大数据、人工智能和云计算技术，实现数据管理和共享，提高数据质量，挖掘有效信息，实现数据的上下联通和全方位互动，并通过物联网管理中心和数据中心提升变压器数据高效处理能力和云‐雾‐边协同水平。

3.4. 应用层

在平台层的基础上，应用层实现智能运维、网络容量与负荷预测、设备在线监测、电力资产管理及用电分析等应用，促进配电网的安全稳定运行。

4. 变电站物联网建设的关键技术

变电站物联网的建设涉及多项关键技术。对于采用四层结构的变电站物联网架构，包含终端信息全面感知与智能终端的统一、数据传输、数据分析与管理以及信息综合应用四个要素，涉及的关键技术包括智能传感器技术、边缘计算技术、现代通信技术、大数据与云计算等。

4.1. 智能传感器技术

目前，大多数变电站现场采集设备覆盖不足，未实现物联的统一管理，通信接入网深度不够，带宽不足，数据可靠性差，精度低。因此，需要依托高精度、低功耗、小型化的智能传感器和设备，推动同源数据采集，以实现变电站监控的深度覆盖和多参数数据的实时交互，提升终端智能化水平和边缘计算级别。

4.2. 边缘计算技术

智能电网此前采用的集中式计算模式已无法满足大规模计算和快速响应的需求，因此泛在电力物联网应采用集中式计算和分布式计算相结合的运行模式。边缘计算主要负责实时和短周期数据处理任务，以及本地业务的实时处理与执行，为云提供高价值数据。云计算负责边缘节点无法胜任的计算任务。同时，通过大数据分析，负责处理非实时和长周期数据。

将边缘计算技术应用于变电站物联网系统，以开发配电枢纽网络，实现变电站本地监控系统的数据采集与本地处理，完成数据统计、实时控制、状态诊断等功能，提升终端的智能化水平。为解决边缘计算存在的存储资源有限、人工智能在边缘端并行化困难等问题，可研究5G通信、云边协同、模型分割和模型裁剪等技术。

4.3. 现代通信技术

海量数据的传输要求电网具备一体化通信网络。现代通信技术的发展提升了现有电网的通信能力。电力北斗技术、电力无线专网、5G和低功耗广域网（LPWAN）等现代通信技术是变电站物联网系统的主要网络通信手段。

4.4. 物联网平台技术

变电站物联网的云平台是变电站物联网的算力支撑平台、数据融合平台和应用开发平台。在利用云计算、大数据、人工智能等先进技术对变电站海量感知数据进行融合、分析和管理的基础上，根据业务需求构建相关业务应用平台，如智能运维平台、网络容量与负荷预测平台、用电分析、电力资产管理平台等，以支持相关业务的实施。

5. 边缘计算实现变电站物联网

5.1. 边缘计算的概念

边缘计算是指在靠近物体或数据源的一侧，集成网络、计算、存储和应用核心能力的开放平台，以提供就近的终端服务。其应用在边缘侧启动，可实现更快的网络服务响应，满足行业对实时业务、应用智能、安全与隐私保护的基本需求。

5.2. 边缘计算和变电站物联网

整个系统分为三层：云、边、端。边缘计算位于云和现场层之间。边缘层向下支持各种现场设备的接入，向上对接云。图2是逻辑视图。

5.2.1. 现场层

现场层连接传感器、执行器、设备、控制系统和资产等现场节点。这些现场节点通过各种现场网络和工业总线与边缘层中的边缘网关及其他设备相连，实现现场层与边缘层之间的数据流和控制流的连接。

5.2.2. 边缘层

边缘层是边缘计算三层架构的核心。它接收、处理并转发来自现场层的数据流，提供智能感知、安全与隐私保护、数据分析、智能计算、过程优化和实时控制等时间敏感服务。边缘层在边缘侧封装了计算、存储和网络资源。边缘层还包括边缘管理软件，主要提供业务编排或直接调用能力，以操控边缘计算节点完成任务。

5.2.3. 云计算层

云计算层接收来自边缘层的数据流，并从全局范围优化资源调度和现场生产过程，覆盖边缘层以及通过边缘层到达现场信息。

6. 结论

在国家电网公司大力倡导发展泛在电力物联网的背景下，本文阐述了泛在电力物联网的基本概念和主要特征。构建了基于边缘计算的变电站物联网架构，分析了边缘计算的关键技术，探讨了其在变电站物联网中的具体应用。希望本文能为泛在电力物联网的研究人员提供参考。