融合移动边缘计算的5G网络在配电自动化管理大区主站中的应用

潘宇婷，汪振宇，盛 夏

(上海电力设计院有限公司，上海 200025)

随着我国社会经济的飞速发展，能源生产及消费结构也在发生着深刻变革。国网公司提出了“三型两网”的战略新思路，在2019年初确立了建设世界一流能源互联网企业的目标，打造具备枢纽型、平台型、共享型特征的现代企业，并充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术和先进通信技术，实现电力系统各个环节万物互联、人机交互，打造状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活的电力物联网。以智能感知、数据融合和智能决策为主线，依托PMS 2.0建设架构清晰、布局合理的管理大区配电网主站系统，可以实现设备、运维检修和生产管理智能化，提升设备管控力和管理穿透力，为配电网高效运维、精益精细管理提供有力的决策与支撑。

本文通过建设融合移动边缘计算(Mobile Edge Computing,简称MEC)的5G网络架构，将配电自动化管理大区主站与该网络架构相融合，这是支撑智慧能源综合服务平台建设的有力保障。

1 配电自动化管理大区主站平台建设

配电自动化管理大区主站建设分为三种方式：提高配电网运行工况、综合监控配电网运行风险和配电网运营效能。

对运行和运营过程异常事件的分类告警和对配电网数据指标的提高进行深入分析，实现对配电网异常情况处理的全过程监控，为配电网运维、检修智能化提供技术支撑。考虑到采用集约化方式建设有利于主站的运行维护，同时采集并接入海量中低压配电网的各类运行、状态及环境数据，可以实现配电网综合监控，达到配电网全面感知，充分利用整个配电网运行大数据，深层次挖掘出有用信息。因此，采用生产控制大区分散部署、管理信息大区集中部署的方式[1]，用于指导配电网安全稳定运行。

配电自动化管理大区主站系统采用“配电主站+配电终端”两层结构，使用标准化、通用型软硬件，基于B/S架构进行配电主站系统的部署。地区级生产控制大区应用部署在各地区服务器上；地区级管理大区应用部署在省级管理大区配电主站上，基于市级的云数据中心实现配电自动化功能应用。

系统基于信息交换总线，实现与能源管理系统(EMS)、设备运维管理系统(PMS 2.0)和省级配电自动化主站管理大区云平台等系统的数据共享，具备对外交互历史数据和实时数据的功能，支撑各层级数据分层应用以及纵、横向贯通[1]。

配电自动化“N+1”体系涉及市级统一部署的配电自动化管理大区主站、地区级部署的生产控制大区配电主站两部分，配电网管理大区主站系统总体结构示意图见图1。

图1 配电网管理大区主站系统总体结构示意图

配电物联网云主站(管理信息大区)硬件包括云平台的管理节点服务器、网络管理节点服务器、计算节点服务器、阵列存储设备、存储光纤交换机、基板管理控制器(BMC)接入交换机、防火墙、管理交换机、业务交换机和核心交换机等。

2 通信需求

配电管理大区主站系统需要与地区各供电公司、PMS、用电信息采集系统、配电自动化主站系统和智能配电站等进行信息交互，因此需要考虑主站通信方面的需求[2]。

2.1 业务需求

结合地区电力通信业务系统的属性和应用，预测配电管理大区主站系统业务需求。配电管理大区主站系统业务带宽分析结果(最高峰)见表1。

表1 配电管理大区主站系统业务带宽分析结果(最高峰)

根据业务带宽分析可知，III区和IV区业务带宽需要按照642 Mb配置，I和II区业务带宽需要按照310 Mb配置。配电管理大区主站通信网络结构如图2所示。

图2 配电管理大区主站通信网络结构

2.2 通信电源蓄电池组的容量配置

根据YD/T 5004—2005《通信电源设备安装工程设计规范》以及相关技术原则，铅酸蓄电池的总容量为

(1)

式中Q——蓄电池容量，A·h；K——安全系数，取1.25；I——电流负载，A；T——放电小时数，取4 h；η——放电容量系数,铅酸蓄电池放电容量系数(见表2)；t——实际电池所在地最低环境温度数值，所在地有采暖设备时，按15 ℃考虑，无采暖设备时，按5 ℃考虑；α——电池温度系数，℃-1，当放电小时率≥10 ℃-1，取α=0.006 ℃-1，当10 h>放电小时率≥1 h时，取α=0.008 ℃-1，当放电小时率<1 h时，取α=0.01℃-1。

表2 铅酸蓄电池放电容量系数(η)表

本期考虑2路光端机、1个路由器、2个交换机和1套防火墙。配电管理大区主站系统本期总电流值情况(峰值)见表3。

由表3可知，总电流值为134.9 A。按照经验值20%的负载用量考虑，本期配电管理大区主站系统电流总负载I为26.98 A。

表3 配电管理大区主站系统本期总电流值情况(峰值)

根据蓄电池容量公式测算，本期通信电源蓄电池容量见表4。

表4 本期通信电源蓄电池容量

中期考虑2路光端机、1个路由器、2个交换机、1个防火墙和1个光纤传输网(OTN)。其中，2路光端机、1个路由器、2个交换机和1个防火墙的总负荷按照20%的增长率考虑。配电管理大区主站系统中期总电流值情况(峰值)见表5。

表5 配电管理大区主站系统中期总电流值情况(峰值)

由表5可知，总电流值为266.08 A。按照经验值20%的负载用量考虑，中期配电管理大区主站系统电流总负载I为53.22 A。

根据蓄电池容量公式测算，中期通信电源蓄电池容量见表6。

表6 中期通信电源蓄电池容量

由表6可知，中期配置2组160 A·h/300 A·h的通信电源可以满足配电管理大区主站系统需求。

3 基于SDN/NFV技术的MEC网络架构

MEC技术将网络侧功能和应用下沉至距离配电终端设备最近的无线接入网边缘[3-6]，通过软件定义网络/网络功能虚拟化(SDN/NFV)技术实现会话管理功能(Session Management Function，简称SMF)和策略控制功能(Policy Control Function，简称PCF)等控制平面和用户平面功能(User Plane Function，简称UPF)解耦[7]，实现配电终端与配电管理大区主站之间超高可靠与低延迟的通信。

3.1 UPF部署在MEC侧

5G Open UPF白皮书指出，为有效实现行业应用场景，采用最简UPF功能[8-10]，通过开放接口、设备、服务和智能等，统一UPF架构设计，解耦UPF和SMF之间的N4接口。UPF与MEC融合的结构示意图见图3。

图3 UPF与MEC融合的结构示意图

配电物联网主站利用应用程序(Application Function，简称AF)接入5G网络时，通过解析配电物联网主站中的不同业务内容，5G核心网中的SMF将对会话业务路由进行决策，将业务路由接至本地数据网，从而实现访问MEC端的UPF，达到低时延的目的。

3.2 MEC网络架构

软件定义网络是Emulex网络的一种新型网络创新架构，通过网络协议Open Flow分离控制面和数据面，路由表生成、路由协议交换等路由功能均可在统一的控制面完成，从而使得网络控制面对网络数据面有一个宏观操控能力。

通过SDN技术，实现核心云与边缘云里面虚拟机(Virtual Machines，简称VMs)间的逻辑连接，构建承载信令和数据流的通路。

网络功能虚拟化通过功能抽象及软硬件解耦，可在通用的服务器、交换机和存储设备上部署网络功能，实现无线接入网(Radio Access Network，简称RAN)内部各功能实体动态无缝连接，满足配电管理大区主站业务需求自动部署、故障隔离和自愈等功能，从而可极大地降低成本和时间[10]。基于SDN/NFV技术的物联网化配电管理大区主站MEC网络架构示意图见图4。

图4 基于SDN/NFV技术的物联网化配电管理大区主站MEC网络架构示意图

基于物联网架构、物联网规约和物联网信息模型，采用SDN/NFV技术，利用功能快速发布、灵活迭代的特性，提升边缘层计算能力，将配电物联网主站中的不同业务，包括供服系统、配电主站、数据中心数据同步、调度数据网(II区)、行政办公、行政电话(IMS)、变电站视频监控业务下沉至边缘层，业务就地分析决策、业务云边协同交互，并通过独立的虚拟网络传输数据，从而满足不同业务对网路高可靠性、大带宽和低时延等方面的需求。

4 结语

本文将融合MEC的5G新型网络架构应用于配电物联网主站，基于SDN和NFV技术实现UPF下沉至本地数据网，从而可以实时感知终端运行状态，并为海量物联网数据进行分类、编码、存储、检索和维护提供大数据分析挖掘引擎。同时，结合边缘计算，保证云端高效分析处理数据，并将分析后的数据传至配电物联网管理大区主站，统一协作管理，从而实现泛在物联，为安全可靠的系统运行提供坚强保障。