苏月婷
江苏安科瑞电气制造有限公司
摘要：随着数据信息量的大幅提高和5G技术的发展，基于5G的边缘计算技术作为一种实时快速的数据处理方法，具有广阔的应用前景。首先研究5G和边缘计算的特点，然后研究这两种技术在网关中的结合，并根据变电站的业务背景提出5G边缘计算网关的应用解决方案。
??关键词:5G网络；边缘计算；网关；电网应用；
??0、引言
??随着5G网络技术的发展，基于5G的边缘计算技术受到了广泛的关注。业务需求和网络升级进一步推动了边缘计算的发展。云计算能力不足，不能满足爆炸性增长的海量数据需求。此外，传输负载的急剧增加会导致延迟，不能满足实时要求，使边缘计算成为研究的热点。
??网关作为网络数据传输的关键设备，发挥协议转换和数据处理的作用，通过边缘计算可以初步筛选和处理边缘网关数据，将重要的安全信息发送到监管平台和警告，提高处理信息的效率，更及时地获取隐患信息。随着物联网技术的发展，变电站在智能电网中发挥着越来越重要的作用，但随着传感器数量的增加和智能检测机器人的普及，数据传输也在增加。如果所有数据都发送到云处理，将导致延迟增长，及时处理，无法及时发现安全风险。这些问题可以通过5G边缘计算技术来解决。
??本文首先研究了5G和边缘计算的特点，然后研究了这两种技术在网关中的结合，并提出了基于变电站业务背景的解决方案。
??1、 ５Ｇ技术特点
??2019年6月，工业和信息化部颁发了5G商业许可证，标志着中国正式进入5G商业的第一年，但5G技术的发展仍在继续，并不断为我们的生活提供更方便的应用。
??第五代通信技术是新一代蜂窝移动通信技术，具有以下特点：
??(1)数据传输率高，可达10GB/s，可满足大数据传输；
??(2)低延迟，LTE网络使移动网络延迟达到100ms，但5G网络可达到1ms延迟，可满足低延迟要求的服务；
??(3)提高系统容量与大型设备连接，满足物联网要求，连接各终端。
??5G不仅是移动通信的巨大进步，也是物联网非常有用的技术。它带来的便利和技术变革将使经济发展。
??2.边缘计算技术的特点
??在边缘计算中，将数据处理过程集成到边缘设备中的目的是减少延迟，以便快速处理数据，而不是等到数据传输到传统的数据中心。延迟减少后，相应的应用程序可以更早地运行。同时，本地设备的数据管理成本低于云和数据中心网络，可以降低成本。边缘计算的特点如下：
??(1)延迟:利用边缘设备处理数据，实现数据的实时处理，缩短响应时间。
??（2）成本低：利用边缘设备实现数据过滤、计算和分析，减少骨干网络数据传输，减少网络带宽需求，降低数据处理成本和设备能耗。
??(3)可靠性高:边缘设备本身具有计算处理能力，即使上层数据处理中心出现问题，也不会影响用户的正常使用。
??边缘计算是解决云计算分散化的一种方法。目前，云计算将服务器集中在数据中心，
??需要先将数据传输到数据中心，然后进行集中处理。然而，随着终端设备数量的增加，如此巨大的数据传输成本非常高，延迟也成为瓶颈。边缘计算分布式部署在设备端，即各种终端设备增加存储、处理等功能，减少传输数据量、延迟和成本。同时，在隐私数据传输到云的过程中可能存在泄露问题，边缘计算可以降低数据泄露的可能性。
??3.基于5G的移动边缘计算技术应用场景
??传统的移动边缘计算技术是指在移动通信网络侧配置具有计算和管理能力的服务器，提高无线接入网络的信息处理能力，降低移动骨干网络的传输带宽。5G具有延迟低、可靠性高的特点，将进一步促进移动边缘计算的发展。本文结合ITU-T定义的5G网络应用场景和边缘计算技术特点，研究了基于5G移动边缘计算技术的应用场景。
??3.1增强移动带宽场景(EMMB)
??与4G相比，5G采用LDPC编码、高阶调制、大规模MIMO、毫米波等技术手段进一步拓展频谱带宽。5G的整体频谱效率是4G的3倍，用户体验率可以达到1GB/s，给人们带来了不同的网络体验，也给核心网带来了巨大的挑战。
??为了满足5G网络的灵活性 性和低延迟，减轻网络传输负担，核心网络下沉和云边缘化已成为必然趋势。云边缘化是为了使5G无线接入网络具有云计算能力，实现业务本地化、数据缓存、数据本地计算等功能。
??以电网输电线路无人机检查为例，无人机通过控制台与5G基站连接，在5G基站侧部署边缘计算服务器，实现视频、图像和控制信息的本地存储和处理，相关处理结果直接返回控制台，确保检查工作的顺利进行。
??3.2 海量机器通信(MMTC)
??与4G相比，5G每平方公里可连网设备数量高达100万台，增加了10倍。同时，5G海量机器通信具有数据包小、功耗低的特点。
??根据数据预测，2020年全球物联网终端达到500亿个。大规模的物联网终端部署不仅给物联网网络系统带来了挑战，也考验了物联网终端的电池容量。可以说，5G海量机器通信技术大大满足了物联网终端快速增长的需求；此外，结合边缘计算，缩短物联网终端连接时间，将进一步降低物联网终端的能耗。
??以电网采集业务为例，随着智能电网的发展，收集对象的数量、内容类型和频率都大大增加。随着5G的部署，可以实现准确、实时、多样化的收集内容、更广泛的收集范围和更多的收集数量。
??3.可靠通信(靠通信(URLLC)
??与4G相比，5G将达到1ms级，提高10倍；在移动性方面，5G支持每小时500km/h的通信环境，提高1.43倍。因此，5G网络具有高速、低延迟的处理能力。这可以满足垂直行业的特殊应用需求，如车联网和工业控制。
??以电网变电站机器检查为例，通过5G网络实现机器人远程控制，结合边缘计算技术，可实现毫秒响应，确保故障信息及时传输和处理，确保生产业务安全。
??4.基于5G边缘计算网关
??以5G为基础的边缘计算网关，通过协议转换实现信息交换，一方面利用边缘计算提高数据计算性能，另一方面利用5G提高信息传输效率5。
??5G边缘计算网关系统结构图如图1所示。该网关系统由云服务器、边缘计算网关设备、传感器等终端设备组成。边缘计算模块由边缘应用程序和边缘计算平台组成：数据采集模块收集传感器等终端设备的数据，然后边缘计算平台统一控制和管理收集到的数据。边缘应用程序提供运行环境，包括信息获取、边缘数据处理、接收云服务器指令和执行相应操作。用户需要操作的是在云服务器中发送指令。云服务器使用无线信号（如Wi-Fi）、以太网、4G、5G等方式向网关设备发送指令。协议转换后，网关在边缘计算模块中发送终端设备的操作指令4。在5G发展的现阶段，由于刚刚起步，运营商部署5G使用非独立网络，需要使用4G基站、增强4G基站和少量5G基站，但由于使用仍是4G核心网络，不能提供特别低的延迟，需要等到5G技术发展，通过独立网络SA技术，5G核心网络使用网络切片灵活使用网络资源，大大提高网络服务质量，提供低延迟。
图15G边缘计算网关系统
??基于5G的边缘计算，可以充分利用5G高速、大容量、低延迟的三个特点，实现大量数据的访问和处理，确保业务的实时性。
??5.基于5G边缘计算网关在电网中的应用
??5.1业务背景
??变电站在电网传输中起着非常重要的作用——它是一个交换电压和电流、接收和分配电能的地方，它将发电机发出的电能提高到高压电网。
??随着智能电网的发展，变电站中需要处理的信息越来越多，包括数据信息、视频监控、安全信息等。变电站一般分布在人口相对少的地区，又由于其情况需要时刻掌握以保证安全，所以需要相关人员实时监控变电站内部各个部分情况。
??在现代变电站中，由于智能机器人等智能检查设备的增加，不需要像以前那样频繁地进行现场监控，减少了一定的安全风险，提高了效率。然而，智能检查机器人或变电站智能终端传输到监控中心的数据量不断扩大，消耗了大量的流量资源。
图2面向业务的5G边缘计算解决方案
??除了变电站的内部操作和维护数据外，从变电站向用户传输电源时，不同地区每天输送的电源和所需的电源也属于大流量数据，使处理数据更加麻烦，任务量大。
??5.面向业务的5G边缘计算解决方案
??通过使用5G和边缘计算网关设备，可以在边缘设备中存储大量数据并进行初步处理，然后将安全数据等非常重要的信息发送到监控中心，提出警告信号，使监管机构能够及时发现并采取相应措施，实现效率和速度。
??根据电网的业务需求，可分为：低延迟智能配电、负控制业务、多连接低压抄表、分布式接入业务、大带宽检查机、应急通信业务；结合5G边缘计算的特点，通过网关进入边缘计算中心；根据业务需要进一步上传到控制子站或主站。
??5G边缘计算解决方案如图2所示。
??6安科瑞智能网关产品解决方案
??6.1智能网关功能介绍
??-- 终端设备与系统平台之间的数据交互桥
??A:数据采集(支持串口和以太网，只需配置即可与支持标准电力规定的各种仪器兼容)
??B:数据上传（支持上海分类能耗平台、宁夏电力需求侧平台、江苏电力运维平台、浙江电力运维平台），具有多平台上传能力；
??C:边缘计算(灵活设置报警阈值，主动上传报警信息，据合并计算、断点续传、数据加密、4G路由）
D:远程管理（远程配置、远程升级、远程监视）
6.2 安科瑞智能网关产品介绍
6.2.1 Anet-**/4G系列导轨式智能网关
ANet-**/4G是安科瑞电气股份有限公司自主研发的一款带全网通无线联网功能的通用型智能 通信管理机，适用于国家公务机关、企事业单位、公共机构、住宅商业楼宇、酒店餐饮商场等领域， 可满足水、电、气、油、冷量、热量等各种形式的用量及能源能耗分项计量数据采集的需求。
该设备可用于以下应用场景：
☀电力监控系统 ☀电能质量系统 ☀物联网系统 ☀电力需求侧系统
☀建筑能耗系统 ☀远程预付费系统 ☀消防防护系统 ☀智能建筑系统
技术特点
6.2.2Anet-2E4SM/4G模块化智能网关
ANet-2E4SM模块化通信管理机是安科瑞电气股份有限公司自主研发的一款通用型智能通信管理机，将传统管理机的接口拆分成可拼装搭配的模块，其中主模块可作为标准智能通信管理机独立工作， 整个设备可通过串口、以太网、Lora无线、wifi无线等链路采集水表、气表、电表、微机保护等设备 终端的数据，标配的8路无源干接点可实时采集门禁、水浸、烟感等开关量信息，可通过有线网络、 WiFi网络、4G网络等链路上传告警、实时数据等信息。主模块搭配从模块可灵活扩展，增加更丰富的 应用场景，同时还可提供边缘计算等需求。
该设备可用于以下应用场景：
☀电力监控系统 ☀电能质量系统 ☀物联网系统 ☀电力需求侧系统
☀建筑能耗系统 ☀远程预付费系统 ☀第三方云平台 ☀泛在电力物联网
☀运维系统平台 ☀能源综合管理平台
技术特点
6.2.3AWT100系列简易型协议转换模块
AWT100 数据转换模块是安科瑞电气推出的新型数据转换 DTU，通讯数据
转换包括 2G、4G、NB、LoRa、LoRaWAN，GPS,WiFi,CE,DP 等通讯方式，下行接口提供了标准 RS485 数据接口， 可以方便的连接电力仪表、RTU、PLC、工控机等设备，仅需一次性完成初始化配置，就可以完成对 MODBUS 设 备的数据采集；同时 AWT100 系列无线通讯终端采用了功能强大的微处理芯片，配合内置看门狗技术，性能可靠稳定。
可应用于行业领域如下：
■无线抄表；
■楼宇自动化与安防；
■机器人控制；
■电力配网监控、电力负荷监控；
■智能照明控制；
■自动化数据采集；
■工业遥控遥测；
■高速公路、铁路数据传输；
■其他电力以及工控行业等
a）4G/NB/2G型号及技术参数
b）Lora/LoraWAN型号及技术参数
c) GPS/WIFI/CE/DP通讯型号及技术参数
d) 典型应用方案
AWT100-2G/NB/4G 无线通信终端典型应用
AWT100-LoRa 无线通信终端典型应用
6.3Anet系列智能网关证书报告
7结语
本文对基于５Ｇ的边缘计算网关及其在电网中的运用进行讨论，结合变电业务介绍了５Ｇ网络、边缘计算在变电站中的应用方案。虽然５Ｇ技术还在起步阶段，初步部署也是使用非独立组网，并不能够完全展现其特点（例如低时延），相信随着５Ｇ及边缘计算技体系的不断完善，独立组网部署５Ｇ技术逐渐成熟，能够更加方便、快速地处理更多的数据信息，达到提升数据传输率、降低时延的目的。