劉思放，王曉東，盛肖寧

（1.中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司，長春 130021；2.吉林省交通規(guī)劃設(shè)計院，長春 130021）

0 引言

2021年《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃二〇三五年遠景目標(biāo)綱要》中提出協(xié)同發(fā)展云服務(wù)與邊緣計算服務(wù)[1]。云計算和邊緣計算協(xié)同的新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將成為實現(xiàn)分布式資源靈活調(diào)度、全域數(shù)據(jù)高速互聯(lián)以及智能應(yīng)用滲透邊緣的重要途徑[2]。

現(xiàn)階段，人工智能、5G、云計算等技術(shù)快速發(fā)展，云計算作為“大連接，低時延，高帶寬”需求下重要環(huán)節(jié)的邊緣計算已廣泛應(yīng)用于各產(chǎn)業(yè)中。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，通過邊緣計算進行局部數(shù)據(jù)處理，云計算平臺實現(xiàn)信息的融合，邊云協(xié)同成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一項重要支撐技術(shù)。2020年，國家電網(wǎng)提出建設(shè)具有中國特色國際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)，在傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)向能源互聯(lián)網(wǎng)升級時，邊云協(xié)同也發(fā)揮著重要作用[3-4]。以電力行業(yè)為例，在輸變配用各環(huán)節(jié)會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)信息，單純的人力計算效率低、延時高、成本高，而邊云協(xié)同的應(yīng)用可以使數(shù)據(jù)具備更高的價值，同時節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，為大數(shù)據(jù)分析、挖掘提供了良好的基礎(chǔ)。本文將邊緣計算、云計算等技術(shù)相結(jié)合，以邊緣計算架構(gòu)和邊云協(xié)同技術(shù)框架為基礎(chǔ)，分析了不同電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)場景下的邊云協(xié)同應(yīng)用模式。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 國際

國際上，很多研究機構(gòu)和學(xué)者對邊緣計算和云計算技術(shù)進行了研究和優(yōu)化。文獻[5]基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、邊緣智能網(wǎng)關(guān)和云基礎(chǔ)設(shè)施，提出一種邊緣計算架構(gòu)，用以解決物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和數(shù)據(jù)增加造成的網(wǎng)絡(luò)瓶頸。文獻[6]介紹了連續(xù)計算的功能參考模型，支持跨計算域、從云到邊緣的工作負載移動，驗證了現(xiàn)有云技術(shù)的匹配性。文獻[7]提出了協(xié)同邊緣云的部署模式，使用Docker容器為用戶在網(wǎng)絡(luò)邊緣創(chuàng)建和共享提供服務(wù)。文獻[8]提出移動驅(qū)動的云-霧-邊緣協(xié)同框架，可分析時空移動數(shù)據(jù)，并采用機器學(xué)習(xí)算法實時預(yù)測物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和邊緣設(shè)備的位置。文獻[9]提出了基于邊云協(xié)同的數(shù)字孿生概念架構(gòu)，用于增強數(shù)字孿生的實時能力，同時處理大量數(shù)據(jù)。文獻[10]通過整合云計算與邊緣計算的優(yōu)勢，提出了一個新的框架，利用云中心網(wǎng)絡(luò)與歷史信息來控制邊緣計算單元在物聯(lián)網(wǎng)中的性能要求。

1.2 國內(nèi)

目前，我國學(xué)者在邊緣計算、云計算、電力物聯(lián)網(wǎng)和邊云協(xié)同等方面也開展了大量研究。文獻[11]基于系統(tǒng)內(nèi)部的博弈關(guān)系，提出一種面向區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的邊云協(xié)同架構(gòu)及優(yōu)化策略，云服務(wù)層與邊緣服務(wù)層協(xié)同配合。與傳統(tǒng)云端服務(wù)架構(gòu)相比，其訓(xùn)練時間、恢復(fù)穩(wěn)定運行的速度和分配網(wǎng)絡(luò)資源方面均有較大優(yōu)勢。文獻[12]以預(yù)測預(yù)警、分類聚類和需求響應(yīng)3類用戶側(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)計了基于云-邊-端協(xié)同的用戶側(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用框架。文獻[13]設(shè)計了云邊協(xié)同組織結(jié)構(gòu)，對電力物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)進行調(diào)度，提升了數(shù)據(jù)協(xié)同效率。文獻[14]基于物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算的功能需求，設(shè)計實現(xiàn)了邊緣計算框架，明確邊云協(xié)同的智能生態(tài)，驗證了邊緣計算框架在電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)方面的優(yōu)勢。文獻[15]提出以云平臺為主導(dǎo)、用戶側(cè)邊緣控制響應(yīng)的能源互聯(lián)網(wǎng)供需資源協(xié)調(diào)控制框架及方法，研究了需求側(cè)資源參與能源互聯(lián)網(wǎng)控制的邊云協(xié)同技術(shù)，實現(xiàn)降低時延等目標(biāo)。文獻[16]針對典型電力應(yīng)用場景提出了邊云協(xié)同的智能關(guān)鍵技術(shù)。文獻[17]提出一種邊緣用戶協(xié)同分配的方式，提升了任務(wù)分配的精準(zhǔn)性和高效性。文獻[18]提出了面向電力物聯(lián)網(wǎng)云邊數(shù)據(jù)的協(xié)同方法，解決了數(shù)據(jù)處理過程中時延高、云計算的計算量大的問題。文獻[19]提出了雙層云計算系統(tǒng)模型，針對需求響應(yīng)業(yè)務(wù)的邊緣云部署進行研究。

2 邊云協(xié)同框架

2.1 邊緣計算參考架構(gòu)

邊緣計算是一種在數(shù)據(jù)源頭進行分布式處理和存儲的體系結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)處理和運算方面存在著諸多優(yōu)勢。包含邊緣計算的方案通?？梢詼p少通信延遲，提高網(wǎng)絡(luò)可擴展性，增強對信息的訪問量，從而使業(yè)務(wù)開發(fā)更加敏捷高效。

邊緣節(jié)點部署在邊緣側(cè)，終端的各種設(shè)備通過邊緣側(cè)接入平臺，對邊緣側(cè)資源提出了更高的要求。邊緣云計算架構(gòu)存在大量的邊緣服務(wù)器和終端，需要通過邊緣云進行統(tǒng)一管理，并實現(xiàn)對邊緣應(yīng)用的支撐。邊緣計算參考架構(gòu)見圖1。

圖1 邊緣計算參考架構(gòu)Fig.1 Reference architecture of edge computing

2.2 邊云協(xié)同技術(shù)框架

為滿足不同應(yīng)用場景需求，邊緣計算與云計算需要進行緊密協(xié)同。邊云協(xié)同包含資源協(xié)同、應(yīng)用管理協(xié)同、數(shù)據(jù)協(xié)同、智能協(xié)同等。資源協(xié)同包括邊緣節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、虛擬化等基礎(chǔ)設(shè)施資源的協(xié)同。應(yīng)用管理協(xié)同是指邊緣節(jié)點提供網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用部署及運行環(huán)境，對節(jié)點的多個應(yīng)用生命周期進行管理和調(diào)度。數(shù)據(jù)協(xié)同中邊緣節(jié)點負責(zé)邊緣側(cè)數(shù)據(jù)的采集，按照一定模型對數(shù)據(jù)進行初步的處理分析，并將結(jié)果上傳至云端。智能協(xié)同指邊緣節(jié)點按照智能模型執(zhí)行推理，實現(xiàn)分布式智能[20]。

面向電力業(yè)務(wù)的邊云協(xié)同技術(shù)（見圖2），自下而上通過邊緣側(cè)數(shù)據(jù)價值挖掘、數(shù)據(jù)計算處理和數(shù)據(jù)應(yīng)用對邊緣側(cè)數(shù)據(jù)進行決策，上傳到云中心，云中心對邊緣側(cè)數(shù)據(jù)進行指令控制，可實現(xiàn)用戶邊緣側(cè)數(shù)據(jù)與電網(wǎng)云中心的協(xié)同雙向互動。

圖2 邊云協(xié)同技術(shù)框架示意圖Fig.2 Technical architecture of edge?cloud collaboration

需求響應(yīng)業(yè)務(wù)是實現(xiàn)供電側(cè)與用戶側(cè)互動的重要業(yè)務(wù)，是用戶側(cè)對于價格或激勵作出響應(yīng)并改變消費模式的一種參與行為，在降低電網(wǎng)高峰負荷、保障安全穩(wěn)定運行中可以發(fā)揮重要作用。供電側(cè)對于電價或激勵機制的調(diào)整依賴于供需互動的相關(guān)數(shù)據(jù)，因此，邊云協(xié)同技術(shù)的應(yīng)用對于需求側(cè)資源優(yōu)化具有重要意義。電能分析主要是對電力的消耗、故障、搶修效率、高峰用電等方面的分析，涵蓋了多種數(shù)據(jù)分析所涉及的場景。故障預(yù)警主要對設(shè)備故障、用電負荷及潛在的用電情況進行預(yù)測。電能調(diào)度主要根據(jù)各類信息采集設(shè)備反饋的數(shù)據(jù)或監(jiān)控信息，結(jié)合電網(wǎng)運行參數(shù)，對電網(wǎng)安全和運行狀態(tài)進行評估，進而對系統(tǒng)進行調(diào)整。邊云協(xié)同的數(shù)據(jù)應(yīng)用涵蓋了設(shè)備和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析、預(yù)測和控制等多個方面。

2.2.1 邊緣側(cè)

在邊云協(xié)同技術(shù)框架中，邊緣側(cè)數(shù)據(jù)節(jié)點起到電網(wǎng)運行與管控的作用，并且對用戶的數(shù)據(jù)進行存儲、分析和處理，通過特定的模型部署到邊緣側(cè)對數(shù)據(jù)進行價值挖掘。數(shù)據(jù)計算處理和價值挖掘的結(jié)果可用于電力系統(tǒng)的各類型業(yè)務(wù)，例如：需求響應(yīng)應(yīng)用，根據(jù)云中心的電價、事件、用戶需求等數(shù)據(jù)信息對任務(wù)進行調(diào)整并傳給用戶，用戶反饋的信息可上傳至云中心，從而實現(xiàn)用戶邊緣側(cè)與云中心之間的交互。邊緣側(cè)設(shè)備具備數(shù)據(jù)的計算、存儲、虛擬化等基礎(chǔ)設(shè)施能力，數(shù)據(jù)處理與分析、數(shù)據(jù)協(xié)議等邊緣平臺能力，資源管理、邊緣應(yīng)用業(yè)務(wù)的生命周期管理、終端管理等管理能力，以及不同類型場景的應(yīng)用與服務(wù)能力。

2.2.2 云中心

云中心通過對數(shù)據(jù)的分析和處理，集成了各類型的數(shù)據(jù)。云中心持續(xù)接入、匯聚、融合邊緣側(cè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，可提供靈活的數(shù)據(jù)分析服務(wù)。隨著業(yè)務(wù)應(yīng)用的逐步上云和云網(wǎng)協(xié)同的不斷深入，信息交互從面向設(shè)備的傳統(tǒng)交互向面向平臺、業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)的新型交互模式轉(zhuǎn)變。云中心具備邊緣數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)處理分析等能力，可以為多個邊緣云的管理、數(shù)據(jù)的持久化存儲和海量計算提供充足的虛擬化資源。

3 電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用場景分析

電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)根據(jù)其類型可分為生產(chǎn)控制大區(qū)業(yè)務(wù)和管理信息大區(qū)業(yè)務(wù)，生產(chǎn)控制大區(qū)業(yè)務(wù)優(yōu)先級和可靠性要求較高，對業(yè)務(wù)的時延更為敏感，包含繼電保護、安全自動控制、調(diào)度自動化、電能量計量、故障錄波、緊急需求響應(yīng)等業(yè)務(wù)；管理信息大區(qū)業(yè)務(wù)包含電視電話會議、行政電話、管理信息系統(tǒng)、辦公自動化、客戶服務(wù)等業(yè)務(wù)，對于時延的要求相對寬松[21-23]。

邊云協(xié)同的典型應(yīng)用場景，部分是由于業(yè)務(wù)要求時延低，在業(yè)務(wù)系統(tǒng)云端部署的同時將部分時延敏感的實時處理任務(wù)下沉到邊緣；部分是著眼于降低云端計算壓力和網(wǎng)絡(luò)帶寬成本，在帶寬資源優(yōu)化和降低擁塞等方面進行算法和策略的升級；部分是利用邊云在智能應(yīng)用上的協(xié)同優(yōu)勢，在智能化業(yè)務(wù)發(fā)展中作為技術(shù)支撐；還有一部分綜合時延、成本、性能、可靠性等各類參數(shù)進行整體優(yōu)化[24]。

3.1 輸電線路邊云協(xié)同

隨著我國電力建設(shè)的不斷推進，變電站和電力設(shè)備數(shù)量加速增長。一些架設(shè)在環(huán)境偏遠、地勢復(fù)雜地區(qū)的輸電線路的巡檢難度和成本也較高。為降低巡檢難度，提升巡檢效率和智能化水平，同時降低巡檢人員面臨的危險，中國電力科學(xué)研究院研發(fā)了邊云協(xié)同電力自主巡檢系統(tǒng)，對桿塔和輸電線路等進行自主巡檢和視頻監(jiān)控。

我國的輸電線路規(guī)模龐大，雷雨、臺風(fēng)等極端天氣及火災(zāi)、地質(zhì)災(zāi)害等因素都會影響輸電線路的安全穩(wěn)定運行。架空輸電線路的在線監(jiān)測包含對導(dǎo)線、桿塔、線路等的監(jiān)測，在輸電線路上布置振動、溫度、舞動、視頻等智能監(jiān)測終端，并在其中安裝邊云協(xié)同應(yīng)用程序、邊緣計算程序進行數(shù)據(jù)的分析處理，將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至電網(wǎng)的云主站系統(tǒng)，可實現(xiàn)對導(dǎo)線、桿塔、線路等運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。

根據(jù)上層需求，各類線路監(jiān)測程序進行協(xié)同交互，實現(xiàn)對導(dǎo)線、覆冰、氣象等監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理和計算，調(diào)度分配業(yè)務(wù)的計算模式，提高數(shù)據(jù)處理的效率，降低系統(tǒng)壓力。輸電線路邊云協(xié)同示意圖見圖3。輸電線路的智能監(jiān)測終端通過邊云協(xié)同應(yīng)用程序與云主站系統(tǒng)進行信息交互，傳輸模式、傳感信息參數(shù)等通過應(yīng)用程序進行交互。

圖3 輸電線路邊云協(xié)同示意圖Fig.3 Schematic diagram of transmission line edge cloud collaboration

3.2 基于邊云協(xié)同的需求側(cè)資源優(yōu)化模式

用戶的需求側(cè)資源是指用戶終端用電領(lǐng)域潛在的節(jié)電資源，傳統(tǒng)的需求側(cè)資源指能夠?qū)﹄妰r信號或激勵作出響應(yīng)的負荷資源，包含用戶改變用電方式或消費行為、提高設(shè)備用電效率、改善用電環(huán)境等方式所節(jié)約的電力。新型電力系統(tǒng)下需求側(cè)資源包括柔性負荷、分布式能源、儲能等。負荷聚合商對可調(diào)負荷進行資源的統(tǒng)一控制和調(diào)度，以充分利用需求側(cè)負荷資源，達到經(jīng)濟利益最大化。需求側(cè)負荷資源參與需求響應(yīng)時，要根據(jù)信號作出響應(yīng)，用戶側(cè)的智能監(jiān)測終端對于用戶電壓、功率等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，并對負荷發(fā)布控制信號，但是沒有統(tǒng)一的控制中心，響應(yīng)具有一定的隨機性。而基于邊云協(xié)同的需求側(cè)資源優(yōu)化模式具有調(diào)控云平臺，由負荷聚合商進行邊緣設(shè)備調(diào)節(jié)，智能監(jiān)測終端可以自主感知電網(wǎng)電壓和頻率的實時變化，自動跟蹤狀態(tài)變化從而調(diào)節(jié)負荷。

基于邊云協(xié)同的需求側(cè)資源優(yōu)化模式（見圖4）包括用戶用電分析、需求側(cè)資源優(yōu)化和用戶數(shù)據(jù)分析等模塊。首先，對于需求側(cè)資源優(yōu)化模式的運行主體進行研究，定義軟件和硬件的系統(tǒng)集成方案，根據(jù)分層次的原則對模式架構(gòu)進行部署。其次，基于用戶的用電特征和負荷信息，通過物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算、云計算等技術(shù)，對用戶用電模式進行分析建模，構(gòu)建基于邊云協(xié)同的需求響應(yīng)業(yè)務(wù)架構(gòu)，分析資源優(yōu)化模式的功能需求。結(jié)合電力通信專網(wǎng)、無線專網(wǎng)等技術(shù)環(huán)境，對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架進行設(shè)計，確定通信方式及協(xié)議機制。此外，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)框架進行研究，基于電力數(shù)據(jù)分析用戶需求，確定數(shù)據(jù)的交互方式、類型。根據(jù)數(shù)據(jù)架構(gòu)和功能需求，提出安全防護框架。

圖4 基于邊云協(xié)同的需求側(cè)資源優(yōu)化模式Fig.4 Optimized mode of demand?side resource based on edge?cloud collaboration

3.3 電力物聯(lián)網(wǎng)支撐下的邊云協(xié)同應(yīng)用模式

電力物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備分布在電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)應(yīng)用中。智能終端、智能電能表、用戶設(shè)備會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，包含設(shè)備用電負荷、電壓電流、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)會上傳至平臺層，大量數(shù)據(jù)的上傳容易發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞。配電網(wǎng)自動化、電力需求響應(yīng)等業(yè)務(wù)承載在電力物聯(lián)網(wǎng)上，對于實時性的要求很高。如果平臺層遭遇攻擊，將會給電網(wǎng)用戶造成巨大損失，因此，平臺層的安全穩(wěn)定至關(guān)重要。

圖5 為電力物聯(lián)網(wǎng)邊云協(xié)同架構(gòu)，將邊緣計算設(shè)備布置在電力物聯(lián)網(wǎng)的感知設(shè)備附近，可以實現(xiàn)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)篩選和處理，將數(shù)據(jù)傳入核心網(wǎng)，同時對于實時性要求高的業(yè)務(wù)進行本地快速處理，實現(xiàn)資源優(yōu)化配置。電力物聯(lián)網(wǎng)的感知層包含綜合能源、多媒體、用戶數(shù)據(jù)感知設(shè)備。根據(jù)不同的設(shè)備、數(shù)據(jù)或應(yīng)用場景劃分不同的域，每個域設(shè)置邊緣計算節(jié)點。感知設(shè)備與邊緣計算節(jié)點設(shè)備相連接，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過邊緣計算設(shè)備完成數(shù)據(jù)的計算和處理，并上傳到平臺層。邊緣計算設(shè)備按照應(yīng)用層和平臺層的控制信息完成各項操作。基于云邊協(xié)同技術(shù)，靠近感知層的邊緣計算設(shè)備利用邊緣計算實現(xiàn)數(shù)據(jù)的就近處理。數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)絡(luò)上傳至云平臺，也可以存儲到邊緣數(shù)據(jù)庫，供邊緣層業(yè)務(wù)進行調(diào)用。電力物聯(lián)網(wǎng)邊云協(xié)同架構(gòu)實現(xiàn)了邊緣側(cè)數(shù)據(jù)的實時處理和業(yè)務(wù)下沉，提高了設(shè)備響應(yīng)速度，有效避免擁塞，緩解云中心的計算壓力。

圖5 電力物聯(lián)網(wǎng)邊云協(xié)同架構(gòu)Fig.5 Edge?cloud collaboration architecture of power internet of things

4 結(jié)束語

本文概述了邊緣計算參考架構(gòu)，研究了邊云協(xié)同的技術(shù)框架，在此基礎(chǔ)上，對于不同應(yīng)用場景的電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)進行了研究。未來，隨著電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用越來越廣泛，數(shù)據(jù)量將繼續(xù)增加，電力系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)信息的計算、存儲和處理要求也將進一步提高；因此，邊云協(xié)同技術(shù)在多種電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)場景下需要更完善的體系來實現(xiàn)業(yè)務(wù)的多樣性和應(yīng)用的協(xié)同性，電力物聯(lián)網(wǎng)的邊云協(xié)同技術(shù)架構(gòu)及優(yōu)化策略等也需開展更進一步的研究。