李喆鋒,姬艷鵬,李 杰,劉良帥,馮海燕

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021;2.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司石家莊供電分公司,河北 石家莊 050051)

0 引言

電力物聯(lián)網(wǎng)的“最后一公里”是邊緣計(jì)算設(shè)備與智能側(cè)設(shè)備交互的關(guān)鍵媒介,是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要建設(shè)內(nèi)容,也是電網(wǎng)公司服務(wù)好社會(huì)廣大客戶的重要物質(zhì)基礎(chǔ),更是實(shí)現(xiàn)“碳中和、碳達(dá)峰”,構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的重要組成部分。然而由于現(xiàn)有通信接入方式較多、組網(wǎng)技術(shù)龐雜、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,致使通信鏈路利用率極低,無法實(shí)現(xiàn)電力應(yīng)用數(shù)據(jù)的頂層復(fù)用,電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎汪敯粜砸彩艿搅藝?yán)重影響。同時(shí),對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)多方面的應(yīng)用需求,有必要對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)多源信息有效接入技術(shù)進(jìn)行研究。在此背景下,本文提出了一套詳細(xì)的研究方案,將時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(Time Sensitive Network,TSN)與信息中心網(wǎng)絡(luò)(Information Centric Networking,ICN)相結(jié)合以構(gòu)建新型電力物聯(lián)網(wǎng)多源信息接入方法,充分利用TSN 高帶寬、低延遲的特點(diǎn)和ICN 支持以內(nèi)容為中心的數(shù)據(jù)智能檢索的優(yōu)勢(shì),打造電力物聯(lián)網(wǎng)有效接入的統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)電力數(shù)據(jù)的高效傳輸。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析

1.1 電力物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)研究

傳統(tǒng)電力物聯(lián)網(wǎng)的主要接入方式有電力線載波通信技術(shù)、無源光網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)光網(wǎng)絡(luò),無線通信接入網(wǎng)包括無線公網(wǎng)、長(zhǎng)期演進(jìn)LTE230 MHz和LTE1.8 GHz電力無線通信專網(wǎng)。其中,電力線載波通信技術(shù)不需要額外增加通信線路的鋪設(shè),只能作為光纖通信方式在一些特定場(chǎng)景下的補(bǔ)充[1-4];無源光網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)停電不影響后繼節(jié)點(diǎn)的通信,可以靈活地增加傳輸節(jié)點(diǎn)設(shè)備,通信服務(wù)擴(kuò)容方便[5-7]。工業(yè)以太網(wǎng)光網(wǎng)絡(luò)可以提高組網(wǎng)的可靠性,但后繼節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳輸需通過前面節(jié)點(diǎn)經(jīng)光/電/光轉(zhuǎn)換進(jìn)行傳輸,難以保證通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性[8-11]。長(zhǎng)期演進(jìn)230 MHz為電力專用頻段,頻譜適應(yīng)性強(qiáng),但無線網(wǎng)技術(shù)門檻高,容易受到電磁兼容影響,導(dǎo)致電力無線專網(wǎng)的利用率不高。

1.2 TSN 研究

TSN 本質(zhì)上是傳統(tǒng)以太網(wǎng)的擴(kuò)展集,能夠兼容以往的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)?；谝蕴W(wǎng)技術(shù)的IEEE 802.1TSN 逐漸成為工業(yè)4.0網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵組成部分[12]。同時(shí)受到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視,在工業(yè)通信領(lǐng)域,TSN 越來越被人所熟知[13]。

TSN 行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)主要有英特爾、思科、德國(guó)KUKA 等。2017 年博通的TSN 交換機(jī)提供了基于以太網(wǎng)支持的、標(biāo)準(zhǔn)的確定性實(shí)時(shí)通信機(jī)制[14]。2018年思博倫舉辦了“新時(shí)代汽車以太網(wǎng)、TSN 和V2X 通信測(cè)試技術(shù)研討會(huì)”[15]。另外,我國(guó)華為、中興等科技公司也開始了TSN 關(guān)鍵技術(shù)的研究[16-18]。

目前學(xué)術(shù)界針對(duì)TSN 主要關(guān)注以下方向:不同應(yīng)用場(chǎng)景的探索及新型協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的完善,協(xié)議時(shí)延性能分析,門控調(diào)度算法的研究,時(shí)鐘同步精度對(duì)門控調(diào)度的影響等。Imtiaz等人對(duì)工業(yè)通信中AVB的時(shí)延性能進(jìn)行了分析[19];埃因霍溫理工大學(xué)學(xué)者給出了一種基于定義合理的間隔去計(jì)算最壞延遲的方法[20];TSN 對(duì)時(shí)鐘同步精度的影響也得到了相關(guān)研究[21]。另外,TTE 中時(shí)間觸發(fā)的調(diào)度策略也有了一定的研究[22]。

在TSN 的不斷發(fā)展過程中,TSN 能夠提供可計(jì)算的、有保障的端到端時(shí)延,短暫的延遲起伏,以及極低的丟包率。這些優(yōu)勢(shì)對(duì)于電力物聯(lián)網(wǎng)的多源信息有效接入研究來說是無價(jià)的。

1.3 ICN 研究

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與普及,用戶需求將成為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新核心。然而傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)架構(gòu)在很多方面均難以適應(yīng)現(xiàn)代用戶不斷增長(zhǎng)的信息需求。與以主機(jī)地址為中心的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)不同的是,ICN 變成以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)模式,忽略IP 地址的作用,具有低時(shí)延、低功耗、高可靠等特點(diǎn)[23]。同時(shí),ICN將所有命名數(shù)據(jù)都由提供者加密保護(hù),請(qǐng)求者均可以通過簽名驗(yàn)證內(nèi)容,而無論其來源[24]。

ICN 在移動(dòng)性、安全性、可部署性等方面均具有良好的表現(xiàn)。全球已有多個(gè)國(guó)家針對(duì)ICN 的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)、路由轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制、安全緩存機(jī)制等方向開展了深入研究。

2 基于ICN的電力物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)方案

2.1 理論和實(shí)踐依據(jù)

本文提出一種將TSN 與ICN 相結(jié)合的新型電力物聯(lián)網(wǎng)多源信息接入方法,構(gòu)建以TSN 和ICN 為核心的電力物聯(lián)網(wǎng)接入架構(gòu)。該架構(gòu)充分利用了TSN 高帶寬、低延遲的特點(diǎn)和ICN 支持以內(nèi)容為中心的數(shù)據(jù)智能檢索的優(yōu)勢(shì),將為電力物聯(lián)網(wǎng)有效接入提供一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)電力數(shù)據(jù)低時(shí)延、高可靠、高復(fù)用的高效傳輸。

2.2 以TSN 和ICN 為核心的電力物聯(lián)網(wǎng)多源信息接入架構(gòu)

隨著現(xiàn)代信息通信技術(shù)的發(fā)展以及智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷深入,各類新能源、智能終端、新業(yè)務(wù)開始大規(guī)模接入電力通信網(wǎng)絡(luò),電力物聯(lián)網(wǎng)接入示意如圖1所示,端側(cè)是大量的智能感知設(shè)備,包括直升機(jī)、智能配電終端、機(jī)器人、單兵設(shè)備等,這些感知設(shè)備通過近場(chǎng)通信等技術(shù)將數(shù)據(jù)信息傳輸給邊緣代理裝置,集中處理后通過有線/無線長(zhǎng)距通信上送到物聯(lián)管理中心,滿足上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)需求。除了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和指令下發(fā)外,各智能感知設(shè)備數(shù)據(jù)又存在復(fù)用和關(guān)聯(lián)。與傳統(tǒng)通信方式相比,電力物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)方法、裝置、存儲(chǔ)介質(zhì)及時(shí)效性方面都有了新的改變,電力物聯(lián)網(wǎng)對(duì)大帶寬、泛連接、低時(shí)延要求更高,因而亟須構(gòu)建安全可靠、雙向互動(dòng)的“普適化、全方位”的電力通信接入新模式。

圖1 電力物聯(lián)網(wǎng)接入示意

基于電力物聯(lián)網(wǎng)接入的發(fā)展趨勢(shì)和需求,結(jié)合ICN 數(shù)據(jù)與位置解耦、強(qiáng)制簽名以及網(wǎng)內(nèi)緩存等特點(diǎn),提出在網(wǎng)絡(luò)層部署ICN 的內(nèi)容塊協(xié)議,在鏈路層使用TSN,構(gòu)建以TSN 和ICN 為核心的電力物聯(lián)網(wǎng)多源信息接入通信架構(gòu)。傳統(tǒng)IP 網(wǎng)絡(luò)采用“沙漏模型”的體系架構(gòu),下層協(xié)議的設(shè)計(jì)與底層物理鏈路相適應(yīng),上層協(xié)議的設(shè)計(jì)則對(duì)應(yīng)相關(guān)應(yīng)用,具有較高的邏輯性。“沙漏模型”中最重要的是“瘦腰”部分的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議,鑒于當(dāng)前基于IP地址的“瘦腰”結(jié)構(gòu)無法很好適應(yīng)電力物聯(lián)網(wǎng)多源接入數(shù)據(jù)面向內(nèi)容本身的轉(zhuǎn)變趨勢(shì),制約了電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,本文將對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)接入通信架構(gòu)進(jìn)行全新設(shè)計(jì)。ICN 中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包不再攜帶主機(jī)或端口的任何地址信息并可緩存在路由節(jié)點(diǎn),使數(shù)據(jù)傳輸效率得到較大地提升。同時(shí),ICN 基于名稱數(shù)據(jù)的路由方式徹底解決了IP 網(wǎng)絡(luò)中地址空間耗盡、內(nèi)網(wǎng)穿透以及移動(dòng)性問題。由此設(shè)想,若在“沙漏模型”的“瘦腰”處利用ICN的內(nèi)容塊協(xié)議來代替?zhèn)鹘y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,同時(shí)在鏈路層使用TSN,通過時(shí)分復(fù)用的思想為流量提供網(wǎng)絡(luò)需要的傳輸路徑并保證可靠的傳輸時(shí)延,構(gòu)造基于ICN 的新型電力物聯(lián)網(wǎng)接入通信架構(gòu),使電力物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)量、高數(shù)據(jù)率、低延遲的發(fā)展需求成為可能。

綜上,基于ICN 的網(wǎng)絡(luò)通信整體架構(gòu)如圖2所示,采用一種只有4層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu),由上到下是應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)和策略層、數(shù)據(jù)鏈路層與物理層。其中應(yīng)用層與當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)一致,支持基于Co-AP的數(shù)據(jù)、管理、安全認(rèn)證以及多種應(yīng)用;網(wǎng)絡(luò)層主要完成子網(wǎng)間的數(shù)據(jù)包路由選擇功能。此外,網(wǎng)絡(luò)層還處理?yè)砣刂啤⒕W(wǎng)際互連等網(wǎng)絡(luò)中的問題;策略層取代了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸層,能夠優(yōu)化架構(gòu)的同時(shí)提升訪問性能和數(shù)據(jù)共享能力。基于命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的路由轉(zhuǎn)發(fā)策略,該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠較好地支持?jǐn)?shù)據(jù)緩存和組播交付,而不用像傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)疊加各種通信機(jī)制或網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。所以,在TSN和ICN 高效的網(wǎng)絡(luò)資源控制與系統(tǒng)調(diào)度下,基于ICN 的電力物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將會(huì)被進(jìn)一步簡(jiǎn)化,為實(shí)現(xiàn)分布式海量數(shù)據(jù)儲(chǔ)存系統(tǒng)負(fù)載均衡奠定基礎(chǔ),符合未來電力物聯(lián)網(wǎng)接入通信技術(shù)的設(shè)計(jì)要求。

圖2 以ICN和TSN為核心的電力物聯(lián)網(wǎng)接入通信架構(gòu)

3 基于ICN的電力物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)應(yīng)用前瞻

3.1 新型電力系統(tǒng)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集、融合中的應(yīng)用

智能電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)故障遠(yuǎn)程診斷、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集、在線監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等,形成以傳統(tǒng)電網(wǎng)為基礎(chǔ),集傳感通信計(jì)算與控制為一體的綜合數(shù)物復(fù)合型平臺(tái)。另外,由于智能電網(wǎng)采集到的數(shù)據(jù)來源眾多、數(shù)據(jù)形式不同、包含的時(shí)間尺度也不一樣,具有廣泛的多源異構(gòu)性特征。所以新型電力系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸、分析、處理和信息安全提出了更高的要求。同時(shí),由于業(yè)務(wù)壁壘、標(biāo)準(zhǔn)差異、新能源及電力電子設(shè)備接入等原因,缺乏有效共享互通,新型電力系統(tǒng)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合需求變得更為迫切?；贗CN 的電力物聯(lián)網(wǎng)多源信息有效通信接入技術(shù)為新型電力系統(tǒng)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集、融合提供了新方案,通過將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)“瘦腰”處的IP協(xié)議替換成基于ICN 的內(nèi)容塊協(xié)議,使得多源異構(gòu)數(shù)據(jù)以命名數(shù)據(jù)運(yùn)行,不再包含IP主機(jī)地址,從而充分滿足大帶寬、大容量、大平臺(tái)的接入需求,進(jìn)一步提升多源異構(gòu)數(shù)據(jù)收集過程的可靠性,并且通過對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的深度關(guān)聯(lián)、估計(jì)和整合,通過調(diào)用服務(wù)完成不同需求,實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的深度融合。

3.2 電力運(yùn)維搶修智能化發(fā)展中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)模式下,以電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)的檢修機(jī)制無法滿足目前電網(wǎng)發(fā)展的需求。以往傳統(tǒng)電力系統(tǒng)通信中對(duì)電纜溝道、電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)全面監(jiān)測(cè)一直是電力系統(tǒng)運(yùn)維檢修工作的難點(diǎn)和痛點(diǎn)。當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)事故后,由于技術(shù)、人工操作等因素使得查找故障點(diǎn)時(shí)間存在不確定,甚至因電力系統(tǒng)管理盲區(qū)難以做出全面分析而造成設(shè)備故障的擴(kuò)大。

基于ICN的電力物聯(lián)網(wǎng)多源信息有效接入技術(shù)以“全方位、多維度、全感知”為特點(diǎn)融入電力系統(tǒng)運(yùn)維搶修模式后,通過智能采集終端和通信設(shè)備,實(shí)時(shí)全面地將電氣運(yùn)行設(shè)備參數(shù)、系統(tǒng)信息和環(huán)境檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娏ξ锫?lián)網(wǎng)智慧云平臺(tái),基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的融合分析,并對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的故障信息加以診斷,從而對(duì)事故點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)定位和及時(shí)預(yù)警。隨后將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控設(shè)備,使電力作業(yè)人員能夠及時(shí)掌握相關(guān)故障情況,并在最短時(shí)間內(nèi)將應(yīng)急物資調(diào)撥到搶修現(xiàn)場(chǎng),避免故障定位不準(zhǔn)、故障搶修不及時(shí)、運(yùn)維搶修不合理等問題出現(xiàn),使“被動(dòng)運(yùn)維”變成“主動(dòng)運(yùn)維”,進(jìn)一步提升電力系統(tǒng)搶修的速度和效率,不斷提升供電可靠性與系統(tǒng)可靠性,增強(qiáng)客戶用電體驗(yàn)感和“獲得感”,基于ICN 的電力物聯(lián)網(wǎng)中多源信息有效接入技術(shù)故障快速處理示意如圖3所示。

圖3 基于ICN的電力物聯(lián)網(wǎng)多源信息有效接入技術(shù)故障快速處理示意

4 總結(jié)及展望

本文針對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)中通信接入方式存在的問題進(jìn)行了分析,主要對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)、TSN、ICN 的研究現(xiàn)狀進(jìn)行研究,提出了一種基于TSN 與ICN 相結(jié)合的新型電力物聯(lián)網(wǎng)多源信息接入方案,實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)萬(wàn)物互聯(lián)、人機(jī)交互,實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)一個(gè)源、電網(wǎng)一張圖、業(yè)務(wù)一條線”,為電網(wǎng)智能化信息化的發(fā)展建設(shè)奠定基礎(chǔ)。最后,探討了基于ICN 的電力物聯(lián)網(wǎng)多源信息有效接入技術(shù)在電力通信業(yè)務(wù)接入方面的應(yīng)用。

下一步,將結(jié)合電力物聯(lián)網(wǎng)有效接入的信息化建設(shè),挖掘電網(wǎng)“最后一公里”設(shè)備的數(shù)據(jù)信息,利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化流量測(cè)量模型和流量控制策略,為電網(wǎng)信息化、數(shù)字化、智能化的轉(zhuǎn)型發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。