張忠偉
（國網(wǎng)秭歸縣供電公司，湖北 宜昌 443600）
0 引 言
隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，社會各界對電力的需求不斷增長，傳統(tǒng)的電力監(jiān)控系統(tǒng)已無法滿足日益復雜的監(jiān)控任務，存在監(jiān)控范圍小、信息傳輸效率低、數(shù)據(jù)收集及處理能力差等諸多問題，阻礙著電網(wǎng)智能化的進程。為了解決這些問題，提出了一種基于5G 通信技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)。5G 技術(shù)作為新一代移動通信技術(shù)，在帶寬、傳輸速率和連接密度等方面具有顯著優(yōu)勢，可以有效支撐大規(guī)模的智能終端設備的連接，實現(xiàn)低延遲和高可靠性的實時數(shù)據(jù)傳輸，為智能電網(wǎng)的成功構(gòu)建提供了技術(shù)基礎。文章通過系統(tǒng)層面的設計，利用5G技術(shù)在電力監(jiān)控系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)采集、傳輸、計算以及分析等環(huán)節(jié)的優(yōu)勢，旨在提升整體系統(tǒng)的監(jiān)控能力。該系統(tǒng)不僅可以解決當前電力監(jiān)控面臨的各種挑戰(zhàn)，而且對推進電網(wǎng)的智能化進程具有重要意義。
1 技術(shù)基礎
1.1 電力監(jiān)控系統(tǒng)
近年來電力監(jiān)控系統(tǒng)得到了廣泛的研究和應用，主要用于實時監(jiān)測、控制、優(yōu)化電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，以確保電力供應的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性[1]。電力監(jiān)控系統(tǒng)需要從各種傳感器和設備中收集大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如視頻、電壓、電流以及功率等。同時，需要對這些數(shù)據(jù)進行預處理，便于后續(xù)對數(shù)據(jù)的分析和控制。電力監(jiān)控系統(tǒng)需要實時監(jiān)測電力設備的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的潛在故障。近年來，人工智能技術(shù)在這一領域取得了廣泛的應用。電力監(jiān)控系統(tǒng)通過訓練神經(jīng)網(wǎng)絡和支持向量機等模型，可以更準確地識別故障類型和故障原因，提前采取措施，防止事故的發(fā)生[2]。未來，電力監(jiān)控系統(tǒng)朝著智能化、高效化和安全化的方向發(fā)展。
1.2 5G 通信技術(shù)
5G 通信技術(shù)具有傳輸速率快、延遲低和連接密度高等優(yōu)勢。5G 通信技術(shù)的目標是實現(xiàn)真正的全球互聯(lián)網(wǎng)接入，無論用戶身處何處，都能獲得高速、可靠的網(wǎng)絡服務[3]。5G 網(wǎng)絡的下行峰值速率可以達到10 Gb/s，比4G 網(wǎng)絡的峰值速率快100 倍左右，使高清視頻流、在線游戲和其他需要大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽米兊酶恿鲿�。�?G 網(wǎng)絡的延遲預計將降低為1 ms左右，對自動駕駛汽車、遠程醫(yī)療手術(shù)等需要實時響應的應用領域具有重要意義。5G 網(wǎng)絡可以支持更多的設備同時連接，有助于智能家居、物聯(lián)網(wǎng)和智能城市等領域的發(fā)展。5G 通信技術(shù)為電網(wǎng)監(jiān)控和管理提供了高質(zhì)量的無線通信支持，也為電力監(jiān)控系統(tǒng)的智能化升級提供了重要技術(shù)保障[4]。
2 基于5G 通信技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的組成
為靈活、高效地監(jiān)控電力系統(tǒng)應用場景，設計了一種基于5G 通信技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由邊緣設備端、數(shù)據(jù)傳輸端和云服務器端3 部分組成，具體架構(gòu)如圖1 所示。
圖1 基于5G 通信技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)
2.1 邊緣設備端
邊緣設備端作為電力監(jiān)控系統(tǒng)的前端，承擔著收集與預處理數(shù)據(jù)的重要職責。一方面，在電力設備場地內(nèi)安裝了高清網(wǎng)絡攝像頭等監(jiān)控設備，進行實時視頻監(jiān)控，無線化采集電力設備的運行數(shù)據(jù)，如電壓、電流和功率等。這些數(shù)據(jù)集由邊緣計算一體機進行預處理，包括數(shù)據(jù)壓縮和匯總，以降低核心網(wǎng)絡負載。另一方面，配置了流媒體服務器，以處理監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)流。流媒體服務器能從視頻采集設備中獲取實時視頻流，并憑借流協(xié)議準確地將視頻流推送至目標網(wǎng)絡。
2.2 數(shù)據(jù)傳輸端
數(shù)據(jù)傳輸端的主要職責是構(gòu)建邊緣設備端與云服務器端之間的數(shù)據(jù)傳輸通道。在傳輸層，將客戶前置設備作為數(shù)據(jù)采集設備與邊緣計算設備的入網(wǎng)工具，并提供內(nèi)網(wǎng)穿透服務[5]。這樣即使在電力環(huán)境中無法建立專網(wǎng)連接的情況下，用戶端與邊緣設備端也可以直接通信，從而保證了系統(tǒng)的可擴展性與普適性。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，采用面向可靠連接的傳輸控制（Transmission Control Protocol，TCP）協(xié)議，將收集的數(shù)據(jù)包上傳至云端，同時保留本地備份。
內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)允許外部網(wǎng)絡訪問內(nèi)部網(wǎng)絡中的服務[6]。本次擬采用內(nèi)網(wǎng)穿透服務器（Network Port Server，NPS），NPS 是一款強大的內(nèi)網(wǎng)穿透服務器，能夠提供易于管理的Web 管理端，支持TCP 協(xié)議、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）流量轉(zhuǎn)發(fā)、內(nèi)網(wǎng)超文本傳輸協(xié)議（HyperText Transfer Protocol，HTTP）代理、內(nèi)網(wǎng)socks5 代理協(xié)議以及點對點技術(shù)（Peer-to-Peer，P2P）等功能。在公網(wǎng)上部署NPS 服務器，在內(nèi)網(wǎng)設備上配置NPS 客戶端。當NPS 客戶端啟動后，會主動向NPS 服務器發(fā)起連接請求，連接成功后，NPS 服務器與內(nèi)網(wǎng)設備進行通信。通過這種方式，使用公網(wǎng)設備訪問內(nèi)網(wǎng)設備的服務，實現(xiàn)客戶前端設備的內(nèi)網(wǎng)穿透功能。
2.3 云服務器端
云服務器端作為系統(tǒng)的后端，主要負責存儲與分析電力監(jiān)控數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)與管理員的交互。在機房內(nèi)部署了云平臺，借助虛擬化技術(shù)，實現(xiàn)了計算和存儲資源的統(tǒng)一分配，同時對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行集中管理和彈性資源擴展。
云服務器端的設備主要包括應用服務器和高可靠性存儲陣列設備。其中，應用服務器包括流媒體服務器和Web 服務器。云端為管理員提供流媒體服務與Web 服務，用戶端與云端通過瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）模式進行開發(fā)，用戶可以直接通過瀏覽器控制邊緣設備端的監(jiān)控設備，從而提高整個系統(tǒng)的易用性和可擴展性。管理員可以通過瀏覽器訪問云端服務器，訪問整個監(jiān)控系統(tǒng)；用戶可以通過流媒體服務模塊觀看監(jiān)控錄像的回放。
3 基于5G 通信技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的性能評估
3.1 實驗設置
為了評估電力監(jiān)控系統(tǒng)的性能，以視頻數(shù)據(jù)為主要監(jiān)控對象搭建了仿真實驗環(huán)境。首先，使用Unity等測試工具構(gòu)建了一個模擬的變電站場景，并設置高清攝像頭作為測試的邊緣端設備；其次，搭建了一個虛擬的5G 核心網(wǎng)絡，具備接入和移動性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、會話管理功能（Session Management Function，SMF）和用戶面功能（User Plane Function，UPF）等功能，以模擬5G 網(wǎng)絡的運行環(huán)境；最后，將圖像處理器（Graphics Processing Unit，GPU）作為云處理平臺，用于處理和分析攝像頭收集的視頻數(shù)據(jù)，并且開發(fā)了一套視頻流程序，實現(xiàn)對視頻數(shù)據(jù)的編碼、解碼和傳輸。
3.2 實驗指標
在仿真實驗中，主要關注端到端視頻傳輸延遲和網(wǎng)絡傳輸丟包率2 個關鍵指標。
端到端視頻傳輸延遲反映了從視頻采集到云端播放的整個過程的總延遲，計算公式為
式中：Tsen表示視頻采集和編碼延遲，受編碼復雜度影響；Ttrans表示5G 無線網(wǎng)絡傳輸延遲；Tproc表示云平臺視頻處理延遲，受虛擬機配置和調(diào)度算法影響；Tbuff表示受網(wǎng)絡緩沖和播放緩沖引起的延遲。
網(wǎng)絡傳輸丟包率反應數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃�，計算公式�?/FONT>
式中：totalsen指發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)包總數(shù)；totalrec指接收端實際接收到的視頻數(shù)據(jù)包數(shù)。
同時，招募10 名志愿者，實時觀看監(jiān)控視頻，對視頻質(zhì)量進行評分。采用1 ～5 分制的視頻效果評分，以平均分作為視頻質(zhì)量的最終評價結(jié)果。
3.3 實驗結(jié)果
實驗變量為5G 網(wǎng)絡信號強度， 分別為-50 dBm、-70 dBm 和-90 dBm。首先，將仿真平臺攝像頭采集的視頻經(jīng)過編碼后發(fā)送到虛擬的5G 基站；其次，核心網(wǎng)將經(jīng)過編碼的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云服務器，云服務器接收并處理視頻流，計算端到端的延遲和網(wǎng)絡丟包率；最后，邀請被試者觀看不同條件下的實驗視頻，并給出質(zhì)量評分，評分結(jié)果如表1 所示。
表1 不同信號質(zhì)量下電力監(jiān)控系統(tǒng)性能的對比
由表1 可知，Td隨著信號強度的減小而增加，這是因為5G 無線網(wǎng)絡傳輸延遲和云平臺視頻處理延遲會隨著信號強度的減小而增加，導致Td增加；PLR隨著信號強度的減小而增大，導致視頻質(zhì)量下降。延遲的增加和丟包率的增大會影響視頻的流暢度和清晰度，導致用戶觀看體驗不佳，平均質(zhì)量評分減小。
實驗結(jié)果表明，網(wǎng)絡條件是影響智能電力監(jiān)控系統(tǒng)性能的關鍵因素。在實際的系統(tǒng)設計和優(yōu)化過程中，可以通過提高信號質(zhì)量、增加網(wǎng)絡帶寬、減少網(wǎng)絡延遲等方式，提升系統(tǒng)的性能，增加電力監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和擴展性，為電力系統(tǒng)提供高可靠、低延遲、可擴展的新型監(jiān)控方案。
4 結(jié) 論
文章針對電力監(jiān)控系統(tǒng)的應用需求，設計了一種基于5G 技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由邊緣設備端、數(shù)據(jù)傳輸端和云服務器端3 部分組成，具有無線采集監(jiān)控信息、降低數(shù)據(jù)傳輸延遲和高可靠傳輸?shù)葍?yōu)良性能。通過仿真實驗證實，該智能電力監(jiān)控系統(tǒng)滿足電力系統(tǒng)對實時監(jiān)控的需求，同時能靈活應對監(jiān)控需求的變化。同時，該系統(tǒng)為電力系統(tǒng)提供了高可靠、低延遲、可擴展的新型監(jiān)控方案，有利于推動電網(wǎng)向智能化的方向發(fā)展。
