王力1
1. 中国南方电网公司，广东，广州， 510030
摘要：智能电网的迅猛发展产生海量、冗杂的数据，需要对数据进行处理利用以实现对输电线路自然灾害的快速预警。本文提出通过边缘计算的接入，实现采集数据的本地汇聚计算，同时利用5G通信技术的eMBB、uRLLC与mMTC特性，实现输电线路自然灾害的快速预警。利用边缘计算的接入，提高本地存储和通信能力，构建业务所在5G无线接入网络，实现信息本地处理，降低网络开销，减少业务传输时延，提高信息分析性能，实现对输电线路侧自然灾害的及时预警。
关键词：智能电网；5G；边缘计算；自然灾害预警；
0 引言
智能电网发展方兴未艾，以5G与边缘计算为代表的新数字技术是全球科技革命和产业升级的核心技术，也是推动“数字中国”战略、电网公司数字化转型的重要手段之一[1]。
电力通信网络是电网安全高效运行的关键支撑，为各种电网业务提供可靠、实时与安全通信保障。根据最近5G的发展，5G+智能电网可在众多场景下大有作为。输电线路自然灾害预警属于电网状态感知范畴，具有较高应用优先级。超高可靠低时延通信是电力通信的关键需求，5G可以增强电力通信的可靠性，降低输出时延，以满足电网系统中各类设备高传输速率的需求。
此外，随着大数据与云计算技术的快速发展以及在各产业中的深度融合，边缘计算技术应运而生，边缘计算一般指在接近数据源的一侧，利用计算、存储、通信等能力，就近提供本地服务的平台。由于其程序在边缘侧发起，网络服务可以快速响应，多应用于实时业务、边缘网关设备等方面[3]。相比云计算技术，边缘计算可以将5G时代的各类应用产生的海量、冗杂数据进行本地筛选、边缘侧处理等。
面对电网输电线路自然灾害多样性产生海量数据难以利用的现状，研究基于5G边缘计算的输电线路自然灾害预警关键技术很有必要。结合电网输电线路业务和频发的多种自然灾害，可以梳理5G和边缘计算技术在输电线路预警中的应用场景，为未来基于5G的智能电网业务部署及验证做好技术研究。
1 电力无线通信与输电线路通信发展现状
1.1 主要技术难点
（1）安全隔离。5G之前的无线通信技术均不能实现网络承载电力不同分区业务的要求。因此对于不同安全分区的多业务融合接入需求，目前无线通信技术无法有效解决，需额外部署加密终端、设置安全接入区等网络安全措施。
（2）承载能力。5G之前的无线通信承载能力有限，难以同时满足大带宽、低时延等承载需求。
（3）无线公网终端运行情况无法远程管理及故障预警、告警，故障定位困难。南网目前已有近250万个无线公网模块，但相关终端均无法远程管理，无法实现终端故障定位。
（4）以往的无线通信技术均面向某种特定场景，对于有丰富应用场景的电网而言均有一定的局限性。
（5）部分区域存在信号盲点或弱覆盖点，特别是偏远山区、农村区域等，解决难度大。
1.2 主要管理难点
（1）SIM卡缺乏全网统筹管理，各单位SIM卡资费不一，且显著高于国网同类业务。
（2）SIM卡管理粗放，各单位SIM管理部门未统一，造成SIM卡资源浪费等问题。
（3）大流量业务SIM卡资费按流量计费，成本过高，影响了无线通信在视频类业务的开展。
（4）目前暂无对不在线故障业务终端的管理措施和改进方法。
1.3 输电线路无线通信存在问题
（1）目前运营商4G公网对输电线路的覆盖有限，满足不了前端设备运行的要求，同时无线公网通信时延过大，无法保证控制类业务承载。
（2）输电线路所处山地和偏远地区，工作人员到达较远桩位难度大，巡检效率低。
（3）输电线路沿线气候多变，地质环境复杂多样，不能对灾害问题进行提前预警和及时处理。
2 研究现状概述
2.1 研究背景
伴随经济发展和社会进步，响应国家“数字中国”战略，电力行业得到迅速发展，然而近年来自然灾害对输电线路的损坏案例愈来愈多。台风、暴雨与冰冻灾害以及其造成的次生灾害损失严重，破坏输电线路与输电杆塔，损坏输电设备，影响区域广，影响程度深；此外还对输电线路的巡视造成严重影响，甚至危及运维巡线人员的人身安全[4]。
新型数字技术的快速发展，深刻改变电网输电领域的各个环节，特别是针对输电线路的状态监测，出现了各类输电线路杆塔安全在线监测系统。这些系统功能和原理各异，其中有使用倾角传感器来监测输电杆塔倾斜问题的方式；也有使用应力传感器在线监测导线引力等方式，利用各类通信方式，结合最新的AI算法识别输电线路设备损坏情况、线路情况，达到输电线路场景下的灾害在线监测。
2.2 国内研究现状
近年来，国网提出对跨越高速公路、高铁、重要输电通道的监管要求，其中提到要解决输电线路的外力破坏、杆塔倾斜、防盗等问题，预防各类因素特别是自然灾害导致的事故，保障电网的可靠运行。
国网对输电线路智能化的要求是：勘测数字化、 设计模块化 、运行状态化、信息标准化、应用网络化。其中的“运行状态化”，要利用线路巡检、状态监测等方式来支撑，但由于当前输电线路专网通信手段较少，制约了其信息化、数字化、智能化的发展，导致运维成本增加，效率较低。
随着电网数字化、智能化的加快，作为电网数字化转型的重要支撑，各类智能在线监测设备的作用逐步凸现，逐渐成为智能电网的关键设备之一。此外，输电线路状态监测系统也在不断完善中，其性能和结构根据电力输电线路实际业务需求也在不断发生变化，利用“云大物移智块”等新型数字化技术，朝着更智能化的方向快速更迭。基于5G技术应用到输电线路状态监测系统未来市场潜力巨大、前景广阔、商机无限，具有较强的可行性[5-7]。
目前，市场上的线路在线监测装置较多，网省公司推广运用较成熟的输电线路远程监测技术主要以覆冰监测为主；未充分整合各类传感器资源，存在平台功能分散，功能单一等特点；不能实现监测设备边缘化计算的特点，若将多套在线监测装置安装于同一基杆塔上，则存在杆塔自身布线过多、杆塔荷载受限、线路检修不便等诸多不利因素[8-10]。
2.3 分析
当前，由于数字化技术日新月异，实现电网的数字化转型已作为南网公司的战略目标。输电线路是输送电力的物理通道，分布地区广、线路运行环境多样、易受台风、洪水等灾害和外力破坏，因此，应以实现电网数字化转型目标为指引，将先进的信息、通信和控制等数字化技术，实现对自然灾害的预警能力，保障输电线路安全。
以云南电网为例，研究该地区灾害的时空分布特征，结合整个电网系统特点、灾害破坏设备规律等，利用新型数字技术，为云南电网区域输电线路建立完善的自然灾害在线监测预警系统和风险管控措施，提高电网系统抵御自然灾害能力[11]。
3 基于5G边缘计算的输电线路自然灾害预警技术实现
3.1 基于边缘计算的数据传输技术
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图1 数据边缘计算
边缘计算技术作为大数据时代的产物，是对云计算技术的补充。如图1所示，通过把微型数据中心或有本地计算能力、有缓存功能的前置智能终端部署于网络边缘，如配电智能终端、传感器终端、监控设备等，可有效减少核心网的负载，减少数据传输时延。同时，边缘计算可对提取到的数据进行分层处理、数据储存、实时交互。针对视频监控如图2所示，视频回传数据量较大，但绝大部分时间视频界面都是相同的，利用价值较低。通过部署带有边缘计算能力的终端设备，可以提前对数据进行分析处理，提取有价值部分进行回传，其它数据就保存在MEC终端服务器中，可节省大量的传输资源，提高传输效率。
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图2 视频传输示意图
3.2 自然灾害遥感图像的AI自动化提取技术
如图3所示，位于网络边缘的计算点可借助AI技术自动处理卫星遥感图像，可根据前期大量的识别算法训练，通过比对挖掘遥感图像中的有价值部分内容，逐步提高分类器的能力，从而提升卫星图像信息自动分类的速度和精确度。由于自然灾害会影响对象和场景的外部特征，用尺度图像表述对象，利用影像分割方法划分不同特征的部分，可采用水体监测、云雪分类、土地利用分类、目标识别等算法。
图3 遥感图像AI提取技术
3.3 5G无人机在输电线路中实时监测技术研究
使用5G的无人机系统中的无人机和地面控制器之间通过5G通信技术进行数据传输和控制指令的下达，而应用场景依托于业务服务器来承载。该场景下试试监测技术方案如图4所示。
（1）5G无人机巡检
在整个南方电网系统中输电线路多跨山河、人居较少区，人工巡检效率较低，并且自然灾害发生时，人工巡检面临更多困难，此外恶劣的自然环境人员安全难以保障。输电铁塔等高空设备，应利用无人机巡检，可降低高空作业人身安全风险，也可以全景无死角地检查高空设备的运行状态和外观情况，避免出现缺陷无法识别情况。相比4G网络，5G网络提供增强移动带宽、超高可靠低时延通信，可支持低延迟、实时高清图片和视频，提高巡检体验和效率。
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图5 无人机巡检示意图
如图5所示，采用具有多旋翼的无人机平台，结合具体场景的应用需求，通过安装高清变焦等功能相机及各类传感器连入5G网络，将现场和设备的视频、图像数据通过5G网络链路传输至服务器，客户利用手持终端或其它桌面终端通过访问服务器地址观看巡检信息，即可实现输电线路巡检信息的即拍即传。同时，采用多无人机协同拍摄方法，实现多角度巡线，避免漏拍图像、多巡时的对角相异等问题。此外，在机巡现场，巡检车、地面站与管理中心应协作巡检，即拍即传，实时通信，如有巡检问题及时复检。
（2）5G无人机自然灾害预警技术
自然灾害预警，是指利用多种传感器、视频监控设备、数据收集设备、通信网络等基础设施，应用新型信息、通信和控制等数字化技术，实现现场数据的采集、存储、预处理、传输、处理及反馈全过程。通常在自然灾害发生前，建立应急网络，及时发布灾害相关信息，以避免造成各类损失，保障电网运行安全。
如图6所示，携带监测单元的无人机按照已设计路线飞行，实现对监测样地的视频、图像或遥感等数据的信息采集。无人机通过连接5G网络增加采集数据的传输速率，减少传输时延，可提高野外监测的效率。此外，在预警系统中，通过部署边缘计算设备实现在本地筛选有用信息并计算，过滤重复数据，最后连接至核心网，将边缘处理数据传输至后方数据中心；处于后方的数据中心通过有效信息做出反馈并下发指令，传递至现场无人机。在此过程中，利用5G与边缘计算提高整个系统的反应速度，提高系统对自然灾害的预警效率。
4 总结
本文分析了当前电力无线通信发展现状及输电线路无线通信存在的问题，指出目前在电力输电线路侧面临自然灾害时的不足，为此引入5G与边缘计算的概念。结合电力输电线路自然灾害预警的需求，提出了三大应用场景下的相关技术方案：基于边缘计算的数据传输技术、输电线路自然灾害遥感图像信息的AI自动化提取技术和5G无人机在输电线路中实时监测技术，可有效降低核心网络负载和数据传输时延，提高数据传输速率和图像识别成功率，有效增强输电线路的自然灾害预警能力。
参 考 文 献
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作者简介
王力(1986年9月出生)，男，汉族，籍贯湖北广水，中国南方电网公司电力调度控制中心，工程师、研究生学历。