摘要： 随着数据信息量的大幅增加和5G技术的发展，基于5G的边缘计算技术作为一种实时数据处理方式，具有广阔的应用前景。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融合。基于变电站的业务背景，提出了基于5G的边缘计算网关应用解决方案。

关键词：5G网络；边缘计算；网关；电网应用

0 前言

随着5G网络技术的发展，基于5G的边缘计算技术受到广泛关注。业务需求和网络升级进一步推动边缘计算的发展[1]。云计算能力不足以满足爆炸式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变长，无法满足实时性要求，这使得边缘计算成为研究热点。

网关作为网络数据传输中的关键设备，起着协议转换和数据处理的作用。通过边缘计算的手段，可以在边缘网关对数据进行初步筛选和处理，并将重要的安全信息发送至监管平台并发出预警。，从而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，但由于传感器数量不断增加和智能巡检机器人的普及，数据传输量不断增加。如果把所有数据都发到云端处理，延迟会增加，处理不及时，安全隐患得不到及时发现。基于5G的边缘计算技术可以解决这些问题。

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融合，提出了基于电网变电站业务背景的解决方案。

一、5G技术特点

2019年6月，工信部颁发5G商用牌照，标志着中国正式进入5G商用元年。然而，5G技术的发展仍在继续，它在不断为我们的生活提供更便捷的应用。

5G全称第五代通信技术，是新一代蜂窝移动通信技术，具有以下特点：

(1) 数据传输速率高，可达10GB/s，可满足大数据量的传输；

（2）低时延，LTE网络使移动网络时延达到100ms，而5G网络时延可以达到1ms，可以满足时延要求极低的业务；

(3)提高系统容量和大型设备连接，满足物联网的要求，连接各种终端。

5G不仅是移动通信的一大进步，也是物联网非常有用的技术。它带来的便利和技术变革将促进经济发展。

二、边缘计算技术的特点

在边缘计算中，将数据处理集成到边缘设备中的目的是减少延迟，以便可以快速处理数据，而无需等待数据传输到传统数据中心进行处理。延迟降低后，相应的应用程序将能够更早地运行。同时，本地设备上的数据管理成本低于云端和数据中心网络，可以降低成本[2]。具体来说，边缘计算的特点如下：

（1）低时延：利用边缘设备处理数据，实现实时数据处理，有效缩短响应时间。

(2)成本低：利用边缘设备实现数据过滤、计算和分析，减少骨干网的数据传输量，降低网络带宽需求，从而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。

边缘计算是为解决云计算的去中心化问题而提出的一种方法。目前，云计算将服务器放在一个数据中心。

数据需要先传输到数据中心，然后集中处理。然而，随着终端设备数量的增加带来的数据量的不断增加，传输如此庞大的数据量的成本非常高，时延成为瓶颈。边缘计算在设备侧分布式部署，即在各种终端设备上增加存储、处理等功能，从而减少传输数据量，降低延迟，降低成本减少。同时，私有数据在传输到云端的过程中可能存在泄露问题，而边缘计算的使用可以降低数据泄露的可能性[3]。

三、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，以提高无线接入网的信息处理能力，降低移动骨干网的传输带宽。5G具有低时延、高可靠等特点，将进一步推动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的特点，研究基于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和毫米波技术，进一步扩展频谱带宽。5G整体频谱效率是4G的3倍，用户体验速率可达1GB/s。这给人们带来了不一样的网络体验，也给核心网带来了巨大的挑战。

为满足5G网络的灵活性和低时延，减轻网络回传负担，核心网下沉、边缘云化成为必然。云边缘是让5G无线接入网具备云计算能力，实现业务本地化、数据缓存、数据本地计算等功能。

以无人机巡检电网输电线路为例，无人机通过控制台连接5G基站，边缘计算服务器部署在5G基站侧，实现视频的本地存储和处理、图像和控制信息，然后将相关处理结果直接传回控制台，确保巡检工作的顺利进行。

3.2 大规模机器类型通信（mMTC）

与4G相比，在可连接数密度方面，5G每平方公里连接设备数高达100万台，增长了10倍。同时，5G海量机器类通信具有数据包小、功耗低的特点。

据数据预测，到2020年，全球物联网终端数量将达到500亿。物联网终端的大规模部署，不仅给物联网网络系统带来挑战，也考验着物联网终端的电池容量。可以说，5G海量机器类通信技术极大满足了物联网终端快速增长的需求；此外，结合边缘计算，缩短物联网终端的连接时间，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，采集对象的数量、采集内容的种类、采集频率都大大增加。随着5G的部署，可以实现准实时采集，采集内容多样化，采集范围更广，采集数量更多。

3.3 低延迟高可靠通信（uRLLC）

与4G相比，在端到端时延方面，5G将达到1ms级别，提升10倍；在移动性方面，5G支持速度高达500km/h的通信环境，提升1.43倍。因此，5G网络具有高速、低时延的处理能力。可满足车联网、工控等垂直行业的特殊应用需求。

以电网变电站巡检为例，通过5G网络实现对机器人的远程控制。结合边缘计算技术，可实现毫秒级响应，确保巡检发现问题时，故障信息及时回传处理，保障生产经营安全。

4. 基于5G的边缘计算网关

基于5G的边缘计算网关作为互联网络的设备，通过协议转换实现信息交互。一方面，利用边缘计算提升数据计算性能；另一方面，5G用于提高信息传输效率[5]。

5G边缘计算网关系统结构图如图1所示。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两部分组成：数据采集模块从传感器等终端设备采集数据，边缘计算平台对采集到的数据进行统一控制和管理。边缘应用提供运行环境，包括信息获取、边缘数据处理、接收来自云服务器的指令并执行相应的操作。用户需要操作的是在云端服务器上完成指令的发送。云服务器使用无线信号（如Wi-Fi等）、以太网、4G、5G、等向网关设备发送指令，网关对其进行协议转换。边缘计算模块向终端设备下发操作指令[4]。在5G发展的现阶段，由于刚刚起步，运营商在部署5G时采用非独立组网方式，需要借助4G基站、增强型4G基站、少量5G基站来实现，但是因为他们仍然在使用 4G 核心网络，无法提供特别低的延迟。需要等待5G技术的不断发展。5G核心网通过独立组网SA技术，可以利用网络切片灵活使用网络资源，大幅提升网络服务质量，提供低时延。网关对其进行协议转换。边缘计算模块向终端设备下发操作指令[4]。在5G发展的现阶段，由于刚刚起步，运营商在部署5G时采用非独立组网方式，需要借助4G基站、增强型4G基站、少量5G基站来实现，但是因为他们仍然在使用 4G 核心网络，无法提供特别低的延迟。需要等待5G技术的不断发展。5G核心网通过独立组网SA技术，可以利用网络切片灵活使用网络资源，大幅提升网络服务质量，提供低时延。网关对其进行协议转换。边缘计算模块向终端设备下发操作指令[4]。在5G发展的现阶段，由于刚刚起步，运营商在部署5G时采用非独立组网方式，需要借助4G基站、增强型4G基站、少量5G基站来实现，但是因为他们仍然在使用 4G 核心网络，无法提供特别低的延迟。需要等待5G技术的不断发展。5G核心网通过独立组网SA技术，可以利用网络切片灵活使用网络资源，大幅提升网络服务质量，提供低时延。边缘计算模块向终端设备下发操作指令[4]。在5G发展的现阶段，由于刚刚起步，运营商在部署5G时采用非独立组网方式，需要借助4G基站、增强型4G基站、少量5G基站来实现，但是因为他们仍然在使用 4G 核心网络，无法提供特别低的延迟。需要等待5G技术的不断发展。5G核心网通过独立组网SA技术，可以利用网络切片灵活使用网络资源，大幅提升网络服务质量，提供低时延。边缘计算模块向终端设备下发操作指令[4]。在5G发展的现阶段，由于刚刚起步，运营商在部署5G时采用非独立组网方式，需要借助4G基站、增强型4G基站、少量5G基站来实现，但是因为他们仍然在使用 4G 核心网络，无法提供特别低的延迟。需要等待5G技术的不断发展。5G核心网通过独立组网SA技术，可以利用网络切片灵活使用网络资源，大幅提升网络服务质量楼宇自控网关，提供低时延。增强型4G基站，以及少量5G基站实现，但由于仍使用4G核心网，无法提供特别低的时延。需要等待5G技术的不断发展。5G核心网通过独立组网SA技术，可以利用网络切片灵活使用网络资源，大幅提升网络服务质量，提供低时延。增强型4G基站，以及少量5G基站实现，但由于仍使用4G核心网，无法提供特别低的时延。需要等待5G技术的不断发展。5G核心网通过独立组网SA技术，可以利用网络切片灵活使用网络资源，大幅提升网络服务质量，提供低时延。

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高速率、大容量、低时延的三大特点，实现海量数据的接入和处理，保证服务的实时性和有效性。

5. 5G边缘计算网关在电网中的应用

5.1 业务背景

在电网输电中，变电站起着非常重要的作用——它是电力系统中电压和电流进行交换、接收和分配的场所，将发电机发出的电能升压后馈送到高处。电压网格。

随着智能电网的发展，变电站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。为了确保安全，需要专业人员实时监控变电站各部分的状况。

在现代变电站中，由于智能机器人等智能巡检设备的加入，不再需要像以前那样需要人工频繁的现场监控，减少了一定的安全隐患，提高了效率。然而，智能巡检机器人或变电站智能终端向监控中心传输的数据量不断增加，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

除了变电站内部的运维数据外，当电力从变电站输送到用户时，一天中不同时段的送电、不同区域所需的电力也是大数据，这使得数据处理比较麻烦，任务量大。

5.2 面向业务的5G边缘计算解决方案

利用5G和边缘计算网关设备，可以在边缘设备上存储和初步处理大量数据，然后将非常重要的信息，如存在安全隐患的数据，发送到监控中心，并发出预警信号。提出，使监管者能够发现并采取相应的措施，以达到效率和速度。

根据电网业务需求可分为：低时延智能配电、精准负荷控制业务、多联低压抄表、分布式接入业务及大带宽巡检机、应急通信业务；结合5G边缘计算，各类业务通过网关汇聚，接入边缘计算中心；根据业务需要，进一步上传至控制分站或主站。

面向业务的5G边缘计算解决方案如图2所示。

6 安科瑞智能网关产品方案

6.1 智能网关功能介绍

-- 终端设备与系统平台的数据交互桥梁

A：数据采集（支持串口、以太网，只需配置即可兼容各种支持标准电源协议的仪器）

B：数据上传（支持上传数据到上海分类分项用能平台、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（灵活的告警阈值设置、告警信息主动上传、数据合并计算、断点续传、数据加密、4G路由）

D：远程管理（远程配置、远程升级、远程监控）

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是安科瑞电气自主研发的一款具有全网通无线联网功能的通用型智能通讯管理机，适用于国家机关、企事业单位、事业单位、住宅及商业楼宇，在酒店、餐饮、商场等领域，可满足水、电、气、油、制冷、热、能源消耗分项计量数据采集等多种形式的消费需求。

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

☀楼宇能耗系统 ☀远程预付费系统 ☀消防系统 ☀楼宇智能化系统

技术特点

6.2.2 Anet-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为可拼装匹配的模块，主模块可可作为标准的智能通信管理机独立工作。整套设备可通过串口、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8路无源干接点，可采集门禁、浸水、烟雾等开关信息，并通过有线网络、WiFi网络上传报警、实时数据等信息，4G网络等链接。主模块可以灵活扩展与从模块，增加更丰富的应用场景，也可以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

☀楼宇能耗系统 ☀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. 系列简单协议转换模块

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、GPS、WiFi、CE、DP等通讯方式。下行接口提供标准的RS485数据接口，可方便地连接电能表、RTU、PLC、工控机等设备，仅需一次设备的初始配置完成后即可完成数据采集。同时，该系列无线通讯终端采用功能强大的微处理芯片，结合内置看门狗技术，性能可靠稳定。

可应用于以下行业：

■无线抄表；

■楼宇自动化与安防；

■机器人控制；

■配电网监控、电力负荷监控；

■智能照明控制；

■数据自动采集；

■工业遥控遥测；

■公路、铁路数据传输；

■其他电力及工控行业等。

a) 4G/NB/2G型号及技术参数

b) lora/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

七、结论

本文探讨了基于5G的边缘计算网关及其在电网中的应用，并结合变电站业务介绍了5G网络和边缘计算在变电站的应用方案。5G技术虽然还处于起步阶段，但初期部署也是采用非独立组网，不能充分展现其特性（如低时延）。相信随着5G和边缘计算技术体系的不断完善，5G技术在独立组网中的部署逐渐成熟，可以更准确、方便、快捷地处理更多的数据信息，从而达到提升数据传输的目的率和减少延迟

介绍

任何供暖、通风和空调 (HVAC) 系统的主要目标都是为建筑居住者提供舒适感并保持健康和安全的空气质量和空间温度。可变风量 (VAV) 系统通过优化所分配空气的体积和温度来实现节能 HVAC 系统分配。VAV 系统的正确操作和维护 (O&M) 是优化系统性能和实现高效率所必需的。

本设备最佳实践的目的是概述系统组件和维护活动，以保持 VAV 系统安全高效地运行。VAV 系统的定期 O&M 将确保整个系统在其整个生命周期中的可靠性、效率和功能。支持机构应为 VAV 系统的定期维护制定预算和计划，以确保持续安全高效地运行。

技术说明

VAV 系统以可变温度和气流速率从空气处理单元 (AHU) 供应空气。VAV 系统可以在许多商业建筑中找到，因为它们可以满足不同建筑区域的不同加热和冷却需求。与大多数其他空气分配系统不同，VAV 系统使用流量控制来有效调节每个建筑区域，同时保持所需的最低流量。

图 1 显示了一个典型的基于 VAV 的空气分配系统，由 AHU 和 VAV 箱组成，通常每个区域一个。每个 VAV 箱都可以打开或关闭一个集成风门来调节气流以满足每个区域的温度设定点。在 VAV 水箱具有辅助加热/再加热（电或热水）的某些情况下，该区域可能需要更多热量，例如带窗户的周边区域。

VAV 系统的一些功能包括：

图 1. 典型的基于 VAV 的 HVAC 配电系统。

VAV 箱或终端有两种主要分类 - 压力依赖型和压力独立型。

当通过储罐的流量随供应管道中的入口压力变化时，VAV 储罐被认为是压力相关的。这种控制方式并不理想，因为箱内的阻尼器仅根据温度进行控制，会导致温度波动和噪音过大。

与压力无关的 VAV 箱使用流量控制器来保持恒定流量，无论系统入口压力如何变化。这种盒子比较常见，可以更均匀、更舒适地调整空间。本指南的其余部分将重点介绍压力无关型 VAV 箱。

图 2 显示了典型的压力无关型 VAV 箱的示意图；在这种情况下，盒子还有一个再加热线圈。VAV 水箱具有三种运行模式：可变流量的冷却模式以满足温度设定点；死区模式，其中满足设定点且流量处于最小值以满足通风要求；以及当某个区域需要加热时的再加热模式。

图 2. 带循环再热的压力无关型 VAV 箱示意图。

有几种不同类型的 VAV 和接线盒。最常见的包括：

关键部位

此 O&M 最佳实践侧重于压力无关型 VAV 接线盒以及空气、水、电和控制的相关连接。

供应管道系统。每个 VAV 接线盒都连接到气源。这是从 AHU 提供空气的管道连接。AHU 的主要部件包括空气过滤器、冷却盘管和鼓风机，通常带有变速驱动器 (VFD)；参见图 1。供气系统的一个关键元件是管道压力传感器。压力传感器测量用于控制 VFD 风扇输出的供应管道中的静态压力，从而节省能源。

变风量接线盒。VAV 接线盒（见图 2）由许多单独的组件组成，包括：

区域温度控制。任何 VAV 系统的主要控制点是区域温度。区域传感器或恒温器向 VAV 控制器提供信号。

安全问题

与任何机电设备一样，在执行任何维护或诊断之前，所有方面都应断电至安全状态。根据制造商和电气安全建议，可以根据需要启用 VAV 系统功能以进行测试和验证或性能。标准电气和机械安全实践适用于这些系统。

技术维护

通过预防性维护对 VAV 系统进行适当维护将最大限度地减少总体 O&M 要求，提高系统性能并保护资产。请遵循设备制造商维护手册中的指南。

VAV 系统设计为相对免维护；然而，由于它们包含（取决于 VAV 箱类型）各种传感器、风扇电机、过滤器和执行器，因此需要定期注意。虽然一些维护活动是基于时间的预防措施（例如，验证执行器功能或检查、清洁和更换过滤器），但有些维护活动可能属于预测性维护类别，趋势温度数据可用于识别错误校准的传感器。下面提供了建议维护活动的示例清单。

重要的是在计算机化维护管理系统 (CMMS) 中保存所有已执行服务的书面记录，最好是电子记录。该记录应包括 VAV 储罐的识别特征（例如，储罐编号、位置和类型）、功能和执行的诊断、发现和采取的纠正措施。

维修清单

对于所有 VAV 维护，务必遵循制造商的建议。正确的维护只能由经过培训的合格人员进行。以下列表提供了按 VAV 组件类型推荐的操作和频率。此列表不能替代设备制造商的维护建议楼宇自控系统清单，也不能替代合同规定的 O&M 或保修服务。

性能监控

VAV 性能监控的最常见选项是使用结构的楼宇自动化系统 (BAS)。通过启用 BAS 的趋势分析功能，可以评估 VAV 系统的运行情况。这一趋势的主要收获包括：

运维成本

与定容系统的开/关循环相比，现代 VAV 系统旨在提高效率并减少整体磨损，因为系统风扇速度和压力会降低。然而，在区域级别，根据 VAV 箱的类型，VAV 系统可能需要更多的维护，因为风门、传感器、执行器和过滤器等附加组件。与定容系统相比，关于 VAV 维护的实际成本差异的可靠数据非常少。

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