面向电力物联网的户外智能维护与保养：融合型边缘计算装置设计

　　文/梁舜 锐捷网络股份有限公司

　　摘要：近年来，泛在电力物联网的建设推动了电力系统智能化发展，其中智能维护与保养解决方案的应用有效提升了维护与保养的安全性、合规性以及效率。然而，随着各种物联网技术的融合应用，快速增长的感知数据量对上行带宽的需求日益增加，给网络通路带来巨大压力，同时也面临着上行带宽瓶颈带来的信息实时性及可靠性的下降。针对上述问题及面临的挑战，本文设计了一种适用于户外维护与保养的集成AI算力单元以及多种无线通信技术的边缘计算装置总体架构，同时分析了关键模块的设计流程，并测试验证了关键性能指标，为解决方案实际应用提供一定参考，助力电力设施的维护与保养智能化发展。

　　关键词：电力物联网；边缘计算；无线通信技术

　　引言

　　随着智能电网和物联网技术的快速发展，电力物联网（IoT in power industry）已成为提升电力系统智能化水平的关键途径[1]。在电力物联网的建设中，边缘计算装置作为核心组成部分，发挥着至关重要的作用。这些装置能够在施工现场提供实时的数据处理和通信服务，为电力系统的稳定运行和高效管理提供了有力支撑，将云端的计算任务有效分配到网络边缘侧，降低数据传输带宽要求和云计算中心的计算负荷，提高电力系统业务需求响应的速度[2]。本文旨在提供一种集成多物联网通信技术，适用于户外电力维护与保养作业现场边缘计算装置的设计方案，为相关领域的研究和应用提供参考。

　　1. 背景

　　电力维护与保养是确保户外电力设施正常运行、延长设施使用寿命、预防安全事故发生的重要工作。户外电力设施如变压器、避雷器、电力电缆、配电柜等，由于长期暴露在自然环境中，容易受到风吹雨打、雷电冲击、温湿度变化等因素的影响，从而导致设备老化、损坏或性能下降。因此，定期进行设施维护与保养，可以及时发现并消除设备隐患，确保电网的安全稳定运行[3-4]。

　　目前现场维护与保养除了通过一人或多人协作的人工校验、检查、记录来提高安全性和信息收集以外，有条件的团队还能携带包括布控球、智能运维设备箱等信息化设备到现场，通过电子操作票、电子巡检、摄像头等工具，更加高效、准确地记录、校验现场操作信息，提高运维管理的水平和现场的安全性。

　　维护与保养现场不仅有常见的设备维修、老旧部件更换等操作，还需要收集各种传感器数据，包括配电柜内传感器、现场人员的安全帽、高压电塔或电线杆上的倾角传感器、位移传感器等。

　　2. 传统方案存在的问题及面临的挑战

　　（1）传统方案依赖于云端物理集中的算力资源，任何数据在云中心的处理效率无疑是最高的，然而随着越来越多的原始数据在网络边缘侧产生，在传统的云中心计算模式中，数据传输速度显然已经成为云边端架构中的性能瓶颈[5]。布控球作为维护与保养现场的流量大户，要保障视频数据流畅回传到远处的控制中心，以4k、H.265编码、30fps视频流为例，回传链路需要提供稳定的15～40Mbps的带宽，而在特殊情况下，现场可能会有4台布控球，若都连接到同一台路由器，则该路由器需提供稳定的60～160Mbps的上行带宽才能满足需求。在室内场景，有稳定的光纤接入，基本可以满足以上需求，但是在荒无人烟的户外、山林等场景，4G/5G的覆盖相对较弱，很难保证有良好的蜂窝接入，容易造成丢帧、卡顿，甚至断开连接的情况。这些网络延时和带宽的问题[6]，对于操作合规监控的实时性要求来说，是无法接受的。

　　（2）现场设备种类丰富，按传统方案进行维护与保养操作，运维人员需要携带布控球、LoRa网关、蓝牙网关、无线热点（一般是4G/5G CPE）、户外电源等，造成运维人员负担重、现场信息化部署时间长等问题。

　　（3）面对无网络场景，如何保障现场正常作业。在户外维护与保养场景，某些极端情况下，现场无4G/5G信号覆盖，不仅造成数据无法回传，云端无法对现场情况进行研判，员工在紧急情况下也无法与外界进行沟通，存在一定的人身安全隐患。

　　3. 融合边缘计算装置的设计方案

　　本文提供了一种带AI算力并集成多种数据通信技术及功能模块的边缘计算装置（以下简称“装置”）的整机设计方案。装置主要是针对电力能源设施维护与保养场景需求而做的开发，以强大AI算力为核心能力，集成多种数据交互通道，包括Wi-Fi，蜂窝、LoRa、蓝牙、北斗短报文等，同时还可以灵活扩展外接摄像头、人员定位、电子围栏等多种物联网应用，支持内置锂电池供电和外部供电两种方式，适应移动应急业务需求。这些技术的融合使得装置能够在复杂多变的施工现场环境中稳定运行，并提供高效的数据处理和通信服务。AI边缘计算技术使得装置能够在靠近数据产生源处对数据进行预处理、本地计算、推理研判，从而减少上传到云端的通信带宽需求，降低传输时延和传输功耗[7]。Wi-Fi、LoRa、蓝牙技术则提供了灵活的无线连接方案，方便施工现场物联网设备的互联互通、数据收集。结合云端的监管平台，形成云-边-端架构的智慧电力维护与保养整体解决方案[8-10]，通过云端集中管理、边缘快速响应与终端数据采集，实现了数据的高效实时处理，降低了对中心网络的依赖，增强了系统的安全性和灵活性，为电力设施维护与保养、户外施工提供了高效、可靠、灵活的技术支撑。

　　装置的整体设计框图如图1所示，考虑到开发灵活性和后续性能升级的兼容性，整机硬件采用模块化设计，主模块（AI算力卡）、5G模块、LoRa模块、Wi-Fi模块等均可以根据实际需求或相关技术的发展迭代进行选择适配，支持更轻量化或者更高级别的技术方案，甚至可在产品生命周期内通过简单地更换硬件实现整机性能的升级。

　　图1 整体设计框图

　　关键模块设计方案如下：

　　3.1 主模块

　　主模块是装置的核心部件，选用带AI算力的计算卡（如NVIDIA的Jetson Xavier系列，最大支持32TOPS算力，内置8核ARM处理器，32GB内存），主要负责智能解算、信息处理、数据存储转发，协议转换，网管路由等。系统采用双硬盘设计，增强系统和数据的健壮性，封装选用M.2 NVME SSD，减小系统尺寸并降低整机功耗，硬盘容量可根据实际需要进行选择。主模块安装在载板上，通过载板与Wi-Fi模块、系统监控板等次级主控模块以及5G模块、语音模块、LoRa模块、北斗模块、蓝牙模块等功能模块协同工作。

　　3.2 Wi-Fi模块

　　Wi-Fi模块在系统中的作用主要有两部分：一是AP功能，提供近距离Wi-Fi设备的接入（布控球、PDA、安全帽等）；二是无线网桥功能，与远端中继设备桥接，为远端机接入的Wi-Fi设备提供数据上联链路，扩大装置的信号覆盖范围。

　　Wi-Fi模块根据实际需求选择不同的主芯片方案，无线部分由三个MAC/PHY Radio以及对应的RF电路组成，提供射频链路匹配、滤波、功率放大、外部天线接口等。以博通公司的BCM47622方案为例，可支持多达上百个STA的接入，配合大功率FEM及内置全向天线，可满足现场近距离的PDA、布控球、安全帽等设备的接入需求。外挂的独立5G MAC/PHY Radio用作桥接口，射频链路通过ipex转N转接线接到装置外壳上，外部通过馈线连接到定向天线，配合远端机的对等性能定向天线及Wi-Fi方案，在满足一定吞吐性能的前提下，通过以下远场空间传输损耗公式计算，可实现300米以上的桥接距离，即

　　R=32.4+20log(D)+20log(M) （1）

　　M为工作频段，设为5.2GHz，R为射频链路预算，约为发射功率（23dBm）-接收灵敏度（-61dBm）+发射天线增益（8dBi）+接收天线增益（8dBi）-馈线接口损耗（2dB）=98dB，计算距离D约为366米。

　　有线部分，SoC内置GPHY引出MDI信号，经过隔离变压器及板间连接器，接入交换模块与主模块互通并传输数据，作为Wi-Fi模块的上联口，为接入的Wi-Fi设备及远端机接入的Wi-Fi设备提供数据上联通路。

　　3.3 交换模块

　　装置作为多控制器系统，各主控及模块之间选用以太网作为进行数据交互的通信协议。相比传统的I2C、SPI、RS485等板间通信协议，以太网有其他协议不具备的高带宽的优势，这也是Wi-Fi模块、加密算法模块对高带宽的需求。除此之外，为了将来能扩展其他通信协议网关，交换模块也能提供额外的以太网接口，为其他网关设备提供数据服务。由于系统内交换模块只提供数据交换及接口扩展功能，网关路由功能在主核心模块内实现，因此芯片方案选用二层交换芯片，相比三层交换方案，可降低模块的电路复杂度及软件开发工作量，减少整机的物料成本及开发成本，缩短产品开发周期。

　　3.4 系统监控模块

　　系统监控模块主要用于监控各功能模块的状态，并将状态通过OLED屏、指示灯阵列对外显示，便于使用人员快速识别系统状态。监控状态包括电池电量、Wi-Fi接入设备数量、LoRa设备数量、桥接信号强度、5G/4G信号强度、充电状态、北斗信号、设备温度等信息。由于状态信息数据量较小，监控模块主芯片方案选用MCU实现，通信协议选用MQTT传输协议。相比TCP/IP协议，MQTT传输协议效率高，对系统要求低，适用于低带宽低功耗的场景，也不需要庞大的协议栈，可以选用更低成本低配置的MCU型号。在主模块上运行MQTT服务端，收集各功能模块的状态信息并发布，监控模块通过MQTT协议从服务器订阅所需的信息，并在设备面板上指示。

　　3.5 5G模块

　　蜂窝模块优选5G模块（向下兼容LTE），目前5G芯片方案根据性能、Release版本有MTK T730/T850系列、高通X62/X72系列、展锐V510/V516系列等芯片方案可选，模组厂家优选移远、龙尚、有方。由于蜂窝模块开发门槛较高，常规应用一般直接购买模组厂家成熟产品，通过连接器安装在载板上，与主模块通过USB3.0协议进行通信，为整个系统提供数据上联链路。一般5G模块需要外接4根天线，天线阵子安装在天线支架上，通过馈线连接到5G模块的ipex座子。

　　3.6 蓝牙模块

　　蓝牙通信一般用作近场低速无线数据传输，装置的蓝牙模块用于收集回传现场蓝牙设备的数据。实际使用时可通过修改软件配置，将蓝牙模块修改为蓝牙串口功能，实现无线本地运维，进行串口调试。由于蓝牙方案成本较低，外围电路简单，可选择Telink的TLSR系列蓝牙芯片，直接在载板上实现设计，通过ipex将蓝牙天线引出到装置内部的天线支架上。

　　3.7 LoRa模块

　　LoRa模块市面上可选的比较多，一般为mini PCIe接口，通过SPI、USB等协议与主机进行通信，主机通过AT指令对LoRa模块进行配置、收发信息。若对LoRa功能性能有特殊要求的，也可单独设计LoRa模块，封装成mini PCIe金手指设计，兼容外购LoRa模组。

　　3.8 北斗模块

　　北斗模块由于应用的特殊性，有着较高的使用成本，模组和通信卡均在千元以上，考虑到应用选型的灵活性，采用外接方案，在装置侧边设计M12 X-code接口，预留出12V供电及RS232接口，供后续适配所需的北斗模块。

　　4. 方案实现及效果

　　装置整机装配的设计实现如图2所示。各主板模块均固定在主体支架上，支架固定在箱体上，电池组选用10AH军工级别三元锂电池组，配合系统低功耗设计，可支持10h以上续航，箱体可支持IP66以上的防水防尘等级，满足户外电力维护与保养场景的应用需求。

　　图2 整机装配示意图

　　多用户与桥接性能测试拓扑及测试结果如图3所示，通过部署不同数量的数据采集终端，测试本地无线数据通路的多用户吞吐性能。实际应用中，现场Wi-Fi终端数量一般在15个以内，高吞吐终端在5个以内，从测试数据看，完全满足实际应用需求。通过在室外拉远装置和远端机的距离，在两端分别部署一台数据采集终端，测试不同距离下的桥接性能。在200米距离下，桥接性能可达到接近250Mbps，满足远端接入的性能要求。

　　结语

　　本文设计了一款融合型边缘计算装置，该装置集成了AI边缘计算功能，融合了包括蜂窝、Wi-Fi、以太网、蓝牙、LoRa、北斗等通信技术，结合大容量电池组及防水外箱的设计，具备了较强的户外作业能力，还特别设计了网桥功能，大大提高了边缘计算装置的信号覆盖能力，对于户外电力维护与保养场景的边缘计算装置开发及解决方案设计具有一定的参考价值。

　　参考文献：

　　[1]马丁.基于RFID的电力设备管理系统的设计与实现[D].成都:电子科技大学,2019.

　　[2]刘国.浅谈边缘计算技术在风电行业的应用[A]//中国电力技术市场协会.2023年电力行业技术监督工作交流会暨专业技术论坛论文集（上册）[C].新疆：华润新能源投资有限公司新疆分公司,2023:3.

　　[3]陈川.电力运行设备的日常保养及维护探讨[J].低碳世界,2015(32):46-47.

　　[4]黄琳.论电力运行设备的日常保养与维护[J].科技创新与应用,2013(36):93.

　　[5]魏欢.边缘计算在电力行业的应用[J].信息技术与标准化,2021(4):15-21.

　　[6]洪学海,汪洋.边缘计算技术发展与对策研究[J].中国工程科学,2018,20(2):20-26.

　　[7]仝杰,齐子豪,蒲天骄,等.电力物联网边缘智能：概念、架构、技术及应用[J].中国电机工程学报,2024,44(14):5473-5496.

　　[8]祝文军,李炎,杨成,等.基于电力物联网的边缘计算技术应用[J].电子技术,2021,50(5):182-183.

　　[9]王亮,鲜柯.电力物联网中5G边缘计算技术的研究[J].电力大数据,2020,23(4):24-30.

　　[10]谢可,郭文静,祝文军,等.面向电力物联网海量终端接入技术研究综述[J].电力信息与通信技术,2021,19(9):57-69.

　　作者简介：梁舜，硕士研究生，工程师，459457721@qq.com，研究方向：无线通信与网络。

关注读览天下微信， 100万篇深度好文， 等你来看……