基于ICN 的電力物聯網多源信息接入技術研究

李喆鋒,姬艷鵬,李 杰,劉良帥,馮海燕

(1.國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021;2.國網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

電力物聯網的“最后一公里”是邊緣計算設備與智能側設備交互的關鍵媒介,是實現數字化轉型的重要建設內容,也是電網公司服務好社會廣大客戶的重要物質基礎,更是實現“碳中和、碳達峰”,構建以新能源為主體的新型電力系統的重要組成部分。然而由于現有通信接入方式較多、組網技術龐雜、標準不統一,致使通信鏈路利用率極低,無法實現電力應用數據的頂層復用,電力物聯網數據傳輸的效率和魯棒性也受到了嚴重影響。同時,對電力物聯網多方面的應用需求,有必要對電力物聯網多源信息有效接入技術進行研究。在此背景下,本文提出了一套詳細的研究方案,將時間敏感網絡(Time Sensitive Network,TSN)與信息中心網絡(Information Centric Networking,ICN)相結合以構建新型電力物聯網多源信息接入方法,充分利用TSN 高帶寬、低延遲的特點和ICN 支持以內容為中心的數據智能檢索的優勢,打造電力物聯網有效接入的統一規范標準,實現電力數據的高效傳輸。

1 國內外研究現狀及發展趨勢分析

1.1 電力物聯網接入技術研究

傳統電力物聯網的主要接入方式有電力線載波通信技術、無源光網絡、工業以太網光網絡,無線通信接入網包括無線公網、長期演進LTE230 MHz和LTE1.8 GHz電力無線通信專網。其中,電力線載波通信技術不需要額外增加通信線路的鋪設,只能作為光纖通信方式在一些特定場景下的補充[1-4];無源光網絡中間節點停電不影響后繼節點的通信,可以靈活地增加傳輸節點設備,通信服務擴容方便[5-7]。工業以太網光網絡可以提高組網的可靠性,但后繼節點信號傳輸需通過前面節點經光/電/光轉換進行傳輸,難以保證通信網絡的可靠性[8-11]。長期演進230 MHz為電力專用頻段,頻譜適應性強,但無線網技術門檻高,容易受到電磁兼容影響,導致電力無線專網的利用率不高。

1.2 TSN 研究

TSN 本質上是傳統以太網的擴展集,能夠兼容以往的以太網標準?；谝蕴W技術的IEEE 802.1TSN 逐漸成為工業4.0網絡標準的關鍵組成部分[12]。同時受到了工業界和學術界的高度重視,在工業通信領域,TSN 越來越被人所熟知[13]。

TSN 行業領軍企業主要有英特爾、思科、德國KUKA 等。2017 年博通的TSN 交換機提供了基于以太網支持的、標準的確定性實時通信機制[14]。2018年思博倫舉辦了“新時代汽車以太網、TSN 和V2X 通信測試技術研討會”[15]。另外,我國華為、中興等科技公司也開始了TSN 關鍵技術的研究[16-18]。

目前學術界針對TSN 主要關注以下方向:不同應用場景的探索及新型協議標準的完善,協議時延性能分析,門控調度算法的研究,時鐘同步精度對門控調度的影響等。Imtiaz等人對工業通信中AVB的時延性能進行了分析[19];埃因霍溫理工大學學者給出了一種基于定義合理的間隔去計算最壞延遲的方法[20];TSN 對時鐘同步精度的影響也得到了相關研究[21]。另外,TTE 中時間觸發的調度策略也有了一定的研究[22]。

在TSN 的不斷發展過程中,TSN 能夠提供可計算的、有保障的端到端時延,短暫的延遲起伏,以及極低的丟包率。這些優勢對于電力物聯網的多源信息有效接入研究來說是無價的。

1.3 ICN 研究

隨著網絡技術的發展與普及,用戶需求將成為移動互聯網發展的新核心。然而傳統IP網絡互聯架構在很多方面均難以適應現代用戶不斷增長的信息需求。與以主機地址為中心的傳統網絡體系結構不同的是,ICN 變成以內容為中心的網絡模式,忽略IP 地址的作用,具有低時延、低功耗、高可靠等特點[23]。同時,ICN將所有命名數據都由提供者加密保護,請求者均可以通過簽名驗證內容,而無論其來源[24]。

ICN 在移動性、安全性、可部署性等方面均具有良好的表現。全球已有多個國家針對ICN 的網絡系統架構、路由轉發機制、安全緩存機制等方向開展了深入研究。

2 基于ICN的電力物聯網接入技術方案

2.1 理論和實踐依據

本文提出一種將TSN 與ICN 相結合的新型電力物聯網多源信息接入方法,構建以TSN 和ICN 為核心的電力物聯網接入架構。該架構充分利用了TSN 高帶寬、低延遲的特點和ICN 支持以內容為中心的數據智能檢索的優勢,將為電力物聯網有效接入提供一個統一的規范標準,實現電力數據低時延、高可靠、高復用的高效傳輸。

2.2 以TSN 和ICN 為核心的電力物聯網多源信息接入架構

隨著現代信息通信技術的發展以及智能電網建設的不斷深入,各類新能源、智能終端、新業務開始大規模接入電力通信網絡,電力物聯網接入示意如圖1所示,端側是大量的智能感知設備,包括直升機、智能配電終端、機器人、單兵設備等,這些感知設備通過近場通信等技術將數據信息傳輸給邊緣代理裝置,集中處理后通過有線/無線長距通信上送到物聯管理中心,滿足上層業務系統需求。除了實現數據上傳和指令下發外,各智能感知設備數據又存在復用和關聯。與傳統通信方式相比,電力物聯網的組網方法、裝置、存儲介質及時效性方面都有了新的改變,電力物聯網對大帶寬、泛連接、低時延要求更高,因而亟須構建安全可靠、雙向互動的“普適化、全方位”的電力通信接入新模式。

圖1 電力物聯網接入示意

基于電力物聯網接入的發展趨勢和需求,結合ICN 數據與位置解耦、強制簽名以及網內緩存等特點,提出在網絡層部署ICN 的內容塊協議,在鏈路層使用TSN,構建以TSN 和ICN 為核心的電力物聯網多源信息接入通信架構。傳統IP 網絡采用“沙漏模型”的體系架構,下層協議的設計與底層物理鏈路相適應,上層協議的設計則對應相關應用,具有較高的邏輯性?！吧陈┠Ｐ汀敝凶钪匾氖恰笆菅辈糠值木W絡層協議,鑒于當前基于IP地址的“瘦腰”結構無法很好適應電力物聯網多源接入數據面向內容本身的轉變趨勢,制約了電力物聯網的發展,本文將對電力物聯網接入通信架構進行全新設計。ICN 中傳輸的數據包不再攜帶主機或端口的任何地址信息并可緩存在路由節點,使數據傳輸效率得到較大地提升。同時,ICN 基于名稱數據的路由方式徹底解決了IP 網絡中地址空間耗盡、內網穿透以及移動性問題。由此設想,若在“沙漏模型”的“瘦腰”處利用ICN的內容塊協議來代替傳統網絡協議,同時在鏈路層使用TSN,通過時分復用的思想為流量提供網絡需要的傳輸路徑并保證可靠的傳輸時延,構造基于ICN 的新型電力物聯網接入通信架構,使電力物聯網大數據量、高數據率、低延遲的發展需求成為可能。

綜上,基于ICN 的網絡通信整體架構如圖2所示,采用一種只有4層協議的體系結構,由上到下是應用層、網絡和策略層、數據鏈路層與物理層。其中應用層與當前物聯網一致,支持基于Co-AP的數據、管理、安全認證以及多種應用;網絡層主要完成子網間的數據包路由選擇功能。此外,網絡層還處理擁塞控制、網際互連等網絡中的問題;策略層取代了傳統網絡的傳輸層,能夠優化架構的同時提升訪問性能和數據共享能力?；诿麛祿W絡的路由轉發策略,該網絡架構能夠較好地支持數據緩存和組播交付,而不用像傳統網絡疊加各種通信機制或網絡協議。所以,在TSN和ICN 高效的網絡資源控制與系統調度下,基于ICN 的電力物聯網通信網絡架構將會被進一步簡化,為實現分布式海量數據儲存系統負載均衡奠定基礎,符合未來電力物聯網接入通信技術的設計要求。

圖2 以ICN和TSN為核心的電力物聯網接入通信架構

3 基于ICN的電力物聯網接入技術應用前瞻

3.1 新型電力系統多源異構數據采集、融合中的應用

智能電網可以實現故障遠程診斷、數據遠程采集、在線監測、遠程監控等,形成以傳統電網為基礎,集傳感通信計算與控制為一體的綜合數物復合型平臺。另外,由于智能電網采集到的數據來源眾多、數據形式不同、包含的時間尺度也不一樣,具有廣泛的多源異構性特征。所以新型電力系統對數據的傳輸、分析、處理和信息安全提出了更高的要求。同時,由于業務壁壘、標準差異、新能源及電力電子設備接入等原因,缺乏有效共享互通,新型電力系統多源異構數據的融合需求變得更為迫切?；贗CN 的電力物聯網多源信息有效通信接入技術為新型電力系統多源異構數據采集、融合提供了新方案,通過將傳統網絡體系架構“瘦腰”處的IP協議替換成基于ICN 的內容塊協議,使得多源異構數據以命名數據運行,不再包含IP主機地址,從而充分滿足大帶寬、大容量、大平臺的接入需求,進一步提升多源異構數據收集過程的可靠性,并且通過對多源異構數據的深度關聯、估計和整合,通過調用服務完成不同需求,實現多源異構數據的深度融合。

3.2 電力運維搶修智能化發展中的應用

在傳統模式下,以電力設備運行狀態為標準的檢修機制無法滿足目前電網發展的需求。以往傳統電力系統通信中對電纜溝道、電網設備狀態實時全面監測一直是電力系統運維檢修工作的難點和痛點。當電力系統出現事故后,由于技術、人工操作等因素使得查找故障點時間存在不確定,甚至因電力系統管理盲區難以做出全面分析而造成設備故障的擴大。

基于ICN的電力物聯網多源信息有效接入技術以“全方位、多維度、全感知”為特點融入電力系統運維搶修模式后,通過智能采集終端和通信設備,實時全面地將電氣運行設備參數、系統信息和環境檢測數據傳輸到電力物聯網智慧云平臺,基于多源異構數據進行深入的融合分析,并對設備運行狀態的故障信息加以診斷,從而對事故點進行精準定位和及時預警。隨后將相關數據傳輸到監控設備,使電力作業人員能夠及時掌握相關故障情況,并在最短時間內將應急物資調撥到搶修現場,避免故障定位不準、故障搶修不及時、運維搶修不合理等問題出現,使“被動運維”變成“主動運維”,進一步提升電力系統搶修的速度和效率,不斷提升供電可靠性與系統可靠性,增強客戶用電體驗感和“獲得感”,基于ICN 的電力物聯網中多源信息有效接入技術故障快速處理示意如圖3所示。

圖3 基于ICN的電力物聯網多源信息有效接入技術故障快速處理示意

4 總結及展望

本文針對電力物聯網中通信接入方式存在的問題進行了分析,主要對電力物聯網接入技術、TSN、ICN 的研究現狀進行研究,提出了一種基于TSN 與ICN 相結合的新型電力物聯網多源信息接入方案,實現電力系統各個環節萬物互聯、人機交互,實現“數據一個源、電網一張圖、業務一條線”,為電網智能化信息化的發展建設奠定基礎。最后,探討了基于ICN 的電力物聯網多源信息有效接入技術在電力通信業務接入方面的應用。

下一步,將結合電力物聯網有效接入的信息化建設,挖掘電網“最后一公里”設備的數據信息,利用機器學習技術進一步優化流量測量模型和流量控制策略,為電網信息化、數字化、智能化的轉型發展奠定堅實的基礎。