張忠偉
（國網秭歸縣供電公司，湖北 宜昌 443600）
0 引 言
隨著經濟的高速發展，社會各界對電力的需求不斷增長，傳統的電力監控系統已無法滿足日益復雜的監控任務，存在監控范圍小、信息傳輸效率低、數據收集及處理能力差等諸多問題，阻礙著電網智能化的進程。為了解決這些問題，提出了一種基于5G 通信技術的智能電力監控系統。5G 技術作為新一代移動通信技術，在帶寬、傳輸速率和連接密度等方面具有顯著優勢，可以有效支撐大規模的智能終端設備的連接，實現低延遲和高可靠性的實時數據傳輸，為智能電網的成功構建提供了技術基礎。文章通過系統層面的設計，利用5G技術在電力監控系統中的實時數據采集、傳輸、計算以及分析等環節的優勢，旨在提升整體系統的監控能力。該系統不僅可以解決當前電力監控面臨的各種挑戰，而且對推進電網的智能化進程具有重要意義。
1 技術基礎
1.1 電力監控系統
近年來電力監控系統得到了廣泛的研究和應用，主要用于實時監測、控制、優化電力系統的運行狀態，以確保電力供應的安全性、穩定性和經濟性[1]。電力監控系統需要從各種傳感器和設備中收集大量的監測數據，如視頻、電壓、電流以及功率等。同時，需要對這些數據進行預處理，便于后續對數據的分析和控制。電力監控系統需要實時監測電力設備的運行狀態，及時發現系統的潛在故障。近年來，人工智能技術在這一領域取得了廣泛的應用。電力監控系統通過訓練神經網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，防止事故的發生[2]。未來，電力監控系統朝著智能化、高效化和安全化的方向發展。
1.2 5G 通信技術
5G 通信技術具有傳輸速率快、延遲低和連接密度高等優勢。5G 通信技術的目標是實現真正的全球互聯網接入，無論用戶身處何處，都能獲得高速、可靠的網絡服務[3]。5G 網絡的下行峰值速率可以達到10 Gb/s，比4G 網絡的峰值速率快100 倍左右，使高清視頻流、在線游戲和其他需要大量數據傳輸的應用變得更加流暢。而5G 網絡的延遲預計將降低為1 ms左右，對自動駕駛汽車、遠程醫療手術等需要實時響應的應用領域具有重要意義。5G 網絡可以支持更多的設備同時連接，有助于智能家居、物聯網和智能城市等領域的發展。5G 通信技術為電網監控和管理提供了高質量的無線通信支持，也為電力監控系統的智能化升級提供了重要技術保障[4]。
2 基于5G 通信技術的智能電力監控系統的組成
為靈活、高效地監控電力系統應用場景，設計了一種基于5G 通信技術的智能電力監控系統。該系統由邊緣設備端、數據傳輸端和云服務器端3 部分組成，具體架構如圖1 所示。
圖1 基于5G 通信技術的智能電力監控系統架構
2.1 邊緣設備端
邊緣設備端作為電力監控系統的前端，承擔著收集與預處理數據的重要職責。一方面，在電力設備場地內安裝了高清網絡攝像頭等監控設備，進行實時視頻監控，無線化采集電力設備的運行數據，如電壓、電流和功率等。這些數據集由邊緣計算一體機進行預處理，包括數據壓縮和匯總，以降低核心網絡負載。另一方面，配置了流媒體服務器，以處理監控視頻數據流。流媒體服務器能從視頻采集設備中獲取實時視頻流，并憑借流協議準確地將視頻流推送至目標網絡。
2.2 數據傳輸端
數據傳輸端的主要職責是構建邊緣設備端與云服務器端之間的數據傳輸通道。在傳輸層，將客戶前置設備作為數據采集設備與邊緣計算設備的入網工具，并提供內網穿透服務[5]。這樣即使在電力環境中無法建立專網連接的情況下，用戶端與邊緣設備端也可以直接通信，從而保證了系統的可擴展性與普適性。在數據傳輸過程中，采用面向可靠連接的傳輸控制（Transmission Control Protocol，TCP）協議，將收集的數據包上傳至云端，同時保留本地備份。
內網穿透技術允許外部網絡訪問內部網絡中的服務[6]。本次擬采用內網穿透服務器（Network Port Server，NPS），NPS 是一款強大的內網穿透服務器，能夠提供易于管理的Web 管理端，支持TCP 協議、用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）流量轉發、內網超文本傳輸協議（HyperText Transfer Protocol，HTTP）代理、內網socks5 代理協議以及點對點技術（Peer-to-Peer，P2P）等功能。在公網上部署NPS 服務器，在內網設備上配置NPS 客戶端。當NPS 客戶端啟動后，會主動向NPS 服務器發起連接請求，連接成功后，NPS 服務器與內網設備進行通信。通過這種方式，使用公網設備訪問內網設備的服務，實現客戶前端設備的內網穿透功能。
2.3 云服務器端
云服務器端作為系統的后端，主要負責存儲與分析電力監控數據，并實現與管理員的交互。在機房內部署了云平臺，借助虛擬化技術，實現了計算和存儲資源的統一分配，同時對監控數據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，用戶可以直接通過瀏覽器控制邊緣設備端的監控設備，從而提高整個系統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，訪問整個監控系統；用戶可以通過流媒體服務模塊觀看監控錄像的回放。
3 基于5G 通信技術的智能電力監控系統的性能評估
3.1 實驗設置
為了評估電力監控系統的性能，以視頻數據為主要監控對象搭建了仿真實驗環境。首先，使用Unity等測試工具構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 網絡的運行環境；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據，并且開發了一套視頻流程序，實現對視頻數據的編碼、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，受虛擬機配置和調度算法影響；Tbuff表示受網絡緩沖和播放緩沖引起的延遲。
網絡傳輸丟包率反應數據傳輸的可靠性，計算公式為
式中：totalsen指發送的視頻數據包總數；totalrec指接收端實際接收到的視頻數據包數。
同時，招募10 名志愿者，實時觀看監控視頻，對視頻質量進行評分。采用1 ～5 分制的視頻效果評分，以平均分作為視頻質量的最終評價結果。
3.3 實驗結果
實驗變量為5G 網絡信號強度， 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過編碼后發送到虛擬的5G 基站；其次，核心網將經過編碼的視頻數據轉發到云服務器，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，并給出質量評分，評分結果如表1 所示。
表1 不同信號質量下電力監控系統性能的對比
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，平均質量評分減小。
實驗結果表明，網絡條件是影響智能電力監控系統性能的關鍵因素。在實際的系統設計和優化過程中，可以通過提高信號質量、增加網絡帶寬、減少網絡延遲等方式，提升系統的性能，增加電力監控系統的可靠性和擴展性，為電力系統提供高可靠、低延遲、可擴展的新型監控方案。
4 結 論
文章針對電力監控系統的應用需求，設計了一種基于5G 技術的智能電力監控系統。該系統由邊緣設備端、數據傳輸端和云服務器端3 部分組成，具有無線采集監控信息、降低數據傳輸延遲和高可靠傳輸等優良性能。通過仿真實驗證實，該智能電力監控系統滿足電力系統對實時監控的需求，同時能靈活應對監控需求的變化。同時，該系統為電力系統提供了高可靠、低延遲、可擴展的新型監控方案，有利于推動電網向智能化的方向發展。
