CN113515514A - 基于云边协同的多级边缘计算体系架构及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于云边协同的多级边缘计算体系架构及其实现方法，所述基于云边***的多级边缘计算体系架构包括核心云数据中心、边缘数据节点和配网侧与用户侧设备，所述边缘数据节点基于就近采集数据的规则进行数据采集并将采集的数据上传至核心云数据中心，用于核心云数据中心的数据分析和利用，其中边缘数据节点包括区域边缘计算节点和站级边缘计算节点；所述边缘数据节点和本地配网侧与用户侧已配置的电力设备、边缘中间设备共同组成三级路由结构并基于高速电力线载波进行数据的传输。本发明能够实现电力相关数据的融通，有效激发数据价值，提升数据应用创新能力。

Description

基于云边协同的多级边缘计算体系架构及其实现方法

技术领域

本发明涉及电力通信技术领域，尤其涉及一种基于云边协同的多级边缘计算体系架构及其实现方法。

背景技术

电力物联网的建设不仅要求现有的电力物联网***能够实现“一次采集、处处使用”，解决数据共享问题，还要连接更多对象，例如电力用户及其设备、电网企业及其设备、发电企业及其设备、供应商及其设备、以及人和物的连接，采集更丰富的信息，支撑更广泛的应用领域，通过信息的广泛交互和充分共享，支撑电网业务和新兴业务的发展。随着这些“新”数据的到来，将从管理、技术和人员等多个层面给现有数据中心带来压力和挑战。例如，面对海量的新、老数据如何统一管理，现有***如何改造才能更好的支撑数据贯通，如何利用物联网数据打造新业态，如何开发数字产品实现数据运营等等。总之，电力物联网的建设在拓展了电网公司的服务边界的同时，也对自身的“驾驭”数据能力提出了更高的要求。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种能够实现电力相关数据的融通，有效激发数据价值，提升数据应用创新能力的基于云边协同的多级边缘计算体系架构及其实现方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于云边协同的多级边缘计算体系架构，其包括：核心云数据中心，所述核心云数据中心用于对所收集的数据分析与利用；边缘数据节点，所述边缘数据节点基于就近采集数据的规则进行数据采集并将所采集的数据上传至核心云数据中心；配网侧与用户侧设备，所述配网侧与用户侧设备通过边缘中间设备向所述边缘数据节点传输数据；

所述边缘数据节点还用于为本地化应用提供数据支撑，所述边缘数据节点包括区域边缘计算节点，所述区域边缘计算节点包括：内网云，所述内网云用于为属地机构提供完整的数据服务功能并用于支撑配网侧与用户侧应用的部署；外网云，所述内网云与外网云间部署有逻辑强隔离装置，所述外网云用于支撑对外服务类应用的开发、部署和运维，并为售电单位、自来水机构、燃气单位中的至少之一提供抄表和计量计费的数据服务；

所述边缘数据节点还包括向所述区域边缘计算节点汇总数据的站级边缘计算节点，所述站级边缘计算节点通过边缘物联代理、智能配变终端、集中器中至少之一的边缘中间设备和配网侧与用户侧设备相连接且用于物联管理终端的配网侧与用户侧设备接入和采集链路的闭环监控。

优选方式下，所述区域边缘计算节点通过IaaS层、PaaS层、DaaS层与SaaS层的四层结构提供所述内网云与外网云的数据服务功能；所述IaaS层基于服务器组建资源池且用于提供虚拟机、物理主机、容器主机中至少一项的计算服务、存储服务与网络服务；所述PaaS层用于提供关系型数据库、内存数据库、实时数据库、时序数据库、GIS数据库中至少一项的数据库服务以及消息服务和中间件服务；所述DaaS层用于向SaaS层提供数据服务，所述DaaS层数据服务中的数据包括核心云数据中心的主数据、业务数据以及站级边缘计算节点所采集的数据；所述SaaS层采用微服务架构且利用API网关支撑应用的开发、部署和运行。

优选方式下，所述边缘数据节点为核心云数据中心提供采集数据的预处理，所述预处理包括数据解析、转换、清洗、校验、增补中的至少一项操作。

优选方式下，所述核心云数据中心和边缘数据节点基于统一的数据服务目录与数据中心间的高速网络进行数据共享。

优选方式下，所述配网侧设备包括智能终端、低压断路器、无功补偿装置中的至少之一，所述用户侧设备包括智能电表、智能家居、电动汽车充电桩、分布式电源中的至少之一。

一种基于云边协同的多级边缘计算体系架构的实现方法，基于所述基于云边协同的多级边缘计算体系架构，所述实现方法包括：

S1：在基于云边协同的多级边缘计算体系架构中部署核心云数据中心与边缘数据节点，所述边缘数据节点包括区域边缘计算节点和站级边缘计算节点；

S2：所述配网侧与用户侧配置的电力设备、边缘中间设备和边缘数据节点组成三级路由结构并通过高速电力线载波传输数据；

S3：所述边缘数据节点基于就近采集数据的规则通过边缘中间设备采集配网侧与用户侧配置的电力设备数据；

S4：所述边缘数据节点将所采集的数据上传至核心云数据中心，所述核心云数据中心对所采集的数据分析及利用。

本发明的有益效果为：本发明基于“核心+边缘”的云边协同多级边缘数据计算节点建设模式，将核心云数据中心与边缘数据节点结合，形成逐级下沉的多级计算节点模式，实现数据融通、云边协同，有效激发数据价值，提升数据应用创新能力。

附图说明

图1为本发明的一种基于云边协同的多级边缘计算体系架构的示意图；

图2为本发明的一种基于云边协同的多级边缘计算体系架构的实现方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包括一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

具体实施例：

根据本发明的一个方面，提供了一种基于云边协同的多级边缘计算体系架构。其中，云边协同指的是云端和边缘端设备的交互协同；所述边缘计算可以指在更靠近终端的网络边缘上提供服务，即在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的分布式开放平台，就近提供边缘智能服务。在电网领域，边缘计算可以对传感器、智能设备、智能终端的多重数据进行就地处理与分析，就近提供边缘智能、敏捷联接、实时判决、数据优化、安全保护，提高数据传输与处理效率，以满足电网中设备及用户的快速响应需求，为智能调度、主动配电网、配电物联网等应用提供支撑。电力物联网的数据大多也来自电网的边缘，在源端就近使用这些数据，挖掘数据价值，更有利于提高供电可靠性、增强和客户的高效交互。

本发明中，数据通过边缘计算节点/边缘云采集，本地就近利用，同时同步支撑部署在云端的集中式业务***，云端可以举例为省数据中心，然后在云端“沉淀”下来，开展大数据分析与利用，反向为边缘云提供算法和智能。

本发明采用的基于云边协同的多级边缘计算体系架构，将云端的存储、计算能力向边缘延伸，实现就近提供服务和边缘智能。电力物联网领域不同于商业物联网的单向数据流动，电力物联网领域的云端和边缘端的数据大多是双向传输的，既涉及到边缘端将采集的数据上传至云端，也涉及到云端向边缘端下发控制指令，尤其是随着智能家居、电动汽车、分布式能源、虚拟电厂的发展，边缘端与云端的交互更为频繁。

具体地，从总体架构上看，本发明的所述基于云边***的多级边缘计算体系架构包括核心云数据中心、边缘数据节点以及配网侧与用户侧设备，所述边缘数据节点基于就近采集数据的规则进行数据采集并将采集的数据上传至核心云数据中心，用于核心云数据中心的数据分析和利用，其中边缘数据节点包括区域边缘计算节点和站级边缘计算节点；所述边缘计算节点和本地配网侧与用户侧已配置的电力设备、边缘中间设备共同组成三级路由结构，基于高速电力线载波进行数据的传输。

其中，所述区域边缘计算节点可以部署在区域电网公司，主要为属地公司提供在营配贯通和客户服务领域的基于电力物联网的智能化服务，所述区域边缘计算节点的英文名称为Region Edge Computing、简称REC；所述站级边缘计算节点可以围绕大型园区、产业基地、储能站、分布式能源等单位建设进行布置，对外提供虚拟电厂、能效管理等服务，所述站级边缘计算节点的英文名称为Station Edge Computing，简称SEC。

其中，所述核心云数据中心例如是布置在省级的云数据中心，通过将云数据中心的服务或能力扩展到边缘数据节点，实现中心-边缘***、全网算力调度、全网统一管控等，构建逻辑统一、物理分布的分布式云计算架构，共同支撑电力物联网的数据处理。

其中，所述边缘数据节点又可称为边缘计算节点，可以由位于现场例如电网侧、用户侧等的各类采集装置、集中器、传感器、物联代理等共同组成，承担着数据采集、协议转换、数据路由等功能。所述集中器和物联代理装置，主要针对非智能型采集装置和传感器的而言，通过物联代理的集中器或物联代理网关实现统一接入。

优选地，本发明的边缘数据节点由边缘云服务***、边缘接入服务***、边缘数据服务***、边缘应用服务***、云边协同服务***和安全管理体系***中的至少一个组成。

具体地，对于边缘云服务***而言，边缘云服务优选以私有云的方式，为边缘数据节点提供计算、存储、网络资源。在所述边缘云服务***中，可选地，所述区域边缘计算节点包括内网云和外网云，内网云和外网云之间部署逻辑强隔离装置，所述内网云为属地机构提供完整的从感知层到应用层的数据服务并用于支撑配网侧和用户侧应用的部署；所述外网云用于支撑对外服务类应用的开发、部署和运维，并为售电单位、自来水机构、燃气单位中的至少之一提供抄表和计量计费的数据服务。

可选地，在边缘云服务***中，请参考图1，图1为根据本发明的一个优选实施例示出的基于云边协同的多级边缘计算体系架构的示意图。如图1所示，所述区域边缘计算节点采用IaaS层、PaaS层、DaaS层和SaaS层的四层结构：

在IaaS层，基于服务器组建资源池，提供虚拟机、物理主机、容器主机中至少一项的计算服务、存储服务和网络服务；另外，在外网云，区域边缘计算节点可以主要提供虚拟主机、对象存储、块存储服务。

在PaaS层，提供关系型数据库、内存数据库、实时数据库、时序数据库、GIS数据库中至少一项数据库服务，以及消息服务和中间件服务；另外，在外网云，区域边缘计算节点可以主要提供关系型数据库、时序数据库和中间件服务。

在DaaS层，为应用层提供数据服务，所述数据服务中的数据包括：来自省集中数据中心的主数据、业务数据；来自感知层的采集数据，以及经过清洗、转换、装配过的主题数据。其中，在外网云主要提供对外发布的交易信息、公告，以及来自外部单位的气象数据、行业数据，保存部分基础数据。

在SaaS层，采用微服务架构，利用API网关支撑应用的开发、部署和运行。

可选地，在边缘云服务***中，站级边缘计算节点主要由内网云构成，为周边用户提供SEC-IaaS、SEC-PaaS和SEC-SaaS服务，支撑虚拟电厂、综合能源管理等业务的开展。在外网部署少量物理主机，提供信息发布为主的服务。在技术路线上，站级边缘计算节点与区域级边缘计算节点相同，仅在规模上存在差异。

具体地，对于边缘接入服务***而言，边缘接入服务在边缘数据节点实现：在省级物联管理中心的调度下，实现物联管理终端的接入，并实现采集链路的闭环监控；在源端实现“一次采集，处处使用”，为本地化应用提供数据支撑。在边缘计算节点，通过本地接入网络，利用边缘物联代理、智能配变终端、集中器等智能设备，接入配网侧中的智能终端、低压断路器、无功补偿装置等设备或/和用户侧中的智能电表、智能家居、电动汽车充电桩、分布式电源等设备。在边缘计算节点形成终端设备、接入网络的本地闭环管理。采集数据经过解析、转换、清洗、计算后按需发送给本地化应用和省数据中心业务***，实现“一次采集，处处使用”。

具体地，对于边缘数据服务***，主要为核心云数据中心提供采集数据的预处理操作，所述核心云数据中心可以举例为省数据中心，并为本地化应用提供数据支撑，例如在源端为本地化应用提供采集基础数据，更具体地，用于故障诊断、线损分析的高频数据、扩展数据。可选地，所述预处理包括数据解析、转换、清洗、校验、增补中的至少一项操作，从而节省数据中心的计算资源、网络资源和存储资源。优选地，边缘数据服务***还可以设置或建立数据资源目录，确保省数据中心通过数据资源目录，可以随时方便地访问边缘数据，使用边缘数据。

具体地，对于边缘应用服务***，其在边缘数据服务***的基础上，提供基于微服务架构的开发、部署和运行环境。在内网云，为属地单位提供完整的一套从感知层到应用层的服务，支撑用电服务指挥***、综合能源管理平台等配网侧、用户侧应用的部署。在外网云，支撑对外服务类应用的开发、部署和运维，能够为售电商、自来水、燃气等单位提供抄表、计量计费服务。

具体地，对于云边协同服务***，省数据中心和边缘计算节点在云服务资源、安全管理、数据生命周期管理等方面互补协同，逻辑统一。通过统一的数据服务目录和数据中心间的高速网络实现数据的共享，全面支撑核心业务智慧化运营，全面服务能源互联网生态，促进管理提升和业务转型。

具体地，对于安全管理体系***，可以包括但不限于诸如人员安全信息管理模块、应用安全管理模块、设备安全管理模块和数据安全管理模块，基于多个管理模块对相应的信息进行分析并基于分析的结果和预设的执行规则，对相应的设备或应用执行相应的操作，例如向用户终端发送预警信息。

可选地，所述站级边缘计算节点基于核心云数据中心的调度，通过本地接入网络，利用边缘物联代理、智能配变终端、集中器中的至少之一的边缘中间设备，接入配网侧或/和用户侧的网络，以实现物联管理终端的接入和采集链路的闭环监控，其中配网侧的设备包括智能终端、低压断路器、无功补偿装置中的至少之一，用户侧的设备包括智能电表、智能家居、电动汽车充电桩、分布式电源中的至少之一。

可选地，所述核心云数据中心和边缘数据节点基于统一的数据服务目录和数据中心间的高速网络进行数据的共享。

本发明的技术方案具有以下技术效果：

(1)基于“核心+边缘”的云边协同多级边缘数据计算节点建设模式，将核心云数据中心与边缘数据节点结合，形成逐级下沉的多级计算节点模式，实现数据融通、云边协同，有效激发数据价值，提升数据应用创新能力。

(2)本发明的技术方案应用后，能够实现本地采集数据快速有效的直接利用，解决由于数据传输链路过长不能实时处理的问题，提升数据处理效率，用电采集率由T+1天降至分钟级频度；依托电能表实时召测、停电事件分钟级上报、线路跳闸监测等信息，精准研判故障原因及停电范围，缩短平均故障抢修时间；实现15分钟供电服务圈，就近实时处理终端数据，实现客户数据的全息感知、泛在连接、智慧调控，提升供电可靠性和服务水平。

(3)本发明的技术方案能够有效提升数据采集和处理效率，就近实时处理终端数据，实现用户数据的全息感知、泛在连接、智慧调控。以用电信息采集***为例，供电公司用电采集380万户，全省日采集的数据量为24014531条，遍历查询其中电表示数为7分钟，若采用本发明边缘数据节点的模式采集本地数据查询电表示数可以达到1分钟之内。用电采集频度由T+1天变成5分钟频度，特殊要求达到1分钟级。

(4)相对于现有技术，能够显著提升数据传输效率。在现有技术中，集中式数据中心采集数据本地取用传输过程为：电表—集中器—省公司用电信息采集***—营销基础数据平台—全业务数据中心—地市供服指挥***。实施本发明的区域边缘节点后，供服***本地部署，并采用高速载波HPLC技术，实现由电表—集中器—供服***各级边缘计算节点或计算节点处理完成，智能电表数据采集传输由7跳路由环节减少到3跳路由环节。

(5)本发明能够有效提升电力获得指数。依托区域边缘计算节点，对外业务延伸，整合用户资源信息，快速响应客户诉求，数据的深度挖掘，为客户提供个性化增值服务，提升供电可靠性和服务水平，促进营商环境，提高电力公司“获得电力”指数。

根据本发明的一个总的发明构思，本发明实施例还提供一种基于云边协同的多级边缘计算体系架构的实现方法，请参考图2，所述实现方法包括：

S1：在基于云边协同的多级边缘计算体系架构中部署核心云数据中心与边缘数据节点，所述边缘数据节点包括区域边缘计算节点和站级边缘计算节点；

S2：所述配网侧与用户侧配置的电力设备、边缘中间设备和边缘数据节点组成三级路由结构并通过高速电力线载波传输数据；

S3：所述边缘数据节点基于就近采集数据的规则通过边缘中间设备采集配网侧与用户侧配置的电力设备数据；

S4：所述边缘数据节点将所采集的数据上传至核心云数据中心，所述核心云数据中心对所采集的数据分析及利用。

应当注意，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，流程图中描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

本发明实施例的实现方法与本发明实施例的多级边缘计算体系架构相对应，在上述多级边缘计算体系架构的实施例阐述的技术特征及其有益效果均适用于实现方法的实施例中。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于云边协同的多级边缘计算体系架构，其特征在于，其包括：核心云数据中心，所述核心云数据中心用于对所收集的数据分析与利用；边缘数据节点，所述边缘数据节点基于就近采集数据的规则进行数据采集并将所采集的数据上传至核心云数据中心；配网侧与用户侧设备，所述配网侧与用户侧设备通过边缘中间设备向所述边缘数据节点传输数据；

所述边缘数据节点还用于为本地化应用提供数据支撑，所述边缘数据节点包括区域边缘计算节点，所述区域边缘计算节点包括：内网云，所述内网云用于为属地机构提供完整的数据服务功能并用于支撑配网侧与用户侧应用的部署；外网云，所述内网云与外网云间部署有逻辑强隔离装置，所述外网云用于支撑对外服务类应用的开发、部署和运维，并为售电单位、自来水机构、燃气单位中的至少之一提供抄表和计量计费的数据服务；

所述边缘数据节点还包括向所述区域边缘计算节点汇总数据的站级边缘计算节点，所述站级边缘计算节点通过边缘物联代理、智能配变终端、集中器中至少之一的边缘中间设备和配网侧与用户侧设备相连接且用于物联管理终端的配网侧与用户侧设备接入和采集链路的闭环监控。

2.根据权利要求1所述基于云边协同的多级边缘计算体系架构，其特征在于，所述区域边缘计算节点通过IaaS层、PaaS层、DaaS层与SaaS层的四层结构提供所述内网云与外网云的数据服务功能；所述IaaS层基于服务器组建资源池且用于提供虚拟机、物理主机、容器主机中至少一项的计算服务、存储服务与网络服务；所述PaaS层用于提供关系型数据库、内存数据库、实时数据库、时序数据库、GIS数据库中至少一项的数据库服务以及消息服务和中间件服务；所述DaaS层用于向SaaS层提供数据服务，所述DaaS层数据服务中的数据包括核心云数据中心的主数据、业务数据以及站级边缘计算节点所采集的数据；所述SaaS层采用微服务架构且利用API网关支撑应用的开发、部署和运行。

3.根据权利要求1所述基于云边协同的多级边缘计算体系架构，其特征在于，所述边缘数据节点为核心云数据中心提供采集数据的预处理，所述预处理包括数据解析、转换、清洗、校验、增补中的至少一项操作。

4.根据权利要求1所述基于云边协同的多级边缘计算体系架构，其特征在于，所述核心云数据中心和边缘数据节点基于统一的数据服务目录与数据中心间的高速网络进行数据共享。

5.根据权利要求1所述基于云边协同的多级边缘计算体系架构，其特征在于，所述配网侧设备包括智能终端、低压断路器、无功补偿装置中的至少之一，所述用户侧设备包括智能电表、智能家居、电动汽车充电桩、分布式电源中的至少之一。

6.一种基于云边协同的多级边缘计算体系架构的实现方法，其特征在于，基于所述基于云边协同的多级边缘计算体系架构，其实现方法包括：

S1：在基于云边协同的多级边缘计算体系架构中部署核心云数据中心与边缘数据节点，所述边缘数据节点包括区域边缘计算节点和站级边缘计算节点；

S2：所述配网侧与用户侧配置的电力设备、边缘中间设备和边缘数据节点组成三级路由结构并通过高速电力线载波传输数据；

S3：所述边缘数据节点基于就近采集数据的规则通过边缘中间设备采集配网侧与用户侧配置的电力设备数据；

S4：所述边缘数据节点将所采集的数据上传至核心云数据中心，所述核心云数据中心对所采集的数据分析及利用。

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