张忠伟

（国网秭归县供电公司，湖北 宜昌 443600）

0 引 言

随着经济的高速发展，社会各界对电力的需求不断增长，传统的电力监控系统已无法满足日益复杂的监控任务，存在监控范围小、信息传输效率低、数据收集及处理能力差等诸多问题，阻碍着电网智能化的进程。为了解决这些问题，提出了一种基于5G 通信技术的智能电力监控系统。5G 技术作为新一代移动通信技术，在带宽、传输速率和连接密度等方面具有显著优势，可以有效支撑大规模的智能终端设备的连接，实现低延迟和高可靠性的实时数据传输，为智能电网的成功构建提供了技术基础。文章通过系统层面的设计，利用5G技术在电力监控系统中的实时数据采集、传输、计算以及分析等环节的优势，旨在提升整体系统的监控能力。该系统不仅可以解决当前电力监控面临的各种挑战，而且对推进电网的智能化进程具有重要意义。

1 技术基础

1.1 电力监控系统

近年来电力监控系统得到了广泛的研究和应用，主要用于实时监测、控制、优化电力系统的运行状态，以确保电力供应的安全性、稳定性和经济性[1]。电力监控系统需要从各种传感器和设备中收集大量的监测数据，如视频、电压、电流以及功率等。同时，需要对这些数据进行预处理，便于后续对数据的分析和控制。电力监控系统需要实时监测电力设备的运行状态，及时发现系统的潜在故障。近年来，人工智能技术在这一领域取得了广泛的应用。电力监控系统通过训练神经网络和支持向量机等模型，可以更准确地识别故障类型和故障原因，提前采取措施，防止事故的发生[2]。未来，电力监控系统朝着智能化、高效化和安全化的方向发展。

1.2 5G 通信技术

5G 通信技术具有传输速率快、延迟低和连接密度高等优势。5G 通信技术的目标是实现真正的全球互联网接入，无论用户身处何处，都能获得高速、可靠的网络服务[3]。5G 网络的下行峰值速率可以达到10 Gb/s，比4G 网络的峰值速率快100 倍左右，使高清视频流、在线游戏和其他需要大量数据传输的应用变得更加流畅。而5G 网络的延迟预计将降低为1 ms左右，对自动驾驶汽车、远程医疗手术等需要实时响应的应用领域具有重要意义。5G 网络可以支持更多的设备同时连接，有助于智能家居、物联网和智能城市等领域的发展。5G 通信技术为电网监控和管理提供了高质量的无线通信支持，也为电力监控系统的智能化升级提供了重要技术保障[4]。

2 基于5G 通信技术的智能电力监控系统的组成

为灵活、高效地监控电力系统应用场景，设计了一种基于5G 通信技术的智能电力监控系统。该系统由边缘设备端、数据传输端和云服务器端3 部分组成，具体架构如图1 所示。

图1 基于5G 通信技术的智能电力监控系统架构

2.1 边缘设备端

边缘设备端作为电力监控系统的前端，承担着收集与预处理数据的重要职责。一方面，在电力设备场地内安装了高清网络摄像头等监控设备，进行实时视频监控，无线化采集电力设备的运行数据，如电压、电流和功率等。这些数据集由边缘计算一体机进行预处理，包括数据压缩和汇总，以降低核心网络负载。另一方面，配置了流媒体服务器，以处理监控视频数据流。流媒体服务器能从视频采集设备中获取实时视频流，并凭借流协议准确地将视频流推送至目标网络。

2.2 数据传输端

数据传输端的主要职责是构建边缘设备端与云服务器端之间的数据传输通道。在传输层，将客户前置设备作为数据采集设备与边缘计算设备的入网工具，并提供内网穿透服务[5]。这样即使在电力环境中无法建立专网连接的情况下，用户端与边缘设备端也可以直接通信，从而保证了系统的可扩展性与普适性。在数据传输过程中，采用面向可靠连接的传输控制（Transmission Control Protocol，TCP）协议，将收集的数据包上传至云端，同时保留本地备份。

内网穿透技术允许外部网络访问内部网络中的服务[6]。本次拟采用内网穿透服务器（Network Port Server，NPS），NPS 是一款强大的内网穿透服务器，能够提供易于管理的Web 管理端，支持TCP 协议、用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）流量转发、内网超文本传输协议（HyperText Transfer Protocol，HTTP）代理、内网socks5 代理协议以及点对点技术（Peer-to-Peer，P2P）等功能。在公网上部署NPS 服务器，在内网设备上配置NPS 客户端。当NPS 客户端启动后，会主动向NPS 服务器发起连接请求，连接成功后，NPS 服务器与内网设备进行通信。通过这种方式，使用公网设备访问内网设备的服务，实现客户前端设备的内网穿透功能。

2.3 云服务器端

云服务器端作为系统的后端，主要负责存储与分析电力监控数据，并实现与管理员的交互。在机房内部署了云平台，借助虚拟化技术，实现了计算和存储资源的统一分配，同时对监控数据进行集中管理和弹性资源扩展。

云服务器端的设备主要包括应用服务器和高可靠性存储阵列设备。其中，应用服务器包括流媒体服务器和Web 服务器。云端为管理员提供流媒体服务与Web 服务，用户端与云端通过浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）模式进行开发，用户可以直接通过浏览器控制边缘设备端的监控设备，从而提高整个系统的易用性和可扩展性。管理员可以通过浏览器访问云端服务器，访问整个监控系统；用户可以通过流媒体服务模块观看监控录像的回放。

3 基于5G 通信技术的智能电力监控系统的性能评估

3.1 实验设置

为了评估电力监控系统的性能，以视频数据为主要监控对象搭建了仿真实验环境。首先，使用Unity等测试工具构建了一个模拟的变电站场景，并设置高清摄像头作为测试的边缘端设备；其次，搭建了一个虚拟的5G 核心网络，具备接入和移动性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、会话管理功能（Session Management Function，SMF）和用户面功能（User Plane Function，UPF）等功能，以模拟5G 网络的运行环境；最后，将图像处理器（Graphics Processing Unit，GPU）作为云处理平台，用于处理和分析摄像头收集的视频数据，并且开发了一套视频流程序，实现对视频数据的编码、解码和传输。

3.2 实验指标

在仿真实验中，主要关注端到端视频传输延迟和网络传输丢包率2 个关键指标。

端到端视频传输延迟反映了从视频采集到云端播放的整个过程的总延迟，计算公式为

式中：Tsen表示视频采集和编码延迟，受编码复杂度影响；Ttrans表示5G 无线网络传输延迟；Tproc表示云平台视频处理延迟，受虚拟机配置和调度算法影响；Tbuff表示受网络缓冲和播放缓冲引起的延迟。

网络传输丢包率反应数据传输的可靠性，计算公式为

式中：totalsen指发送的视频数据包总数；totalrec指接收端实际接收到的视频数据包数。

同时，招募10 名志愿者，实时观看监控视频，对视频质量进行评分。采用1 ～5 分制的视频效果评分，以平均分作为视频质量的最终评价结果。

3.3 实验结果

实验变量为5G 网络信号强度， 分别为-50 dBm、-70 dBm 和-90 dBm。首先，将仿真平台摄像头采集的视频经过编码后发送到虚拟的5G 基站；其次，核心网将经过编码的视频数据转发到云服务器，云服务器接收并处理视频流，计算端到端的延迟和网络丢包率；最后，邀请被试者观看不同条件下的实验视频，并给出质量评分，评分结果如表1 所示。

表1 不同信号质量下电力监控系统性能的对比

由表1 可知，Td随着信号强度的减小而增加，这是因为5G 无线网络传输延迟和云平台视频处理延迟会随着信号强度的减小而增加，导致Td增加；PLR随着信号强度的减小而增大，导致视频质量下降。延迟的增加和丢包率的增大会影响视频的流畅度和清晰度，导致用户观看体验不佳，平均质量评分减小。

实验结果表明，网络条件是影响智能电力监控系统性能的关键因素。在实际的系统设计和优化过程中，可以通过提高信号质量、增加网络带宽、减少网络延迟等方式，提升系统的性能，增加电力监控系统的可靠性和扩展性，为电力系统提供高可靠、低延迟、可扩展的新型监控方案。

4 结 论

文章针对电力监控系统的应用需求，设计了一种基于5G 技术的智能电力监控系统。该系统由边缘设备端、数据传输端和云服务器端3 部分组成，具有无线采集监控信息、降低数据传输延迟和高可靠传输等优良性能。通过仿真实验证实，该智能电力监控系统满足电力系统对实时监控的需求，同时能灵活应对监控需求的变化。同时，该系统为电力系统提供了高可靠、低延迟、可扩展的新型监控方案，有利于推动电网向智能化的方向发展。