算网融合产业及标准推进委员会

电力行业边缘计算白皮书 （2022年） 版权声明 本白皮书版权属于算网融合产业及标准推进委员会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观点的，应注明“来源：算网融合产业及标准推进委员会”。违反上述声明者，编者将追究其相关法律责任。 参与编写单位 中国信息通信研究院、北京航空航天大学、国网信息通信产业集团有限公司北京分公司、中国电力科学研究院有限公司、浪潮电子信息产业股份有限公司、国网浙江省电力有限公司信息通信分公司、北京邮电大学、浙江九州云信息科技有限公司、天翼云科技有限公司、中能融合智慧科技有限公司、朗坤智慧科技股份有限公司、北京火山引擎科技有限公司、天津大学、思博伦通信、NVIDIA英伟达公司、EMQ杭州映云科技有限公司、网络通信与安全紫金山实验室、中国科学院自动化研究所、中国科学院重庆绿色智能技术研究院、中国科学院沈阳自动化研究院、边缘计算社区、北京奥思工联科技有限公司、天津安捷物联科技股份有限公司、北京信息职业技术学院。 主要撰稿人 宋平、穆琙博、王哲、刘轶、宋尧、毕立波、王春新、孙娴、曹卫红、仝杰、齐子豪、刘洁、杨洁、邹颖、王伯伊、邱凯义、李朕、王波、刘香男、毛冬、陈祖歌、柴瑶琳、党小东、张云畅、韩维娜、姜蔚蔚、胡卫国、曹荣、段云涌、胡建锋、安雨顺、张克铭、郑钦、毛旭初、胡杰英、陈松、王晓飞、沈建发、刘浩然、陆冠、张轶博、郭爱民、胡玉姣、贾庆民、樊荣杰、周赤、夏长清、史皓天、段嘉、黄磊、王鑫、黄杰 数字化转型是电力行业发展的必由之路，《“十四五”现代能源体系规划》提出要“坚持把创新作为引领发展的第一动力，着力增强能源科技创新能力，加快能源产业数字化和智能化升级，推动质量变革、效率变革、动力变革，推进产业链现代化”。作为一种数字化赋能技术，边缘计算受到电力行业广泛关注。边缘计算与AI、大数据、5G等ICT技术深度融合，满足电力行业全环节的实时性、智能化需求，赋能电力行业数字转型。 本白皮书以推进边缘计算在电力行业中发挥赋能作用、助力能源强国建设为目标，重点关注电力行业边缘计算的产业发展现状、参考架构、应用场景与典型案例、发展趋势等，为边缘计算在电力行业中落地部署提供重要参考。 一、电力行业边缘计算产业发展1 (一)边缘计算已成为行业数字转型核心引擎1 (二)边缘计算全面支持电力行业高质量发展4 (三)边缘计算对电力行业应用的赋能价值8 二、电力行业边缘计算参考架构11 (一)电力行业边缘计算参考架构11 (二)端侧11 (三)边缘侧14 (四)网络21 (五)云侧23 (六)安全25 (七)运维29 三、电力行业边缘计算应用场景与典型案例33 (一)发电场景33 (二)输电场景43 (三)变电场景50 (四)配电场景57 (五)用电场景60 (六)源网荷储协同互动场景65 四、电力行业边缘计算发展趋势72 (一)电力行业转型加速，推动电力行业边缘计算繁荣发展72 (二)边缘计算技术创新演进，满足电力行业应用场景需求73 (三)边缘计算体系化安全防护，构筑电力系统安全壁垒74 (四)电力行业边缘计算标准体系不断完善，引导产业规范化发展74 图1电力行业边缘计算产业视图7 图2电力行业边缘计算参考架构11 图3智能化采集信息分析场景36 图4某风场故障维修时间和因配件不到导致停机时间统计38 图5基于边缘计算的风机故障诊断及预警系统设计流程39 图6系统网络拓扑39 图7故障预测分级40 图8某风机原始功率曲线41 图9维修校准后某风机的功率曲线41 图10边云协同架构43 图11防鸟刺故障检测原理46 图12深度可分离卷积网络架构图48 图13输电线路边缘计算终端49 图14输电线路边缘计算终端实际应用效果50 图15边缘智能在变电侧的应用场景52 图16视频巡视54 图17无人机巡视55 图18变电站物联网边缘计算平台56 图19放电定位检测60 图20利用数据开放平台加速网格边缘服务62 图21基于边缘计算的大型建筑能源管理架构图64 图22基于联邦学习与边缘计算的资源管理自适应决策示意图64 图23源网荷储一体化协同场景示意图66 图24源网荷储应用示意图70 一、电力行业边缘计算产业发展 (一)边缘计算已成为行业数字转型核心引擎 大力推动数字经济发展，已成为全球各国激发经济增长的重要手段 。我国发布《“十四五”数字经济发展规划》，为推动数字经济高质量发展提供指导。以云计算、边缘计算、智能计算、高性能计算等为代表的各类前沿计算方式，从不同层级、不同维度，满足产业数字化转型过程中的算力需求，成为数字经济创新发展的重要推动力量。作为行业数字化转型的重要赋能平台，边缘计算通过在网络边缘位置，为各类行业用户提供数字化、网络化、智能化服务，以满足行业数字变革过程中在低时延、大带宽、智能分析、海量数据、安全可信、高效算力等不同方面的差异化需求。 目前，边缘计算已获得业界广泛关注。根据2022年Gartner最新发布的边缘计算技术成熟度曲线显示，边缘计算从技术概念区进入到期望峰值区，成为未来计算的重要趋势之一。随着产业数字化转型进入“深水区”，边缘计算在行业应用深度和广度上将得到进一步加强，广泛应用于工业、电力、医疗、交通、教育等众多领域。边缘计算充分利用近用户侧的先天优势，为行业用户提供低成本、高质量的服务。 1.边缘计算行业赋能作用 行业数字应用对承载平台在高效算力、海量接入、智能分析、安全防护、可信认证等多个方面提出高质量、差异化需求。边缘计算的行业赋能作用主要体现在以下四个方面： 网络赋能：边缘计算技术与5G技术深度融合，为行业应用提供低时延、大带宽、海量设备接入等网络能力，提供高质量的网络服务能力。 平台赋能：边缘计算平台与云计算平台之间实现高效协同，共同构建“云、边、端、网”于一体的行业应用运行平台。 创新赋能：边缘计算技术通过与大数据、人工智能等新一代ICT技术深度融合，在满足行业应用需求的同时，也深入行业内部，为行业应用自身创新提供基础。 安全赋能：通过以SASE为代表边缘安全服务，提高安全服务响应能力，降低部署成本，在边缘侧保障用户安全隐私和数据安全。 2.边缘计算发展现状 现阶段，边缘计算的基本内涵与架构已形成行业共识。“端、边、云”已成为边缘计算架构的基本组成，边缘计算网络为三者间协同联动提供必要基础。“端、边、云”架构为端侧设备提供了全面感知能力、为行业应用部署提供边缘服务能力、为应用高效运行提供多元算力供给能力、为数据的跨域流动提供协同联动能力，四项能力共同构建边缘计算赋能基础。 按照技术实现方式，边缘计算可分为：以5GMEC为代表的运营商边缘、以CDN改造、云算力下沉为代表的云边缘、以电力边缘计算、工业边缘计算为代表的行业边缘三类。三类边缘计算在部署位置、 服务能力等不同方面均存在差异。 政策方面，在行业数字化转型的大力驱动下，全球各国高度重视边缘计算的战略布局。以美国、欧洲为代表的发达国家，均将边缘计算列入产业数字化转型中的关键环节，对边缘计算技术进行统筹部署，并积极推进其创新应用。我国也高度重视边缘计算的发展，国务院 《“十四五”数字经济发展规划》等政策文件的相继发布，积极推进边缘计算在工业互联网等特定领域的技术、标准与产业发展。 市场方面，边缘计算相关政策陆续出台、发展环境不断完善，进一步推动了产业协同落地发展，边缘计算市场持续增长。据IDC《全球计算力指数评估报告》显示，未来5年，全球对边缘位置的算力投资增长速度将远快于核心位置。根据中国信通院市场和企业用户调研测算，2021年我国边缘计算市场规模达到436.4亿元，其中边缘硬件规模市场为290.2亿元，边缘软件与服务市场规模达146.2亿元，预计年平均增速超过50%，2024年边缘计算市场整体规模达1803.7亿元，增长空间广阔。 标准方面，国内外标准组织及联盟组织均加速推进边缘计算标准化相关研究工作。国外方面，欧洲电信标准化协会（ETSI）于2014年成立MEC标准工作组，目前已发布包括边缘计算平台架构、技术需求等多个标准。国内方面，中国通信标准化协会（CCSA）围绕工业互联网等典型场景，针对参考架构、技术要求等多个方面，开展了边缘计算标准化相关研究工作。中国通信协会面向边缘计算基准能力与 技术融合创新，已立项发布包括《边缘计算总体架构与要求》、《“边缘计算+”总体架构与要求》、《5GMEC基础设施共建共享技术要求》等在内的多项标准。 (二)边缘计算全面支持电力行业高质量发展 以习近平同志为核心的党中央创造性提出了“四个革命、一个合作”能源安全新战略和“能源强国”新目标，为新时代我国能源高质量发展指明了方向、开辟了道路。《“十四五”现代能源体系规划》提出要“坚持把创新作为引领发展的第一动力，着力增强能源科技创新能力，加快能源产业数字化和智能化升级，推动质量变革、效率变革、动力变革，推进产业链现代化”。 以“双碳”为目标，能源电力发展需要依托以边缘计算等为代表的新一代ICT技术，打造数字化技术支撑体系，全面推进ICT技术在电力行业各个业务环节不同场景的广泛应用，实现电力相关业务在数字空间的动态呈现、模拟与决策，不断提升电力企业的数字化与智能化水平。 1.边缘计算满足电力系统全环节业务需求 边缘计算是实现电力行业“数智”转型的关键技术。构建覆盖能源电力系统全环节的边缘计算体系，对外可以推动电源侧、电网侧、用户侧、供应链泛在互联，实现对电网和客户状态的深度感知，汇聚各类资源参与系统调节，促进源网荷储协调互动，支撑区域电力能源 自治；对内可以推动资源共享，实现源端数据融通和业务实时在线，汇聚各类数据进行共享应用，提升电网安全运行、企业精益管理和客户优质服务水平。 当前边缘计算技术在电力行业的发电、输电、变电、配电、用电与源网荷储协同互动六大核心业务场景中，均得到广泛应用。 发电场景：发电企业在边缘侧搭建数据采集分析平台，获取发电设备与系统实时数据，进行智能化分析，预测和优化发电过程，提高发电场景中的能源利用效率，降低设备故障率，减少运维工作量。 输电场景：为了解决传统人工巡检方式效率低、存在安全隐患等问题，利用边缘计算设备执行输电线路的巡检任务，是一种更为安全有效的解决方案。此外，输电系统具有传输距离长、地理环境复杂、气候多变等特点，可通过构建边缘计算平台，在网络环境复杂情况下及时获取并分析各类输电设备的海量信息。 变电场景：变压器的在线监测和故障诊断是变电侧的核心任务之一。基于边缘计算的在线监测和故障诊断技术是当前研究的热点研究方向。此外，在变电侧搭建边缘计算平台，可以满足变电站、换流站等厂站的设备管理和智能监控需求。 配电场景：配电业务场景主要涉及管理的测控主站，包括面向中压配电网和低压配电网的配电自动化主站。通过在配电 台区引入边缘计算网关（融合终端），构建以台区边缘计算网关为中心的低压配网一体化管控体系，在边缘侧进行数据汇集、计算与回传，实现接入设备的状态全方位感知与需求快速响应。 用电场景：用电业务场景涵盖家庭用电、商业用电、电动汽车充电等不同典型场景，利用边缘计算技术，一方面可以将智能电表与边缘计算网关协同，为用电设备提供智能化控制调节；另一方面可以在智能电表中嵌入计算芯片，提供边缘计算服务。 源网荷储协同互动场景：该场景业务涉及发电侧、输配电侧、用电侧等多个方面，借助边缘计算提供的高效智能算力，进行全网的数据采集与计算，实现源网荷储平衡化。 2.电力行业边缘计算产业视图 服务提供商 电力行业边缘计算产业视图 方案提供商 软 件 开 发 商 设 备 供 应 商 芯 片 供 应 商 网络运营商 图1电力行业边缘计算产业视图 电力行业边缘计算产业可分为芯片、设备、软件、网络、解决方案、服务等六大板块。在电力行业边缘计算产业链条中，上下游产业紧密合作、协同联动，在电力行业发电、输电、变电、配电、用电与源网荷储协同互动六大核心业务场景发挥赋能作用，助力电力行业数字化转型。于此同时