CN116112318A - 一种多核架构的电力边缘计算网关及电力隧道系统 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及电力隧道技术领域，提出了一种多核架构的电力边缘计算网关及电力隧道系统，包括采用独立架构设置的接入网关单元，千兆纳秒时钟同步交换单元和边缘计算单元；接入网关单元，被配置为实现协议网关的转换、实现协议转换以及实现支持自定义协议转换；用于实现各种接口设备接入、设备供电以及协议转换、数据存储等；千兆纳秒时钟同步交换单元，被配置为实现通过光纤环网搭建、数据交换以及时钟同步；边缘计算单元，被配置为实现采集数据的本地分析和就地联动控制处理。采用了三核独立架构的方式，融合高速交换、接入网关、边缘计算三个功能，在电力隧道内应用时，无需单独搭建通信主链路，降低产品间耦合，提高系统安全性。
Description
技术领域
本公开涉及电力隧道相关技术领域，具体的说，是涉及一种多核架构的电力边缘计算网关及电力隧道系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。
随着社会经济的快速发展，地下输电电缆已日渐成为国内外各大中心城市的电力供应大动脉。电力隧道风险尤其突出，包括：一是隧道运行环境恶劣，部分电力隧道存在积水和渗漏水；二是电缆严重密集隧道段较多，火灾群伤和大面积停电风险严峻；三是外破盜窃事件频发,占地下电缆故障总数的半数以上；因此，电力隧道输电电缆网的智能化监控导致数据传输以及处理量极大，对电力智能运维提出了严峻的考验。
发明人在研究中发现，目前传统的电力边缘计算网关多针对算力与接入，在电力隧道内应用时，需要单独搭建通信主链路，不能适合电力隧道复杂的工作环境对产品的苛刻要求，增强了产品间耦合，不能保证电力隧道系统安全性。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种多核架构的电力边缘计算网关及电力隧道系统，采用了三核独立架构的方式，融合高速交换、接入网关、边缘计算三个功能，在电力隧道内应用时，无需单独搭建通信主链路，适合电力隧道复杂的工作环境对产品的苛刻要求，降低产品间耦合，提高系统安全性。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一个或多个实施例提供了一种多核架构的电力边缘计算网关，包括采用独立架构设置的接入网关单元，千兆纳秒时钟同步交换单元和边缘计算单元；
接入网关单元，被配置为实现协议网关的转换、实现协议转换以及实现支持自定义协议转换；用于实现各种接口设备接入、设备供电以及协议转换、数据存储等；
千兆纳秒时钟同步交换单元，被配置为实现通过光纤环网搭建、数据交换以及时钟同步；
边缘计算单元，被配置为实现采集数据的本地分析和就地联动控制处理。
一个或多个实施例提供了一种电力隧道系统，采用上述的一种多核架构的电力边缘计算网关，采用电力边缘计算网关的千兆纳秒时钟同步交换单元的光纤环网作为通信主链路实现部署。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开中，采用了三核独立架构的方式，将高速交换、接入网关、边缘计算三个功能，通过独立的硬件实现，三者可以独立的升级替代。通过本实施例网关的实施，降低了各独立单元模块的复杂度，各个模块只负责自己的专用功能。同时可以根据需要，将各模块独立升级替代。可以通过千兆纳秒时钟同步交换单元的的光纤环网作为通信主链路，实现电力隧道监控系统的部署。
本公开的优点以及附加方面的优点将在下面的具体实施例中进行详细说明。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。
图1是本公开实施例1的电力边缘计算网关的结构框图；
图2是本公开实施例1的电力边缘计算网关的接入网关单元的结构示意图；
图3是本公开实施例1的电力边缘计算网关的千兆纳秒时钟同步交换单元的结构示意图；
图4是本公开实施例1的电力边缘计算网关的边缘计算单元的结构示意图；
图5是本公开实施例2的电力隧道系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。
实施例1
在一个或多个实施方式公开的技术方案中，如图1-图4所示，一种多核架构的电力边缘计算网关，包括：采用独立架构设置的接入网关单元，千兆纳秒时钟同步交换单元和边缘计算单元；
接入网关单元，被配置为实现协议网关的转换、实现协议转换以及实现支持自定义协议转换；用于实现各种接口设备接入、设备供电以及协议转换、数据存储等；
千兆纳秒时钟同步交换单元，被配置为实现通过光纤环网搭建、数据交换以及时钟同步；
边缘计算单元，被配置为实现采集数据的本地分析和就地联动控制处理。
本实施例中，采用了三核独立架构的方式，将高速交换、接入网关、边缘计算三个功能，通过独立的硬件实现，三者可以独立的升级替代。通过本实施例网关的实施，降低了各独立单元模块的复杂度，各个模块只负责自己的专用功能。同时可以根据需要，将各模块独立升级替代。可以通过千兆纳秒时钟同步交换单元的的光纤环网作为通信主链路，实现电力隧道监控系统的部署。
其中，采用独立架构设置，每一部分可以采用单独的处理器，接入网关单元、千兆纳秒时钟同步交换单元和边缘计算单元相互通信连接；
具体的，接入网关单元与千兆纳秒时钟同步交换单元之间通过网口连接，接入网关单元与边缘计算单元之间通过网口连接，接入网关单元与边缘计算单元通过串口或者USB接口连接。
在一些实施例中，如图2所示，可选的，接入网关单元包括相互连接的接入网关处理器以及接口模块。
可选的，接口模块包括蓝牙接口、总线接口、Sub 1G接口、数字量接口、模拟量接口以及开关量接口，分别用于支持各种接口设备的接入，接口设备包括蓝牙、RS485、CAN、Sub1G、数字量、模拟量、开关量等。
进一步地，接入网关单元还包括电源模块、电流检测模块以及故障报警模块，用于实现设备的供电，可以输出36V供电，支持电流监测、短路报警等。
接入网关单元的接入网关处理器被配置为实现协议转换网关，并且支持自定义协议转换，自定义协议指的是厂家自己制定的协议；
协议转换网关的实现，包括如下步骤：
步骤11、选择设备接入接口：可以包括蓝牙、RS485、CAN、Sub 1G、数字量、模拟量、开关量等的接口；
步骤12、设定设备接入协议，如当前支持自定义协议、Modbus协议、协议透传等；
步骤13、设定接入网关与平台的上行协议；
可选的，上行协议可以支持TCP透传、自定义协议、Modbus协议、MQTT协议等；
步骤14、当接入网关相应接口接收到设定的数据后，放入转发队列，通过上行协议，将数据转发至平台。
千兆纳秒时钟同步交换单元主要包括高速交换处理器，与高速交换处理器连接的交换芯片、NS级时钟同步管理芯片和MCU管理芯片。
交换芯片可以采用7口千兆交换芯片，支持2路千兆光口、5路千兆电口。2路千兆光口通过光纤构建光纤环网，实现电力边缘计算网关的通信主链路。
可选的，高速交换处理器，被配置为实现NS级时钟同步管理芯片与交换芯片配合，通过IEEE1588协议，实现NS级时钟同步。支持秒脉冲输出，秒脉冲输出支持同轴电缆方式、高速查分总线方式，支持时间戳RS232串口输出。
可选的，NS级时钟同步管理芯片与交换芯片配合的实现方法，包括如下步骤：
步骤21、选取NS级时钟同步管理芯片；
可选的，可以采用支持IEEE1588的千兆以太网芯片作为NS级时钟同步芯片，支持千兆以太网光、电模式；
步骤22、将NS级时钟同步管理芯片通过RGMII接口与交换芯片连接；
步骤23、当IEEE1588数据包经过NS级时钟同步管理芯片时，实现时间戳捕捉，将时间戳信息添加至数据包信息中。
本实施例的架构基于千兆纳秒时钟同步交换单元，集合NS级时钟同步，可直接应用于电力隧道内故障高精度定位应用。
MCU管理芯片实现交换芯片的初始化与管理，实现IEEE1588协议管理，具体的，包括如下步骤：
步骤2.1、MCU管理芯片上电后，通过SPI管理接口初始化交换芯片，包括交换芯片的端口工作模式等；
步骤2.2、MCU管理芯片通过MDIO总线初始化两片千兆以太网同步芯片；
具体的，初始化包括千兆以太网同步芯片的光电模式、使能IEEE1588V2时间戳功能、使能同步以太网模式；
步骤2.3、MCU初始化LWIP以太网协议栈，建立IEEE1588CLIENT和IEEEE1588SERVER，定时发送IEEE1588协议包；
步骤2.4、通过IEEE1588协议包的时间戳，计算IEEE1588 CLIENT和IEEE1588SERVER之间的时间差，并进行补偿，最终实现NS级同步效果。
边缘计算单元采用K510高速边缘计算芯片，峰值算力3TOPS，用于实现采集数据的本地分析和就地联动控制处理，通过分布式数据处理，可以减小服务器侧数据分析压力，进一步提高响应速度。
其中，数据的本地分析和就地联动控制处理的方法，包括如下步骤：
步骤31、设定边缘计算芯片分析方法、分析模型；
具体的，包括支持局部放电数据分析、高速录波电流数据分析、测温数据分析等；
步骤32、使能接入网关响应分析功能，设定后，当接入网关接收到响应类型的数据时，自动将数据通过TCP转发至边缘计算单元；
步骤33、边缘计算单元接收到数据后，根据数据类型进行相应的分析，并输出分析结果；
步骤34、接入网关接收到分析结果后，可根据设定进行本地联动。例如：设定局部放点概率超阈值时，通过本地联动信号，联动测温摄像机、高速录波电流终端进行数据采集；
步骤35、根据同一时间接收到的数据，进行综合分析，提高电缆故障类型识别准确率。
本实施例采用了三核独立架构的方式，将高速交换、接入网关、边缘计算三个功能，通过独立的硬件实现，三者可以独立的升级替代。可以实现业务隔离，降低了各独立单元模块的复杂度，各个模块只负责自己的专用功能，增加了灵活性，可以根据需要，将各模块独立升级替代。
实施例2
基于实施例1的网关，本实施例中提供电力隧道系统，如图5所示，所述电力隧道系统中采用实施例1所述的一种多核架构的电力边缘计算网关，采用电力边缘计算网关的千兆纳秒时钟同步交换单元的光纤环网作为通信主链路实现部署。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种多核架构的电力边缘计算网关，其特征在于：包括采用独立架构设置的接入网关单元，千兆纳秒时钟同步交换单元和边缘计算单元；
接入网关单元，被配置为实现协议网关的转换、实现协议转换以及实现支持自定义协议转换；用于实现各种接口设备接入、设备供电以及协议转换、数据存储等；
千兆纳秒时钟同步交换单元，被配置为实现通过光纤环网搭建、数据交换以及时钟同步；
边缘计算单元，被配置为实现采集数据的本地分析和就地联动控制处理。
2.如权利要求1所述的一种多核架构的电力边缘计算网关，其特征在于：接入网关单元与千兆纳秒时钟同步交换单元之间通过网口连接，接入网关单元与边缘计算单元之间通过网口连接，接入网关单元与边缘计算单元通过串口或者USB接口连接。
3.如权利要求1所述的一种多核架构的电力边缘计算网关，其特征在于：接入网关单元包括相互连接的接入网关处理器以及接口模块。
4.如权利要求3所述的一种多核架构的电力边缘计算网关，其特征在于：接口模块包括蓝牙接口、总线接口、Sub 1G接口、数字量接口、模拟量接口以及开关量接口。
5.如权利要求3所述的一种多核架构的电力边缘计算网关，其特征在于：接入网关单元还包括电源模块、电流检测模块以及故障报警模块。
6.如权利要求1所述的一种多核架构的电力边缘计算网关，其特征在于，接入网关单元的协议转换网关的实现，包括如下步骤：
选择设备接入接口；
设定设备接入协议；
设定接入网关与平台的上行协议；
当接入网关相应接口接收到设定的数据后，放入转发队列，通过上行协议，将数据转发至平台。
7.如权利要求1所述的一种多核架构的电力边缘计算网关，其特征在于：千兆纳秒时钟同步交换单元包括高速交换处理器，与高速交换处理器连接的交换芯片、NS级时钟同步管理芯片和MCU管理芯片。
8.如权利要求1所述的一种多核架构的电力边缘计算网关，其特征在于：高速交换处理器，被配置为实现NS级时钟同步管理芯片与交换芯片配合，实现NS级时钟同步。
9.如权利要求1所述的一种多核架构的电力边缘计算网关，其特征在于，MCU管理芯片实现交换芯片的初始化与管理，包括如下步骤：
MCU管理芯片上电后，通过SPI管理接口初始化交换芯片；
MCU管理芯片通过MDIO总线初始化两片千兆以太网同步芯片；
MCU初始化LWIP以太网协议栈，建立IEEE1588CLIENT和IEEEE1588SERVER，定时发送IEEE1588协议包；
通过IEEE1588协议包的时间戳，计算IEEE1588 CLIENT和IEEE1588SERVER之间的时间差，并进行补偿，最终实现NS级同步。
10.一种电力隧道系统，其特征在于：采用权利要求1-9任一项所述的一种多核架构的电力边缘计算网关，采用电力边缘计算网关的千兆纳秒时钟同步交换单元的光纤环网作为通信主链路实现部署。
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