騰訊能源物聯網合作夥伴希望透過部署分散式邊緣分伺服器的新監控,管理和控制層來改變分佈式電能生產和消耗的管理方式。這些堅固可靠、功能強大的新型高速設備可以即時連接到所有分散設備,實現電能管理。上海工業園區是首個部署這種新型邊緣伺服器層的典範,這些設備基於康佳特(Congatec)支援即時功能的伺服器模組構建,該伺服器性能卓越,可提供從英特爾Xeon到英特爾Atom C3xxx處理器的廣泛性能和介面擴展能力,從而以高度自動的靈活方式滿足特定的本地需求。

電網呈現高度分散趨勢

在資訊產業,資料的生成與交換是最重要的生產因素和價值驅動因素之一。這一點對於電能產業尤為重要,各種電力用戶和發電廠越來越趨向於將集中發電轉換到高度分散式分區電網。如此龐大的網路拓撲結構增加了對大量即時資訊和同步的需求,以確保實現最優電網平衡。除此以外,還可以實現節能,例如,降低能源需求高的生產成本、節省環境耗能、保護氣候環境。因此,需要更多資訊來協助提升住房、工廠、城市甚至整個國家範圍內的電能效率。最後,最佳化送電管理的需求亟待解決,這需要遠端電錶管理這類新型服務設施來降低成本,或者採用人工智慧(AI)進行特殊峰值負荷控制,以實現基於用電量的收費,從而改進用戶體驗並且更有效地均衡整體日均能耗。

本地邊緣伺服器整體研究

面對各方需求,全球的電力公司採用了各種各樣的措施來應對每種具體的需求,從而實現智慧操作流程。但截至目前,沒有任何整體研究顯示所有相關電能管理設備能夠透過本地邊緣伺服器平台即時連接。這種新型的本地層級網路能夠管理分散式電力設備的整個電能生態系統,例如,它可以提供核心應用程式來實現公司內的多級電能協作、需求側回應、全面環境管理、高效營運和維護管理,以及以使用者為中心的電能服務,例如中國地區的綜合型能源服務公司(ESCO)。利用整合騰訊分散式服務架構(TSF)、電能物聯網,以及大資料分析和視覺化這些先進技術,可助力ESCO最佳化營運和維護效率,節省電能。

為了提供這項全面的服務,來自騰訊能源物聯網合作夥伴的能源市場專家將騰訊雲的技術功能與大型物件結合,與電網、產業領先的服務提供者、知名大學和研究機構協力合作,為綜合型ESCO提供服務全面且功能豐富的邊緣伺服器基礎架構。這項解決方案設計用於提供創新整合的下一代資訊和電能技術,支援傳統電力服務公司快速轉型。一旦此項服務全面上市,它將支援數千種電力設備、數百種電力協議,並且可支援線上編輯通用標準協定以及動態完成通用標準設備類型。

20190614TA71P1 圖1 智慧電網技術部署於發電、配電和用電領域。目前,隨著再生電能和電能管理需求提升,用電領域湧現了許多新需求。該新型邊緣伺服器平台設計用於管理用電領域內的所有需求,從小型電網到包含各種再生電源的智慧城市,助力實現本地負荷平衡。

最佳化回應時間

最佳化回應時間不是透過中央雲端或中央伺服器即可實現的,因為系統要求的限制因數是回應時間低於10毫秒,這樣控制系統才能準確回應不斷變化的電力來源和電力消耗。在中央雲端拓撲技術中,資料從源傳輸到中央雲端並備份的時間通常約為150~200毫秒。本地部署邊緣伺服器可以將電力設備和控制項之間的資料交換時間減少至2~5毫秒。這大幅縮短了延遲和回應時間,從而最佳化智慧電網應用的性能。

這正是騰訊能源物聯網合作夥伴推進在中國電網邊緣部署雲技術的動因。此前,市場需要構建一個邊緣伺服器系統來橋接所有不同的本地協定和互連,並提供強大的運算能力來支援協定轉碼、人工智慧和即時控制所有現場不同的全部設備,還能為設備間提供數十億筆消息傳輸所需的頻寬。此外,這套系統的設計需要能夠承受嚴苛的現場環境條件,例如提供抗高低溫、抗震動能力,還需為伺服器提供遠端系統管理等功能來確保可靠的運作,從而減少維護工作。由於這些系統還會用作本地物聯網閘道/集線器來與中央騰訊雲進行資訊交換,另外還要求其能夠透過行動設備上的QR或條碼掃描快速部署能源設備,它們還必須具備接入中央雲的高頻寬連接能力。

目前,系統整合商可利用一鍵掃描程式碼實現快速部署電力設備。利用這種掃描方式,系統可以快速將電力設備綁定到邊緣伺服器及其雲端(或「霧」)並對其進行參數設置。此外,系統在 部署模式下使用非接觸式感測器進行連續安裝和除錯。另有一個虛擬裝置庫,幫助用戶進行設備選型和評估。借助這些價值寶貴的功能和電腦輔助流程,設備安裝和部署週期已從一天縮減至一小時。安裝的上層使用憑證或金鑰授權方式來確保安全訪問設備。

20190614TA71P2 圖2 邊緣伺服器技術由騰訊雲和物聯網中心提供支援,設計旨在構建中國智慧電網的新邊緣伺服器層。此項技術支援數百種電力協定,能夠連接數千種不同的電力設備,可接入數十億台電能設備設施並發出數萬億條消息。

部署現實應用

自2018年5月起,電力邊緣伺服器新平台已完成首次現場測試,並將在上海工業園區部署首個現實應用,實現即時採集所有類型的資料,進行資料動態監控、電力分析、成本運算、性能評估,並具報告發佈、能源管理最佳化與節能潛力等特性。具體服務範圍包括技術負荷和安全問題,以及管理採購與銷售合約,涵蓋風險與能源效率管理。

未來的目標是實現更大容量、更強智慧、更快速度的互連:憑藉騰訊雲全球資料中心強大的綜合運算能力和邊緣系統,這種分散式邊緣伺服器層可支援數十億個電能設備接入點,能夠可靠傳輸數兆個消息與決策。系統採用分散式邊緣伺服器邏輯,能夠以最低成本實現住房、小型電網到智慧城市和虛擬電網的最高能源效率,因此所有這些功能都能即時進行。研究預測,依每1,000名居民需要一台邊緣伺服器計算,構建中國全國範圍的邊緣伺服器基礎架構需要約126萬台邊緣伺服器。因此,只需在接下來幾年裡部署大量邊緣伺服器即可實現目標,但近期的設備安裝項目至少已打下第一部分堅實的基礎。

20190614TA71P3 圖3 透過一個儀表板可向綜合型能源服務公司提供所需的全部資訊,協助最佳化營運和維護效率,並節省電能。

20190614TA71P4 圖4 伺服器模組設計採用模組化方式,因此邊緣伺服器硬體平台可在單系統設計中擴展處理器性能和I/O介面。模組是基於PICMG發佈的COM Express Type7標準。康佳特與系統整合商和英特爾合作,負責提供全部硬體平台,包括所有必要的測試和服務。

COM Express帶來的硬體適應性

對於新一代邊緣設備的自我調整硬體,邊緣伺服器設計人員已選用基於COM Express Type7模組的靈活系統設備。這些模組採用標準規格和散熱解決方案,具備伺服器級性能和功能。模組為應用就緒的超級元件,包括CPU、控制集線器、記憶體,以及USB、PCIe和乙太網路連接等核心功能單元。COM Express Type7模組是目前首款支援數個萬兆乙太網路連接的模組。在快速連接方面,它可提供多達32條PCIe通道,為基於深度神經網路的人工智慧應用增加快速NVMe儲存,以及GPGPU。應用程式的具體設計透過裝有應用程式特定連接線和外設的載板來執行,這樣只需更換模組即可用一種載板設計實現不同的性能等級。這種策略還為未來的更新換代帶來優勢,只需更換功能更加強大的模組型號即可輕鬆整合更高性能。

伺服器模組

首批系統基於搭載英特爾Xeon D15xx處理器的模組,多達16核心、32執行緒。這些處理器是英特爾AVC2擴展版本,具有更高的核心性能,可在與人工智慧和英特爾TSX-NI相關的多個數據物件上執行相同的運行操作,核心聚焦於多執行緒性能轉換,協助提升平行運行效率。所有這些特性造就了優異的功率性能,確保電量產出高、整體伺服器級性能優。可根據英特爾Atom C3xxx處理器選擇具體配置。這些處理器支援多達16核心,是針對需要處理小型封裝尺寸,並且耗能低至11W TDP的所有設備的理想選擇。兩個模組均可提供ECC RAM,具有高資料完整性,支援‑40℃~+85℃的擴展溫度範圍,即便在極端條件下,依然能保證出色的可靠性。德國康佳特與系統整合商和英特爾合作,負責提供全部硬體平台,包括所有必要的測試和服務。

騰訊能源物聯網合作夥伴技術長張志東表示:「非常榮幸能夠與康佳特合作開展此能源邊緣伺服器專案,這是一項全新的服務,德國技術在地化的支援,便於雙方順利溝通專案需求。而且康佳特引領COM Express Type7標準制定,是獨一無二的理想供應商。」

20190614TA71P5 圖5 康佳特的COM ExpressType7電腦模組conga-B7AC/B7XD部署在近期的上海金山工業園區項目中,可從12W TDP英特爾Atom C3000擴展到英特爾Xeon D16核心、32執行緒處理器。