基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的智慧物聯(lián)體系研究

孔震

通過(guò)對(duì)國(guó)家電網(wǎng)公司主配網(wǎng)通道、設(shè)備和客戶側(cè)的狀態(tài)感知現(xiàn)狀及問(wèn)題的分析，以及對(duì)消費(fèi)側(cè)物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)的特征比較，闡述基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的智慧物聯(lián)體系的構(gòu)建思路，提出重點(diǎn)加強(qiáng)業(yè)務(wù)邊緣計(jì)算能力的觀點(diǎn)，具體描述符合泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)要求的工業(yè)級(jí)智慧物聯(lián)網(wǎng)多層體系架構(gòu)，對(duì)其中物聯(lián)管理平臺(tái)、邊緣物聯(lián)代理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析基于物模型的設(shè)備管理、數(shù)據(jù)處理、連接管理、應(yīng)用管理、邊緣計(jì)算框架等功能，為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的智慧物聯(lián)體系建設(shè)提供依據(jù)。

一、引言

國(guó)家電網(wǎng)公司（以下簡(jiǎn)稱國(guó)網(wǎng)公司）提出的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)工作，旨在以互聯(lián)網(wǎng)思維，優(yōu)化傳統(tǒng)的信息通信及安全架構(gòu)，以“云大物移智鏈”等新技術(shù)為傳統(tǒng)電網(wǎng)賦能，提高電網(wǎng)的感知能力和互動(dòng)能力，進(jìn)而提升電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)效、客戶服務(wù)質(zhì)量和社會(huì)綜合能效，構(gòu)建廣泛互聯(lián)、開(kāi)放共享的能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈。

面對(duì)電網(wǎng)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)及智慧能源等新興業(yè)務(wù)，電網(wǎng)設(shè)備及客戶側(cè)感知、采集和監(jiān)控等需求日益增強(qiáng)，國(guó)網(wǎng)公司亟需構(gòu)建一套標(biāo)準(zhǔn)化、互動(dòng)化、智能化的物聯(lián)管理體系，以能實(shí)時(shí)感知各類設(shè)備及客戶側(cè)的海量運(yùn)行信息，并對(duì)傳感設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一接入管理，實(shí)現(xiàn)智慧物聯(lián)、深度感知、友好互動(dòng)的建設(shè)目標(biāo)。

二、現(xiàn)狀分析

國(guó)網(wǎng)公司經(jīng)過(guò)十多年的自動(dòng)化及信息化系統(tǒng)建設(shè)，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已具有一定基礎(chǔ)，狀態(tài)感知的范圍主要包括設(shè)備電流、電壓、功率等電氣狀態(tài)，設(shè)備故障、形變、放電、溫度等設(shè)備本體狀態(tài)，設(shè)備運(yùn)行場(chǎng)所溫濕度、煙感等環(huán)境狀態(tài)。在輸變電側(cè)，通過(guò)遠(yuǎn)程終端設(shè)備（Remote Terminal Unit，RTU）采集變壓器等主網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和電氣狀態(tài)，接入調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，設(shè)備及線路的環(huán)境狀態(tài)感知較弱。在中壓配網(wǎng)側(cè)，通過(guò)配電自動(dòng)化饋線終端裝置（Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU）和開(kāi)閉所及環(huán)網(wǎng)柜的終端設(shè)備（Data Transfer Unit，DTU）采集中壓配網(wǎng)設(shè)備的負(fù)荷、電壓、功率和開(kāi)關(guān)位置等遙測(cè)數(shù)據(jù)接入配電自動(dòng)化系統(tǒng)，但受限于當(dāng)前配電網(wǎng)量測(cè)裝置覆蓋率低，設(shè)備及線路的環(huán)境狀態(tài)感知較弱。在低壓配網(wǎng)側(cè)，通過(guò)智能配變終端（Distribution Transformer Supervisory Terminal Unit，TTU）采集配電變壓器等低壓配電設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，相關(guān)設(shè)備規(guī)模龐大但標(biāo)準(zhǔn)化程度低。在低壓臺(tái)區(qū)側(cè)，通過(guò)電表和用采集中器定時(shí)采集或召測(cè)用電關(guān)口數(shù)據(jù)接入用電信息采集系統(tǒng)。

與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)“全息感知、泛在連接、開(kāi)放共享、融合創(chuàng)新”的提升目標(biāo)相比，國(guó)網(wǎng)公司現(xiàn)有的設(shè)備及客戶側(cè)感知能力仍顯不足。一是公司現(xiàn)有感知系統(tǒng)由專業(yè)主導(dǎo)建設(shè)，以滿足專業(yè)應(yīng)用為主，各專業(yè)形成橫向條塊化、縱向垂直化的獨(dú)立體系，傳感設(shè)備重復(fù)部署，難以實(shí)現(xiàn)一次采集、共享共用。二是在配用電等環(huán)節(jié)，狀態(tài)感知設(shè)備覆蓋面不廣，設(shè)備狀態(tài)及客戶側(cè)用能信息感知不全且不及時(shí)。三是在互聯(lián)網(wǎng)側(cè)缺少感知來(lái)源，網(wǎng)絡(luò)部署結(jié)構(gòu)無(wú)法支撐綜合能源服務(wù)、數(shù)據(jù)運(yùn)營(yíng)等新業(yè)態(tài)發(fā)展。四是現(xiàn)有感知體系未按標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，難以集中統(tǒng)一管控，無(wú)法敏捷響應(yīng)應(yīng)用需求，需要大量現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維工作?；谏鲜鲈?，國(guó)網(wǎng)公司亟需構(gòu)建企業(yè)級(jí)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)智慧物聯(lián)體系。

三、總體思路

物聯(lián)網(wǎng)被IT業(yè)界認(rèn)為是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的“下半場(chǎng)”，率先在消費(fèi)側(cè)通過(guò)先進(jìn)的信息通信技術(shù)，接入個(gè)人或家庭的健康手環(huán)、智能盒子等海量終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)健康數(shù)據(jù)、消費(fèi)數(shù)據(jù)等非實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)的分布采集和集中處理，推動(dòng)了消費(fèi)側(cè)商業(yè)模式升級(jí)。支撐消費(fèi)側(cè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的物聯(lián)體系架構(gòu)通常采用弱邊緣智能計(jì)算、強(qiáng)集中智能處理的設(shè)計(jì)思路，即強(qiáng)化云平臺(tái)能力、降低邊端復(fù)雜度，以能夠進(jìn)一步降低消費(fèi)側(cè)感知設(shè)備的成本，最大程度拓寬感知范圍。以制造業(yè)為典型的工業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備本體的實(shí)時(shí)感知和就地控制，對(duì)設(shè)備本體感知設(shè)備的智能計(jì)算要求較高，其物聯(lián)體系架構(gòu)通常采用強(qiáng)終端智能計(jì)算的設(shè)計(jì)思路。

在電網(wǎng)系統(tǒng)，從變電站到客戶側(cè)，狀態(tài)感知的地域范圍逐步縮小、設(shè)備量級(jí)逐步增大，且需滿足工業(yè)級(jí)逐級(jí)控制的應(yīng)用場(chǎng)景要求，對(duì)區(qū)域邊緣、設(shè)備及客戶側(cè)等感知末端的接入種類、計(jì)算能力、安全性和智能化要求較高，而消費(fèi)側(cè)物聯(lián)體系架構(gòu)在邊緣和終端層面的相關(guān)能力尚有不足，傳統(tǒng)工業(yè)級(jí)物聯(lián)體系架構(gòu)在邊緣層面的相關(guān)能力也不充分。故而，滿足泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)要求的智慧物聯(lián)體系需重點(diǎn)加強(qiáng)物聯(lián)邊緣和終端的能力，在中心化的物聯(lián)平臺(tái)層面要支持多類型邊緣和終端的上行接入和下行控制，且邊緣和終端之間也需具備智能互動(dòng)能力，進(jìn)而支持區(qū)域自治等應(yīng)用場(chǎng)景。

四、體系架構(gòu)

結(jié)合泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)要求，借鑒業(yè)界成熟物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的智慧物聯(lián)體系采用“邊端分離、邊管共用”的多層體系架構(gòu)，參見(jiàn)圖1。在“端”側(cè)，即感知層，支持DTU、FTU、TTU、智能電表、采集器、充電樁、攝像頭、機(jī)器人等傳統(tǒng)設(shè)備，以及未來(lái)智能家居、辦公樓宇、工業(yè)園區(qū)等客戶側(cè)新型感知設(shè)備的接入。在“邊”側(cè)，即邊緣物聯(lián)代理，支持區(qū)域內(nèi)不同類型感知設(shè)備的統(tǒng)一接入和管理，并可實(shí)現(xiàn)基于邊緣物聯(lián)代理裝置的就地計(jì)算和區(qū)域自治，避免因海量數(shù)據(jù)上傳云端加工處理而產(chǎn)生的帶寬浪費(fèi)和響應(yīng)延時(shí)等問(wèn)題。感知終端通過(guò)短距離無(wú)線通信手段與邊緣物聯(lián)代理進(jìn)行交互，也可通過(guò)無(wú)線公網(wǎng)或無(wú)線專網(wǎng)直接接入物聯(lián)管理平臺(tái)。在“管”側(cè)，即物聯(lián)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)感知設(shè)備及邊緣物聯(lián)代理的統(tǒng)一管理，并對(duì)接入數(shù)據(jù)按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)發(fā)至“云”端的業(yè)務(wù)中臺(tái)/數(shù)據(jù)中臺(tái)，為業(yè)務(wù)分析和管控類企業(yè)級(jí)應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐。

此架構(gòu)的目標(biāo)是，末端感知設(shè)備只采集基本電氣或狀態(tài)量，不做復(fù)雜計(jì)算，通過(guò)在一個(gè)基本單元區(qū)域，如一個(gè)用電臺(tái)區(qū)范圍內(nèi)，部署一套邊緣物聯(lián)代理裝置，統(tǒng)一匯集和處理配網(wǎng)和營(yíng)銷等各專業(yè)末端采集信息并傳送至省級(jí)統(tǒng)一部署的物聯(lián)管理平臺(tái)，即通過(guò)感知終端與邊緣物聯(lián)代理的“邊端分離”，實(shí)現(xiàn)同區(qū)域范圍、不同專業(yè)間的“邊管共用”，避免感知設(shè)備因功能復(fù)雜導(dǎo)致成本偏高、因重復(fù)部署導(dǎo)致同類數(shù)據(jù)多次采集等問(wèn)題。

五、關(guān)鍵技術(shù)

（一）物聯(lián)管理平臺(tái)

物聯(lián)管理平臺(tái)通常在每省電力公司的云端部署一套，主要包括設(shè)備管理、數(shù)據(jù)處理、連接管理、應(yīng)用管理等功能模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)所轄范圍內(nèi)各類“邊“和”端”的智能設(shè)備的統(tǒng)一管理和狀態(tài)采集。

設(shè)備管理包括設(shè)備模型、設(shè)備注冊(cè)、設(shè)備影子、設(shè)備拓?fù)?、?shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程運(yùn)維等模塊。其中，設(shè)備模型是設(shè)備管理和數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)，借鑒信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physics System，CPS）理念，采用物模型（Thing Specification Language，簡(jiǎn)稱TSL）設(shè)計(jì)思路，即將物理空間中的實(shí)體模型化、數(shù)字化，從屬性（遙測(cè)）、事件（遙信）、服務(wù)（遙控）三個(gè)維度進(jìn)行模型定義及管理。屬性定義終端的靜態(tài)參數(shù)，如終端類型、終端ID等，以及量測(cè)量，如電壓、電流、有功功率等；事件定義終端發(fā)生的動(dòng)作，如過(guò)流事件、斷相事件、磁場(chǎng)異常事件等；服務(wù)定義對(duì)終端的控制操作，如終端對(duì)時(shí)、數(shù)據(jù)召測(cè)等。物聯(lián)管理平臺(tái)對(duì)各專業(yè)終端物模型進(jìn)行定義并下發(fā)到邊緣物聯(lián)代理，在邊緣物聯(lián)代理處，傳感信息聚合至物模型，上傳至物聯(lián)管理平臺(tái)進(jìn)行校核和數(shù)據(jù)規(guī)約轉(zhuǎn)換。設(shè)備影子通常是一段JSON格式的描述信息，用于存儲(chǔ)設(shè)備的在線狀態(tài)、設(shè)備最近一次上報(bào)的設(shè)備屬性值、應(yīng)用服務(wù)器期望下發(fā)的配置等。每個(gè)設(shè)備有且只有一個(gè)設(shè)備影子，設(shè)備可以獲取和設(shè)置設(shè)備影子以此來(lái)同步設(shè)備屬性值，該同步可以是影子同步給設(shè)備，也可以是設(shè)備同步給影子。

數(shù)據(jù)處理包括規(guī)則引擎、實(shí)時(shí)計(jì)算、流計(jì)算、數(shù)據(jù)緩存等模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)各專業(yè)終端采集數(shù)據(jù)的解析處理，通過(guò)規(guī)則引擎對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、清洗、轉(zhuǎn)換和分發(fā)，通過(guò)緩存處理或就地計(jì)算等技術(shù)手段合理降低上行流量壓力。

連接管理包括協(xié)議轉(zhuǎn)換、安全認(rèn)證、消息總線、負(fù)責(zé)均衡等模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)各專業(yè)終端的身份認(rèn)證和接入管理，可通過(guò)消息總線等方式上載終端狀態(tài)數(shù)據(jù)或下發(fā)服務(wù)端的配置及控制信息，并支持各類通信通道的統(tǒng)一接入和管理，通常在終端側(cè)包含用于安全認(rèn)證的加密芯片

應(yīng)用管理包括應(yīng)用商店、應(yīng)用注冊(cè)、應(yīng)用監(jiān)控、應(yīng)用升級(jí)等模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)各專業(yè)APP應(yīng)用上架、發(fā)布、升級(jí)、配置、調(diào)試、監(jiān)控、下架的全生命周期管理，可通過(guò)遠(yuǎn)程批量升級(jí)等方式，實(shí)現(xiàn)APP按需快速部署或更新至邊緣物聯(lián)代理或其它智能終端設(shè)備。

（二）邊緣物聯(lián)代理

邊緣按消費(fèi)側(cè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)通常分為個(gè)人邊緣、業(yè)務(wù)邊緣、云邊緣三類，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的邊緣物聯(lián)代理類似業(yè)務(wù)邊緣，通常部署在臺(tái)區(qū)等區(qū)域，主要用于匯聚和處理區(qū)域內(nèi)各類溫濕度傳感器、電氣設(shè)備傳感器、機(jī)器人感知的信息。

邊緣物聯(lián)代理包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用容器、模型管理、接入管理、內(nèi)存庫(kù)、通信模組、邊緣計(jì)算框架[等功能模塊。其中，操作系統(tǒng)可基于centOS等定制研發(fā)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、安全認(rèn)證和接入、安全升級(jí)、實(shí)時(shí)調(diào)度、可信度量等功能。應(yīng)用容器實(shí)現(xiàn)應(yīng)用空間及權(quán)限隔離，以支持不同專業(yè)APP的獨(dú)立部署和運(yùn)行。模型管理與物聯(lián)管理平臺(tái)的設(shè)備模型功能對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)管理平臺(tái)設(shè)備模型的統(tǒng)一下發(fā)及對(duì)智能終端設(shè)備的管理。邊緣計(jì)算框架是邊緣物聯(lián)代理內(nèi)嵌APP的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行環(huán)境，封裝設(shè)備模型管理、子設(shè)備接入、消息總線、規(guī)則引擎、內(nèi)存計(jì)算等基礎(chǔ)功能服務(wù)，支撐邊緣智能計(jì)算等應(yīng)用。

六、展望

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)智慧物聯(lián)體系后續(xù)建設(shè)工作的關(guān)鍵是制修訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)各類電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)既有和新增智能感知終端的廣泛接入和規(guī)范采集，通過(guò)物聯(lián)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)海量終端的連接和數(shù)據(jù)接入，持續(xù)向配網(wǎng)的網(wǎng)格化和智能化方向探索，逐漸構(gòu)建邊緣智能計(jì)算能力，穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)以區(qū)域自治為核心的智慧臺(tái)區(qū)建設(shè)，形成用戶分鐘級(jí)用能數(shù)據(jù)匯聚，支撐電網(wǎng)智慧運(yùn)營(yíng)及新業(yè)態(tài)拓展，形成跨專業(yè)數(shù)據(jù)共享共用的生態(tài)，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)資產(chǎn)價(jià)值，為全社會(huì)效能提升貢獻(xiàn)更大價(jià)值。

作者單位：南瑞集團(tuán)有限公司