云霧協(xié)同的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)構架在變電站工程中的應用

劉 軍， 張 超

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司, 安徽 合肥 230022；2.中國能源建設集團安徽省電力設計院有限公司, 安徽 合肥 230601)

0 引言

智能電網(wǎng)需要高效的運行與控制，為了全面感知電力系統(tǒng)，須在發(fā)、輸、變、配、用各個環(huán)節(jié)配置大量的傳感和監(jiān)控設備。目前采集與控制系統(tǒng)中，各電壓等級末端裝置的主要功能是數(shù)據(jù)采集、處理、上傳以及控制命令的接收與執(zhí)行；數(shù)據(jù)的分析、優(yōu)化與控制命令的下發(fā)均由電網(wǎng)運行控制中心來完成，可以說，采集與監(jiān)控裝置是智能電網(wǎng)的眼睛和四肢，控制中心是智能電網(wǎng)的大腦，大量的分析優(yōu)化決策由大腦做出，控制命令由大腦發(fā)布，與傳統(tǒng)的將所有分析決策功能都集中在云端的信息系統(tǒng)建設方式十分類似[1]。

借鑒物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)構架，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)分為感知層、平臺層、應用層、網(wǎng)絡層。作為電網(wǎng)運行決策的中樞，國家電網(wǎng)公司正在加快自身云平臺的建設。從業(yè)務劃分上看，“國網(wǎng)云”包括企業(yè)管理云、公共服務云和生產控制云三部分。企業(yè)管理云是覆蓋管理大區(qū)的資源及服務，支撐企業(yè)管理、分析決策、綜合管理類業(yè)務；公共服務云是覆蓋外網(wǎng)區(qū)域的資源及服務，支撐電力營銷、客戶服務、電子商務等業(yè)務；生產控制云是覆蓋生產大區(qū)的資源及服務，支撐調控運行及其管理業(yè)務[2]。

1 云霧協(xié)同的電力物聯(lián)網(wǎng)構架思路

1.1 云霧協(xié)同的概念

云計算將原本相對獨立的計算技術和網(wǎng)絡技術進行融合，在融合的網(wǎng)絡平臺上疊加分布式計算能力，借助虛擬化技術對網(wǎng)絡與計算資源進行有效整合，是IT技術的重大突破。云計算的局限在于其假設：網(wǎng)絡的容量足夠大，通信帶寬足夠寬，而且沒有延遲。隨著智能電網(wǎng)建設的不斷深入，新的分析控制功能不斷涌現(xiàn)，將這些數(shù)據(jù)實時傳送給運行控制中心，對智能電網(wǎng)的通信能力和數(shù)據(jù)處理能力都是極大的挑戰(zhàn)[3]，目前主要存在的問題如下：

(1)海量數(shù)據(jù)存儲需求：數(shù)據(jù)的類型、數(shù)量和采樣頻率急劇加大，云平臺存儲壓力巨大；

(2)實時性：位于遠端的云對那些延遲敏感的業(yè)務不能很好地支持；

(3)帶寬需求：緩解海量設備連接云端時引起的擁塞；

(4)設備位置精確感知：對移動性、不同地理分布不能很好地支持。

傳統(tǒng)的集中式控制架構所能處理的數(shù)據(jù)量將很快達到飽和，迫切需要研究新的分布式處理架構。近年發(fā)展起來的云霧協(xié)同計算框架為解決這一問題提供了嶄新的思路。霧計算將計算分析功能擴展到網(wǎng)絡的邊緣，更加接近于數(shù)據(jù)傳感采集裝置，具有延遲低、支持物理分布計算、適合實時分析和優(yōu)化決策等特點。

霧接入點作為物聯(lián)網(wǎng)接入點，首先把傳感器采集的數(shù)據(jù)進行過濾、分析，進行任務的分解，哪些業(yè)務可以在本節(jié)點進行處理，哪些業(yè)務需要分發(fā)給其他霧接入點協(xié)作處理，哪些業(yè)務需要回傳至云計算中心進行處理。另外霧接入點也可以作為云端數(shù)據(jù)和終端數(shù)據(jù)的緩存，可以進行本地流量的卸載，減少對傳輸帶寬的需求，更好的滿足了移動應用高流量和低時延的需求。云計算中心的優(yōu)勢保留，霧層關注于上傳全局性數(shù)據(jù)以及處理高延遲長周期的大數(shù)據(jù)應用[1,3]。云平臺與霧端接入相關支撐，優(yōu)勢互補，形成了云霧協(xié)同的構架體系。

圖1 基于霧計算的物聯(lián)網(wǎng)架構

云霧協(xié)同結構具有以下優(yōu)點：

(1)霧計算擴大了云計算的網(wǎng)絡計算模式，將網(wǎng)絡計算從網(wǎng)絡中心擴展到網(wǎng)絡邊緣，更廣泛地應用于各種服務；

(2)霧計算和云計算互相補充，云霧協(xié)同計算能更有效地分析、整合和利用各種計算資源。

1.2 云霧協(xié)同的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構架

霧計算是云計算的延伸，與云計算相比，霧計算不需要性能強大的服務器，它由性價比更高、配置更為分散的各類計算機組成，可以滲入到電網(wǎng)的各級控制系統(tǒng)中。云霧協(xié)同計算理念在電力行業(yè)正在逐步獲得認可。尤其是電網(wǎng)二次系統(tǒng)的各級應用，大量的感知層元件分別散落在各個變電站端，云平臺布置在省網(wǎng)控制中心。以調控云為例，目前調控采用兩層部署三級應用的構架，在網(wǎng)調、省調部署云平臺，地調配置應用層；運檢系統(tǒng)則在總部、省信息大區(qū)部署變電智能分析決策平臺，地市公司安全IV區(qū)部署變電設備信息處理系統(tǒng)。源端感知層與平臺云在物理位置離散度很高，網(wǎng)絡通道傳輸容易擁塞。

根據(jù)霧計算更靠近終端的思路，可在變電站端接入點配備邊緣霧計算設備，把大量就地采集的信息直接在本地進行存儲和處理，在云層和終端設備層之間擴展一個更靠近終端設備的霧計算層。霧層部署在物聯(lián)網(wǎng)接入層，由具有計算、存儲功能的霧服務器組成，霧層服務器作為核心云平臺的邊緣下沉，協(xié)同計算，大幅提高實時分析與優(yōu)化能力。

目前電網(wǎng)變電設計處于信息互動的高級階段，感知水平較高，正走向網(wǎng)絡智能階段。梳理當下的變電站二次系統(tǒng)設計發(fā)現(xiàn)，以往的站端二次系統(tǒng)設計已經(jīng)滲透著邊緣下沉的理念。

以生產控制云的調度類業(yè)務為例，站內Ⅰ/Ⅱ區(qū)配置監(jiān)控系統(tǒng)，站內開關量、模擬量信息通過測控設備采集接入監(jiān)控主機，并與相關部分遠動點位信息篩選、處理、打包發(fā)至調度中心，從數(shù)量上看，站內監(jiān)控的信息量數(shù)倍于遠動點表，監(jiān)控主機實質上已經(jīng)承擔了生產控制云邊緣下沉的變電站霧端物聯(lián)代理的作用，將數(shù)據(jù)篩選，圖模處理后傳送至遠方調控云端。

運維類業(yè)務，目前變電站的安全警衛(wèi)、火災報警、狀態(tài)監(jiān)測、視頻監(jiān)視、機器巡檢類業(yè)務均在站內配置獨立或集成服務器，各子系統(tǒng)之間聯(lián)動功能均在站內完成，站內的下沉服務器基于感知層的大量信息開展高級應用，如消防聯(lián)動、故障預測、視頻識別，再將匯總處理后的高級信息推送至運檢主、輔設備主站。隨著站內攝像頭數(shù)量的增加及清晰度的提升，視頻流的存儲量海量上升，必須采用面向站端的分布式構架。非生產區(qū)智能輔助的運維平臺實質上已經(jīng)承擔了企業(yè)管理云邊緣下沉的變電站霧端物聯(lián)代理的作用。

結合網(wǎng)格化配網(wǎng)建設，可在變電站內配置邊緣下沉的配網(wǎng)云平臺，以變電站為中心輻射周邊，依托站內環(huán)境及硬件資源，通過采集所在區(qū)域網(wǎng)格周邊配電臺區(qū)的數(shù)據(jù)，以站為核心實現(xiàn)配網(wǎng)網(wǎng)格化管理。以下調控類應用均可由邊緣處理：分析電壓和功率因數(shù)，電容器調整和電壓調檔；調整運行方式，保證電壓水平和負荷平衡；自動故障診斷、隔離和處理；利用監(jiān)測數(shù)據(jù)準確的計算線損，調整運行方式優(yōu)化線損。

結合泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設及變電站二次系統(tǒng)特點，提出以下面向變電站端的云霧協(xié)同的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)構架，如圖2所示。系統(tǒng)分為“智、云、網(wǎng)、霧、端”五個層級。智為人工智能的應用層，云為云臺共享的平臺層，網(wǎng)為信息共享的網(wǎng)絡層，霧為邊緣下沉的變電站霧端代理，端為深度廣度分布全面的感知層。霧端擴大了云平臺的業(yè)務資源，云平臺與霧端相互支撐，更有效地分析、整合資源，形成了云霧協(xié)同的體系。

感知層，即終端與邊緣計算層，實現(xiàn)終端標準化統(tǒng)一接入，推動跨專業(yè)數(shù)據(jù)的同源采集、數(shù)據(jù)融通與跨專業(yè)共享，通過邊緣智能實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效處理、就地計算、云邊協(xié)同、區(qū)域自治與能力開放。

網(wǎng)絡層，即管道層，采用遠程通信網(wǎng)和本地通信網(wǎng)，引入新型通信技術實現(xiàn)海量信息的高效傳輸，遠程通信網(wǎng)為云主站與邊緣計算節(jié)點之間提供通信通道，本地通信網(wǎng)為邊緣計算節(jié)點與終端單元之間提供通信通道。

平臺與應用層，以云平臺為基礎，通過各類終端的標準化接入和統(tǒng)一物聯(lián)管理，實現(xiàn)各類采集數(shù)據(jù)的“一次采集，處處使用”及跨專業(yè)數(shù)據(jù)融通共享。

圖2 云霧協(xié)同的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)二次系統(tǒng)構架

2 云霧協(xié)同的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)變電站系統(tǒng)建設方案

結合泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設和變電站系統(tǒng)特點，梳理站內各層級的現(xiàn)狀及問題，提出云霧協(xié)同的建設方案，具體如下：

2.1 平臺層

2.1.1 現(xiàn)狀及存在的問題

目前變電站綜合自動化系統(tǒng)采用三層兩網(wǎng)構架，結構清晰；站內輔助系統(tǒng)主要包括：狀態(tài)監(jiān)測、圖像監(jiān)視、安全警衛(wèi)、火災報警，各子系統(tǒng)獨立設計，獨立配置主機。參見圖3

圖3 智能變電站二次及輔助系統(tǒng)架構圖

從變電站業(yè)務來看，存在問題如下：

(1)各業(yè)務采集類系統(tǒng)多以縱向垂直架構為主；

(2)站內各系統(tǒng)相互割裂，缺乏統(tǒng)一貫通的平臺；

(3)物聯(lián)統(tǒng)一管控能力不足[4]。

2.1.2 建設目標及技術路線

變電站平臺層的建設應從以下幾方面入手：

(1)垂直轉向水平。變電站平臺層結構由垂直向水平方向轉變，構建一體化智能運維平臺，實現(xiàn)資源整合。變電站現(xiàn)有業(yè)務數(shù)據(jù)總體可歸納為五類：一、二次設備運行信息、設備在線監(jiān)測信息、輔助設備監(jiān)控信息、巡檢機器人信息以及PMS2.0系統(tǒng)內與本站運維相關的臺賬、記錄、工作票等信息。站端智能運維平臺可接入以上各類系統(tǒng)數(shù)據(jù)，同時支持對上級云臺的數(shù)據(jù)上傳。參見圖4。

圖4 一體化綜合平臺業(yè)務聯(lián)系圖

綜合平臺采用“一個平臺、多項應用”的模式，一個平臺為變電站運行、檢修、建設各類人員提供全業(yè)務信息與智能應用；多項應用是通過接入變電站各類業(yè)務系統(tǒng)，規(guī)范接口與數(shù)據(jù)交互，整合運維數(shù)據(jù)，支撐變電運行、檢修工作多業(yè)務應用功能拓展。

(2)云霧協(xié)同計算。目前運維主站建設了主設備與輔助設備的監(jiān)視工作平臺，變電站端的綜合平臺作為前端，采集測點信息，計算資源應與中心云端合理配置與協(xié)同，實現(xiàn)最優(yōu)的云霧協(xié)同服務架構。

2.2 感知層

2.2.1 現(xiàn)狀及存在的問題

感知終端層架構自底向上分為現(xiàn)場采集部件、智能終端(IED)?，F(xiàn)場采集部件即指傳感器，可獨立存在，也可嵌入智能終端?，F(xiàn)場采集部件采集所需數(shù)據(jù)并發(fā)至智能終端，由智能終端完成統(tǒng)一上傳。

智能傳感器是能源互聯(lián)網(wǎng)的感知神經(jīng)末稍。電網(wǎng)中傳統(tǒng)的電壓、電流采集是基于線圈繞組式變壓器原理的電壓互感器、電流互感器，以及新型的霍爾傳感器、光纖和磁阻傳感器等；其余采集量還包括電磁電場、局放、全電流、油色譜、油中溶解氣體、微水等電氣量，溫度、濕度、壓力、位移、角度、振動、加速度、舞動、傾斜、微氣象等非電氣量[5,6]。

目前的底層感知存在的問題如下：

(1)接入方式多達十幾種，本地通信缺乏統(tǒng)一要求；

(2)尚不具備邊緣數(shù)據(jù)交互與處理能力；

(3)終端功能設計缺乏跨專業(yè)統(tǒng)籌。

2.2.2 建設目標及技術路線

現(xiàn)場采集部件應做到功能豐富化，可實現(xiàn)“一款多用”。現(xiàn)場采集部件上聯(lián)智能終端的接口應統(tǒng)一規(guī)范。智能終端以底層芯/模組、安全操作系統(tǒng)和各種智能組件為基礎[7]。智能終端主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、通信、智能擴展功能，通過本地通信網(wǎng)絡連接霧端物聯(lián)代理。

感知層的建設應從以下幾個方面入手：

(1)提升終端的多源感知能力，實現(xiàn)一個采集終端多項感知接入，支撐多類應用，如圖5所示；

(2)智能終端的硬件應具備功能可擴展能力，可通過總線或標準I/O接口實現(xiàn)，智能變電站內的終端上傳通信規(guī)約統(tǒng)一為IEC61850協(xié)議，屏蔽底層網(wǎng)絡差異性。

圖5 變電站多源感知接入構架

2.3 網(wǎng)絡層

2.3.1 現(xiàn)狀及存在的問題

網(wǎng)絡層分為終端通信接入網(wǎng)、遠程通信傳輸網(wǎng)兩個部分。

本地通信網(wǎng)絡主要用于連接智能終端與物聯(lián)代理以及物聯(lián)代理與霧端服務器，本地通信網(wǎng)絡處于變電站內部，主要包括以太網(wǎng)、RS-485、Modbus等有線通信方式，以及LORA、ZigBee、WiFi等無線通信方式[8,9]。

遠程通信傳輸網(wǎng)分為數(shù)據(jù)通信骨干網(wǎng)(含核心層、匯聚層、骨干層)、數(shù)據(jù)通信接入網(wǎng)，核心設備為SDH，電力數(shù)據(jù)網(wǎng)除調控數(shù)據(jù)外，還以專線或復用方式承載保護、安控等核心業(yè)務[10]。

從網(wǎng)絡層來看，存在的問題如下：

(1)接入網(wǎng)覆蓋和傳輸帶寬有限；

(2)模塊化變電站建筑結構對無線信號的遮擋損耗較嚴重；

(3)新型感知層接入網(wǎng)絡(5G)尚未制定明確的防護手段。

2.3.2 建設目標及技術路線

結合5G通信技術的發(fā)展，構建“有線+無線，公網(wǎng)+專網(wǎng)”協(xié)同一體化電力泛在通信網(wǎng)。

(1)5G通信具有高帶寬、低時延、海量接入的優(yōu)勢，相較上一代通信技術，5G的引入勢必會創(chuàng)造新的業(yè)務格局。在變電站建設中，構建完備的站內5G通信分布系統(tǒng)[11]，為數(shù)據(jù)透傳拓展5G通信通道。結合模塊化變電站的典型布局，采用室內外綜合覆蓋方案，即室外建設宏基站和室內建設室分系統(tǒng)，實現(xiàn)5G網(wǎng)絡全覆蓋，可考慮將5G宏基站與模塊化變電站共建，將基站的AAU安裝于變電站樓頂或電力終端塔。

(2)對于鋼結構的室內變電站，金屬框架對無線信號有很強的屏蔽性，須構建室內無線分布系統(tǒng)，結合功能區(qū)布局布放微基站PRRU，通信路由設計應兼顧維護方便、距離短的要求[12]。一般的功能用房可將PRRU布放于房頂，信號面向下覆蓋；GIS室、主變室等室內高度較大的設備間可將PRRU布放于墻壁。

(3)建立基于邊緣計算服務器的5G微專網(wǎng)。5G網(wǎng)絡與邊緣計算具有天然的關聯(lián)，邊緣計算已開展應用。在變電站內可建立基于邊緣計算服務器的5G微專網(wǎng)，將5G核心網(wǎng)用戶端口功能UPF下沉至邊緣計算平臺上，覆蓋區(qū)域內數(shù)據(jù)的就地采集及處理，數(shù)據(jù)內部回傳保障私密，構建虛擬專網(wǎng)[13]。伴隨著移動通信的飛速發(fā)展，未來5G感知終端的數(shù)量和種類定會爆發(fā)式增長，5G微專網(wǎng)將為全息感知的各類傳感器創(chuàng)造接入條件[14]。

3 示范工程應用

本文的設計理念在合肥東至路220 kV變電站工程中開展了應用。東至路變電所為戶內模塊化變電站，引入5G通信，實現(xiàn)了模塊化變電站與5G基站共建共用，結合站內的通信路由設計，構建完備的5G室分系統(tǒng)，為站端網(wǎng)絡層擴容提升了傳輸通道。平臺層方面，通過構建一體化智能運維平臺，將原站內狀態(tài)監(jiān)測、圖像監(jiān)視、安全警衛(wèi)、火災報警等的輔助系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)、PMS系統(tǒng)貫通互聯(lián)[15]。智能運維平臺作為運維主站的邊緣霧端，采集共享底層數(shù)據(jù)并衍生部分高級聯(lián)動應用，終端業(yè)務資源有效規(guī)劃，體現(xiàn)了云霧協(xié)同架構的優(yōu)勢。感知層建設方面，合理豐富了感知元件：在一次設備狀態(tài)監(jiān)測的基礎上配置了二次系統(tǒng)評估系統(tǒng)，結合戶內變電站特點增配了部分主設備的圖像識別和智能巡視，引入了更加有效的室內環(huán)境控制手段。經(jīng)過完善設計，變電站內設備互聯(lián)更加廣泛，狀態(tài)感知更加全面，決策應用更加智能，為未來的運維提供了更加便捷的途徑。