電力項目邊緣物聯(lián)代理一體化平臺的建設(shè)研究

李 騰 劉之奎 廖 軍 楊可軍 朱能富

（1、國網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司，安徽 合肥230000 2、安徽南瑞繼遠電網(wǎng)技術(shù)有限公司，安徽 合肥230088）

1 邊緣物聯(lián)代理概述

邊緣物聯(lián)代理基于軟件定義終端和容器技術(shù)，通過通信協(xié)議適配、統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型、安全管控等技術(shù)手段完成對主設(shè)備在線監(jiān)測、閥廳紅外測溫等系統(tǒng)數(shù)據(jù)的匯聚接入、邊緣處理以及轉(zhuǎn)發(fā)上送。

2 古泉換流站物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)存在的問題

2.1 數(shù)據(jù)共享和資源復(fù)用不足

在數(shù)據(jù)匯聚方面，數(shù)據(jù)無法共享，導(dǎo)致各個系統(tǒng)“孤島”運行，無法協(xié)同工作。

2.2 感知能力未充分發(fā)揮，輔助手段不足

缺少運行設(shè)備全面監(jiān)控、聯(lián)合巡檢等業(yè)務(wù)應(yīng)用，無法充分激發(fā)現(xiàn)有設(shè)備感知能力，數(shù)據(jù)利用率較低，不能更好的支撐換流站內(nèi)運維人員全面及時的掌握設(shè)備狀況。

2.3 不滿足泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)要求

站內(nèi)缺少邊緣物聯(lián)代理，不能實現(xiàn)站內(nèi)數(shù)據(jù)的邊緣匯聚和邊緣處理，不足以支撐物聯(lián)管理平臺和企業(yè)中臺的物聯(lián)應(yīng)用，也不滿足國網(wǎng)公司的智慧物聯(lián)體系要求。

3 邊緣物聯(lián)代理一體化平臺的建設(shè)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1.1 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

邊緣物聯(lián)代理一體化平臺包括邊緣物聯(lián)代理以及邊緣業(yè)務(wù)應(yīng)用兩部分（如圖1）。通過邊緣物聯(lián)代理接入古泉換流示范站的各類感知終端，包括現(xiàn)有存量設(shè)備和系統(tǒng)以及新建設(shè)備和系統(tǒng)，涵蓋站內(nèi)設(shè)備、環(huán)境和人員感知，實現(xiàn)站端的邊緣計算、區(qū)域自治。提供站內(nèi)設(shè)備數(shù)據(jù)建模、邊緣智能服務(wù)交互接口等服務(wù)，在整合分析站內(nèi)各類數(shù)據(jù)后上送信息至三維可視化系統(tǒng)、物聯(lián)管理平臺(預(yù)留接口)、智能運檢管控系統(tǒng)等。同時邊緣業(yè)務(wù)應(yīng)用將提供設(shè)備智能聯(lián)動、全面監(jiān)視、智能巡檢等智能輔助應(yīng)用，全面提升特高壓古泉換流站的智能化水平。

圖1 邊緣物聯(lián)代理一體化平臺架構(gòu)示意圖

3.1.2 集成方案設(shè)計

根據(jù)邊緣物聯(lián)代理一體化平臺的建設(shè)需求，邊緣物聯(lián)代理需要集成主設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)、閥廳紅外測溫系統(tǒng)、蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)、接地極在線監(jiān)測系統(tǒng)、聲紋監(jiān)測系統(tǒng)、換流變紅外測溫系統(tǒng)、室內(nèi)/室外機器人系統(tǒng)、PMS 系統(tǒng)等多個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

3.1.3 部署架構(gòu)設(shè)計

邊緣物聯(lián)代理與邊緣業(yè)務(wù)應(yīng)用分開部署，通過restful 接口進行數(shù)據(jù)交互；邊緣物聯(lián)代理通過各種協(xié)議完成存量和新增在線監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)接入。

3.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

古泉換流站泛在電力物聯(lián)網(wǎng)近場通信， 采用5G+LoRa+5.8GHz 技術(shù)寬窄帶混合組網(wǎng)方式擴展近場通信組網(wǎng)通道，與運營商合作建設(shè)5G 基站3 座，自建5.8G LTE 宏基站1座、微基站1 座，自建中興LoRa 基站2 座、補盲基站4 座，實現(xiàn)全站的5G、5.8G LTE 和LoRa 三種無線終端接入方式的全覆蓋。

（1）主設(shè)備在線監(jiān)測、閥廳紅外在線監(jiān)測等存量系統(tǒng)通過有線網(wǎng)絡(luò)方式接入?yún)R聚節(jié)點，再接入到邊緣物聯(lián)代理一體化平臺。（2）新型的變壓器局放、GIS 局放、GIS 機械特性、開關(guān)柜測溫等主設(shè)備在線監(jiān)測設(shè)備采用無線通信的方式接入到采集終端里，無線為Lora 或2.4GHz 無線網(wǎng)絡(luò)等，采集終端通過有線網(wǎng)絡(luò)方式與匯聚節(jié)點通信。（3）安防、微氣象、燈光、溫濕度監(jiān)測等環(huán)境感知終端采用現(xiàn)場總線方式接入到現(xiàn)場環(huán)境單元，再通過有線網(wǎng)絡(luò)方式與匯聚節(jié)點進行通信。（4）高清攝像機和紅外攝像機設(shè)備采用有線網(wǎng)絡(luò)方式接入到視頻匯聚節(jié)點，再通過有線網(wǎng)絡(luò)方式接入到邊緣一體化平臺。（5）機器人，室外移動巡檢機器人和智能穿戴裝置采用Wifi 通過微型安全平臺裝置接入到機器人匯聚節(jié)點，室內(nèi)機器人則采用有線網(wǎng)絡(luò)接入到機器人節(jié)點。（6）站內(nèi)所有匯聚節(jié)點采用有線網(wǎng)絡(luò)方式接入到一體化平臺。

3.3 軟件架構(gòu)

3.3.1 邊緣物聯(lián)代理

邊緣物聯(lián)代理基于微服務(wù)框架和容器技術(shù)，通過通信協(xié)議適配、統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型技術(shù)手段，完成存量系統(tǒng)/終端和增量智能終端/傳感器的安全可信接入，解決智能終端和感知終端統(tǒng)一接入、數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)協(xié)同。

邊緣物聯(lián)代理架構(gòu)共分為分為三層（如圖2）：設(shè)備接入層、核心服務(wù)層、支撐服務(wù)層，同時還有安全服務(wù)和系統(tǒng)服務(wù)作為支撐。

設(shè)備接入層是通過各種物聯(lián)協(xié)議和規(guī)約，實現(xiàn)各類設(shè)備和邊緣物聯(lián)代理的數(shù)據(jù)交互。

核心服務(wù)層作為邊緣物聯(lián)代理的核心，通過接收、處理、轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備數(shù)據(jù)，使用元數(shù)據(jù)管理，發(fā)現(xiàn)注冊設(shè)備等服務(wù)為整個邊緣物聯(lián)代理提供基礎(chǔ)服務(wù)。

支撐服務(wù)層提供邊緣物聯(lián)代理支撐服務(wù)，如日志、告警、規(guī)則引擎、流處理等，同時通過云邊協(xié)同服務(wù)作為北向API 的接入層，為應(yīng)用、物聯(lián)管理平臺、智能運檢管控平臺提供API 接入服務(wù)。

圖2 邊緣物聯(lián)代理功能架構(gòu)圖

3.3.2 邊緣業(yè)務(wù)應(yīng)用

古泉邊緣物聯(lián)管理一體化平臺的邊緣業(yè)務(wù)應(yīng)用架構(gòu)分為接入層、數(shù)據(jù)層、平臺層和業(yè)務(wù)層。接入層負責(zé)接入邊緣物聯(lián)代理所集成的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)層負責(zé)數(shù)據(jù)的存儲以及數(shù)據(jù)挖掘、分析識別等數(shù)據(jù)處理服務(wù)。平臺層提供告警、進程管理、聯(lián)動、權(quán)限、日志、報表等服務(wù)。業(yè)務(wù)層實現(xiàn)智能巡檢、運行監(jiān)控、運維管理、可視化展示等應(yīng)用。

3.4 微服務(wù)架構(gòu)

微服務(wù)是一種新興的架構(gòu)風(fēng)格，一個大型復(fù)雜軟件應(yīng)用由一個或多個微服務(wù)組成。系統(tǒng)中的各個微服務(wù)可被獨立部署，各個微服務(wù)之間是松耦合的。每個微服務(wù)僅關(guān)注于完成一件任務(wù)并很好地完成該任務(wù)。在所有情況下，每個任務(wù)代表著一個小的業(yè)務(wù)能力。就是把一個大型的單個應(yīng)用程序和服務(wù)拆分為數(shù)十個的支持微服務(wù)。一個微服務(wù)的策略可以讓工作變得更為簡便，它可擴展單個組件而不是整個的應(yīng)用程序堆棧。

從而滿足服務(wù)等級協(xié)議。微服務(wù)架構(gòu)強調(diào)的重點就是業(yè)務(wù)系統(tǒng)需要徹底的組件化和服務(wù)化，原有的單個業(yè)務(wù)系統(tǒng)會拆分為多個可以獨立開發(fā)，設(shè)計，運行和運維的小應(yīng)用。這些小應(yīng)用之間通過服務(wù)完成交互和集成。其核心特點如下：（1）通過服務(wù)實現(xiàn)組件化。開發(fā)者不再需要協(xié)調(diào)其它服務(wù)部署對本服務(wù)的影響。（2）按業(yè)務(wù)能力來劃分服務(wù)和開發(fā)團隊。開發(fā)者可以自由選擇開發(fā)技術(shù)，提供API 服務(wù)。（3）去中心化。數(shù)據(jù)的去中心化，進一步降低了微服務(wù)之間的耦合度，不同服務(wù)可以采用不同的數(shù)據(jù)庫技術(shù)（SQL、NoSQL 等）。在復(fù)雜的業(yè)務(wù)場景下，如果包含多個微服務(wù)，通常在客戶端或者中間層（網(wǎng)關(guān).處理）。

邊緣物聯(lián)代理一體化平臺通過微服務(wù)技術(shù)將大型應(yīng)用拆分成獨立部署的獨立應(yīng)用。

3.5 Docker 容器

Docker 是一個跨平臺、可移植的容器解決方案，用于構(gòu)建、發(fā)布和運行分布式應(yīng)用的平臺。通過Docker，可在容器內(nèi)部快速自動化地部署應(yīng)用，并通過操作系統(tǒng)內(nèi)核技術(shù)為容器提供資源隔離與安全保障。容器技術(shù)主要有以下幾個優(yōu)點：（1）跨云平臺支持。越來越多的云平臺都支持容器，用戶無需擔心受到云平臺的捆綁，也讓應(yīng)用多平臺混合部署成為可能。（2）環(huán)境標準化和版本控制?；谌萜魈峁┑沫h(huán)境一致性和標準化，可以使用版本控制工具對容器鏡像進行版本控制，還可以對整個應(yīng)用運行環(huán)境實現(xiàn)版本控制，一旦出現(xiàn)故障可以快速回滾。相比以前的虛擬機鏡像，容器壓縮和備份速度更快，鏡像啟動也像啟動一個普通進程一樣快速。（3）高資源利用率與隔離。容器沒有管理程序的額外開銷，與底層共享操作系統(tǒng)，性能更加優(yōu)良，系統(tǒng)負載更低，在同等條件下可以運行更多的應(yīng)用實例，可以更充分地利用系統(tǒng)資源。同時，容器擁有很好的資源隔離與限制能力，可以精確地對應(yīng)用分配CPU、內(nèi)存等資源，保證了應(yīng)用間不會相互影響。（4）容器跨平臺性與鏡像。容器有一整套標準化的配置方法，將應(yīng)用及其依賴的運行環(huán)境打包成鏡像，真正實現(xiàn)了“構(gòu)建一次、到處運行”的理念，大大提高了容器的跨平臺性。

邊緣物聯(lián)代理通過容器技術(shù)，提供應(yīng)用間的基本運行環(huán)境和所需邊緣服務(wù)，保證應(yīng)用運行環(huán)境的一致和互相之間的隔離。

3.6 安全管理

邊緣物聯(lián)代理具備可信計算、保護存儲數(shù)據(jù)機密性和完整性的功能。在安全方面主要分為兩個方面：邊緣服務(wù)安全調(diào)用、設(shè)備數(shù)據(jù)安全傳輸。

邊緣服務(wù)安全調(diào)用主要是在調(diào)用邊緣物聯(lián)代理接口時，對調(diào)用者進行認證。其主要流程有：授權(quán)管理、訪問授權(quán)、信息加密等功能。授權(quán)管理是指配置能夠訪問邊緣物聯(lián)代理服務(wù)接口的用戶以及驗證方式。訪問授權(quán)是指調(diào)用者調(diào)用邊緣物聯(lián)代理內(nèi)部接口時，通過密碼或密鑰等參數(shù)獲取認證token，通過token訪問邊緣物聯(lián)代理服務(wù)接口。邊緣物聯(lián)代理在用戶訪問時校驗token 有效性。

設(shè)備數(shù)據(jù)安全傳輸通過對設(shè)備進行配置和管理，以及對設(shè)備物模型的設(shè)置和設(shè)備訪問的設(shè)置，控制接入數(shù)據(jù)的安全性。在數(shù)據(jù)上傳到邊緣物聯(lián)代理時能夠使用國密算法進行數(shù)據(jù)解密，保證傳輸數(shù)據(jù)的安全性。

3.7 數(shù)據(jù)上送

采用https 或者MQTT 協(xié)議建立數(shù)據(jù)上傳接口，上傳數(shù)據(jù)到智能運檢管控系統(tǒng)、三維可視化平臺。預(yù)留物聯(lián)管理平臺上送接口，支持后期接入國網(wǎng)統(tǒng)一物聯(lián)管理平臺，預(yù)留接口包括設(shè)備注冊請求、設(shè)備升級命令下發(fā)、設(shè)備升級狀態(tài)上報、請求更新配置、物模型下發(fā)命令、物模型命令響應(yīng)、應(yīng)用控制命令接收、應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測等。采用數(shù)據(jù)格式為JSON。

三維可視化平臺、智能運檢管控系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)為接入的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)。包括主設(shè)備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、蓄電池監(jiān)測數(shù)據(jù)、紅外測溫監(jiān)測數(shù)據(jù)、接地極在線監(jiān)測數(shù)據(jù)等。同時為智能運檢管控系統(tǒng)開發(fā)并部署前端展示和統(tǒng)計模塊。

3.8 高可靠安全防護體系

邊緣物聯(lián)代理一體化平臺采用安全操作系統(tǒng)，確保邊緣物聯(lián)代理的基礎(chǔ)操作系統(tǒng)及軟件具備可信計算、存儲數(shù)據(jù)機密性完整性保護。采用國密算法對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行加密傳輸和存儲。

4 結(jié)論

通過邊緣物聯(lián)代理一體化平臺的建設(shè)，實現(xiàn)了對古泉站端的設(shè)備信息采集、信息匯聚和信息共享，實現(xiàn)對站內(nèi)在線監(jiān)測、環(huán)境、視頻、機器人等設(shè)備運行的全景監(jiān)控和信息感知，使運維人員能夠全面掌控設(shè)備運行狀態(tài)，及時處理設(shè)備故障，提升巡檢工作效率，最終實現(xiàn)特高壓古泉換流站信息全景交互，全面提升特高壓古泉換流站的智能化水平，減少人力成本，提高工作質(zhì)量和效率，保障電網(wǎng)安全運行。