基于物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化站所終端公共單元研制

吳海, 胡國(guó)， 吳雨薇， 黃琦， 徐志華， 周成， 曹子濤

(1.南瑞集團(tuán)有限公司 智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 211106；2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引 言

配電網(wǎng)作為連接輸電和用戶的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，安全可靠運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定及用戶體驗(yàn)至關(guān)重要。

現(xiàn)行配電網(wǎng)存在量測(cè)覆蓋率低、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不靈活和標(biāo)準(zhǔn)化程度低[1]等問(wèn)題。而近年來(lái)電動(dòng)汽車、分布式能源、微電網(wǎng)和儲(chǔ)能裝置的大量接入，使配電網(wǎng)出現(xiàn)分布式能源與新型負(fù)荷接納能力不足和用戶多樣化用能需求服務(wù)能力不足[2]等諸多問(wèn)題。開展配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，以信息化、數(shù)字化和現(xiàn)代化手段為傳統(tǒng)配電網(wǎng)賦能，有助于實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)全景監(jiān)測(cè)，提升配電區(qū)域管理能力，滿足分布式能源接入和多元化負(fù)荷管控需求[3]8。

當(dāng)前配電物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)處于探索研究階段。文獻(xiàn)[3]4、[4]10對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)的典型架構(gòu)、體系功能進(jìn)行了探討；文獻(xiàn)[5]3110論述了配電物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)及應(yīng)用發(fā)展方向；文獻(xiàn)[6]探討了電力物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)；文獻(xiàn)[7]156針對(duì)容器技術(shù)在配電物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備邊緣節(jié)點(diǎn)化中的作用進(jìn)行了深入研究；文獻(xiàn)[8]115對(duì)線損分析的研究；文獻(xiàn)[9]125對(duì)拓?fù)浞治龅难芯?；文獻(xiàn)[10]對(duì)物聯(lián)邊緣計(jì)算的研究。這些文獻(xiàn)均為配電物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)域自治提供了參考。

本文對(duì)配電物聯(lián)網(wǎng)的概念、分布式站所終端(distribution terminal unit,DTU)技術(shù)原理及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理和綜述，并分析討論其在配電網(wǎng)中的典型應(yīng)用，研制基于物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化站所終端公共單元，并在多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)示范工程成功掛網(wǎng)運(yùn)行。

1 配電物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是由各種信息傳感設(shè)備通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)形成的開放的龐大網(wǎng)絡(luò)，需要廣泛的技術(shù)，包括無(wú)線射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)技術(shù)、媒體技術(shù)、通信技術(shù)等[4]11。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)配電網(wǎng)的發(fā)展有著重要的推動(dòng)作用。

配電物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，由云、管、邊和端組成[5]3110，構(gòu)建在物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層架構(gòu)基礎(chǔ)上，如圖1所示。傳感層主要涵蓋各類型數(shù)據(jù)傳感器及智能控制單元，實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)海量異構(gòu)信息的采集與監(jiān)控。傳輸層采取有線無(wú)線協(xié)同配合的通信架構(gòu)，保證海量數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)實(shí)時(shí)或?qū)崟r(shí)上傳。應(yīng)用層是配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)分析與智能運(yùn)維的應(yīng)用功能平臺(tái)，包括拓?fù)浞治?、環(huán)境監(jiān)測(cè)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)等應(yīng)用功能。

圖1 整體分層架構(gòu)圖

配電物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，可極大程度提升配電網(wǎng)的全面感知能力、數(shù)據(jù)共享能力和需求反映能力。而配電物聯(lián)網(wǎng)中的海量傳感器數(shù)據(jù)、電氣量數(shù)據(jù)及端設(shè)備的管理數(shù)據(jù)要高效分類，向云平臺(tái)精準(zhǔn)傳遞，需要經(jīng)過(guò)部署在邊側(cè)設(shè)備的匯聚處理。因此，部署在邊側(cè)和具備邊緣計(jì)算能力的配電終端，是構(gòu)建配電物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要組成元素。

2 分布式DTU終端技術(shù)原理

分布式DTU作為標(biāo)準(zhǔn)化站所終端，由若干個(gè)間隔單元和公共單元組成。常規(guī)場(chǎng)景下DTU間隔單元分散安裝于間隔柜內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)本間隔“三遙”和故障判別功能。DTU公共單元安裝于公共單元柜內(nèi)，負(fù)責(zé)匯集各間隔單元的信息，并與主站通信。

分布式DTU的優(yōu)勢(shì)在于可分散安裝，且各間隔單元功能獨(dú)立，可根據(jù)站房實(shí)際需求靈活組合配置，便于系統(tǒng)擴(kuò)充和運(yùn)行維護(hù)，為客戶提供便捷的升級(jí)擴(kuò)容方案和高性價(jià)比的產(chǎn)品選擇。

為實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)分析與智能運(yùn)維，構(gòu)建的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低壓配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)分析與輔助運(yùn)維系統(tǒng)[11]，整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 配電物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

常規(guī)分布式DTU并不具備物聯(lián)通信及邊緣計(jì)算能力，無(wú)法實(shí)現(xiàn)配電物聯(lián)網(wǎng)中邊設(shè)備的功能。本文所述基于物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化站所終端公共單元，作為中壓環(huán)網(wǎng)柜的數(shù)據(jù)匯聚中心和邊緣計(jì)算核心節(jié)點(diǎn)，除了各間隔數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、管理，還能與間隔單元及其他物聯(lián)終端配合實(shí)現(xiàn)智能感知、故障定位與研判、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估以及雙向信息流即插即用等功能，并實(shí)現(xiàn)與主站的遠(yuǎn)程通信。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 容器技術(shù)應(yīng)用

容器技術(shù)虛擬化技術(shù)已經(jīng)成為一種被大家廣泛認(rèn)可的容器技術(shù)服務(wù)器資源共享方式。容器技術(shù)虛擬化技術(shù)的應(yīng)用使裝置得到以下提升。

(1) 裝置內(nèi)各容器具備獨(dú)立空間，有效封裝隔離進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)層面的虛擬化。容器資源使用有壓力時(shí)不會(huì)連累整個(gè)系統(tǒng)[7]155。

(2) 容器平臺(tái)可對(duì)容器進(jìn)行啟停、安裝和卸載等操作管理，以及對(duì)資源配置、告警和日志進(jìn)行管理。

(3) 利用安全超文本傳輸協(xié)議(hyper text transfer protocol over securesocket layer, HTTPS)，并確保在證書保護(hù)機(jī)制認(rèn)證下對(duì)容器進(jìn)行安全訪問(wèn)操作。

(4) 通過(guò)內(nèi)核能力機(jī)制和白名單機(jī)制對(duì)容器進(jìn)行權(quán)限訪問(wèn)控制，將受破壞可能降到最低。

此外，各項(xiàng)應(yīng)用功能如IEC104、消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議(message queuing telemetry transport, MQTT)、拓?fù)渥R(shí)別等，均開發(fā)為APP應(yīng)用，并可靈活部署于相應(yīng)容器內(nèi)。優(yōu)點(diǎn)如下。

(1) 容器平臺(tái)可對(duì)APP進(jìn)行安裝、卸載、啟停、使能、狀態(tài)查看和資源分配回收等管理操作。

(2)容器平臺(tái)支撐APP統(tǒng)一編程模型、接口技術(shù)和應(yīng)用擴(kuò)展技術(shù)，保證APP的獨(dú)立性、封裝性和可移植性，滿足不同用戶的差異化需求以及自定義和自擴(kuò)展需求。

通過(guò)容器技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝置系統(tǒng)權(quán)限的有效管理，保障了整個(gè)系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

3.2 MQTT技術(shù)應(yīng)用

MQTT協(xié)議是一種基于發(fā)布訂閱的“輕量級(jí)”消息傳輸應(yīng)用層通信協(xié)議。DTU公共單元部署MQTT協(xié)議，利用其異步、多點(diǎn)通信的特點(diǎn)，使通信的參與者在空間、時(shí)間和控制流上完全解耦，能夠很好地滿足物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)松散通信的需求[12]。

部署MQTT后，裝置的對(duì)上、對(duì)下通信均可通過(guò)訂閱和發(fā)布機(jī)制進(jìn)行交互。客戶端發(fā)布帶有特定主題名標(biāo)識(shí)的消息，代理服務(wù)器在完成基于主題的過(guò)濾[13]后向訂閱了該消息的客戶端轉(zhuǎn)發(fā)，從而完成客戶端和代理服務(wù)器之間數(shù)據(jù)的傳輸。

裝置部署MQTT協(xié)議時(shí)，消息體選擇JSON描述，考慮兼容營(yíng)銷業(yè)務(wù)698協(xié)議和提高信息傳輸?shù)男剩部刹捎肁-XDR編碼。各類APP通過(guò)MQTT 代理服務(wù)器與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行信息交互，按需獲取數(shù)據(jù)，完成高級(jí)應(yīng)用功能。

3.3 基于HTTPS的數(shù)據(jù)安全傳輸

公共單元的HTTPS服務(wù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。HTTPS是經(jīng)SSL加密后的 HTTP，主要通過(guò)數(shù)字證書、加密算法和非對(duì)稱密鑰等技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)可靠傳輸，從而提供具備秘密性、完整性和認(rèn)證性的安全服務(wù)[14]。

圖3 HTTPS服務(wù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

公共單元采用的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信身份認(rèn)證服務(wù)適應(yīng)任意數(shù)據(jù)通信協(xié)議，具體身份認(rèn)證流程如下。

(1) 客戶端向云平臺(tái)發(fā)HTTPS請(qǐng)求獲取身份ID。

(2) 訪問(wèn)模塊建立客戶端與服務(wù)端的HTTPS安全通信通道。

(3) 服務(wù)端的身份ID模塊驗(yàn)證客戶端唯一性，返回客戶端一串隨機(jī)數(shù)作為身份ID(即token)。

(4) 客戶端利用該身份ID作為token向服務(wù)端發(fā)送獲取數(shù)據(jù)通道連接信息的HTTPS請(qǐng)求。

(5) 認(rèn)證模塊校驗(yàn)身份ID，通過(guò)則調(diào)取信息模塊。

(6) 信息模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通道的唯一標(biāo)志認(rèn)證，通過(guò)后將連接信息(包括URL地址、用戶名、密碼和topic等)返回客戶端。

(7) 客戶端按連接信息完成基于HTTPS的身份認(rèn)證，并與服務(wù)器建立連接，通過(guò)MQTT數(shù)據(jù)通道將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)平臺(tái)。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化站所終端公共單元研制

本裝置作為滿足配電網(wǎng)自動(dòng)化、物聯(lián)網(wǎng)化建設(shè)及分布式電源接入配電網(wǎng)發(fā)展需求而研制的新一代智能配電自動(dòng)化終端，采用平臺(tái)化硬件設(shè)計(jì)和分布式邊緣計(jì)算架構(gòu)，應(yīng)用APP運(yùn)行于虛擬容器化的可信計(jì)算環(huán)境，支持各業(yè)務(wù)個(gè)性化開發(fā)、靈活部署、獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)和遠(yuǎn)程維護(hù)。

4.1 硬件設(shè)計(jì)框架

裝置采用NXP公司的LS1043A(四核，ARM Cortex-A53 架構(gòu)，主頻1.6 GHz)處理器設(shè)計(jì)，4 GB內(nèi)存、8 GB FLASH。裝置硬件設(shè)計(jì)框架如圖4所示。

圖4 公共單元硬件設(shè)計(jì)框架

裝置具備4路以太網(wǎng)接口、12路串口，4G無(wú)線模塊、藍(lán)牙模塊、遠(yuǎn)距離無(wú)線電(long range radio,LoRa)模塊、WiFi模塊、RFID模塊和GPS模塊，可廣泛接入各類傳感設(shè)備，提供16路開入、8路開出、8路模擬量采集。強(qiáng)悍的處理能力與存儲(chǔ)資源為現(xiàn)有業(yè)務(wù)提供完整支撐，并滿足未來(lái)業(yè)務(wù)擴(kuò)展需求。

4.2 軟件設(shè)計(jì)框架

軟件框架采用分層設(shè)計(jì)思想，基于平臺(tái)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，平臺(tái)對(duì)上層應(yīng)用屏蔽底層操作，并進(jìn)行基礎(chǔ)功能處理。面向?qū)ο缶幊蹋栽绞竭M(jìn)行封裝隔離，高內(nèi)聚、低耦合；運(yùn)行l(wèi)inux操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管理、通信、邊緣計(jì)算和通信加密等功能。

軟件設(shè)計(jì)框架如圖5所示。整體平臺(tái)架構(gòu)分為ARM側(cè)和MCU側(cè)。

圖5 公共單元軟件設(shè)計(jì)框架

ARM側(cè)由基于容器的應(yīng)用程序和RTUServer服務(wù)組成。RTUServer服務(wù)負(fù)責(zé)與MCU的數(shù)據(jù)交互，包括獲取數(shù)字量輸入、模擬量輸入和數(shù)字量輸出。容器中的應(yīng)用程序通過(guò)RTUClient從服務(wù)端獲取數(shù)據(jù)和進(jìn)行控制，同時(shí)通過(guò)Restful風(fēng)格的API與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互，完成各類應(yīng)用功能。

MCU側(cè)自主開發(fā)的系統(tǒng)構(gòu)架，主要完成數(shù)字量、模擬量的數(shù)據(jù)采集和數(shù)字量輸出，與ARM側(cè)通過(guò)CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

4.3 邊緣計(jì)算功能

基于軟硬件平臺(tái)功能，公共單元支持多種物聯(lián)邊緣計(jì)算功能App的靈活部署，并能實(shí)現(xiàn)廣域內(nèi)的云、邊、端各層級(jí)和多種物聯(lián)設(shè)備的多維協(xié)同、互聯(lián)互通，擺脫了傳統(tǒng)終端信息只能上送主站、缺乏橫向交互的狀態(tài)。

在此基礎(chǔ)上，公共單元開發(fā)實(shí)現(xiàn)了多間隔狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析、拓?fù)渥R(shí)別[9]125、線損分析[8]115、饋線自動(dòng)化(feeder automation,FA)及故障預(yù)警等邊緣計(jì)算APP功能，并能配合主站一起實(shí)現(xiàn)饋線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?、中壓設(shè)備狀態(tài)檢修和中壓故障態(tài)勢(shì)感知等功能。

5 工程應(yīng)用場(chǎng)景

基于物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化站所終端已成功應(yīng)用于多個(gè)配電物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目中。以南京某配電物聯(lián)網(wǎng)示范項(xiàng)目為例，該示范項(xiàng)目涉及多個(gè)開閉所、環(huán)網(wǎng)柜的改造，如圖6所示。改造后的每間隔配置一臺(tái)DTU間隔單元，每個(gè)站所配置一臺(tái)DTU公共單元。改造工程還增設(shè)了物聯(lián)傳感器等設(shè)備。

圖6 公共單元的一個(gè)工程應(yīng)用示意圖

5.1 信息傳輸性能

本文的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸包括了邊端通信、邊邊通信和云邊通信。通過(guò)實(shí)測(cè)，公共單元邊緣計(jì)算與傳輸性能如表1所示。

表1 公共單元的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸性能

各網(wǎng)絡(luò)層級(jí)之間的數(shù)據(jù)傳輸效率與傳輸通道、數(shù)據(jù)量大小相關(guān)。通過(guò)采用適當(dāng)?shù)膫鬏斖ǖ?如5G無(wú)線)，并對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理優(yōu)化，可切實(shí)降低延時(shí)，提高傳輸效率，進(jìn)而為后續(xù)高級(jí)應(yīng)用提供實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)支撐。

5.2 智能分布式FA

以智能分布式FA的實(shí)現(xiàn)為例，說(shuō)明裝置在區(qū)域自治中發(fā)揮的作用。圖7為各節(jié)點(diǎn)部署公共單元。

圖7 智能分布式FA示意圖

具體流程如下。

(1) 建立物聯(lián)通道。線路各公共單元通過(guò)5G連接MQTT代理服務(wù)器，通過(guò)其發(fā)布信息、訂閱上下游節(jié)點(diǎn)信息。

(2) 故障發(fā)生。線路K點(diǎn)發(fā)生故障，各公共單元收到上下游節(jié)點(diǎn)發(fā)布的故障及特征量信息。

(3) 定位故障區(qū)域。通過(guò)與上下游信息對(duì)比分析，DTU 1確定故障處于其下游，DTU 2確定故障處于其上游，從而確定故障區(qū)域位于①、②之間。

(4) 故障隔離。DTU 1跳開開關(guān)①，DTU 2跳開開關(guān)②，完成故障區(qū)域隔離。

(5) 恢復(fù)非故障區(qū)域供電。從開關(guān)②向下游查找合閘轉(zhuǎn)供點(diǎn)。DTU 2確認(rèn)開關(guān)③可作為轉(zhuǎn)供點(diǎn)，并控制其合上，恢復(fù)非故障區(qū)域供電。

(6) 故障處理完成后，本裝置主動(dòng)上送處理結(jié)果。

以上步驟是基于5G無(wú)線物聯(lián)組網(wǎng)進(jìn)行公共單元間的邊邊交互，組網(wǎng)便捷，通信延時(shí)低，且省去了常規(guī)分布式FA敷設(shè)光纖的成本。經(jīng)實(shí)測(cè)，其效果如表2所示。

表2 分布式FA故障處理時(shí)間 ms

通過(guò)對(duì)區(qū)域內(nèi)故障的準(zhǔn)確定位、精準(zhǔn)隔離和非故障區(qū)供電快速恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)自主快速響應(yīng)，有效減少停電時(shí)間，提高供電質(zhì)量，達(dá)到了區(qū)域自治目的。

6 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)行配電網(wǎng)存在諸多問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到智能配電系統(tǒng)中，形成配電物聯(lián)網(wǎng)，將極大程度提升配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的全面感知能力，保證分布式能源的友好接入，滿足用戶多樣性用能需求，提高配電網(wǎng)運(yùn)維的工作效率，保證配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本文首先梳理分析了配電物聯(lián)網(wǎng)的概念、分布式DTU終端具體技術(shù)原理及基于物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化站所終端公共的單元涉及的關(guān)鍵技術(shù)，描述了該公共單元的軟硬件設(shè)計(jì)框架以及裝置作為邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)在配電物聯(lián)網(wǎng)中所發(fā)揮的作用。最后以某配電物聯(lián)網(wǎng)示范項(xiàng)目改造工程為例，進(jìn)一步分析和驗(yàn)證本文所述終端在實(shí)際應(yīng)用中的意義。