基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的低壓配電臺區(qū)數(shù)據(jù)采集方案

王海柱 趙瑞鋒 郭文鑫 劉 洋

（廣東電網(wǎng)有限責任公司電力調(diào)度控制中心，廣州 510600）

0 引言

建設智能電網(wǎng)，其中關鍵一環(huán)是智能配電臺區(qū)的建設，配電網(wǎng)通過低壓配電臺區(qū)連接終端電力用戶，亟需提升配電臺區(qū)的精細化及智能化管理水平，保證低壓電網(wǎng)供電質(zhì)量及其可靠、安全運行，滿足經(jīng)濟發(fā)展的需求。

目前，配電臺區(qū)建設及運行現(xiàn)狀仍存在以下問題：

1）配電網(wǎng)點多線長面廣，大部分處于盲調(diào)狀態(tài)。

2）目前，通過不斷增加相對獨立的信息化小系統(tǒng)來滿足業(yè)務需求的方式導致資源浪費和業(yè)務割裂。

3）伴隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴充，采集信息的逐步完善，低壓配網(wǎng)監(jiān)視推進，當前采用的主備服務集中式處理模式在海量終端接入、數(shù)據(jù)處理速度、存儲能力、分析效率方面存在明顯的瓶頸，維護和擴展困難。

物聯(lián)網(wǎng)技術可以通過泛在的感知技術幫助電力系統(tǒng)實現(xiàn)對低壓配電臺區(qū)海量信息的感知和決策，將配電臺區(qū)建設成配電末端數(shù)據(jù)交互中心，通過對配電臺區(qū)各種配電終端的全信息采集實現(xiàn)對低壓配電網(wǎng)的全景感知，從而消除配電運維盲區(qū)，實現(xiàn)全流程管控、全專業(yè)支撐的配電臺區(qū)新管理模式；實現(xiàn)對臺區(qū)管轄內(nèi)用戶進行就地管理，縮短用戶故障時間，提高配電末端的運維水平[1-2]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，國內(nèi)外廠家相繼推出了智能物聯(lián)網(wǎng)平臺，包括中國移動、騰訊、阿里和華為都有物聯(lián)網(wǎng)實際成功應用案例。其中華為發(fā)布了基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的配用電解決方案及 Hi-Grid套件，把邊緣計算、物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things, IoT）、云端管理結合起來，實現(xiàn)了從主站、網(wǎng)絡、終端的一體化解決方案。

基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的低壓配電臺區(qū)數(shù)據(jù)采集方案可以很好地推進低壓配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集。

1 配電物聯(lián)網(wǎng)總體架構

為迎接新能源革命的機遇和挑戰(zhàn)，電力企業(yè)紛紛向綜合能源服務企業(yè)轉(zhuǎn)型，尋求應用最新的互聯(lián)網(wǎng)理念和“云大物移智”最新技術來對能源管理進行技術改造[3]，對目前管控能力相對薄弱的配電網(wǎng)進行互聯(lián)網(wǎng)技術升級改造是提升智能電網(wǎng)建設、管理、運維水平的一個切入點。

業(yè)界提出的配電物聯(lián)網(wǎng)（distributed-Internet of Things, D-IoT）理念將最新物聯(lián)網(wǎng)技術應用于傳統(tǒng)電網(wǎng)，通過各種通信技術，如電力線通信（power line communication, PLC）、紅外通信、5G、LoRa、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（narrow band-Internet of Things, NB-IoT）、ZigBee等，接入海量配網(wǎng)終端[4-6]，能實時全息感知電力生產(chǎn)、傳輸、消費各環(huán)節(jié)，在全面感知、數(shù)據(jù)融合的基礎上提升設備間互聯(lián)、互通、互操作能力。配電物聯(lián)網(wǎng)具有終端即插即用、設備廣泛互聯(lián)、狀態(tài)全面感知、云計算協(xié)同、應用隨需定制和資源高效利用等特征，配電物聯(lián)網(wǎng)技術的推出可以提高供電可靠性、降低運維成本、調(diào)整能源結構和提升用戶體驗，協(xié)助電力用戶節(jié)能減耗，自主進行能效管理[7-8]。

配電物聯(lián)網(wǎng)總體架構如圖1所示。分為3個層次，上層是云，云化的主站；下一層是邊，即邊緣計算，將云計算等向邊緣延伸；最后為終端，各類型的智能終端，實現(xiàn)配電網(wǎng)的感知，整體構建云邊端的配電物聯(lián)網(wǎng)架構[9]。配電物聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)就是將信息化和工業(yè)化進行深度的融合，通過信息化力量將原有配電網(wǎng)的生產(chǎn)力進一步的釋放，實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

圖1 配電物聯(lián)網(wǎng)總體架構

2 邊緣計算智能終端

現(xiàn)階段配電物聯(lián)網(wǎng)的設計思路是基于“硬件平臺化、軟件 APP化”，采用開放式硬件平臺和操作系統(tǒng)，達到軟硬件解耦，以不同的APP應用軟件來擴展終端功能[10-11]。新型智能配變終端（distribution transformer supervisory terminal unit, TTU）作為配電物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算網(wǎng)關，面向的不僅僅是配電變壓器，還面向整個配電臺區(qū)、電壓側(cè)設備，以及信息通信整體管理，并融入了邊緣計算。

邊緣計算充分發(fā)揮了云計算的資源整合高通用性以及邊緣側(cè)迅速可靠地響應用戶需求，其架構的優(yōu)勢在于云端協(xié)同和本地計算，在靠近終端用戶的邊緣側(cè)，開發(fā)靈活高效的數(shù)據(jù)應用軟件APP，例如分布式電源并網(wǎng)、拓撲識別、負荷預測、線損分析、故障研判、風險預警、電動汽車充放電等邊緣計算應用，體現(xiàn)配電物聯(lián)網(wǎng)應用價值。

配電物聯(lián)網(wǎng)通信拓撲示意圖如圖2所示，智能終端網(wǎng)關同時負責進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，接入各種配電端設備，目前配電網(wǎng)領域設備應用的廠家非常多，通過智能配電終端建立協(xié)議庫的方式，最大限度利用已有設備達到互聯(lián)互通的目的，不用對原有的設備進行大范圍的改造。

圖2 配電物聯(lián)網(wǎng)通信拓撲示意圖

3 MQTT物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議

消息隊列遙測傳輸（message queuing telemetry transport, MQTT）協(xié)議是IBM在1999年發(fā)布的一個即時通信協(xié)議，更為簡約、輕量、易于使用，適合于受限環(huán)境下的消息分發(fā)，也是為物聯(lián)網(wǎng)場景（帶寬低、網(wǎng)絡延遲、不穩(wěn)定通信）而設計的輕量級發(fā)布/訂閱消息傳輸協(xié)議，使用 TCP/IP連接，最大優(yōu)點在于可以為計算能力有限、低帶寬的遠程設備提供可靠的傳輸[12-13]。

MQTT協(xié)議通過客戶端和服務器端完成通信，分為發(fā)布者（Publisher）、代理（Broker）、訂閱者（Subscriber）三種身份，其中消息代理是 MQTT服務器，消息的發(fā)布者和訂閱者都屬于客戶端且發(fā)布者同時也可以是訂閱者。發(fā)布者和訂閱者并不需要知道對方是否存在，只需要通過IP和端口連接到Broker，Broker能夠根據(jù)不同的話題過濾和分發(fā)消息，實現(xiàn)消息的發(fā)布和訂閱。

MQTT對信息傳輸提供三種服務質(zhì)量（Qos）等級，最多一次（Qos0），消息可能丟失；至少一次（Qos1）保證消息到達，但是可能重復；以及只有一次（Qos2）保證消息只到達一次。

端設備可以直接經(jīng)MQTT協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)平臺通信，也可經(jīng)本地組網(wǎng)通過邊緣計算智能終端再經(jīng)MQTT協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)平臺通信。

配電物聯(lián)網(wǎng) MQTT協(xié)議通過定義不同的主題（Topic）來實現(xiàn)不同的用途，單個主題可以包含多個層級，用斜杠字符分隔不同層級，例如邊緣計算終端通過主題/v1/devices/{gatewayId}/topo/add來添加端設備。

4 典型通信過程

4.1 設備即插即用流程

邊緣計算智能終端的注冊由主站應用發(fā)起，通過調(diào)用設備注冊接口完成設備在平臺側(cè)的注冊。終端即插即用注冊通信過程如圖3所示。

1）主站應用通過掃碼等方式獲得設備檔案和SN號。

2）主站應用下方智能終端的檔案信息給物聯(lián)網(wǎng)平臺。

3）物聯(lián)網(wǎng)平臺返回deviceId后，主站側(cè)提示注冊成功，并建立SN碼、deviceId和主站mRid關聯(lián)關系。

4）主站側(cè)導入臺區(qū)模型文件。

5）邊緣計算智能終端上電后通過 MQTT協(xié)議請求連接物聯(lián)網(wǎng)平臺，物聯(lián)網(wǎng)平臺匹配注冊信息通過后，返回登錄通過信息給終端。

圖3 終端即插即用注冊通信過程

4.2 數(shù)據(jù)訂閱流程

主站應用可通過下發(fā)命令單次獲取設備數(shù)據(jù)，一般通過數(shù)據(jù)訂閱的方式注冊主站回調(diào)通知地址，當物聯(lián)網(wǎng)平臺中設備數(shù)據(jù)變化后，物聯(lián)網(wǎng)平臺會主動通知主站應用變化數(shù)據(jù)。

1）主站應用調(diào)用subscribe API訂閱設備數(shù)據(jù)變更通知，當設備數(shù)據(jù)變化時平臺會推送給應用。

2）邊緣計算智能終端通過MQTT PUBLISH消息主動上報數(shù)據(jù)消息給物聯(lián)網(wǎng)平臺。

3）物聯(lián)網(wǎng)平臺接收到設備數(shù)據(jù)變化后，調(diào)用主站注冊的通知回調(diào)地址callbackUrl將信息通知主站。

5 統(tǒng)一模型

物聯(lián)網(wǎng)平臺接入設備需要編寫設備的Profile文件，該文件用來描述設備能力、服務及如何控制設備。設備能力包括設備類型、廠商、型號、協(xié)議類型名稱及提供的服務類型。服務描述可理解為物理設備的功能模塊或者虛擬設備提供的服務，包括命令和屬性。

圖4 數(shù)據(jù)訂閱通信過程

需要將Profile文件按IEC61968/IEC61970轉(zhuǎn)換為電力系統(tǒng)基于XML的模型文件，抽象分類為basic（基本信息，包括制造廠商、設備型號等），config（參數(shù)配置，包括通信參數(shù)、保護參數(shù)等），topology（拓撲，包括電網(wǎng)一次拓撲信息等），capability（按設備能力抽象分類，包括 analog模擬量，discrete狀態(tài)量，accumulator累積量，command命令等）。

6 主站與物聯(lián)網(wǎng)平臺間RESTful接口

物聯(lián)網(wǎng)平臺提供了豐富的RESTful API接口給主站應用，通過這些接口，實現(xiàn)對設備的管理（包括設備的增、刪、查、改）、數(shù)據(jù)上報、命令下發(fā)等業(yè)務場景。

REST（representational state transfer）是一種面向資源的輕量級Web Service架構，其API具有三個特點：①通過統(tǒng)一資源標識符（URI）定位和識別資源；②通過HTTP協(xié)議中定義的方法（PUT, GET,POST, DELETE）對資源進行操作；③狀態(tài)無關性[14]。

例如主站注冊網(wǎng)關設備的API接口：

7 結論

本文介紹了一種低壓配電臺區(qū)的數(shù)據(jù)采集方案，以邊緣計算智能終端TTU為網(wǎng)關，通過PLC、短距無線通信、紅外通信、射頻等通信方式接入臺區(qū)智能電表、無功補償裝置及各種傳感器，基于物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)配電臺區(qū)終端設備的數(shù)據(jù)靈活實時接入，設備間互聯(lián)互通，并為其他應用平臺提供數(shù)據(jù)共享融合接口，運用本方案能夠解決配電側(cè)設備種類多、通信環(huán)境復雜、數(shù)據(jù)采集困難的問題。

方案作為按能源物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算+云計算架構來重新設計的新一代配用電主站系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)接入模塊，結合廣東電網(wǎng)智能電網(wǎng)示范區(qū)建設，部署在省局和相應的地調(diào)側(cè)，接入部分試點配置智能TTU的智能臺區(qū)、獨立的企業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)設備及智能配電房物聯(lián)網(wǎng)設備。

能夠?qū)崟r全面監(jiān)測臺區(qū)的運行狀態(tài)，進行實時大數(shù)據(jù)分析，獲取臺區(qū)的三相負荷不平衡率、負載率及可靠性統(tǒng)計分析等，實現(xiàn)低壓配電臺區(qū)的高度智能、高度監(jiān)測及控制，可大大提高管理效率，加強為電力客戶服務的能力。