邊緣計算在多芯模組化電能表中的應(yīng)用分析

丁海麗 周媛奉 胡婷婷

摘 要：近年來我國電力終端設(shè)備智能化發(fā)展速度驚人，這源于云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新型技術(shù)的不斷進(jìn)步，多芯模組化電能表便屬于技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物?；诖耍恼聦⒑唵畏治龆嘈灸＝M化電能表的構(gòu)成和特點(diǎn)，并深入探討邊緣計算在多芯模組化電能表中的應(yīng)用路徑，希望研究內(nèi)容能夠給相關(guān)從業(yè)人員以啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：多芯模組化電能表;邊緣計算;非侵入式負(fù)荷監(jiān)測

0? ? 引言

所謂邊緣計算，指的是網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)（靠近物或數(shù)據(jù)源頭）融合存儲、計算、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用核心能力的分布式開放平臺，以此提供的提供邊緣智能服務(wù)。行業(yè)數(shù)字化存在的應(yīng)用智能、數(shù)據(jù)優(yōu)化、實(shí)時業(yè)務(wù)、敏捷連接、安全保障等關(guān)鍵需求可通過邊緣計算滿足，而通過發(fā)揮自身在網(wǎng)絡(luò)末端的優(yōu)勢，邊緣計算模式可更好為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供服務(wù)，如提升服務(wù)響應(yīng)能力、提升數(shù)據(jù)安全性、緩解數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力，這使得其在多芯模組化電能表中有著較高應(yīng)用價值。

1 多芯模組化電能表的構(gòu)成和特點(diǎn)

1.1 構(gòu)成分析

多芯模組化電能表由通信芯模組、管理芯模組、計量芯模組構(gòu)成，具體構(gòu)成如圖1所示。

通過獨(dú)立設(shè)計管理部分與計量部分，多芯模組化電能表可實(shí)現(xiàn)隔離區(qū)域劃分，計量功能實(shí)現(xiàn)也能夠得到獨(dú)立計量芯的支持。作為基表的計量部分，計量芯模組主要負(fù)責(zé)電能計量任務(wù)，涉及每分鐘電量存儲并需要加上時標(biāo)，具體功能涉及全失壓、脈沖指示、時間源、電源異常事件檢測。考慮到表端需要實(shí)現(xiàn)非侵入式負(fù)荷監(jiān)測，因此選擇SoC形式的計量芯;整個表的管理任務(wù)由管理芯模組負(fù)責(zé)，計量芯記錄的電量信息需要由管理芯模組負(fù)責(zé)收集，同時需要進(jìn)行計費(fèi)，具體功能涉及負(fù)荷控制、數(shù)據(jù)凍結(jié)、事件記錄、對外通信、費(fèi)控顯示，遠(yuǎn)程集控可實(shí)現(xiàn)管理芯模組功能升級;智能電表的上行、下行通信由通信芯模組負(fù)責(zé)，為實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)接入和多元化高效通信，采用先進(jìn)通信策略[1]。

通過圖1所示的設(shè)計，多芯模組化電能表可更好地服務(wù)于智能電網(wǎng)建設(shè)，其功能可不斷升級。作為典型的法定計量器具，多芯模組化電能表的軟硬件修改升級需要開展型式評價與檢定，通過設(shè)計分離非計量功能和計量功能，即可保證計量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性不會受到在線升級影響，功能拓展與計量公平的兼顧得以實(shí)現(xiàn)。

1.2 特點(diǎn)分析

多芯模組化電能表具備多方面特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在3個方面：第一，模組化設(shè)計。計量芯模組屬于多芯模組化電能表的核心，負(fù)責(zé)法制計量，采用模組化設(shè)計理念的通信芯模組和管理芯模組在先進(jìn)通信技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化接口支持下，模組間的可替換可順利實(shí)現(xiàn)，后期維修和現(xiàn)場運(yùn)維便利性可大幅提升。在先進(jìn)通信技術(shù)和智能算法支持下，及時、準(zhǔn)確計費(fèi)能夠得到保障，同時提供的控制策略在指導(dǎo)科學(xué)用電方面也能夠發(fā)揮積極作用;第二，大容量、分布式存儲。在大容量數(shù)據(jù)存儲功能支持下，多芯模組化電能表能夠更好提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，滿足一體化的“源、網(wǎng)、荷、儲”協(xié)調(diào)發(fā)展需要，用電糾紛也能夠有效規(guī)避。通過存儲長時間的帶時標(biāo)每分鐘電能量數(shù)據(jù)，各部門的需要即可更好滿足，分布式存儲方案在數(shù)據(jù)高效讀取方面也有著不俗表現(xiàn);第三，多元化高效通信。主站的數(shù)據(jù)應(yīng)用效率直接受到電能表的通信手段和速度影響，在先進(jìn)通信策略支持下，依托高效數(shù)據(jù)壓縮、可擴(kuò)展通信協(xié)議、邊緣計算，即可高速傳輸數(shù)據(jù)。多芯模組化電能表的下行通信功能還能夠?qū)崿F(xiàn)戶內(nèi)終端交互、多表集抄、有序管理電動汽車充電樁等業(yè)務(wù)。此外，還具有模塊化升級、誤差在線監(jiān)測、諧波計量與負(fù)荷分析等功能[2]。

2 邊緣計算在多芯模組化電能表中的應(yīng)用路徑

2.1 非侵入式負(fù)荷監(jiān)測

在下一代智能電表標(biāo)準(zhǔn)體系的研究中，非侵入式負(fù)荷監(jiān)測向來屬于研究熱點(diǎn)，這一研究不僅需要關(guān)注電能量測量，同時需要監(jiān)測用戶內(nèi)各種類型電器的工作狀態(tài)、啟停時間、能耗情況，用戶可由此加深對自身用電行為的了解，用電計劃的科學(xué)制定可獲得依據(jù)?！爸悄茈娋W(wǎng)大數(shù)據(jù)”建設(shè)也能夠通過由此獲取的用戶用電行為和電能數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)，電力調(diào)度、能源控制、電力供需平衡能夠獲得非侵入式負(fù)荷監(jiān)測提供的理論支持。通過監(jiān)測用電入口端電流、電壓等用電信息，識別用電設(shè)備特征模式，輔以智能學(xué)習(xí)算法對暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)下的負(fù)荷特征量進(jìn)行解析，各用電設(shè)備用電狀況識別即可順利實(shí)現(xiàn)。非侵入式負(fù)荷監(jiān)測涉及的環(huán)節(jié)包括量測數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、探測、提取特征、特征匹配、負(fù)荷識別等。在不斷發(fā)展的現(xiàn)代信號處理技術(shù)支持下，日漸豐富的信號分解算法使得愈加準(zhǔn)確的負(fù)荷辨識得以實(shí)現(xiàn)，基于云計算的主站、基于邊緣計算的表端均可實(shí)現(xiàn)非侵入式負(fù)荷監(jiān)測，圖2為表端集成識別功能示意圖[3]。

本文采用表端集成識別功能的設(shè)計，非侵入式負(fù)荷辨識算法由管理芯模組提供，負(fù)荷辨識功能可順利實(shí)現(xiàn)。獲取和預(yù)處理原始數(shù)據(jù)由計量芯模組負(fù)責(zé)，具體涉及負(fù)荷特征數(shù)據(jù)提供，辨識算法應(yīng)用需要可順利滿足，主要涉及數(shù)據(jù)包括原始采樣ADC數(shù)據(jù)、頻域類和時域類的數(shù)據(jù)，如諧波抑制比、分次諧波、功率因數(shù)、功率、有效值等。

2.2 諧波計量

在電能計量和電能質(zhì)量管理工作中，非線性用戶諧波污染考核屬于業(yè)界長期以來關(guān)注的重點(diǎn)問題，由此科學(xué)計量諧波下的電能，判斷諧波、非諧波用戶，即可針對性限制和處理諧波源用戶，用電科學(xué)管理可順利實(shí)現(xiàn)。諧波分析屬于諧波電能的計量基礎(chǔ)，基本電力參數(shù)可通過求解得出，諧波有功電能量也能夠在進(jìn)一步計算中得到。傅里葉變換屬于主要的諧波分析方法，基于多個不同頻率正弦信號的和分解信號，并對所含基波和各次諧波的頻率、幅值、相位進(jìn)行求解，各電力參數(shù)即可最終得出。諧波分析對算法的依賴較高，計量芯模組需要提供大量的電流和電壓采樣數(shù)據(jù)，以此開展傅里葉變換和求解。如依托云端主站計算進(jìn)行諧波分析，云端主站需要上傳大量電流和電壓采樣數(shù)據(jù)，但在端主站的運(yùn)算能力和傳輸網(wǎng)絡(luò)的帶寬限制下，這些諧波分析會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞問題出現(xiàn)，而在邊緣計算技術(shù)支持下，電壓電流數(shù)據(jù)在由計量芯模組采集后，諧波分析算法實(shí)現(xiàn)由管理芯模組負(fù)責(zé)，諧波計量功能由此即可在表端實(shí)現(xiàn)，邊緣計算在多芯模組化電能表中的應(yīng)用價值可見一斑。

3 結(jié)語

綜上所述，邊緣計算可較好用于多芯模組化電能表。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的非侵入式負(fù)荷監(jiān)測、諧波計量等內(nèi)容，則直觀展示了邊緣計算的應(yīng)用路徑。為更好地服務(wù)于下一代智能電表的研發(fā)，邊緣計算的應(yīng)用還應(yīng)關(guān)注IR46國際建議理念、新型算法和硬件的應(yīng)用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]孔令生，王志遠(yuǎn)，范心明，等.基于邊緣計算的交直流配電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)[J].廣東電力，2020（12）：125-131.

[2]李斌，李星舉，趙卓.基于配電網(wǎng)邊緣計算應(yīng)用的安全策略探討[J].東北電力技術(shù)，2020（10）：1-6.

[3]張雪琦.寬帶微功率通信模塊應(yīng)用層設(shè)計及實(shí)現(xiàn)[D].重慶：重慶郵電大學(xué)，2020.

（編輯 傅金睿）