智慧能源網(wǎng)關(guān)終端接入研究

羅達，張陽，向運琨

(1·湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲412007；2·國網(wǎng)湖南綜合能源服務(wù)有限公司，湖南 長沙410007)

0 引言

隨著我國城市化進程的加速，能源消耗速度急劇加快[1]。智慧能源網(wǎng)關(guān)通過對電力網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的集中化和遠程化管理，提供所需的數(shù)據(jù)和應(yīng)用服務(wù)[2－3]。作為構(gòu)建泛在電力物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的核心部件，智慧能源網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)包括用能數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)運行數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等在內(nèi)的電力信息和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)、調(diào)度和控制[4]。本文深入研究不同用戶的能源管理特征，梳理不同客戶用電設(shè)備監(jiān)測與分析的典型網(wǎng)絡(luò)分布結(jié)構(gòu)，明確客戶側(cè)用電設(shè)備能效監(jiān)測的安裝接入標(biāo)準(zhǔn)，提供典型接口與通信規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)?；诓煌脩舻哪茉垂芾硇枨?，安裝部署相對應(yīng)的用能計量設(shè)備、傳感器設(shè)備、測控終端設(shè)備等。

1 用戶側(cè)綜合能源需求分析及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 需求分析

1.1.1 數(shù)字化平臺需求

數(shù)字化平臺需求是清潔能源各個行業(yè)的需求，隨著清潔能源業(yè)務(wù)不斷擴張，系統(tǒng)所需的資源能按需調(diào)控，以支持海量終端接入[5]。數(shù)字化平臺通過大數(shù)據(jù)分析和AI智能分析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析后的優(yōu)化控制、故障預(yù)測等功能。

1.1.2 邊緣側(cè)需求

由于系統(tǒng)互聯(lián)互通，數(shù)據(jù)AI智能處理化需要一個本地智能自動化的處理，以便提高本地數(shù)據(jù)處理速度，減少網(wǎng)絡(luò)上傳帶寬與流量成本[6]，邊緣計算給與智慧能源網(wǎng)關(guān)一個靠近數(shù)據(jù)源頭的邊緣側(cè)計算平臺，保障低時延、高可靠的網(wǎng)關(guān)環(huán)境。

1.1.3 數(shù)據(jù)高效采集需求

智慧能源網(wǎng)關(guān)的基礎(chǔ)就是數(shù)據(jù)采集，采集終端需要克服各種環(huán)境問題[7]，同時系統(tǒng)線上需要大量的專業(yè)性配置，高效的數(shù)據(jù)采集、快速安裝部署、終端免配置即插即用是實現(xiàn)智能化網(wǎng)關(guān)在能源節(jié)能中的前提。

1.1.4 遠程運維管理需求

網(wǎng)關(guān)管理設(shè)備和終端遠程運維需要能源管理平臺的連接和對遠程設(shè)備進行監(jiān)測，信息的交互需要滲透到設(shè)備層面[8]，從而實現(xiàn)點對點之間全方位的融合。遠程運維管理包括監(jiān)測、參數(shù)配置、重啟、更新等。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 邊緣計算

目前邊緣計算已經(jīng)得到了各行各業(yè)的廣泛重視，邊緣計算常常和物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系在一起，在管理來自物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的大量數(shù)據(jù)方面效率更高、延遲更低、處理速度更快，且可擴展，通過在源位置處理數(shù)據(jù)[9]，邊緣計算在幫助實時應(yīng)用程序無延遲或無停機運行方面至關(guān)重要。

1.2.2 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)是以數(shù)據(jù)和模型為驅(qū)動，數(shù)字孿生結(jié)合了幾何建模、仿真模擬、數(shù)據(jù)分析等全方位功能構(gòu)造出模擬實體運行的虛擬物體[10]，通過這些建模分析進行最佳的決策，同時依賴于數(shù)字線程使工業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈達到最佳限度的閉環(huán)優(yōu)化。

1.2.3 HPLC(高速電力線載波)

HPLC(高速電力線載波)也稱為寬帶電力線載波。用電信息采集系統(tǒng)的寬帶載波通信網(wǎng)絡(luò)一般會形成以中央?yún)f(xié)調(diào)器(Central Coordinator，CCO)為中心、以代理協(xié)調(diào)器(Proxy Coordinator，PCO)為中繼代理，連接所有站點多級關(guān)聯(lián)的樹形網(wǎng)絡(luò)[11－12]。

1.2.4 多容器(Docker)技術(shù)

Docker技術(shù)是一個開源的應(yīng)用容器引擎，可以根據(jù)需要將程序打包移至到一個虛擬容器中，基于Linux系統(tǒng)實現(xiàn)應(yīng)用容器虛擬化[13]。

2 智能邊緣網(wǎng)關(guān)硬軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 硬件層設(shè)計

2.1.1 技術(shù)要求

智能邊緣網(wǎng)關(guān)可用于配電站房或臺區(qū)側(cè)，針對用采、配變、充電樁、分布式儲能等營銷、運檢業(yè)務(wù)接入場景；也可用于居民家庭或商業(yè)用戶，針對綜合能源服務(wù)和新興業(yè)務(wù)接入場景。智能邊緣網(wǎng)關(guān)具備以太網(wǎng)口作為遠程通信接口，并可選配RS－485、電力線載波通信接口等本地通信接口，各接口之間相互獨立。具備擴展模塊用以選配無源節(jié)點輸入、溫度采集、USB等擴展接口等。硬件接口采用模塊化設(shè)計，可根據(jù)需求更換和選擇，滿足互換性要求。

2.1.2 硬件設(shè)計

智能邊緣網(wǎng)關(guān)的硬件核心部件結(jié)構(gòu)采用華為AR530模塊。AR530采用模塊化設(shè)計，配置主控芯片，由存儲單元、通信模塊等構(gòu)成。通過多容器技術(shù)在網(wǎng)關(guān)中部署多種APP，與外界接口和計量設(shè)備之間互相通信，以滿足各式各樣的應(yīng)用場景。整個智能邊緣網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。電源整流部分電路將AC 220 V變成DC 12 V。電源降壓部分電路將DC 12 V變成DC 3·8 V給各模塊供電。

圖1 智能邊緣網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2.2 軟件層設(shè)計

2.2.1 技術(shù)要求

通信接口:主要包括遠程對上通信接口和本地對下通信接口。遠程對上通信接口包括以太網(wǎng)口(ETH)，亦可選配4G等擴展通信方式，本地對下通信接口包括USB接口，亦可選配M_BUS、PLC、RS485、Zigbee、LoRa/紅外等擴展通信方式。

通信協(xié)議:對上采用MQTT、104等協(xié)議，對下可適配Modbus、DLT 645等多種通信協(xié)議。

2.2.2 功能設(shè)計

智能邊緣網(wǎng)關(guān)的主要功能設(shè)計如下:

1)數(shù)據(jù)采集。智能邊緣網(wǎng)關(guān)終端包括三種采集方式。一是實時采集，終端直接采集指定采集設(shè)備的相應(yīng)數(shù)據(jù)項；二是定時自動采集，終端根據(jù)主站設(shè)置的方案自動采集數(shù)據(jù)；三是自動補抄，終端對在規(guī)定時間內(nèi)未抄讀到數(shù)據(jù)，有自動補抄功能。

高精度終端采集和快速傳輸需要數(shù)字孿生系統(tǒng)。數(shù)字孿生技術(shù)為網(wǎng)關(guān)云端搭建快速可靠的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，保障了采集終端傳輸?shù)街腔勰茉淳W(wǎng)關(guān)中的數(shù)據(jù)信息安全。通過與邊緣計算技術(shù)的結(jié)合保障數(shù)據(jù)的實時采集傳輸和更新。大量分布的各類型高精度采集終端需要邊緣計算和孿生系統(tǒng)支撐。

電參數(shù)主要采集數(shù)據(jù)分為兩類，一是電能表的輸出值，二是狀態(tài)量。

2)數(shù)據(jù)傳輸。智慧能源網(wǎng)關(guān)終端能夠傳輸特定規(guī)約的數(shù)據(jù)信息到云平臺中進行處理，數(shù)據(jù)可以是多路同時轉(zhuǎn)發(fā)、多路不同協(xié)議和接口獨立轉(zhuǎn)發(fā)、多址轉(zhuǎn)發(fā)、雙通道冗余、本地數(shù)據(jù)定時分段發(fā)送，支持共享傳輸模式，滿足斷點續(xù)傳功能和遠程訂閱功能。智慧能源網(wǎng)關(guān)終端具有斷點續(xù)傳功能，數(shù)據(jù)即使中斷也可恢復(fù)連接，可繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，不丟失。

3)數(shù)據(jù)儲存。智能邊緣網(wǎng)關(guān)終端具有數(shù)據(jù)存儲功能，數(shù)據(jù)統(tǒng)一保存在數(shù)據(jù)中心APP，支持數(shù)據(jù)的本地存儲，可存儲所有的采集數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)、日志信息、聯(lián)動信息、告警信息，保存支持本地XML文件存儲和SQLite數(shù)據(jù)庫存儲。

4)數(shù)據(jù)處理。智能邊緣網(wǎng)關(guān)終端基于LXC多容器技術(shù)通過統(tǒng)一的MQTT消息總線技術(shù)，提供標(biāo)準(zhǔn)接口供容器內(nèi)運行的各類業(yè)務(wù)相關(guān)應(yīng)用程序(App)調(diào)用。實現(xiàn)業(yè)務(wù)程序和底層硬件、操作系統(tǒng)的解耦合，業(yè)務(wù)程序可獨立于硬件進行部署和迭代開發(fā)。支持客戶或第三方開發(fā)和部署應(yīng)用。支持C、Java、Python等多種開發(fā)語言。

5)應(yīng)用層協(xié)議。智能邊緣網(wǎng)關(guān)終端支持以下協(xié)議:政府部門既定通信協(xié)議(如EMS等)、電力部門標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議(如60870－5－101、60870－5－103、60870－5－104、MODBUS－RTU)、物聯(lián)網(wǎng)通用協(xié)議、NETCONF協(xié)議，并可根據(jù)客戶側(cè)實際需求支持定制化協(xié)議開發(fā)。

6)控制功能。智能邊緣網(wǎng)關(guān)終端具有控制功能。可按照平臺設(shè)定的固定策略定時執(zhí)行控制指令，可實時接收平臺控制命令并下發(fā)執(zhí)行。

7)自檢功能。終端對接入的采集終端等設(shè)備通訊進行檢查，能夠識別通訊中斷、報文異常、采集終端數(shù)據(jù)等異常，并生成事件上傳到上級控制中心。

8)對時功能。能接受上級控制中心的授時信號；支持SNTP對時方式；具備守時功能；能正確處理閏秒時間。

9)安全功能。智慧能源網(wǎng)關(guān)滿足相關(guān)網(wǎng)絡(luò)安全的要求，具有通信故障報警、記錄及恢復(fù)功能，同時具備雙向加密傳輸功能、白名單識別認證、網(wǎng)絡(luò)防火墻功能。

10)聯(lián)動功能。智慧能源網(wǎng)關(guān)終端具有聯(lián)動功能?？砂凑张渲玫穆?lián)動規(guī)則聯(lián)動相關(guān)的設(shè)備。支持策略更新，更新方式應(yīng)包括但不限于接收上級控制中心下發(fā)的更新策略。

3 用戶側(cè)用能設(shè)備終端接入標(biāo)準(zhǔn)研究

3.1 輕量級轉(zhuǎn)換器

輕量級轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)RS485轉(zhuǎn)HPLC通訊，內(nèi)置采用HPLC小型化尾端模塊，基于IPv6，支持終端即插即用，網(wǎng)隨電通，實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的免布線部署。

輕量級轉(zhuǎn)換器的內(nèi)置尾端通過電力傳輸數(shù)據(jù)，部署效率高、成本低，把通信頻段轉(zhuǎn)化HPLC所需的700～12 000 kHz，滿足所有應(yīng)用場景中對帶寬、通信距離和可靠性需求。

3.2 能效終端

能效終端在電力系統(tǒng)中具有體積小、安裝方便等優(yōu)點。帶有RS485通信接口，可選用MODBUSRTU或DL/T645協(xié)議。

輕量級轉(zhuǎn)換器接線如圖2所示，A、B、C互感器的電流信號線分別接IA(進)、IA*(出)，IB(進)、IB*(出)，IC(進)、IC*(出)；A、B、C三相的電壓信號線分別接到UA、UB、UC端子；N線接到UN端子。

圖2 輕量級轉(zhuǎn)換器接線說明組圖

3.3 即插即用接口

綜合能源服務(wù)的項目開局，涉及到終端設(shè)備安裝、通信網(wǎng)絡(luò)部署、本地系統(tǒng)配置、云端系統(tǒng)配置等環(huán)節(jié)。智慧用能物聯(lián)網(wǎng)解決方案建議通過終端免配置即插即用實現(xiàn)終端設(shè)備的快速上線:在系統(tǒng)配置中，需要關(guān)聯(lián)HPLC模塊IP地址和終端物理安裝位置(回路名稱)。當(dāng)終端設(shè)備上電后，HPLC模塊根據(jù)EUI－64規(guī)范由MAC地址自動生成IPv6地址。

3.4用戶側(cè)用能監(jiān)測設(shè)備接入規(guī)范研究

1)能效終端接入調(diào)試規(guī)范?？蛻魝?cè)用電采控終端安裝必須垂直牢固，用電采控終端傾斜度不大于10°。

2)智能邊緣網(wǎng)關(guān)接入調(diào)試規(guī)范。智能邊緣網(wǎng)關(guān)的機箱外殼應(yīng)有足夠的強度，戶外終端外殼的防護性能應(yīng)符合GB/T 4208規(guī)定的IP51級要求[11]。

3)輕量級轉(zhuǎn)換器接入調(diào)試規(guī)范。輕量級轉(zhuǎn)換器安裝于配電網(wǎng)絡(luò)低壓側(cè)(400 V)配電房進出線柜、樓層配電箱、動力配電箱，或其他供電網(wǎng)絡(luò)輻射到的電源末梢智能終端處。如圖3所示，其通信為CCO上電后全網(wǎng)檢測，然后確定PCO和STA，然后查看STA的報文，通過CSMA載波檢測多址的方式進行傳輸管理和控制。

圖3 輕量級轉(zhuǎn)換器HPLC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4 用戶側(cè)用能設(shè)備終端接入系統(tǒng)測試與分析

4.1 系統(tǒng)測試拓撲

本項目工程應(yīng)用于長沙市某商業(yè)樓宇。通過接入智慧用能平臺對用戶側(cè)用能設(shè)備接入終端系統(tǒng)進行了測試。智慧用能平臺滿足數(shù)字平臺需求和遠程運維管理需求為一體，為實時數(shù)據(jù)分析和處理提供了良好的平臺。圖4為系統(tǒng)測試拓撲圖。

圖4 系統(tǒng)測試拓撲圖

4.2 系統(tǒng)功能測試

4.2.1 智能邊緣網(wǎng)關(guān)與RS485電力終端通信測試

在測試中，電力終端通過RS485接入輕量級轉(zhuǎn)換器，輕量級轉(zhuǎn)換器通過電力線接入云邊路由器。并且云邊路由器內(nèi)安裝容器。網(wǎng)關(guān)容器內(nèi)安裝APP且運行正常。經(jīng)過測試，網(wǎng)關(guān)在線工作正常。采集終端數(shù)據(jù)見表1。

表1 采集終端數(shù)據(jù)

4.2.2 無線通訊長時間運行穩(wěn)定性測試

在測試中，用戶側(cè)用能設(shè)備通過智能邊緣網(wǎng)關(guān)接入平臺上線管理。開啟無線通訊，打開日志記錄，記錄運行情況，觀察7×24 h。測試結(jié)果顯示無線通訊運行穩(wěn)定正常。

4.2.3 HPLC網(wǎng)絡(luò)測試

在測試中，通過接入用戶側(cè)用能設(shè)備對HPLC網(wǎng)絡(luò)進行測試。智能網(wǎng)關(guān)與容器已部署且處于啟動狀態(tài)。測試結(jié)果顯示網(wǎng)絡(luò)管理一切正常。尾端在線測試情況顯示尾端在線，表示HPLC網(wǎng)絡(luò)測試成功。

5 總結(jié)

文章圍繞邊緣計算網(wǎng)關(guān)的業(yè)務(wù)終端要求，提出了智慧能源網(wǎng)關(guān)軟硬件設(shè)計、面向云邊協(xié)同的終端接入系統(tǒng)實現(xiàn)方案，并對相關(guān)產(chǎn)品進行了試用測試。試驗結(jié)果表明，所述邊緣計算網(wǎng)關(guān)的終端接入系統(tǒng)方案，能夠解決公網(wǎng)數(shù)據(jù)通信所面臨的經(jīng)濟性、穩(wěn)定性和安全性問題，能夠保證網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的運行穩(wěn)健性，可有效應(yīng)用于配電物聯(lián)網(wǎng)解決方案中。