邊緣計算在多芯模組化電能表中的應(yīng)用分析

董永樂，王曉軍，張 祺，殷 超，達(dá)爾罕

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古電力集團(tuán)有限責(zé)任公司營銷服務(wù)部，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

為順應(yīng)能源革命的發(fā)展趨勢，國家電網(wǎng)公司于2019年創(chuàng)造性地提出了建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)。但現(xiàn)有多芯模組化電能表存在通信方式單一、管理功能簡單、軟件無法升級、功能無法擴(kuò)展等問題，導(dǎo)致用戶交互體驗(yàn)感差，無法滿足泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的信息互聯(lián)、設(shè)備交互、全面感知的需求，同時也無法與新國際標(biāo)準(zhǔn)接軌。因此，現(xiàn)有多芯模組化電能表已嚴(yán)重制約泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，下一代多芯模組化電能表的設(shè)計、應(yīng)用已迫在眉睫。

1 邊緣計算與多芯模組化電能表

1.1 邊緣計算

近年來，“物聯(lián)網(wǎng)”“云計算”等技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，但是隨著萬物互聯(lián)以及5G高帶寬、低時延時代的到來，各類業(yè)務(wù)如車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、4K/8K、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR/AR）等所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量爆炸式增長，給計算設(shè)施帶來了實(shí)時性、網(wǎng)絡(luò)依賴性和安全性等方面的要求。為了解決這些問題，國內(nèi)外學(xué)者們提出了邊緣計算的概念。邊緣計算是源于物聯(lián)網(wǎng)的一種技術(shù)，其可以實(shí)現(xiàn)在設(shè)備上進(jìn)行消息通信、本地核算、數(shù)據(jù)緩存等功能，并在不聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)的情況下實(shí)現(xiàn)設(shè)備的本地聯(lián)動、數(shù)據(jù)處理。從寬泛意義上來看，邊緣計算可看作“任何不是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的均可成為某一個體邊緣節(jié)點(diǎn)”，包括貼近企業(yè)的微數(shù)據(jù)中心、基站內(nèi)部署的容器化邊緣計算服務(wù)器、貼近終端用戶的服務(wù)器設(shè)備等。從狹義上來看，邊緣計算是在用戶端設(shè)備上運(yùn)行的工作負(fù)載，根據(jù)面向用戶類型的差異，可以劃分為企業(yè)端邊緣計算（視頻監(jiān)控分析、邊緣層機(jī)器學(xué)習(xí)、視頻會議加速）、用戶端邊緣計算（游戲加速、MEC、互聯(lián)網(wǎng)CDN）、設(shè)備端邊緣計算（車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算等）幾種類型。

邊緣計算在傳輸特性、多樣性、容量級等方面具有多項優(yōu)點(diǎn)，其中傳輸特性特指實(shí)時、批處理、周期性、近實(shí)時與離線，多樣性則可分為數(shù)據(jù)庫、表格、Things、Web/視頻/社交、文本/圖片/音頻等類型，容量級包括PB級、GB級、ZB級、PB級等多種級別[1]。其應(yīng)用程序在邊緣側(cè)發(fā)起，產(chǎn)生更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)，滿足行業(yè)在實(shí)時業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的基本需求。

1.2 多芯模組化電能表

多芯模組化電能表是在常規(guī)智能化電表功能基礎(chǔ)上，借助關(guān)鍵通信、負(fù)荷識別等技術(shù)，通過軟件升級的方式，在常規(guī)電能表的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展功能而產(chǎn)生的新型電能表，如圖1所示。多芯模組化電能表可以為未來智能家居電器的控制提供更為個性化的功能。

圖1 多芯模組化電能表

多芯模組化設(shè)計理念強(qiáng)調(diào)進(jìn)行電表計量管理分離的理念，即將電能表分離為計量芯、管理芯幾個模塊。其中計量芯主要承擔(dān)法制計量任務(wù)，并借助硬件的持續(xù)升級，實(shí)現(xiàn)更加可靠、便捷的計量。一般計量芯部分基本計量功能為ADC采樣數(shù)據(jù)、電壓瞬時量、脈沖輸出、累積電量等，涉及了清零、校時、掉電、管理芯插拔等事件。同時經(jīng)接口與管理芯接口展開SPI信息交互；管理芯則承擔(dān)業(yè)務(wù)功能，比如費(fèi)控、對外通信、顯示、數(shù)據(jù)凍結(jié)、負(fù)荷控制等，并借助軟件升級，實(shí)現(xiàn)不同類別故障的自維護(hù)。一般管理芯計量功能包括時間費(fèi)率、軟時鐘、費(fèi)率電量及存儲模塊，顯示、存儲可相互凍結(jié)，并經(jīng)有效的連接器上行模塊、有序用電擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)更加豐富的功能。

2 邊緣計算在多芯模組化電能表中的應(yīng)用方案

2.1 諧波計量

在電力電子技術(shù)變化更新背景下，電網(wǎng)中非線性特征的電力設(shè)備占據(jù)著越來越大的空間。而在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下海量分布式光伏、風(fēng)力能源接入電網(wǎng)之際，諧波問題不可避免，嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、平穩(wěn)運(yùn)行，沖擊著周邊電氣環(huán)境平穩(wěn)性。基于此，可以非線性用戶為對象進(jìn)行諧波污染考核，判定用戶諧波、非諧波特性，為電能科學(xué)計量、電能質(zhì)量管控（限制諧波源用戶）提供依據(jù)[2]。

諧波分析是諧波電能計量的前提，也是基本電力參數(shù)、諧波有功電能量先后獲得的前提。具體分析時，可以利用傅里葉變換法，將信號向若干個多頻率正弦信號和分解，進(jìn)而進(jìn)行信號所含基波幅值、相位、頻率以及若干個次諧波的相位、幅值、頻率的求解。在求解相關(guān)參數(shù)后，可以綜合考慮電壓直流量、諧波電流有效值、電壓相位、基波角頻率等因子，進(jìn)行電壓、電流有效值的計算，即：

式（1）（2）中：U0、I0分別為電壓、電流的流量；θn、?n分別為第n次諧波電壓、電流相位；Un、In分別為第n次諧波的電壓、電流有效值；w0為基波角頻率。

由于邊緣算法是諧波分析的主要工具，因此，在諧波分析時，需要經(jīng)計量芯部分收集的海量電流、電壓樣本采集數(shù)據(jù)，開展傅里葉變換后求解若干次諧波電力參數(shù)。同時由管理芯進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，突破傳統(tǒng)海量電壓電流采樣數(shù)據(jù)向云端主站傳輸時遇到的網(wǎng)絡(luò)帶寬、云端主站運(yùn)算壁壘，滿足大量電表用戶諧波分析的要求。

2.2 實(shí)時費(fèi)控

基于邊緣計算的實(shí)時電費(fèi)核算控制可以在現(xiàn)有用采架構(gòu)的集中器中植入、加裝邊緣計算模塊，由邊緣計算模塊依據(jù)每小時/每分鐘計算頻次的需要，進(jìn)行電能表數(shù)據(jù)召測，并根據(jù)下發(fā)規(guī)則，開展邊緣判斷[3]。在這一架構(gòu)下，首次開展或用戶電能表余額發(fā)生變化后，可以在主站進(jìn)行用戶峰谷電價、階梯電費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)約以及預(yù)警閾值設(shè)置，電表上一次結(jié)算時將示數(shù)等信息下發(fā)至邊緣計算模塊。同時在采集源于傳統(tǒng)電表采集系統(tǒng)依據(jù)每天特定時刻召測、存儲的數(shù)據(jù)外，由邊緣計算模塊依據(jù)需要的計算頻次開展電表數(shù)據(jù)召測。若在召測時發(fā)現(xiàn)以往由于拖欠費(fèi)用而關(guān)停電力能源傳送渠道的用戶進(jìn)行電費(fèi)繳納暫存后，則可以將用戶暫存繳納款項再次下發(fā)到邊緣計算模塊，根據(jù)所需頻次開展核算，判定用戶暫存款是否超出已使用電費(fèi)，并分析其電量波動、突增情況，避免用戶暫存款不足對電能供應(yīng)的影響。

實(shí)時費(fèi)控具體流程如圖2所示。具體如下：①多路采集模塊完成模擬量以及數(shù)字量信號的采集，初步分析錄波、電能質(zhì)量，并將分析結(jié)果發(fā)送至主控制器。②主控制器根據(jù)時間索引、數(shù)據(jù)，進(jìn)行存儲數(shù)據(jù)分類、波形分析。并根據(jù)階梯電費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約定位異常波形、發(fā)生時刻，以日志的形式記錄，同時經(jīng)上行接口向上一級監(jiān)控用戶推送，經(jīng)下行接口實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信號接入。③經(jīng)dap、abc芯片，對數(shù)據(jù)緩存進(jìn)行一系列計算，并讀取預(yù)警數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多路do輸出。

圖2 實(shí)時費(fèi)控流程

2.3 非侵入式負(fù)荷監(jiān)測

非侵入式負(fù)荷監(jiān)測即Non-Intrusive Load Monitoring，簡稱之NILM[4]。相較于僅具備電能量測量的傳統(tǒng)智能電表而言，多芯模組化電能表所具備的非侵入式負(fù)荷監(jiān)測功能可以在邊緣計算支持下，自動監(jiān)測用戶電能表內(nèi)不同類型電氣啟動/停止時間、能量損耗、運(yùn)行狀態(tài)等信息，促使用戶第一時間了解自身電量使用行為，為電量使用計劃的科學(xué)測定以及智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的建立提供依據(jù)，奠定電力調(diào)度、電力供應(yīng)與需求協(xié)調(diào)分析、能源管控理論基礎(chǔ)。從本質(zhì)上而言，非侵入式負(fù)荷監(jiān)測多以電力資源使用入口端電流、電壓等用電信息為監(jiān)測對象，利用用電設(shè)備特征模式識別技術(shù)、構(gòu)建技術(shù)，配合智能學(xué)習(xí)算法，經(jīng)過數(shù)據(jù)量測、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)勘探測量、數(shù)據(jù)特征提取、數(shù)據(jù)特征庫匹配、電力負(fù)荷區(qū)別辨識等幾個環(huán)節(jié)，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)下負(fù)荷特征、暫態(tài)下負(fù)荷特征的解讀、分析，同時辨識電網(wǎng)末端不同用電設(shè)備的電力資源使用情況。

在近幾年信號處理技術(shù)持續(xù)變化、更新進(jìn)程中，信號分解算法日益豐富，負(fù)荷區(qū)別辨識數(shù)據(jù)日益精確。當(dāng)前非侵入式負(fù)荷監(jiān)測除選擇以云計算主站為基礎(chǔ)的簡單特征值提取、云端主站負(fù)荷識別外，還可以運(yùn)用以邊緣計算表端為基礎(chǔ)的特征值提取和負(fù)荷識別方式，這一技術(shù)對存儲資源、邊緣計算表端的計算要求均不高，易于實(shí)現(xiàn)。具體流程如圖3所示。

圖3 以邊緣計算為基礎(chǔ)的非侵入式負(fù)荷監(jiān)測流程

根據(jù)IEC85提供的以邊緣計算為基礎(chǔ)的非侵入式負(fù)荷監(jiān)測流程，實(shí)現(xiàn)非侵入式負(fù)荷辨識的高級算法是管理芯（用電設(shè)備）的主要功能，具體表現(xiàn)為負(fù)荷辨識；電能表主要負(fù)責(zé)原始數(shù)據(jù)獲取、預(yù)先處理，涵蓋了恰當(dāng)?shù)呢?fù)荷特征數(shù)據(jù)提供、后端辨識算法運(yùn)行等多個環(huán)節(jié)，具體數(shù)據(jù)包括頻域類的數(shù)據(jù)（分次諧波、諧波抑制比THD）、時域類的數(shù)據(jù)（有效值、功率、功率因數(shù)）、原始采樣ADC數(shù)據(jù)等[5]。

3 邊緣計算在多芯模組化電能表中的應(yīng)用效果

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

相較于傳統(tǒng)電能表僅可滿足1個或者2個地市供電公司的計算模式而言，基于邊緣計算的多芯模組化電能表可以覆蓋整個省域，并在每增加一臺集中器配一個邊緣計算模塊的基礎(chǔ)上，達(dá)到分鐘級別的實(shí)時計算[6]。假定省域內(nèi)需1.0×106臺集中器，而每臺技術(shù)較為成熟且價格適中的ARM架構(gòu)的邊緣計算模塊價格在150～220元，共需資金1.5×108～2.2×108元，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)電能表計算模塊建設(shè)資金投入。

3.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸效果

應(yīng)用邊緣計算模塊之后，可以由每小時/每分鐘采集與計算代替每日計算，提高24倍（或1 450倍）的網(wǎng)絡(luò)傳輸量。且由于基于邊緣計算的每小時/每分鐘電能表示數(shù)不需要向主站上傳，網(wǎng)絡(luò)傳輸效果可以進(jìn)一步提升。

3.3 主站吞吐計算效果

基于邊緣計算的多芯模組化電能表計算能力是傳統(tǒng)電能表計算能力的24～1 440倍。再加上應(yīng)用邊緣計算模塊之后，邊緣計算模塊負(fù)責(zé)了全部計算任務(wù)，主站僅需進(jìn)行每日計算、局部預(yù)先警報復(fù)測，主站計算壓力大大下降。與此同時，現(xiàn)有模式可以將主站提高60～1 440倍的吞吐能力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)電能表用電采集系統(tǒng)吞吐能力。

3.4 存儲效果

除高壓用戶外的其他電力用戶大多不需存儲每小時/每分鐘電能表指示數(shù)值，電能表存儲數(shù)值仍然為特定時間段計算的臨時數(shù)據(jù)，但由于需要將臨時數(shù)據(jù)上傳到主站，現(xiàn)實(shí)存儲量需要為臨時數(shù)據(jù)量的2倍。而基于邊緣計算的多芯模組化電能表由于簡化了臨時數(shù)據(jù)向主站上傳步驟，可以保證所需存儲量與臨時數(shù)據(jù)量一致，實(shí)現(xiàn)更低的存儲量。

3.5 安全和隱私

邊緣計算將計算推至靠近用戶的地方，避免了數(shù)據(jù)在上傳到云端過程中及在云端存儲、計算時用戶數(shù)據(jù)丟失、被盜的風(fēng)險，降低了隱私數(shù)據(jù)泄露的可能性，同時通過多維度日志行為分析系統(tǒng)的運(yùn)行，避免了用戶數(shù)據(jù)受到攻擊，保證了用戶的信息安全和個人隱私。

4 總結(jié)

綜上所述，邊緣計算是云計算的進(jìn)一步延伸，具有廣闊的發(fā)展前景。在多芯模組化電能表中應(yīng)用邊緣計算，不僅可以在靠近用戶端、邊緣端提供IT服務(wù)環(huán)境，而且可以降低對主站計算能力、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊蟆Ｒ虼?，可以探究邊緣計算在非侵入式?fù)荷監(jiān)測、實(shí)時費(fèi)控、諧波計量中的應(yīng)用，滿足下一代多芯模組化電能表的設(shè)計要求。