配電房物聯(lián)網(wǎng)關(guān)方案研究

萬尚軍，費(fèi)章君，楊仕友，安欣睿，操 星

（1.浙江大學(xué)工程師學(xué)院，浙江 杭州 310007；2.浙江大學(xué) 電氣學(xué)院，浙江 杭州 310007；3.南京征途信息技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210012）

0 引 言

近年來，隨著智能配電網(wǎng)的發(fā)展建設(shè)，各地陸續(xù)開展配電站房智能輔助系統(tǒng)的改造，主要實(shí)現(xiàn)動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)、輔助設(shè)備控制、安防監(jiān)測(cè)管理等功能。通過當(dāng)?shù)氐膭?dòng)環(huán)主機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)配電站房?jī)?nèi)的溫濕度、煙霧、水位、有害氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)燈光、空調(diào)、視頻以及門禁監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)等。有些方案中還接入局部放電檢測(cè)、紅外測(cè)溫、視頻分析等模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)[1-5]。

配電站房智輔系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入方式主要有獨(dú)立小系統(tǒng)、小型主站系統(tǒng)兩種方式。獨(dú)立小系統(tǒng)以單站監(jiān)控模式運(yùn)行，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、處理、儲(chǔ)存均在本地完成，不進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，各站點(diǎn)形成獨(dú)立的孤島運(yùn)行，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視運(yùn)維，無法滿足無人值守的運(yùn)維要求。小型主站系統(tǒng)中，站房智輔系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過公網(wǎng)通道接入部署在配電工區(qū)的監(jiān)測(cè)主站系統(tǒng)，形成區(qū)域站房智輔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，方便集中監(jiān)視和信息的遠(yuǎn)程調(diào)閱，但無法保證數(shù)據(jù)的安全性。

為了推進(jìn)配電站房智輔監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)，真正實(shí)現(xiàn)配電站房運(yùn)維的智能化、可視化和遠(yuǎn)程化，國(guó)家電網(wǎng)公司提出了基于“云-管-邊-端”典型架構(gòu)的配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案[5]。根據(jù)該方案，江蘇省提出了統(tǒng)一的配電房智能感知系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，解決了系統(tǒng)功能建設(shè)缺乏統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)框架建設(shè)缺乏統(tǒng)一接入模式、缺乏保證數(shù)據(jù)安全及網(wǎng)絡(luò)安全的手段等一系列問題[6]。該系統(tǒng)中的邊設(shè)備—配電物聯(lián)網(wǎng)關(guān)成為了配電房智能感知系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。

1 感知系統(tǒng)架構(gòu)

配電房智能感知系統(tǒng)主要由云平臺(tái)層（云）、通信網(wǎng)絡(luò)層（管）、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)（邊）、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層（端）組成，架構(gòu)如圖1所示。云平臺(tái)層包括數(shù)據(jù)中臺(tái)和輔控主站，用戶終端可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問輔控主站數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層包括感知傳感器、環(huán)境控制器、視頻設(shè)備、安防設(shè)備等。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)通過本地?zé)o線LoRa網(wǎng)絡(luò)連接傳感器和控制器，通過以太網(wǎng)連接視頻設(shè)備，通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)或光纖通道連接云平臺(tái)。

圖1 配電房智能感知系統(tǒng)架構(gòu)

2 網(wǎng)關(guān)功能設(shè)計(jì)

作為配電房智能感知系統(tǒng)的邊設(shè)備，配電物聯(lián)網(wǎng)關(guān)必須具備以下功能：

（1）傳感器接入功能：網(wǎng)關(guān)應(yīng)具備有線和無線傳感器的接入接口。對(duì)于無線傳感器，應(yīng)該具備自動(dòng)組網(wǎng)功能。如果在白名單內(nèi)，傳感器可以通過注冊(cè)方式接入網(wǎng)關(guān)，同時(shí)網(wǎng)關(guān)對(duì)傳感器配置數(shù)據(jù)主動(dòng)發(fā)送頻率等參數(shù)。

（2）控制器接入功能：網(wǎng)關(guān)應(yīng)具備有線和無線控制器的接入功能。對(duì)于無線控制器，應(yīng)該具備自動(dòng)組網(wǎng)功能。如果在白名單內(nèi)，控制器可以通過注冊(cè)方式接入網(wǎng)關(guān)。為了保證控制的實(shí)時(shí)性，控制器需要一直在線。

（3）視頻接入功能：通過以太網(wǎng)可以接入IP攝像機(jī)，對(duì)視頻進(jìn)行采集、處理和協(xié)議轉(zhuǎn)換。

（4）安防接入功能：通過有線和無線通信方式可以接入智能門禁、電子圍欄等安全防護(hù)設(shè)備。

（5）數(shù)據(jù)處理功能：可以對(duì)采集的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行格式標(biāo)準(zhǔn)化、存儲(chǔ)和展現(xiàn)。

（6）規(guī)約轉(zhuǎn)換功能：將不同規(guī)約的南向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一規(guī)約的北向數(shù)據(jù)。

（7）本地聯(lián)動(dòng)控制功能：通過“采集-控制-采集”進(jìn)行本地環(huán)境閉環(huán)控制，或異常情況下的安全控制或驗(yàn)證識(shí)別。

（8）人工智能分析功能：通過圖像和視頻識(shí)別對(duì)人員安全或設(shè)備安全進(jìn)行告警、糾偏以及數(shù)字化采集、操作二次確認(rèn)等。

（9）數(shù)據(jù)上傳功能：通過北向通道，采用統(tǒng)一的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上云功能。

（10）遠(yuǎn)程控制功能：接收來自“云”層的控制命令，實(shí)現(xiàn)站房設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

3 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)硬件主要包括主控模塊、電源模塊、繼電器輸出模塊、開入量采集模塊、以太網(wǎng)通信模塊、串行通信模塊、調(diào)試通信模塊、LoRa2.4G通信模塊、LoRa470M通信模塊、HDMI顯示模塊、4G/5G通信模塊、USB通信模塊、硬盤接口和TF卡接口，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)硬件框圖

主控模塊采用國(guó)產(chǎn)工業(yè)級(jí)芯片RK3399K。CPU采用嵌入式六核64位ARM處理器，即雙Cortex-A72+四Cortex-A53大小核結(jié)構(gòu)，GPU采用新一代高端圖像處理器四核Mali-T860，頻率高達(dá)2.0 GHz。采用雙通道4 GB LPDDR4內(nèi)存、32 GB eMMC FLASH。支持4K H264/H265視頻60 fps解碼，配合RK1808 NPU，可達(dá)3 TOPS算力，擁有強(qiáng)勁的運(yùn)算與圖形處理性能。

電源模塊采用開關(guān)電源，實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，輸入AC-220 V或DC-220 V，輸出5 V，提供給電源管理芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊或芯片的供電。繼電器輸出模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離和繼電器的驅(qū)動(dòng)功能。開入采集模塊實(shí)現(xiàn)消防告警、變壓器門開等開關(guān)量信號(hào)的采集，具備信號(hào)隔離和防抖功能。以太網(wǎng)通信模塊實(shí)現(xiàn)主控模塊與北向設(shè)備或平臺(tái)、與南向采集或控制設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。串行通信模塊通過RS 485實(shí)現(xiàn)與各種有線傳感器和控制器的數(shù)據(jù)交換。調(diào)試通信模塊通過RS 232實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的本地維護(hù)。LoRa2.4G通信模塊通過2.4 GHz頻段的LoRa無線通信實(shí)現(xiàn)與本地溫濕度、氣體、水位、水浸等無線傳感器的數(shù)據(jù)交換。LoRa470M通信模塊通過470 MHz頻段的LoRa無線通信實(shí)現(xiàn)與空調(diào)、水泵、風(fēng)機(jī)等控制器的數(shù)據(jù)交換。顯示模塊通過提供HDMI接口實(shí)現(xiàn)主控模塊與顯示屏的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的展示和當(dāng)?shù)乜刂啤?G/5G通信模塊通過4G/5G通信實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換。

4 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)的操作系統(tǒng)采用Ubuntu，是一款免費(fèi)、開源的桌面Linux操作系統(tǒng)。Linux是一個(gè)基于POSIX的多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)，支持主要的Unix工具軟件、應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持32位和64位硬件，繼承了Unix以網(wǎng)絡(luò)為核心的設(shè)計(jì)思想，是一個(gè)性能穩(wěn)定的多用戶網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。

作為邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，采用的物聯(lián)網(wǎng)邊緣標(biāo)準(zhǔn)化微服務(wù)框架EdgeX Foundry[7]，是一個(gè)面向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化互操作性框架，為各種傳感器、控制器或其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供即插即用功能并進(jìn)行管理，進(jìn)而收集和分析它們的數(shù)據(jù)，或者導(dǎo)出至邊緣計(jì)算應(yīng)用或云計(jì)算中心做進(jìn)一步處理。

如圖3所示，該框架具有四層服務(wù)。設(shè)備服務(wù)負(fù)責(zé)南向設(shè)備的接入，進(jìn)行了輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)微功率無線通信[8]、輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備無線組網(wǎng)[9]、某大品牌視頻SDK開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了配電站房各種傳感器、控制器、攝像頭的數(shù)據(jù)采集和控制功能。核心服務(wù)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)、分析和轉(zhuǎn)發(fā)，以及北向或本地控制命令下發(fā)，還具備各微服務(wù)的屬性配置。導(dǎo)出服務(wù)負(fù)責(zé)上傳數(shù)據(jù)到云端或第三方信息系統(tǒng)以及將接收控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給核心服務(wù)，該服務(wù)實(shí)現(xiàn)了北向應(yīng)用的注冊(cè)，并提供其需要的南向設(shè)備的數(shù)據(jù)；目前已實(shí)現(xiàn)通過MQTT（Message Queue Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議）、IEC60870-5-104遠(yuǎn)傳協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和本地展示。支持服務(wù)負(fù)責(zé)日志記錄、任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)清理、規(guī)則引擎和告警通知。系統(tǒng)服務(wù)提供安全服務(wù)、管理服務(wù)，這兩個(gè)模塊不直接處理邊緣計(jì)算的功能性業(yè)務(wù)，但對(duì)于邊緣計(jì)算的安全性和易用性來說很重要[10]。不同服務(wù)之間主要采用RESTful API接口進(jìn)行交互。

圖3 網(wǎng)關(guān)軟件框圖

5 網(wǎng)關(guān)試點(diǎn)運(yùn)行

目前，江蘇省已針對(duì)不同類型的配電站所，按重要程度進(jìn)行了智能配電站房系統(tǒng)方案配置，可分為基礎(chǔ)配置、標(biāo)準(zhǔn)配置、保電配置，分別適用于不同地區(qū)具有不同特征需求的配電站所。保電配置方案原則見表1所列。

表1 配電房物聯(lián)網(wǎng)保電配置方案

在南京省選擇了3個(gè)配電房，按3種不同配置進(jìn)行了物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，并進(jìn)行了試點(diǎn)運(yùn)行，運(yùn)行配置見表2所列。在將近一個(gè)月的運(yùn)行過程中，解決了部分傳感器電池耗電過快、個(gè)別傳感器上傳數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的問題。通過在省平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)過3～5天的離線情況，對(duì)此經(jīng)過多次分析，最終解決了4G模塊不穩(wěn)定問題。經(jīng)過半年的運(yùn)行驗(yàn)證，試點(diǎn)智能站房感知系統(tǒng)的運(yùn)行趨于穩(wěn)定，在線率在95%以上。

表2 配電房物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行配置

6 結(jié) 語

通過理論設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐檢驗(yàn)，配電物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的研究實(shí)現(xiàn)了既定目標(biāo)，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：采用滿足國(guó)網(wǎng)公司規(guī)范要求的無線通信方式和通信規(guī)約，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)關(guān)和各種終端設(shè)備的互聯(lián)互通，降低了安裝、調(diào)試和運(yùn)維成本；滿足了國(guó)網(wǎng)公司要求的“硬件平臺(tái)化、軟件APP化”設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了各種微服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)模式；采用通用的邊緣計(jì)算框架，優(yōu)化了軟件運(yùn)行效率，提高了運(yùn)行可靠性、安全性。