基于邊云協同的配電網智能網關設計

胡鋼　高旋　徐成澤　陳志列

摘? 要：隨著用電量不斷增大，以及工業(yè)互聯網、云計算、大數據等技術飛速發(fā)展，以數字化、智能化方式提升配電網效率及能力受到關注。文章通過分析云邊協同架構，設計邊云協同配電網智能網關應用總體架構；結合電力行業(yè)應用場景特性，進行配電網智能網關軟硬件設計，重點對配電網智能網關的電磁兼容性進行了分析，提出多級分壓瞬態(tài)電壓抑制劑技術及端口防護設計措施；研發(fā)了一款配電智能網關設備，實現設備狀態(tài)監(jiān)測、環(huán)境安防監(jiān)控等，提高配電網智能化管理水平。最后，對網關電磁兼容性及可靠性開展了測試驗證。

關鍵詞：智能網關；邊云協同；軟硬件設計；電磁兼容設計

中圖分類號：TP391.4；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）19-0051-05

Design of Intelligent Gateway of Power Distribution Network Based on

Edge Cloud Collaboration

HU Gang1，2 GAO Xuan1，2， XU Chengze1，2， CHEN Zhilie1，2

（1.Guangdong Province Industrial Edge Intelligent Innovation Center， Shenzhen? 518057， China;

2.EVOC Intelligent Technology Co.， Ltd.， Shenzhen? 518107， China）

Abstract： With the continuous increase of power consumption and the rapid development of Industrial Internet， cloud computing， Big Data and other technologies， the efficiency and energy efficiency of the power distribution network in the digital and intelligent way have received attention.? The overall architecture of the intelligent gateway application of the power distribution network based on cloud edge collaboration is designed by analyzing the edge cloud collaborative structure. Combined with the characteristics of application scenarios in the power industry， this paper designs the software and hardware of the power distribution network intelligent gateway， focuses on the analysis of the electromagnetic compatibility of the power distribution network intelligent gateway， and proposes the multi-level partial voltage transient voltage inhibitor technology and port protection design measures. A power distribution intelligent gateway device has been developed to realize equipment status monitoring， environmental security monitoring and other functions， and improve the intelligent management level of power distribution network. Finally， The electromagnetic compatibility and reliability of the gateway have been tested and verified.

Keywords： intelligent gateway; edge cloud collaboration; software and hardware design; EMC design

0? 引? 言

隨著用電需求連年走高，用電場景由過去單一的電力供應方式逐漸向多元化的服務方式轉變。數字技術是傳統電網賦能提升的重要手段，用來提升電網資源優(yōu)化配置效率和智能互動水平[1-3]。作為電網的重要組成部分，配電網直接面對的是廣大用戶。需要不斷提升基礎設施質量，提高配電網供電能力。配電網的綠色安全、泛在互聯和智能開放能力通過數字化、網絡化、智能化的方式提升變得尤為重要[4-6]。

傳統云計算模型通過網絡將所有數據上傳到云計算數據中心，利用云計算中心超強的算力，將計算需求的應用集中起來解決。然而，在萬物互聯時代，設備產生的數據量持續(xù)激增，導致云計算逐漸遭遇瓶頸的是網絡帶寬和時延。保證全場景網絡覆蓋的高昂成本也迫使企業(yè)下放一部分計算到邊緣，因此，利用邊緣設備計算和數據分析處理，在網絡邊緣設備上執(zhí)行原云計算的計算任務，降低云服務器的計算負荷，緩解網絡帶寬壓力，提高數據處理效率[7-10]。

1? 邊云協同配電網智能網關整體設計

邊云協同配電網智能網關整體方案如圖1所示，包括智能網關硬件設計和邊云數據處理，智能配變終端、智能開關等感知設備部署在配電網低壓側，在用戶端進行智能終端、智能電表等感知設備的設置[11]?；谂潆娮儔浩鞯葘崟r運行狀態(tài)數據的采集，實現邊云協同配電網運行狀態(tài)的實時檢測、故障判斷等。與配電自動化相比，基于電力物聯網的云邊協同配電網智能網關建設，更重視與用戶的交互[12-14]，在用戶端使用智能終端全面感知電網狀態(tài)，打通與用戶交互的數據壁壘，推動配電網高級應用。

1.1? 硬件設計

主頻700 MHz，支持4GLTE和LORA無線通信，支持三相載波HPLC接口，4個千兆RJ45網絡接口，4個RS485三線制串口，2個RS485/RS232可調三線制串口。

采用SD5115T芯片設計核心板，核心板提供了GPIO管腳專門用來復位擴展單片機，ARM雙核CortexA9，ZSP處理器鑲嵌在芯片中。xPON接入支持GPON/EPON/GE三模自適應，遵從GPON標準G.984，G.983，以及802.3—2005、CTC的EPON設備技術要求。

配備PLC載波模塊，采用OFDM調制載波頻率2～12 MHz（支持自適應調節(jié)），物理層。物理層峰值速率為14 Mbit/s，應用層為2.8 Mbit。遵從Home-Plug國際標準執(zhí)行。如圖2所示。

核心板支持擴展RS485/RS232/RS422接口、CAN接口、DIO接口和AIO接口，USB提供兩個通道：管理通道和業(yè)務通道，管理通道采用標準的ModBusRTU協議。用于獲取擴展單片機軟件版本、擴展接口信息，升級擴展單片機軟件，以及配置擴展接口屬性（如串口速率、CAN速率等）等，核心板作為ModBusRTU協議的主要裝置。擴展單片機作為ModBus RTU協議的從設備；業(yè)務通道使用私有協議。用于傳輸串口、CAN、DIO和AIO業(yè)務數據。擴展單片機插入或者上電后，核心板通過管理通道自動獲取擴展單片機的接口信息，根據接口信息在Linux上創(chuàng)建不同的設備。

1.2? 電磁兼容設計

配電網智能網關需滿足電力行業(yè)電磁兼容需求，需要對電源端口、外殼端口、功能接口、輸入端口、輸出端口進行EMC防護設計，如圖3至圖5所示，并且針對I/O接口抗浪涌、耐壓難以兼顧的矛盾，首次采用浮地技術、多級分壓瞬態(tài)電壓抑制技術，提升了復雜電磁防護能力。

多級分壓瞬態(tài)電壓抑制技術方案采用三級保護，利用800 V TSS半導體放電管提高第一級防護器件的動作電壓（DC 800 V），并控制元件后級殘壓在1 kV以下范圍；第二級運用250 V 145 mA 5 Ω的PTC熱敏電阻實現分壓、限流；第三級封裝15 V雙向TVS管，主要是采用SMBJ15CA SMB實現；針對TSS動作后的殘壓，開展嵌位共模防護，使得殘壓為19.6～31.6 V之間，尖峰電壓持續(xù)時間在0.1 μs左右。使用25 V TSS進行差模防護，能夠達到10/700 μs波形4 kV的保護效果。

IO端口（LAN電口、光口）連接器金屬外殼通過EMC彈片與箱體可靠低阻導電搭接；串口塑料端子連接器開孔增加自制屏蔽罩于電路板上，并通過導電泡棉與殼體良好導電接觸；抽拉式電源模塊通過多個EMC彈片與箱體可靠低阻抗導電接觸；散熱開孔為6 mm以下小孔，良好導電的嵌入式折邊搭接，保證屏蔽性能。具體內容如下：

1）LAN EMC防護，次級ESD保護器件兼差模浪涌保護。采用集成網絡變壓器。LED燈信號采用RC濾波（R=150 Ω，C=0.01 μF）。

2）USB接口，增加ESD防護，USB接口電源腳串入保險絲。

3）COM口隔離與防浪涌設計，如圖5所示。

4）電源模塊采用定制模塊，信號地與機殼地（包括螺絲孔）分開，用高壓電容（耐壓≥1 000 V）作高頻連接（每個端口兩邊各1 pcs（相鄰端口可共用），每個螺絲孔各1 pcs），機殼地與內部信號間表層airgap≥30 mil，內層airgap≥10 mil，滿足介質強度≥707 VDC（AC500 V）。

1.3? 軟件設計

配電采集終端需要與站點單元和上層服務器進行通信。一方面，向站點單元的釆集終端發(fā)送命令或接收采集終端上傳的數據幀；另一方面，接收對上的服務器命令，將通信數據封裝數據包，并上傳。同時，采集終端要有便捷可視化的人機界面，展示系統運行狀態(tài)，配置系統參數，通信鏈路狀態(tài)等。利用邊緣計算的協同處理技術支持實現數據分析平臺，采用面向服務的技術架構，分層分布式構建服務組件，如圖6所示。

軟件主要包括界面狀態(tài)可視化顯示、數據分析處理、參數配置設定，通過數據分析處理開展解析終端，并上傳數據，然后對數據進行頓重封裝和存儲，軟件支持接收采集終端上傳的數據幀、接收服務器命令、可視化人機界面顯示系統運行的狀態(tài)、自動配置系統參數、通信鏈路狀態(tài)等功能。配網智能網關的主要協議包括電力設備感知層到下層傳輸協議和配網智能采集終端到服務器端的上層傳輸協議，管理通道使用標準的ModBus RTU協議進行通信，核心板作為ModBusRTU協議的主要裝置。擴展單片機作為ModBus RTU協議的從設備，設備信息請求使用ModBus RTU協議的讀取保持寄存器功能，業(yè)務通道使用類似ModBus RTU協議數據格式進行封裝的私有協議。

配網智能網關作為Modbus主設備，底層電力設備為從設備。配電智能網關與底層電力設備的通信，首先配網智能網關將需要通信的電力設備的地址放入Modbus包中，其次，與設備地址一樣的電力設備利用數據地址進行查詢，查找所需電氣設備對應寄存器的內容，獲得系統配置的數據。當電力設備響應時，將該數據地址放入應答幀中，從而讓配網智能采集終端獲悉是電力設備發(fā)出的響應[15]。

由于MQTT具備兼容強弱不一樣的物聯設備計算性能，系統資源占用較小等優(yōu)勢，大多數云平臺采用MQTT協議。MQTT協議的實現需要創(chuàng)建客戶端和服務器，協議結構如圖7所示。其中，服務器位于中間，是消息代理的角色；客戶端位于兩邊，一邊是作為發(fā)布者，一邊是作為訂閱者，完成發(fā)布消息和訂閱消息的功能。

整個系統使用MQTT協議作為消息總線，按照以下原則進行部署：在容器中部署MQTTBroker；ESDK（二次開發(fā)）部署在容器中，作為MQTT客戶端，連接同容器中的MQTBroker。為容器內APP提供高級應用開放接口；APP部署在容器中，作為MQTT客戶端，通過MQTBroker與ESDK進行通信。

2? 測試分析

2.1? 電磁兼容性

本文在完成配電智能網關基礎軟硬件功能測試基礎上，重點對配電智能網關進行電磁兼容性能試驗，包括30～1 000 MHz輻射騷擾場強、1 GHz以上輻射騷擾場強射頻試驗，符合GB/T 9254—2008相關無線電騷擾限值和測量方法，測試環(huán)境設備的連接如圖8所示。

2.1.1? 30～1 000 MHz輻射騷擾場強測試

如表1所示，試驗數據符合GB /T 9254—2008輻射騷擾場強（30～1 000 MHz）A級限值要求。

2.1.2? 1 G以上輻射騷擾場強射頻測試

在測量過程中，對天線高度（1～4 m）、天線極化方向（H/V）及天線相對于EUT的方位（在0～360°旋轉EUT）進行調節(jié)，從而得到不同頻率上的最大騷擾場強指示值，如圖9所示，由測試曲線可知，個頻段峰值均未超出限定最高值，符合GB/T 9254—2008輻射騷擾場強（1 GHz以上）A級限值要求。

2.2? 可靠性

將智能網關放入高低溫環(huán)境中進行高低溫測試，測試其溫度范圍-5 ℃～50 ℃，同時開展沖擊和振動試驗、IP防護等級的測試，試驗完成后網關外觀、結構、功能均保持正常，符合應用場景使用需求。

3? 結? 論

基于邊云協同架構設計了一款面向配電網的智能網關設備，電磁兼容性符合GB/T 9254—2008相關要求，可靠性強，適用于電力應用場景，能夠實現配電房終端設備快速接入、屏蔽終端設備差異性，支持獲取設備狀態(tài)監(jiān)測、環(huán)境安防監(jiān)控、低壓電氣量監(jiān)測等數據實現設備狀態(tài)監(jiān)測，提高了配電網智能化管理水平。

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作者簡介：胡鋼（1989—），男，漢族，山西臨汾人，中級工程師，碩士研究生，研究方向：工業(yè)控制計算機。

收稿日期：2023-02-24