基于物聯網平臺的低壓配電臺區數據采集方案

王海柱 趙瑞鋒 郭文鑫 劉 洋

（廣東電網有限責任公司電力調度控制中心，廣州 510600）

0 引言

建設智能電網，其中關鍵一環是智能配電臺區的建設，配電網通過低壓配電臺區連接終端電力用戶，亟需提升配電臺區的精細化及智能化管理水平，保證低壓電網供電質量及其可靠、安全運行，滿足經濟發展的需求。

目前，配電臺區建設及運行現狀仍存在以下問題：

1）配電網點多線長面廣，大部分處于盲調狀態。

2）目前，通過不斷增加相對獨立的信息化小系統來滿足業務需求的方式導致資源浪費和業務割裂。

3）伴隨著電網規模的不斷擴充，采集信息的逐步完善，低壓配網監視推進，當前采用的主備服務集中式處理模式在海量終端接入、數據處理速度、存儲能力、分析效率方面存在明顯的瓶頸，維護和擴展困難。

物聯網技術可以通過泛在的感知技術幫助電力系統實現對低壓配電臺區海量信息的感知和決策，將配電臺區建設成配電末端數據交互中心，通過對配電臺區各種配電終端的全信息采集實現對低壓配電網的全景感知，從而消除配電運維盲區，實現全流程管控、全專業支撐的配電臺區新管理模式；實現對臺區管轄內用戶進行就地管理，縮短用戶故障時間，提高配電末端的運維水平[1-2]。

隨著物聯網技術的發展，國內外廠家相繼推出了智能物聯網平臺，包括中國移動、騰訊、阿里和華為都有物聯網實際成功應用案例。其中華為發布了基于物聯網平臺的配用電解決方案及 Hi-Grid套件，把邊緣計算、物聯網（Internet of Things, IoT）、云端管理結合起來，實現了從主站、網絡、終端的一體化解決方案。

基于物聯網平臺的低壓配電臺區數據采集方案可以很好地推進低壓配電網的數據采集。

1 配電物聯網總體架構

為迎接新能源革命的機遇和挑戰，電力企業紛紛向綜合能源服務企業轉型，尋求應用最新的互聯網理念和“云大物移智”最新技術來對能源管理進行技術改造[3]，對目前管控能力相對薄弱的配電網進行互聯網技術升級改造是提升智能電網建設、管理、運維水平的一個切入點。

業界提出的配電物聯網（distributed-Internet of Things, D-IoT）理念將最新物聯網技術應用于傳統電網，通過各種通信技術，如電力線通信（power line communication, PLC）、紅外通信、5G、LoRa、窄帶物聯網（narrow band-Internet of Things, NB-IoT）、ZigBee等，接入海量配網終端[4-6]，能實時全息感知電力生產、傳輸、消費各環節，在全面感知、數據融合的基礎上提升設備間互聯、互通、互操作能力。配電物聯網具有終端即插即用、設備廣泛互聯、狀態全面感知、云計算協同、應用隨需定制和資源高效利用等特征，配電物聯網技術的推出可以提高供電可靠性、降低運維成本、調整能源結構和提升用戶體驗，協助電力用戶節能減耗，自主進行能效管理[7-8]。

配電物聯網總體架構如圖1所示。分為3個層次，上層是云，云化的主站；下一層是邊，即邊緣計算，將云計算等向邊緣延伸；最后為終端，各類型的智能終端，實現配電網的感知，整體構建云邊端的配電物聯網架構[9]。配電物聯網本質就是將信息化和工業化進行深度的融合，通過信息化力量將原有配電網的生產力進一步的釋放，實現質的飛躍。

圖1 配電物聯網總體架構

2 邊緣計算智能終端

現階段配電物聯網的設計思路是基于“硬件平臺化、軟件 APP化”，采用開放式硬件平臺和操作系統，達到軟硬件解耦，以不同的APP應用軟件來擴展終端功能[10-11]。新型智能配變終端（distribution transformer supervisory terminal unit, TTU）作為配電物聯網邊緣計算網關，面向的不僅僅是配電變壓器，還面向整個配電臺區、電壓側設備，以及信息通信整體管理，并融入了邊緣計算。

邊緣計算充分發揮了云計算的資源整合高通用性以及邊緣側迅速可靠地響應用戶需求，其架構的優勢在于云端協同和本地計算，在靠近終端用戶的邊緣側，開發靈活高效的數據應用軟件APP，例如分布式電源并網、拓撲識別、負荷預測、線損分析、故障研判、風險預警、電動汽車充放電等邊緣計算應用，體現配電物聯網應用價值。

配電物聯網通信拓撲示意圖如圖2所示，智能終端網關同時負責進行協議轉換，接入各種配電端設備，目前配電網領域設備應用的廠家非常多，通過智能配電終端建立協議庫的方式，最大限度利用已有設備達到互聯互通的目的，不用對原有的設備進行大范圍的改造。

圖2 配電物聯網通信拓撲示意圖

3 MQTT物聯網通信協議

消息隊列遙測傳輸（message queuing telemetry transport, MQTT）協議是IBM在1999年發布的一個即時通信協議，更為簡約、輕量、易于使用，適合于受限環境下的消息分發，也是為物聯網場景（帶寬低、網絡延遲、不穩定通信）而設計的輕量級發布/訂閱消息傳輸協議，使用 TCP/IP連接，最大優點在于可以為計算能力有限、低帶寬的遠程設備提供可靠的傳輸[12-13]。

MQTT協議通過客戶端和服務器端完成通信，分為發布者（Publisher）、代理（Broker）、訂閱者（Subscriber）三種身份，其中消息代理是 MQTT服務器，消息的發布者和訂閱者都屬于客戶端且發布者同時也可以是訂閱者。發布者和訂閱者并不需要知道對方是否存在，只需要通過IP和端口連接到Broker，Broker能夠根據不同的話題過濾和分發消息，實現消息的發布和訂閱。

MQTT對信息傳輸提供三種服務質量（Qos）等級，最多一次（Qos0），消息可能丟失；至少一次（Qos1）保證消息到達，但是可能重復；以及只有一次（Qos2）保證消息只到達一次。

端設備可以直接經MQTT協議與物聯網平臺通信，也可經本地組網通過邊緣計算智能終端再經MQTT協議與物聯網平臺通信。

配電物聯網 MQTT協議通過定義不同的主題（Topic）來實現不同的用途，單個主題可以包含多個層級，用斜杠字符分隔不同層級，例如邊緣計算終端通過主題/v1/devices/{gatewayId}/topo/add來添加端設備。

4 典型通信過程

4.1 設備即插即用流程

邊緣計算智能終端的注冊由主站應用發起，通過調用設備注冊接口完成設備在平臺側的注冊。終端即插即用注冊通信過程如圖3所示。

1）主站應用通過掃碼等方式獲得設備檔案和SN號。

2）主站應用下方智能終端的檔案信息給物聯網平臺。

3）物聯網平臺返回deviceId后，主站側提示注冊成功，并建立SN碼、deviceId和主站mRid關聯關系。

4）主站側導入臺區模型文件。

5）邊緣計算智能終端上電后通過 MQTT協議請求連接物聯網平臺，物聯網平臺匹配注冊信息通過后，返回登錄通過信息給終端。

圖3 終端即插即用注冊通信過程

4.2 數據訂閱流程

主站應用可通過下發命令單次獲取設備數據，一般通過數據訂閱的方式注冊主站回調通知地址，當物聯網平臺中設備數據變化后，物聯網平臺會主動通知主站應用變化數據。

1）主站應用調用subscribe API訂閱設備數據變更通知，當設備數據變化時平臺會推送給應用。

2）邊緣計算智能終端通過MQTT PUBLISH消息主動上報數據消息給物聯網平臺。

3）物聯網平臺接收到設備數據變化后，調用主站注冊的通知回調地址callbackUrl將信息通知主站。

5 統一模型

物聯網平臺接入設備需要編寫設備的Profile文件，該文件用來描述設備能力、服務及如何控制設備。設備能力包括設備類型、廠商、型號、協議類型名稱及提供的服務類型。服務描述可理解為物理設備的功能模塊或者虛擬設備提供的服務，包括命令和屬性。

圖4 數據訂閱通信過程

需要將Profile文件按IEC61968/IEC61970轉換為電力系統基于XML的模型文件，抽象分類為basic（基本信息，包括制造廠商、設備型號等），config（參數配置，包括通信參數、保護參數等），topology（拓撲，包括電網一次拓撲信息等），capability（按設備能力抽象分類，包括 analog模擬量，discrete狀態量，accumulator累積量，command命令等）。

6 主站與物聯網平臺間RESTful接口

物聯網平臺提供了豐富的RESTful API接口給主站應用，通過這些接口，實現對設備的管理（包括設備的增、刪、查、改）、數據上報、命令下發等業務場景。

REST（representational state transfer）是一種面向資源的輕量級Web Service架構，其API具有三個特點：①通過統一資源標識符（URI）定位和識別資源；②通過HTTP協議中定義的方法（PUT, GET,POST, DELETE）對資源進行操作；③狀態無關性[14]。

例如主站注冊網關設備的API接口：

7 結論

本文介紹了一種低壓配電臺區的數據采集方案，以邊緣計算智能終端TTU為網關，通過PLC、短距無線通信、紅外通信、射頻等通信方式接入臺區智能電表、無功補償裝置及各種傳感器，基于物聯網平臺實現配電臺區終端設備的數據靈活實時接入，設備間互聯互通，并為其他應用平臺提供數據共享融合接口，運用本方案能夠解決配電側設備種類多、通信環境復雜、數據采集困難的問題。

方案作為按能源物聯網邊緣計算+云計算架構來重新設計的新一代配用電主站系統物聯網接入模塊，結合廣東電網智能電網示范區建設，部署在省局和相應的地調側，接入部分試點配置智能TTU的智能臺區、獨立的企業級物聯網設備及智能配電房物聯網設備。

能夠實時全面監測臺區的運行狀態，進行實時大數據分析，獲取臺區的三相負荷不平衡率、負載率及可靠性統計分析等，實現低壓配電臺區的高度智能、高度監測及控制，可大大提高管理效率，加強為電力客戶服務的能力。