邊云協(xié)同感知的直流合成電場測量系統(tǒng)

吳桂芳，張茜，崔勇

1. 中國電力科學研究院有限公司 高電壓研究所，北京 100192

2. 北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京 100191

直流輸電工程具有輸送容量大、損耗小、輸送距離不受限制等優(yōu)點，在我國三峽水電外送、西電東送和全國聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮了重要作用。近年來隨著直流工程的陸續(xù)投運，特高壓直流線路沿線電磁環(huán)境引起了民眾和環(huán)保部門的廣泛關注。直流合成電場是直流輸電工程電磁環(huán)境的重要表征之一，其測量和預測為輸電工程設計、電磁環(huán)境影響評價和設備運行提供重要的技術支撐。直流合成電場會受到溫濕度、灰塵、海拔、風速等諸多環(huán)境因素影響，需要進行長期監(jiān)測。

由于特高壓直流輸電線分布廣泛，采用有線測量方式需要人工布線，人力耗費大且成本高。采用無線通信技術傳輸方式的合成電場測量方式較為適合。文獻[1]將具有自組網(wǎng)、功耗低、速率低、通信距離短等特性的紫蜂(ZigBee)無線通信技術應用于地面直流合成電場的測量中。文獻[2-3]分別提出了基于ZigBee無線技術的離子流密度與空間電荷密度測量方法。文獻[4]研制了一種基于ZigBee的無線電場測量系統(tǒng)并分析了系統(tǒng)的電磁兼容性能。然而，基于Zigbee的無線技術需要復雜的組網(wǎng)，其網(wǎng)絡的動態(tài)拓撲性受測量環(huán)境約束較大，如草地、建筑物、車輛等都對會Zigbee網(wǎng)絡的通信性能造成影響。此外，采用Zigbee的電場測量系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)只能存儲于現(xiàn)場的測量計算機中，無法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的多人共享和遠程操作，使得數(shù)據(jù)利用效率較低。

文獻[5]設計了基于無線通信技術的工頻電場測量系統(tǒng)，測量所得的電場數(shù)據(jù)可在現(xiàn)場的移動終端顯示或上傳至云服務器進行后續(xù)分析。采用云計算技術的集中測量方式雖然能夠解決服務對象廣泛等問題[6]，但這些工作仍是所有測量數(shù)據(jù)全部上傳至云端處理，網(wǎng)絡帶寬會承受巨大壓力的同時，云端計算也負荷較重。此外，直流合成電場的測量設備有時部署在山區(qū)、高原等偏遠地區(qū)，網(wǎng)絡傳輸條件難以滿足大批量的數(shù)據(jù)實時傳輸，因此僅使用云計算架構不能從根本上滿足直流合成電場的測量要求。

為分擔云端的數(shù)據(jù)壓力，在靠近特高壓直流輸電線路一側(cè)部署邊緣節(jié)點，對匯集至此的直流合成電場數(shù)據(jù)進行預處理等工作。邊緣計算適用于對采集到的電場數(shù)據(jù)進行實時、周期短的數(shù)據(jù)處理場景，而云端計算適用于對各地匯集的邊緣節(jié)點電場數(shù)據(jù)進行大批量數(shù)據(jù)分析。因此，邊端計算與云端計算的協(xié)同具有諸多優(yōu)勢[7-10]。

1 系統(tǒng)整體架構

圖1為邊云協(xié)同感知的直流合成電場測量架構，由云端計算系統(tǒng)，邊緣計算系統(tǒng)與電場測量終端模塊組成。

圖1 邊云協(xié)同感知的直流合成電場測量系統(tǒng)

1)云端計算系統(tǒng)。直流合成電場測量系統(tǒng)的云端計算中心匯集各地邊緣計算系統(tǒng)的電場數(shù)據(jù)，將其分種類分時段地存儲備份，并開發(fā)Web系統(tǒng)供多用戶協(xié)作與數(shù)據(jù)共享，通過對海量合成電場數(shù)據(jù)分析得出適當?shù)恼{(diào)度命令，再由邊緣計算系統(tǒng)分發(fā)至各終端模塊。

2)邊緣計算系統(tǒng)。邊緣計算的硬件部分包括數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊等。邊緣計算的軟件系統(tǒng)接收云端中心下發(fā)的調(diào)度命令，并根據(jù)調(diào)度命令作用于終端模塊，控制電場數(shù)據(jù)的測量頻率以及數(shù)據(jù)量。同時邊緣計算系統(tǒng)對終端模塊上傳的電場測量數(shù)據(jù)進行預處理，判斷電場數(shù)據(jù)是否在設定的正常范圍之內(nèi)，發(fā)現(xiàn)異常電場數(shù)據(jù)時快速響應預警機制，保障人的安全及設備的正常運行。

3)電場測量終端。直流合成電場傳感器模塊，部署在特高壓直流輸電線附近，通過邊緣接入認證方式實現(xiàn)連接管理。

2 電場測量終端

電場測量終端為電場傳感器。直流合成電場傳感器為旋轉(zhuǎn)感應式，稱為場磨。利用高斯定理來測量電場，電機帶動屏蔽片旋轉(zhuǎn)，在被測電場中，感應片會呈周期性地被屏蔽片掩擋，感應片會產(chǎn)生周期變化的感應電流[11-13]。

測量直流線路地面合成電場分布時，將多個電場傳感器沿檔距中心垂直于線段方向布置，所需傳感器數(shù)量較多，通常超過20個(具體數(shù)量與被測線路參數(shù)和測量需求有關)，同時為保證試驗儀器良好接地，需要在被測點處鋪設接地鐵板，如圖2所示。

圖2 直流合成電場傳感器典型測試現(xiàn)場布置

3 邊緣計算系統(tǒng)

3.1 硬件設計

邊緣計算系統(tǒng)的硬件部分為邊緣節(jié)點。邊緣節(jié)點的結構框圖如圖3所示，包含微控制器、電池、線性電源、窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band internet of things, NB-IoT)無線通信模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元與液晶顯示器等。邊緣節(jié)點由低壓差線性穩(wěn)壓器供電，通過A/D模塊將直流合成電場數(shù)據(jù)送入微控制器進行計算，并在液晶顯示器顯示數(shù)值。經(jīng)邊緣節(jié)點處理后的電場數(shù)據(jù)通過NB-IoT基站上傳至云服務器。

3.2 通信單元

隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算、邊緣計算、分布式可再生資源等技術的發(fā)展，能源互聯(lián)網(wǎng)應運而生。能源互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了大量能源信息交互設備在廣域范圍的互聯(lián)互通與實時交互，對信息傳遞的“質(zhì)”與“量”都有較高的要求。因此適用于能源互聯(lián)網(wǎng)中的直流合成電場測量系統(tǒng)，其無線通信技術需要滿足傳輸功率低、覆蓋范圍廣、可靠性較強等需求。NB-IoT無線技術屬于典型的低功率廣域網(wǎng)技術之一，其低功耗和廣覆蓋特點可滿足能源互聯(lián)網(wǎng)中的電場測量需求[14]。

圖3 邊緣節(jié)點結構框圖

邊緣節(jié)點采用NB-IoT無線通信單元實電場測量數(shù)據(jù)的上云。邊緣節(jié)點的NB-IoT無線通信單元的供電電壓典型值為3.6 V，支持B1、B3、B5、B8、B20、B28頻段。NB-IoT無線通信單元的下行數(shù)據(jù)傳輸速率為25.2 Kb/s，上行支持單頻傳輸與多頻傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率分別為15.6 Kb/s與54 Kb/s，電場測量的典型數(shù)據(jù)幀為80 bit，可實現(xiàn)0.1 s內(nèi)將數(shù)據(jù)上云。由于合成電場屬于準靜態(tài)場，對其采樣的間隔一般大于10 s，因此所選用的邊緣節(jié)點的通信速率可滿足數(shù)據(jù)通信需求。

當終端節(jié)點被網(wǎng)絡較好地覆蓋時，上行數(shù)據(jù)傳輸采用多頻方式以提高吞吐率，從而降低邊緣節(jié)點上行數(shù)據(jù)傳輸功耗和時間延遲。

NB-IoT無線通信單元的功耗低、靈敏度高。其最大輸出功率為23 dBm±2 dB，靈敏度為-129 dBm+1 dB。在省電模式與空閑模式下，典型耗流值分別為3 μA與0.5 mA；當處于發(fā)射和接收狀態(tài)時典型耗流分別為250 mA和60 mA。

綜合來看，其能耗水平跟Zigbee無線通信節(jié)點相當，因此具有較好的低功耗數(shù)據(jù)傳輸性，可以滿足一些缺乏長期供電條件的測量場景。

3.3 邊云交互的設計與實現(xiàn)

邊云交互的主要功能是完成邊緣節(jié)點與云服務器的通信，實現(xiàn)邊緣節(jié)點處理后的電場數(shù)據(jù)的上傳，以及云計算中心分析后的電場調(diào)度命令的下發(fā)。云平臺選用云彈性可伸縮的計算服務(elastic compute service，ECS)云服務器，并使用NB-IoT調(diào)試工具進行開發(fā)。

在云服務器中，設定云服務器的端口號，并在安全組中放行該端口號以及添加相應規(guī)則，之后啟動云端服務端程序。在邊緣節(jié)點客戶端，設定邊緣節(jié)點的端口號與云服務器的端口號一致，通過NB-IoT調(diào)試工具連接基站，使用GNU編譯器套件(GNU compiler collection，GCC)指令編譯程序連接云服務器。邊緣節(jié)點與云端的連接建立后，電場調(diào)度命令、電場數(shù)據(jù)和設備狀態(tài)等信息就可以在測量系統(tǒng)中被上傳或下發(fā)。

邊云交互的流程如圖4所示。

圖4 邊云交互的流程框圖

4 云端計算系統(tǒng)

4.1 云端存儲

合成電場數(shù)據(jù)與設備狀態(tài)經(jīng)由邊云通信系統(tǒng)上傳至云端數(shù)據(jù)庫進行存儲。能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)具有高并發(fā)高流量，實時性要求高的特點[15]，采用非關系型數(shù)據(jù)庫MongoDB(基于分布式文件存儲的數(shù)據(jù)庫)對其進行存儲可以滿足要求。云端直流合成電場數(shù)據(jù)的特點詳述如下。

1)高并發(fā)和高流量：云端上的直流合成電場數(shù)據(jù)是由多地區(qū)的邊緣節(jié)點定時上傳所得，并且系統(tǒng)的用戶量較大，查詢請求每秒可達到數(shù)千條，具有較強的并發(fā)性。

2)實時性要求高：在測量系統(tǒng)的云端計算中心，需要快速地對邊緣節(jié)點匯集的海量電場數(shù)據(jù)進行分析處理，從而做出相應的電場調(diào)度命令。因此要求對直流合成電場數(shù)據(jù)的讀寫與超限預警功能有較強的實時性。

關系型數(shù)據(jù)庫的多表關聯(lián)查詢會使訪問效率降低。而非關系型數(shù)據(jù)庫中的集合單獨設計，不支持各個集合之間的連接操作，從而避免了關聯(lián)查詢造成的速度較慢的不足。此外，非關系型數(shù)據(jù)庫的讀寫性能高，可將云端匯集的直流合成電場數(shù)據(jù)分布式地存儲在多個服務器上，架構分級層次清晰，擴展性強，便于未來新的數(shù)據(jù)類型寫入。

4.2 云端Web系統(tǒng)

4.2.1 登陸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

直流合成電場測量系統(tǒng)采用單點登陸(Single Sign-on)的方式。單點登陸的原理與實現(xiàn)如圖5所示。

圖5 登陸系統(tǒng)的原理與實現(xiàn)

在全局測量系統(tǒng)中創(chuàng)建一個獨立的電場測量系統(tǒng)認證中心，只有該測量系統(tǒng)認證中心可以對用戶的用戶名及密碼進行核驗，核驗無誤后頒發(fā)授權令牌。其他測量子系統(tǒng)沒有用戶登錄的接口，可通過共享令牌的方式獲得間接授權，在本系統(tǒng)創(chuàng)建局部會話，免去多次登錄[16-17]。

當用戶訪問子系統(tǒng)1受保護的直流合成電場數(shù)據(jù)時，測量系統(tǒng)將引導用戶跳轉(zhuǎn)至認證環(huán)節(jié)，顯示登錄界面，用戶提交相關信息后，測量系統(tǒng)的認證中心對其進行核驗，核驗無誤后就開啟用戶與測量系統(tǒng)認證中心的整體會話，并創(chuàng)建令牌。之后系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)回子系統(tǒng)1的地址，子系統(tǒng)1得到共享令牌并由測量系統(tǒng)認證中心驗證其有效性，校驗有效后，創(chuàng)建用戶與子系統(tǒng)1的局部對話，受保護的電場數(shù)據(jù)被返回到用戶端。

使用單點可以降低訪問第三方網(wǎng)站的風險，提高安全系數(shù)。此外，系統(tǒng)構建用戶與權限管理的映射關系，針對系統(tǒng)管理員與普通用戶設置不同的權限，采用SSL加密技術保障系統(tǒng)網(wǎng)站的真實性與數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C密性與安全性。

4.2.2 條件篩選及可視化系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

直流合成電場測量系統(tǒng)定時收集著不同種類、不同地區(qū)的數(shù)據(jù)，因此快速直觀地獲取所需的數(shù)據(jù)對提升用戶使用效率有著積極的意義。本節(jié)設計并實現(xiàn)了電場數(shù)據(jù)的條件篩選及數(shù)據(jù)可視化模塊。

根據(jù)時間、種類、地區(qū)設置系統(tǒng)查詢條件，并定義直流合成電場、傳感器狀態(tài)、通信模塊狀態(tài)作為查詢類。電場數(shù)據(jù)的條件篩選及數(shù)據(jù)可視化流程如圖6所示。

圖6 條件篩選及數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)流程圖

用戶在瀏覽器發(fā)送的條件篩選請求被提交至前置控制器，經(jīng)它找出處理請求的后端控制器，再由后端控制器與業(yè)務層進行交互，訪問事務緩存與直流合成電場的數(shù)據(jù)庫，當前置控制器拿到業(yè)務層篩選返回的電場數(shù)據(jù)后，再將其渲染至視圖層，由Echarts(Enterprise Charts，商業(yè)級數(shù)據(jù)圖表，一種可視化工具)獲取數(shù)據(jù)并按照配置繪圖。

數(shù)據(jù)可視化后可將電場數(shù)據(jù)的各個屬性以多維度的方式展現(xiàn)，繪制的動態(tài)圖支持放大與縮小的功能，并且可以下載為圖片的格式，便于用戶進行存儲記錄。數(shù)據(jù)可視化后可將電場數(shù)據(jù)的各個屬性以多維度的方式展現(xiàn)，繪制的動態(tài)圖支持放大與縮小的功能，并且可以下載為圖片的格式，便于用戶進行存儲記錄。

按照如圖2將多個電場傳感器沿檔距中心垂直于線段方向進行布置，通過電腦或者手機登陸系統(tǒng)。在系統(tǒng)中設定云服務器的端口號，在邊緣節(jié)點客戶端設定與云服務器一致的端口號。邊緣節(jié)點與云端的連接建立后，點擊測量指令，指定傳感器就開始啟動，并在本地自動保存數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以對測量數(shù)據(jù)進行顯示、存儲、統(tǒng)計分析和超限預警等操作。

實 際 得 到 如 圖7所 示 的2020年7月16日13時52分到14時10分，在某一位置測量所得的電場強度可視化結果。

圖7 電場強度數(shù)據(jù)可視化

5 結論

本文針對直流合成電場傳統(tǒng)現(xiàn)場測量方式存在危險性高、操作繁瑣的不足，以及采用云計算技術的集中式測量方式存在網(wǎng)絡壓力大、實時性差的問題，開發(fā)了邊云協(xié)同感知的直流合成電場測量系統(tǒng)。在測量現(xiàn)場部署的邊緣節(jié)點可以對電場數(shù)據(jù)及設備狀態(tài)進行初步計算以及超限預警，經(jīng)各地邊緣節(jié)點處理后的電場數(shù)據(jù)匯集至云端，并進行大數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)備份，從而決策出下一時刻的電場調(diào)度命令下發(fā)至邊緣節(jié)點。本文開發(fā)的邊云協(xié)同感知的直流合成電場測量系統(tǒng)能夠及時感知設備狀態(tài)，實現(xiàn)合成電場數(shù)據(jù)的超限預警功能，為能源互聯(lián)網(wǎng)的運行提供技術支撐。