基于物聯網技術的虛擬集中器系統研究與設計

文小琿，衣方磊，蔣佳辰，余寧泰，段 勇

(陜西省地方電力(集團)有限公司，陜西 西安 710061)

隨著“大云物移智”技術發展及規模化應用，不斷推進具有廣泛互聯、智能互動、靈活柔性、安全可控等特征的新一代電力系統建設。用電信息采集系統是用電數據采集的重要來源，為大數據分析和用電管理提供重要依據;是新一代電力系統建設的重要組成部分，其自動化、實時性、高效率、全面性、可靠性等將會影響到電力業務的精細化管理和未來規劃。

集中器作為用電信息采集系統主站(以下簡稱“主站”)與終端設備的“中間樞紐”，具有對計量終端的數據采集、存儲和上傳的功能。近年來，面對用戶用電需求增加，充電樁等采集終端新業務發展，電網精益化管理要求提升，電網系統和用戶高頻繁交互等現象，帶來的集抄系統規模化部署，采集范圍不斷拓展，采集頻次提高，采集數據要求高效處理等情況，導致主站處理數據的壓力增大，對終端的通信速度和處理能力也提出了更高要求[1-4]。

本文以連接用戶與電網的第一道樞紐“集中器”為研究對象，深化應用物聯網技術，探索設計能夠覆蓋區域全用戶的用電信息實時采集、遠程集抄，采集數據高效處理交互，與主站直接通信，智能終端統一管理等功能為一體的用電信息采集虛擬集中器系統(以下簡稱“虛擬集中器系統”)，作為區域數據管理與業務應用的工作站點，替換原有的實體化集中器設備，既為電力企業節省了大量的設備管理及運行維護成本，又顯著提高用電信息采集的實時性、全面性和成功率。

1 虛擬集中器系統概述

虛擬集中器系統采集電能表的數據進行存儲與處理，同時能和主站進行數據交互，與實體化集中器設備相比，除了具有用電信息采集、存儲、轉發等基本功能外，還具有數據處理、數據異常監控、與主站直接通信開展業務應用、終端統一管理等功能，可有效減輕主站數據處理的壓力，實現用電信息采集的全面性和實時性，更好幫助管理者掌握用戶用電的狀態及電能質量等，推動電力系統網絡結構優化，加快了降本增效。

1.1 設計思路

結合現有集中器設備面臨的問題，深化應用物聯網技術，將虛擬集中器系統定位為連接主站與智能電能表等采集終端設備之間的樞紐。基于物聯網技術的虛擬集中器系統，具有與采集終端直接遠程數據通信和終端分臺區管理的功能，以及對配變臺區考核總表遠程數據通信和總表管理功能，能夠對區域內所有終端用戶進行用電數據實時采集、分析、處理和監控，為智能用電管理和服務提供及時、完整、準確的基礎數據支撐，為階梯電價、分時電價、全面預付費的營銷業務策略實施提供技術基礎，進而輔助企業決策者迅速響應市場變化及客戶需求[5-7]。

在此基礎上，將虛擬集中器系統分為表現層、業務層、支撐層、數據層4層架構。其中，表現層設計為C/S模式客戶端和B/S模式客戶端2種；業務層分為采集層、應用層與接口，即虛擬集中器系統的業務范圍主要包括用電信息采集和管理分析等業務應用，并通過數據接口的方式與其他系統進行信息數據交互；支撐層通過應用光纖、遠程物聯網通信(NB-IoT虛擬專用窄帶物聯網網絡，簡稱“NB-IoT網絡”)專網等實現遠程通信服務、消息服務、業務服務及安全服務；數據層指虛擬集中器系統建立自有的數據庫，用于存儲短期計量終端數據。虛擬集中器系統總體架構如圖1所示。

圖1 虛擬集中器系統總體架構

本文設計的虛擬集中器系統是基于功能強大的計算機設備運行，分布式部署于不同功能的服務器設備中，一套完整的虛擬集中器系統可以運行多臺虛擬集中器，并與主站的臺區終端設備管理結構形成映射及共享關系。

虛擬集中器系統開發主要是基于分布式軟件和管理軟件系統開發，與現有的實體化集中器設備具有根本性的區別。主要工作是軟件開發人員根據集中器功能編寫和轉化為計算機軟件代碼支持，并配合基于NB-IoT物聯網技術開發的遠程通信單元，完成與終端設備的數據交互，實現虛擬集中器系統整體拓撲結構。

基于NB-IoT物聯網技術開發的遠程通信單元，不但具有數據交互的能力，還具有臺區識別的能力，通信單元具有NB-IoT和載波雙模通信能力。利用本地載波通信單元組網可實現臺區識別功能，由虛擬集中器系統向通信單元發起臺區識別指令，通信單元臺區識別完成后將數據回傳至虛擬集中器系統，虛擬集中器系統通過智能化算法進行終端設備的臺區劃分，并提供給主站系統。提高臺區劃分的準確率為用電線損率計算提供有力的技術支撐。

虛擬集中器系統分布式部署的網絡拓撲結構如圖2所示。

圖2 虛擬集中器系統網絡拓撲結構

1.2 通信功能

虛擬集中器系統采集計量終端數據進行存儲和處理，并與主站進行數據交互，采集計量終端為下行通信，與主站數據交互為上行通信。

虛擬集中器系統、終端、主站之間的數據通信模式，是以光纖和NB-IoT網絡為載體，進行遠程數據的高效、安全、穩定傳輸。其中，虛擬集中器系統與主站之間采用專用光纖網絡通信，采集終端和虛擬集中器系統之間采用NB-IoT網絡通信。主站通過虛擬集中器系統樞紐與終端設備建立關聯關系，下達參數并統一管理用戶用電信息等。

主站所轄臺區內終端設備下發管理指令給虛擬集中器系統，虛擬集中器系統執行主站指令要求并完成數據上傳，實現對所轄區域內計量終端統一管理。

現有實體化集中器設備接入能力有限，數據處理能力弱，整體成本高，而虛擬化集中器系統理論上可接入海量NB終端。與傳統的集抄網絡結構相比，省去了本地載波或無線網絡的組網通信階段，通過物聯網網絡大大提高了通信穩定性、實時性。現在三大移動公司的NB-IoT網絡已經實現了全覆蓋，并且具有海量接入的能力，為虛擬集中器系統開發提供了有力的公共網絡資源支持。

虛擬集中器系統的通信模式嚴格遵循Q/GDW 1376.1《電力用戶用電信息采集系統通信協議第1部分：主站與采集終端通信協議》的規定，按行業標準規定的數據傳輸規約實現數據傳輸。

遠程物聯網通信是指虛擬集中器系統與計量終端之間的數據通信。通過NB-IoT物聯網信道與終端設備建立關聯通信關系，下達指令，數據采集，統一管理。虛擬集中器系統數據通信網絡結構滿足穩定可靠的技術特性，遠程數據傳輸由穩定的專用物聯網網絡信道構成，專網專用保證數據傳輸的穩定性和安全性。

當前，可供電力用戶用電信息采集系統開展數據傳輸的通信主要是公共營運商提供的NB-IoT虛擬專用無線數據傳輸網絡。NB-IoT基于蜂窩網絡實現，被稱作低功耗廣域網，具有覆蓋范圍廣、數據容量大、整體成本低等特點，NB-IoT窄帶物聯網網絡部署成熟，發展迅速，網絡運營成本低，終端接入點體量大，應用于電力物聯網上是最優選擇[8-9]。

1.3 網絡結構

虛擬集中器系統對網絡實時性、安全性和可靠性要求高，為保證網絡安全穩定，虛擬集中器管理系統使用Netty框架，建立TCP/IP通道和IoT進行通信；使用Redis框架做數據緩存；使用mybatis框架封裝JDBC操作，支持定制化 SQL，存儲過程和高級映射的優秀持久層框架；使用Shiro框架做身份驗證、授權、密碼和會話管理；使用XXL-JOB框架做定時任務。虛擬集中器網絡架構如圖3所示。

圖3 虛擬集中器網絡架構

2 虛擬集中器系統部署、運維和監控

2.1 系統部署

虛擬集中器系統采用軟件模塊進行分布式部署，部署過程分為4個部分：硬件環境檢查、網絡部署、天基部署、云產品部署。具體流程如圖4所示。

圖4 虛擬集中器系統部署流程

2.1.1 硬件環境檢查

硬件環境檢查內容包括3部分：布線正確性檢查、上架正確性檢查、服務器出場配置檢查。

a.布線正確性檢查主要確認網絡拓撲連接是否正確、標簽粘貼是否正確、互聯端口的指示燈是否亮起、連線是否有損壞等。

b.上架正確性檢查內容主要包括服務器上架位置是否與規劃一致、sn與機位的對應關系是否一致、網絡設備上架位置是否與規劃一致等。

c.硬件出場配置。虛擬集中器系統的各個產品對服務器出廠配置有不同要求，如raid配置、網卡配置、服務器口配置、bios配置等。

2.1.2 網絡部署

在網絡設備和服務器設備上架布線完成以后，網絡工程師入場進行網絡部署，網絡部署依賴于網絡規劃和IP地址規劃，網絡工程師根據網絡拓撲和分配好的IP地址段，編寫交換機配置命令；然后到機房現場通過交換機的console口將網絡配置刷入交換機；刷入完成以后，網絡工程師根據相應的checklist，完成網絡連通性、穩定性檢查，在網絡部署完成以后，由網絡工程師統一給出網絡設備配置信息。

2.1.3 天基部署

天基是虛擬集中器系統底層工具，負責虛擬集中器系統部署、監控、運維等工作。因此部署虛擬集中器系統的第一步是天基部署，天基部署分為2部分：單機天基部署和多機天基部署。單機天基和多機天基的原理和功能基本相同，但是用途不同，單機天基部署多機天基集群，多機天基部署云產品。

單機天基部署流程如圖5所示。

圖5 單機天基部署流程

在單機天基部署之前，網絡已經部署完成，但是所有的服務器還沒有操作系統。因此使用U盤對1臺機器進行裝機，然后以這臺機器為種子機器開始天基部署。安裝過程如圖6所示。

圖6 服務器操作系統安裝

第1臺機器通過U盤克隆好后，開始進行天基部署，只需要手動觸發一鍵部署命令，直到部署完成，正常情況下不需要人工操作。部署人員通過移動硬盤將數據拷貝到已經裝好機的第1臺機器上，然后執行一鍵bootstrap工具，開始部署天基執行輸出，如圖7所示。

圖7 天基執行輸出

天基執行輸出完成以下步驟：①初始化ops1的網絡環境以及系統初始時間；② 拷貝docker鏡像到docker-regsitry服務的數據目錄/apsarapandu/disk1/registry下；③解壓ops數據包到ops服務的數據目錄/apsarapangu/disk2/{tianji_yum, tianji_clone, tianji_clone_tftpboot}；④安裝alidocker并根據終態中的配置完成網橋設置；⑤load單機天基鏡像到docker中，啟動單機天基鏡像；⑥單機天基鏡像根據終態開始進行bootstrap；⑦天基會自動完成機器克隆、服務部署。機器克隆、服務部署如圖8所示。

圖8 機器克隆、服務部署

一鍵部署工具完成以后，就可以通過連接登錄到單機天基的portal，界面如圖9所示，界面上會顯示當前集群狀態以及相關報表。

單機天基啟動完成以后，立刻進行多機天基部署，在單機portal上可以看到多機天基部署的狀態，當多機天基完成以后，單機天基會將產品的部署形態等信息導入到多機天基中，然后退出，后續工作由多機天基完成。

(a)

(b)圖9 單機天基界面

2.1.4 云產品部署

在天基部署完成后，啟動天基portal，部署人員通過該頁面展示Region下所有Project(產品)的部署情況。包括部署狀態、部署進度(集群、服務實例、服務角色的終態比例)、資源申請狀態、巡檢錯誤、報警信息、直接依賴的父節點(可以是服務實例或服務角色)，如圖10所示。可以通過portal查看服務部署狀態信息，操作方法如圖11所示。可以通過界面查看各個產品的部署進度，各個產品依賴資源的申請進度,如圖12所示。

圖10 云產品部署

圖11 服務部署狀態信息

圖12 產品的部署進度

需要說明的是，整個云產品部署過程由天基自動完成，在沒有問題的情況下，不需要人為干預，但是在實際部署的過程中，由于各種環境硬件問題，需要人為干預的,可以通過天基提供的terminal服務登錄到服務器上排查問題，操作方法如圖13所示。

圖13 問題排查

2.2 系統運維

運維管理平臺采用私有云模式，實現用戶私有集群的容器化管理和資源智能化分配，提供全流程標準化的主機管理、應用持續集成、鏡像構建、部署管理、容器運維和多層級監控服務。

2.3 系統監測

2.3.1 設備資產監測

對主機、服務器、集群等設備資產以及虛擬機進行管理，主要包括的是設備資產檔案、虛擬機檔案。

2.3.2 性能監測

對部署的硬件資源、軟件資源性能指標數據進行監測，主要功能包括硬件監測、軟件監測、集群監測和監測配置。

2.3.3 安全監測

對主機安全、網絡安全進行統一監測，主要功能包括主機安全總覽、主機安全監測、致命告警監測、軟件安全監測、訪問安全監測、端口安全監測、網絡攻擊監測及監測配置。

3 基于虛擬集中器系統的用電信息采集模式

基于物聯網技術的虛擬集中器系統應用，可進一步優化原有的用電信息采集模式和電力網絡結構。目前居民集中抄表以公用配變臺區為采集單位，虛擬集中器系統利用遠程采集數傳網絡，可對任意1個配變臺區的全部居民電能表(包括該配電臺區單相和三相工商業用戶電能表)進行抄表以及通信，同時完成對該配電臺區總表的電能信息采集，實現自動抄表；通過光纖數傳通信與主站進行數據交互等配電臺區所轄的用戶用電信息至主站，完成對終端設備的統一管理，在主站監管下通過遠程通信實現預購電管理功能等。

4 結束語

基于物聯網技術的虛擬集中器系統，替換了原有實體化集中器設備，沒有數量限制。在光纖和NB-IoT專網基礎上，實現了每1個終端計量節點與主站直接通信，能夠實時、自動對所有計量電能表進行遠程分臺區集中抄表、數據通信和應用管理，實現了系統對電力用戶的全面覆蓋和用電信息全面采集，為預付費、有序用電、終端安裝、信息采集、用電檢查、客戶分析等電網業務的深化應用提供了基礎數據支撐和技術支撐，在優化現有用電信息采集模式的同時，推動了電力業務系統向更優化、決策更高效方向發展。