邊緣計算在多芯模組化電能表中的應用分析

丁海麗 周媛奉 胡婷婷

摘 要：近年來我國電力終端設備智能化發展速度驚人，這源于云計算、物聯網等新型技術的不斷進步，多芯模組化電能表便屬于技術進步的產物。基于此，文章將簡單分析多芯模組化電能表的構成和特點，并深入探討邊緣計算在多芯模組化電能表中的應用路徑，希望研究內容能夠給相關從業人員以啟發。

關鍵詞：多芯模組化電能表;邊緣計算;非侵入式負荷監測

0? ? 引言

所謂邊緣計算，指的是網絡邊緣側（靠近物或數據源頭）融合存儲、計算、網絡、應用核心能力的分布式開放平臺，以此提供的提供邊緣智能服務。行業數字化存在的應用智能、數據優化、實時業務、敏捷連接、安全保障等關鍵需求可通過邊緣計算滿足，而通過發揮自身在網絡末端的優勢，邊緣計算模式可更好為物聯網應用提供服務，如提升服務響應能力、提升數據安全性、緩解數據中心和網絡帶寬壓力，這使得其在多芯模組化電能表中有著較高應用價值。

1 多芯模組化電能表的構成和特點

1.1 構成分析

多芯模組化電能表由通信芯模組、管理芯模組、計量芯模組構成，具體構成如圖1所示。

通過獨立設計管理部分與計量部分，多芯模組化電能表可實現隔離區域劃分，計量功能實現也能夠得到獨立計量芯的支持。作為基表的計量部分，計量芯模組主要負責電能計量任務，涉及每分鐘電量存儲并需要加上時標，具體功能涉及全失壓、脈沖指示、時間源、電源異常事件檢測。考慮到表端需要實現非侵入式負荷監測，因此選擇SoC形式的計量芯;整個表的管理任務由管理芯模組負責，計量芯記錄的電量信息需要由管理芯模組負責收集，同時需要進行計費，具體功能涉及負荷控制、數據凍結、事件記錄、對外通信、費控顯示，遠程集控可實現管理芯模組功能升級;智能電表的上行、下行通信由通信芯模組負責，為實現多業務接入和多元化高效通信，采用先進通信策略[1]。

通過圖1所示的設計，多芯模組化電能表可更好地服務于智能電網建設，其功能可不斷升級。作為典型的法定計量器具，多芯模組化電能表的軟硬件修改升級需要開展型式評價與檢定，通過設計分離非計量功能和計量功能，即可保證計量的穩定性和準確性不會受到在線升級影響，功能拓展與計量公平的兼顧得以實現。

1.2 特點分析

多芯模組化電能表具備多方面特點，主要體現在3個方面：第一，模組化設計。計量芯模組屬于多芯模組化電能表的核心，負責法制計量，采用模組化設計理念的通信芯模組和管理芯模組在先進通信技術、標準化接口支持下，模組間的可替換可順利實現，后期維修和現場運維便利性可大幅提升。在先進通信技術和智能算法支持下，及時、準確計費能夠得到保障，同時提供的控制策略在指導科學用電方面也能夠發揮積極作用;第二，大容量、分布式存儲。在大容量數據存儲功能支持下，多芯模組化電能表能夠更好提供優質服務，滿足一體化的“源、網、荷、儲”協調發展需要，用電糾紛也能夠有效規避。通過存儲長時間的帶時標每分鐘電能量數據，各部門的需要即可更好滿足，分布式存儲方案在數據高效讀取方面也有著不俗表現;第三，多元化高效通信。主站的數據應用效率直接受到電能表的通信手段和速度影響，在先進通信策略支持下，依托高效數據壓縮、可擴展通信協議、邊緣計算，即可高速傳輸數據。多芯模組化電能表的下行通信功能還能夠實現戶內終端交互、多表集抄、有序管理電動汽車充電樁等業務。此外，還具有模塊化升級、誤差在線監測、諧波計量與負荷分析等功能[2]。

2 邊緣計算在多芯模組化電能表中的應用路徑

2.1 非侵入式負荷監測

在下一代智能電表標準體系的研究中，非侵入式負荷監測向來屬于研究熱點，這一研究不僅需要關注電能量測量，同時需要監測用戶內各種類型電器的工作狀態、啟停時間、能耗情況，用戶可由此加深對自身用電行為的了解，用電計劃的科學制定可獲得依據。“智能電網大數據”建設也能夠通過由此獲取的用戶用電行為和電能數據實現，電力調度、能源控制、電力供需平衡能夠獲得非侵入式負荷監測提供的理論支持。通過監測用電入口端電流、電壓等用電信息，識別用電設備特征模式，輔以智能學習算法對暫態和穩態下的負荷特征量進行解析，各用電設備用電狀況識別即可順利實現。非侵入式負荷監測涉及的環節包括量測數據、數據處理、探測、提取特征、特征匹配、負荷識別等。在不斷發展的現代信號處理技術支持下，日漸豐富的信號分解算法使得愈加準確的負荷辨識得以實現，基于云計算的主站、基于邊緣計算的表端均可實現非侵入式負荷監測，圖2為表端集成識別功能示意圖[3]。

本文采用表端集成識別功能的設計，非侵入式負荷辨識算法由管理芯模組提供，負荷辨識功能可順利實現。獲取和預處理原始數據由計量芯模組負責，具體涉及負荷特征數據提供，辨識算法應用需要可順利滿足，主要涉及數據包括原始采樣ADC數據、頻域類和時域類的數據，如諧波抑制比、分次諧波、功率因數、功率、有效值等。

2.2 諧波計量

在電能計量和電能質量管理工作中，非線性用戶諧波污染考核屬于業界長期以來關注的重點問題，由此科學計量諧波下的電能，判斷諧波、非諧波用戶，即可針對性限制和處理諧波源用戶，用電科學管理可順利實現。諧波分析屬于諧波電能的計量基礎，基本電力參數可通過求解得出，諧波有功電能量也能夠在進一步計算中得到。傅里葉變換屬于主要的諧波分析方法，基于多個不同頻率正弦信號的和分解信號，并對所含基波和各次諧波的頻率、幅值、相位進行求解，各電力參數即可最終得出。諧波分析對算法的依賴較高，計量芯模組需要提供大量的電流和電壓采樣數據，以此開展傅里葉變換和求解。如依托云端主站計算進行諧波分析，云端主站需要上傳大量電流和電壓采樣數據，但在端主站的運算能力和傳輸網絡的帶寬限制下，這些諧波分析會導致網絡阻塞問題出現，而在邊緣計算技術支持下，電壓電流數據在由計量芯模組采集后，諧波分析算法實現由管理芯模組負責，諧波計量功能由此即可在表端實現，邊緣計算在多芯模組化電能表中的應用價值可見一斑。

3 結語

綜上所述，邊緣計算可較好用于多芯模組化電能表。在此基礎上，本文涉及的非侵入式負荷監測、諧波計量等內容，則直觀展示了邊緣計算的應用路徑。為更好地服務于下一代智能電表的研發，邊緣計算的應用還應關注IR46國際建議理念、新型算法和硬件的應用。

[參考文獻]

[1]孔令生，王志遠，范心明，等.基于邊緣計算的交直流配電網信息物理系統[J].廣東電力，2020（12）：125-131.

[2]李斌，李星舉，趙卓.基于配電網邊緣計算應用的安全策略探討[J].東北電力技術，2020（10）：1-6.

[3]張雪琦.寬帶微功率通信模塊應用層設計及實現[D].重慶：重慶郵電大學，2020.

（編輯 傅金睿）