智慧能源網關終端接入研究

羅達，張陽，向運琨

(1·湖南工業大學，湖南 株洲412007；2·國網湖南綜合能源服務有限公司，湖南 長沙410007)

0 引言

隨著我國城市化進程的加速，能源消耗速度急劇加快[1]。智慧能源網關通過對電力網絡數據的集中化和遠程化管理，提供所需的數據和應用服務[2－3]。作為構建泛在電力物聯網絡的核心部件，智慧能源網關實現包括用能數據、網絡運行數據、環境數據等在內的電力信息和數據網絡的互聯、調度和控制[4]。本文深入研究不同用戶的能源管理特征，梳理不同客戶用電設備監測與分析的典型網絡分布結構，明確客戶側用電設備能效監測的安裝接入標準，提供典型接口與通信規約標準。基于不同用戶的能源管理需求，安裝部署相對應的用能計量設備、傳感器設備、測控終端設備等。

1 用戶側綜合能源需求分析及關鍵技術

1.1 需求分析

1.1.1 數字化平臺需求

數字化平臺需求是清潔能源各個行業的需求，隨著清潔能源業務不斷擴張，系統所需的資源能按需調控，以支持海量終端接入[5]。數字化平臺通過大數據分析和AI智能分析，實現數據分析后的優化控制、故障預測等功能。

1.1.2 邊緣側需求

由于系統互聯互通，數據AI智能處理化需要一個本地智能自動化的處理，以便提高本地數據處理速度，減少網絡上傳帶寬與流量成本[6]，邊緣計算給與智慧能源網關一個靠近數據源頭的邊緣側計算平臺，保障低時延、高可靠的網關環境。

1.1.3 數據高效采集需求

智慧能源網關的基礎就是數據采集，采集終端需要克服各種環境問題[7]，同時系統線上需要大量的專業性配置，高效的數據采集、快速安裝部署、終端免配置即插即用是實現智能化網關在能源節能中的前提。

1.1.4 遠程運維管理需求

網關管理設備和終端遠程運維需要能源管理平臺的連接和對遠程設備進行監測，信息的交互需要滲透到設備層面[8]，從而實現點對點之間全方位的融合。遠程運維管理包括監測、參數配置、重啟、更新等。

1.2 關鍵技術

1.2.1 邊緣計算

目前邊緣計算已經得到了各行各業的廣泛重視，邊緣計算常常和物聯網聯系在一起，在管理來自物聯網設備的大量數據方面效率更高、延遲更低、處理速度更快，且可擴展，通過在源位置處理數據[9]，邊緣計算在幫助實時應用程序無延遲或無停機運行方面至關重要。

1.2.2 數字孿生技術

數字孿生技術是以數據和模型為驅動，數字孿生結合了幾何建模、仿真模擬、數據分析等全方位功能構造出模擬實體運行的虛擬物體[10]，通過這些建模分析進行最佳的決策，同時依賴于數字線程使工業全產業鏈達到最佳限度的閉環優化。

1.2.3 HPLC(高速電力線載波)

HPLC(高速電力線載波)也稱為寬帶電力線載波。用電信息采集系統的寬帶載波通信網絡一般會形成以中央協調器(Central Coordinator，CCO)為中心、以代理協調器(Proxy Coordinator，PCO)為中繼代理，連接所有站點多級關聯的樹形網絡[11－12]。

1.2.4 多容器(Docker)技術

Docker技術是一個開源的應用容器引擎，可以根據需要將程序打包移至到一個虛擬容器中，基于Linux系統實現應用容器虛擬化[13]。

2 智能邊緣網關硬軟件的設計與實現

2.1 硬件層設計

2.1.1 技術要求

智能邊緣網關可用于配電站房或臺區側，針對用采、配變、充電樁、分布式儲能等營銷、運檢業務接入場景；也可用于居民家庭或商業用戶，針對綜合能源服務和新興業務接入場景。智能邊緣網關具備以太網口作為遠程通信接口，并可選配RS－485、電力線載波通信接口等本地通信接口，各接口之間相互獨立。具備擴展模塊用以選配無源節點輸入、溫度采集、USB等擴展接口等。硬件接口采用模塊化設計，可根據需求更換和選擇，滿足互換性要求。

2.1.2 硬件設計

智能邊緣網關的硬件核心部件結構采用華為AR530模塊。AR530采用模塊化設計，配置主控芯片，由存儲單元、通信模塊等構成。通過多容器技術在網關中部署多種APP，與外界接口和計量設備之間互相通信，以滿足各式各樣的應用場景。整個智能邊緣網關硬件結構設計如圖1所示。電源整流部分電路將AC 220 V變成DC 12 V。電源降壓部分電路將DC 12 V變成DC 3·8 V給各模塊供電。

圖1 智能邊緣網關硬件結構設計圖

2.2 軟件層設計

2.2.1 技術要求

通信接口:主要包括遠程對上通信接口和本地對下通信接口。遠程對上通信接口包括以太網口(ETH)，亦可選配4G等擴展通信方式，本地對下通信接口包括USB接口，亦可選配M_BUS、PLC、RS485、Zigbee、LoRa/紅外等擴展通信方式。

通信協議:對上采用MQTT、104等協議，對下可適配Modbus、DLT 645等多種通信協議。

2.2.2 功能設計

智能邊緣網關的主要功能設計如下:

1)數據采集。智能邊緣網關終端包括三種采集方式。一是實時采集，終端直接采集指定采集設備的相應數據項；二是定時自動采集，終端根據主站設置的方案自動采集數據；三是自動補抄，終端對在規定時間內未抄讀到數據，有自動補抄功能。

高精度終端采集和快速傳輸需要數字孿生系統。數字孿生技術為網關云端搭建快速可靠的信息傳輸網絡，保障了采集終端傳輸到智慧能源網關中的數據信息安全。通過與邊緣計算技術的結合保障數據的實時采集傳輸和更新。大量分布的各類型高精度采集終端需要邊緣計算和孿生系統支撐。

電參數主要采集數據分為兩類，一是電能表的輸出值，二是狀態量。

2)數據傳輸。智慧能源網關終端能夠傳輸特定規約的數據信息到云平臺中進行處理，數據可以是多路同時轉發、多路不同協議和接口獨立轉發、多址轉發、雙通道冗余、本地數據定時分段發送，支持共享傳輸模式，滿足斷點續傳功能和遠程訂閱功能。智慧能源網關終端具有斷點續傳功能，數據即使中斷也可恢復連接，可繼續上傳數據，不丟失。

3)數據儲存。智能邊緣網關終端具有數據存儲功能，數據統一保存在數據中心APP，支持數據的本地存儲，可存儲所有的采集數據、轉發數據、日志信息、聯動信息、告警信息，保存支持本地XML文件存儲和SQLite數據庫存儲。

4)數據處理。智能邊緣網關終端基于LXC多容器技術通過統一的MQTT消息總線技術，提供標準接口供容器內運行的各類業務相關應用程序(App)調用。實現業務程序和底層硬件、操作系統的解耦合，業務程序可獨立于硬件進行部署和迭代開發。支持客戶或第三方開發和部署應用。支持C、Java、Python等多種開發語言。

5)應用層協議。智能邊緣網關終端支持以下協議:政府部門既定通信協議(如EMS等)、電力部門標準通信協議(如60870－5－101、60870－5－103、60870－5－104、MODBUS－RTU)、物聯網通用協議、NETCONF協議，并可根據客戶側實際需求支持定制化協議開發。

6)控制功能。智能邊緣網關終端具有控制功能?？砂凑掌脚_設定的固定策略定時執行控制指令，可實時接收平臺控制命令并下發執行。

7)自檢功能。終端對接入的采集終端等設備通訊進行檢查，能夠識別通訊中斷、報文異常、采集終端數據等異常，并生成事件上傳到上級控制中心。

8)對時功能。能接受上級控制中心的授時信號；支持SNTP對時方式；具備守時功能；能正確處理閏秒時間。

9)安全功能。智慧能源網關滿足相關網絡安全的要求，具有通信故障報警、記錄及恢復功能，同時具備雙向加密傳輸功能、白名單識別認證、網絡防火墻功能。

10)聯動功能。智慧能源網關終端具有聯動功能?？砂凑张渲玫穆搫右巹t聯動相關的設備。支持策略更新，更新方式應包括但不限于接收上級控制中心下發的更新策略。

3 用戶側用能設備終端接入標準研究

3.1 輕量級轉換器

輕量級轉換器實現RS485轉HPLC通訊，內置采用HPLC小型化尾端模塊，基于IPv6，支持終端即插即用，網隨電通，實現通信網絡的免布線部署。

輕量級轉換器的內置尾端通過電力傳輸數據，部署效率高、成本低，把通信頻段轉化HPLC所需的700～12 000 kHz，滿足所有應用場景中對帶寬、通信距離和可靠性需求。

3.2 能效終端

能效終端在電力系統中具有體積小、安裝方便等優點。帶有RS485通信接口，可選用MODBUSRTU或DL/T645協議。

輕量級轉換器接線如圖2所示，A、B、C互感器的電流信號線分別接IA(進)、IA*(出)，IB(進)、IB*(出)，IC(進)、IC*(出)；A、B、C三相的電壓信號線分別接到UA、UB、UC端子；N線接到UN端子。

圖2 輕量級轉換器接線說明組圖

3.3 即插即用接口

綜合能源服務的項目開局，涉及到終端設備安裝、通信網絡部署、本地系統配置、云端系統配置等環節。智慧用能物聯網解決方案建議通過終端免配置即插即用實現終端設備的快速上線:在系統配置中，需要關聯HPLC模塊IP地址和終端物理安裝位置(回路名稱)。當終端設備上電后，HPLC模塊根據EUI－64規范由MAC地址自動生成IPv6地址。

3.4用戶側用能監測設備接入規范研究

1)能效終端接入調試規范?？蛻魝扔秒姴煽亟K端安裝必須垂直牢固，用電采控終端傾斜度不大于10°。

2)智能邊緣網關接入調試規范。智能邊緣網關的機箱外殼應有足夠的強度，戶外終端外殼的防護性能應符合GB/T 4208規定的IP51級要求[11]。

3)輕量級轉換器接入調試規范。輕量級轉換器安裝于配電網絡低壓側(400 V)配電房進出線柜、樓層配電箱、動力配電箱，或其他供電網絡輻射到的電源末梢智能終端處。如圖3所示，其通信為CCO上電后全網檢測，然后確定PCO和STA，然后查看STA的報文，通過CSMA載波檢測多址的方式進行傳輸管理和控制。

圖3 輕量級轉換器HPLC網絡架構

4 用戶側用能設備終端接入系統測試與分析

4.1 系統測試拓撲

本項目工程應用于長沙市某商業樓宇。通過接入智慧用能平臺對用戶側用能設備接入終端系統進行了測試。智慧用能平臺滿足數字平臺需求和遠程運維管理需求為一體，為實時數據分析和處理提供了良好的平臺。圖4為系統測試拓撲圖。

圖4 系統測試拓撲圖

4.2 系統功能測試

4.2.1 智能邊緣網關與RS485電力終端通信測試

在測試中，電力終端通過RS485接入輕量級轉換器，輕量級轉換器通過電力線接入云邊路由器。并且云邊路由器內安裝容器。網關容器內安裝APP且運行正常。經過測試，網關在線工作正常。采集終端數據見表1。

表1 采集終端數據

4.2.2 無線通訊長時間運行穩定性測試

在測試中，用戶側用能設備通過智能邊緣網關接入平臺上線管理。開啟無線通訊，打開日志記錄，記錄運行情況，觀察7×24 h。測試結果顯示無線通訊運行穩定正常。

4.2.3 HPLC網絡測試

在測試中，通過接入用戶側用能設備對HPLC網絡進行測試。智能網關與容器已部署且處于啟動狀態。測試結果顯示網絡管理一切正常。尾端在線測試情況顯示尾端在線，表示HPLC網絡測試成功。

5 總結

文章圍繞邊緣計算網關的業務終端要求，提出了智慧能源網關軟硬件設計、面向云邊協同的終端接入系統實現方案，并對相關產品進行了試用測試。試驗結果表明，所述邊緣計算網關的終端接入系統方案，能夠解決公網數據通信所面臨的經濟性、穩定性和安全性問題，能夠保證網關系統的運行穩健性，可有效應用于配電物聯網解決方案中。