面向能源互聯網的智慧物聯體系全場景仿真檢測系統設計與應用

劉冬蘭，張 昊，王 睿，張方哲，孫莉莉

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

當前，物聯網創新發展與新工業革命正處于歷史交匯期，各國參與物聯網發展的國際競爭日趨激烈，全球物聯網產業處于高速發展階段，相關的新技術、新應用也層出不窮。電力行業是國民經濟的基礎產業，是國民經濟發展和人民生活極其重要的基礎設施之一［1-2］。

我國物聯網產業核心基礎能力薄弱、高端產品對外依存度高、原始創新能力不足等問題長期存在。此外，隨著物聯網產業和應用加速發展，一些新問題日益突出。一是產業整合和引領能力不足，我國缺少整合產業鏈上下游資源、引領產業協調發展的龍頭企業，產業鏈協同性能力較弱［3-7］；二是物聯網安全問題日益突出。數以億計的設備接入物聯網，針對用戶隱私、基礎網絡環境等的安全攻擊不斷增多，物聯網風險評估、安全評測等尚不成熟，成為推廣物聯網應用的重要制約因素［8-10］。

在國家電網有限公司推進智慧物聯體系建設過程中，能源互聯網新業務實施和發展所面臨的主要問題有基礎數據缺失、平臺缺失、運維成本高、終端設備各異、協議不統一、安全評測手段缺失、設備管理難、系統封閉、接入場景復雜、現場部署難等普遍問題，缺乏一套面向能源互聯網的可推廣、可驗證的智慧物聯仿真驗證測試體系［11-15］。

設計了面向能源互聯網的智慧物聯體系全場景仿真檢測系統，通過設計基于云計算技術的集群檢測工具，采用先進的Map/Reduce 模型來實現存儲技術，實現數據存儲的集群式，可以使數據在各個檢測節點間共享，采用微服務、分布式等先進技術，打造輕量級的仿真測試系統，使用少量服務器資源就可以仿真測試邊設備通信協議是否支持智慧物聯管理平臺的通信協議要求，測試邊設備上報設備采集數據功能，測試邊設備下發控制命令等功能，同時將所有數據匯聚到管理中心，進行數據挖掘、關聯分析、統計分析和趨勢分析等。系統能夠極大提高檢測效率和檢測時間，能夠覆蓋電力全產業鏈智慧物聯系統的仿真、驗證和測試，為國家電網有限公司物聯管理平臺建設與推廣提供技術支撐。

1 系統功能架構

智慧物聯體系全場景仿真檢測系統功能架構主要包含產品模型管理模塊、設備管理模塊、日志管理模塊、消息管理模塊、命令模擬模塊以及權限管理模塊等核心功能模塊。各功能模塊之間相互配合，分工明確，功能相輔相成，共同完成設備的接入檢測和驗證。系統功能架構設計如圖1所示。

圖1 智慧物聯體系全場景仿真檢測系統功能架構

產品模型管理模塊主要實現對產品模型文件進行驗證解析，測試產品模型是否可直接導入物聯管理平臺。主要包括產品模型導入、產品模型服務查看、產品模型導出等功能。廠商提供的產品模型文件導入仿真測試系統，產品模型管理模塊進行分析和解析，測試驗證廠商的產品模型文件格式是否正確，測試通過的產品模型文件直接導出后，導入物聯管理平臺可直接使用無須反復刪除修改。

設備管理模塊包括子設備管理模塊、邊設備管理模塊、Topic 管理模塊，實現設備上報數據查看和設備上報數據解析等功能。通過設備管理功能模塊，可以驗證測試智能融合終端等設備是否能夠正常注冊子設備信息，是否能夠正常上報子設備采集的數據值；通過設備上報數據查看和設備上報數據解析功能，可以測試檢查智能融合終端中采集數據的APP 數據采集是否符合要求，可以測試檢查產品模型設計是否合理，可以測試檢查設備上報數據的頻率是否合理。

邊設備管理模塊主要為邊緣物聯代理設備創建可以連接的服務地址，用戶名和密碼等，測試驗證邊設備的通信協議等功能。邊設備管理模塊包括添加客戶端功能，斷開連接功能等，測試驗證智能融合終端是否支持消息隊列遙測傳輸協議（Message Queuing Telemetry Transport，MQQT），是否具備連接物聯管理平臺的功能。

子設備管理模塊主要為展示邊設備注冊的子設備信息以及子設備的相關行為，用以測試邊設備注冊子設備等相關功能。

消息管理功能模塊主要管理邊設備及子設備上報的數據信息，用以分析檢驗產品模型是否正確，分析檢驗上報的數據內容是否完整，格式是否正確。

命令管理功能模塊包括配置主題，一鍵下發，驗證對象簡譜（Javascript Object Notation，JSON）后發送等功能。命令下發管理模塊主要用于仿真物聯管理平臺命令下發功能，實現命令編制，命令格式驗證，快捷下發命令等，測試邊設備接收平臺下發命令的功能。通過配置主題功能可以下發命令給指定的融合終端，可以編輯下發具體的命令內容，模擬物聯管理平臺的命令編輯功能；通過一鍵下發功能模擬物聯管理平臺的命令下發功能，將編輯好的命令信息下發至指定的智能融合終端中，測試智能融合終端命令接收功能；通過驗證JSON 后發送功能能夠驗證測試編輯的命令信息是否存在格式上的錯誤，幫助物聯管理平臺業務用戶調試命令信息。

日志管理功能模塊主要包括實時日志和日志記錄。通過詳細記錄仿真測試系統的日志信息，實時顯示調試日志信息，方便用戶快速定位問題，輔助設備測試，加快測試進度。

2 總體架構

2.1 總體架構及功能

智慧物聯體系全場景仿真檢測系統由基礎應用、應用服務模塊、云服務組件和數據存儲服務四部分組成。應用服務模塊主要實現對邊端設備進行邊緣計算框架及通信協議測試。總體架構如圖2所示。

圖2 智慧物聯體系全場景仿真檢測系統總體架構

系統由基礎應用、應用服務模塊、云服務組件和數據存儲服務四部分組成。

基礎應用包含Shiro、Oshi、GateWay API、Hystrix、Nacos 五類應用提供系統基礎支撐。Shiro 安全框架提供認證、授權、加密和會話管理等功能，確保系統的安全運行。Oshi 系統監控組件通過獲取實時系統信息，智能預警提醒，主機的CPU、內存、磁盤、網絡、線程、JVM 內存、JVM GC 等維度的監控。Gate-Way API 網關提供對外唯一的授權訪問入口，API 網關GatewayAPI負責請求轉發、合成和協議轉換。所有來自客戶端的請求都要先經過GatewayAPI，然后路由這些請求到對應的微服務。Hystrix 隔離主要是為每個依賴組件提供一個隔離的線程環境，可實現組件線程的限流、熔斷、降級處理，可防止意外攻擊。Nacos 注冊中心配置中心，實現服務配置一體化管理，動態刷新配置信息。

數據庫存儲服務包括Mysql、MongoDB、Redis 三個數據集成存儲服務組件提供數據庫存儲服務。其中，使用mysql 作為基礎數據存儲組件；使用MongoDB 存儲系統業務數據，增加數據存儲擴展性，提供便利的數據遷移功能。使用Redis作為本系統的數據緩存層，減少數據庫持久層輸入輸出訪問次數，優化系統響應時間。

云服務組件包括FastDfs、MqttBroker、Git 三類云服務組件提供資源存儲及消息轉發服務。FastDfs 分布式文件系統對文件進行管理，功能包括：文件存儲、文件同步、文件訪問（文件上傳、文件下載）等，解決了大容量存儲和負載均衡的問題；本系統主要用來存儲容器鏡像、APP 程序包、物模型等文件。Mqtt-Broker服務器承載MQTT協議處理，平臺與南向設備通信，支持平臺訂閱南向信息。Git 為本系統版本控制組件，有更精細的代碼控制工作流，保證系統版本的穩定性及一致性。

應用服務模塊由應用服務中間件提供。應用服務模塊中，基礎業務服務模塊為本系統提供基礎功能支持，進行業務數據處理，持久化保存，其中公共服務模塊具有支持作用。模型管理模塊支持對各類協議中需要的模型進行管理，包括物模型和產品模型的查看、導入、導出功能，并提供其他模塊對模型的調用接口。命令管理模塊提供對下發命令的管理功能，包括一鍵配置，歷史命令保存等功能。邊緣計算框架MQTT 協議模塊，根據Q/GDW 12106.4—2021《物聯管理平臺技術和功能規范第4 部分：邊緣物聯代理與物聯管理平臺交互協議規范》接口協議開發，在設備接入測試過程中對消息格式進行檢驗，并模擬物聯管理平臺響應數據，提供設備、數據、容器、應用管理功能。應用商店模塊，可以對APP 的上架、下線、上傳、下載進行管理。北向API 接口模塊，支持北向接口測試功能，并模擬華為物管平臺的數據響應。拓展協議模塊為此系統的功能拓展做模塊抽象化，如698協議、104協議等。

2.2 平臺應用架構

智慧物聯體系全場景仿真檢測系統主要模擬華為物聯管理平臺的輸入、輸出接口，用于測試終端設備與物聯管理平臺的安全對接、業務系統與物聯管理平臺的對接。測試成功后，在正式環境中被測設備可以直接接入華為物聯管理平臺。MQTT通信模塊集成MQTT 消息服務器，負責與南向設備進行通信。平臺應用架構如圖3所示。

圖3 智慧物聯體系全場景仿真檢測系統應用架構

智慧物聯體系全場景仿真檢測系統主要實現將輸電、變電、配電、用戶側等各個領域的終端設備數據上報至邊緣物聯代理設備，邊緣物聯代理設備將終端設備數據信息上報至智慧物聯體系全場景仿真檢測工具，實現采集邊端設備狀態信息等功能。同時智慧物聯體系全場景仿真檢測工具也可下發命令至邊端設備，控制邊端設備做出相應的斷電等操作。而針對上層應用方面，則通過智慧物聯體系全場景仿真檢測工具進行邊端設備數據采集，并上報至上層業務應用系統，從而實現了對發輸變配用等各領域終端設備的標準化接入和統一在線管控。

3 配電物聯網臺區運行狀態感知監控場景應用

3.1 配電臺區運行狀態感知監控場景功能及成效

目前，結合智慧物聯體系全場景仿真檢測系統，已在實驗室搭建了配電臺區運行狀態感知監控場景，驗證融合終端數據上報及仿真檢測系統命令下發等功能。配電物聯網臺區運行狀態感知監控應用場景是基于物聯網及邊緣計算技術，在感知層實現配電臺區實時運行工況、設備狀態等信息的實時采集監控，實現對低壓配電網整體運行狀態及配電設備的實時監控與風險預警，提升低壓配電網運行與設備管理水平。通過部署一、二次融合設備和具備邊緣計算功能的臺區融合終端等裝置，智能感知和識別配電網運行工況、設備狀態、環境情況及其他輔助信息。實現對配電臺區運行狀態精準監控，實現廣泛的配電網運行狀態全景感知。基于配電臺區感知層部署的各類感知單元來獲知低壓配電網及設備的狀態信息、電量信息等全景數據，在邊緣計算節點完成本地用戶停電時間、類型、原因、性質等事件的統計匯總，實時計算中低壓供電可靠性指標和參考指標，對供電可靠率不合格的區域制定相應的提高策略，全面提升電網安全、可靠、優質、高效供電本質服務。

3.2 配電物聯網臺區運行狀態感知監控場景系統結構

配電物聯網臺區運行狀態感知監控場景試點建設分為感知層、網絡層、平臺層和應用層。配電場景智慧物聯技術架構如圖4所示。

圖4 配電場景智慧物聯技術架構

感知層。包括邊緣匯聚層及末端傳感層。“邊緣匯聚層”主要為臺區融合終端，根據具體業務應用場景，利用臺區融合終端邊緣計算框架，實現一定范圍內傳感器數據的匯聚、邊緣計算及回傳、區域自治，滿足數據實時采集、即時處理、就地分析。“末端傳感層”主要由微功率/低功耗無線傳感器、常規無線傳感器、有線傳感器等監測裝置組成，主要對電網設備的運行狀態、環境數據、可視化信息進行采集，實現設備狀態全方位感知與需求快速響應。

網絡層。根據實驗室環境實際情況可選擇接入點名稱（Access Point Name，APN）專網接入內網、交換機接入局域網、4G 接入公網等方式。匯聚層利用高速電力線載波、微功率無線等通信網絡，將傳感器層采集的數據統一匯聚至臺區融合終端內，滿足傳感層和節點設備單點接入、鏈式分布多態組網需求。

平臺層。邊緣物聯代理裝置通過MQTT 協議與智慧物聯體系全場景仿真檢測系統進行數據交互，實現設備管理、數據轉發等功能。智慧物聯體系全場景仿真檢測系統與配電云主站系統進行對接，根據數據實時性需求及業務需求，對外提供標準化數據服務，支撐應用層業務系統應用。同時可將智慧物聯體系全場景仿真檢測系統測試成功結果導入物聯管理平臺，實現場景設備在物聯管理平臺的即插即用。

應用層。應用層主要是配電云主站系統，基于智慧物聯體系全場景仿真檢測系統提供設備監測、設備管理、應用管理等功能接口來實現各類智能設備的有效管理。由智慧物聯體系全場景仿真檢測系統實現臺區融合終端設備的統一接入、管控和應用，實現下連智能設備和傳感設備的統一管理，以及邊緣設備上傳數據的統一匯聚、預處理和分發，統一支撐配電云主站各類業務應用。采集數據在接入智慧物聯體系全場景仿真檢測系統后，統一推送到配電云主站。

3.3 智慧物聯體系全場景仿真檢測平臺處理過程

針對配電場景融合終端設備聯調測試為例，智慧物聯體系全場景仿真檢測平臺在模擬物聯管理平臺仿真聯調測試的整個處理步驟如下。

步驟一：根據提供的產品模型文件模板編制產品模型文件，通過產品模型管理導入產品模型文件，測試驗證編制的產品模型文件格式等是否符合物聯管理平臺要求。

步驟二：通過邊設備管理功能模塊創建邊設備信息，將邊設備信息和服務地址的IP 和端口號提供給智能融合終端方，智能融合終端將連接信息配置好，連接網絡啟動。測試驗證智能融合終端是否支持MQTT 協議，能否自動上線，是否按照物聯管理平臺的技術標準規范接入物聯管理平臺。調試終端的接入功能時，可以打開實時日志界面，實時查看后臺日志信息，方便問題定位，方便發現前臺看不到的問題。

步驟三：通過設備管理功能模塊測試驗證智能融合終端注冊子設備功能，上報數據消息功能。智能融合終端接入智慧物聯體系全場景仿真檢測系統，通過MQTT 協議添加子設備信息，查看仿真檢測系統設備管理區是否有新增的子設備信息；智能融合終端通過MQTT 協議上報數據信息，查看子設備信息的上報數據。調試終端的子設備注冊功能和上報數據功能時，可以打開實時日志界面，實時查看后臺日志信息，方便問題定位，同時方便檢查上報的數據是否完整。

步驟四：通過命令下發管理功能模塊測試驗證智能融合終端是否按照物聯管理平臺標準技術規范接收命令和響應命令。通過配置主題功能，依次選擇下發的命令Topic，然后編輯下發命令消息體，選擇一鍵下發或者驗證JSON 后下發，查看融合終端是否正確接收到下發的命令。調試終端接收下發命令的功能時，可以打開實時日志界面，實時查看后臺日志信息，方便問題定位。

步驟五：通過消息管理功能模塊和日志管理功能模塊，查看待測試的智能融合終端上報的數據信息正確與否，數據信息上報的頻率是否符合要求，連接物聯管理平臺的方式是否符合國家電網公司智慧物聯體系標準技術規范要求。

步驟六：通過測試的智能融合終端，在產品管理功能模塊導出產品模型。導出的產品模型文件可直接導入物聯管理平臺無須更改，智能融合終端配置文件修改成物聯管理平臺對應的連接信息即可接入物聯管理平臺工作。

3.4 調試過程示例

通過將手工編輯好產品模型文件，通過產品導入功能，導入到智慧物聯體系全場景仿真檢測工具。導入過程如圖5所示。

圖5 導入產品模型

同時可以在查看服務中檢查產品模型是否正確解析。解析成功會在右側出現產品屬性信息，解析不成功這里為空白。產品模型導入成功示例如圖6所示。

圖6 產品模型導入成功示例

智慧物聯體系全場景仿真檢測工具具備命令下發功能，在發布命令頁面，通過配置主題可以添加需要下發的Topic。在內容中添加需要下發的命令，即可以向被測設備下發命令測試。發布命令如圖7所示。

圖7 發布命令

4 結語

智慧物聯體系全場景仿真檢測系統實現了終端接入物聯管理平臺的全流程聯調測試，測試通過后可以直接接入物聯管理平臺，實現終端設備在物聯管理平臺的“即插即用”，提高了物聯管理平臺的接入調試效率。平臺通過建設產品模型管理功能模塊，針對廠商提供的產品模型，實現提前驗證產品模型文件是否符合物聯管理平臺的格式要求，提高了產品模型文件導入物聯管理平臺的成功率，提高工作效率，減輕物聯管理平臺調試壓力。通過對智慧物聯終端設備開展邊緣計算框架、通信協議及安全性檢測，把安全管控關口前移，確保入網的物聯網終端設備安全穩定運行。