邊緣計算在多芯模組化電能表中的應用分析

董永樂，王曉軍，張 祺，殷 超，達爾罕

（1.內蒙古電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010010；2.內蒙古電力集團有限責任公司營銷服務部，內蒙古 呼和浩特 010010）

為順應能源革命的發展趨勢，國家電網公司于2019年創造性地提出了建設泛在電力物聯網的目標。但現有多芯模組化電能表存在通信方式單一、管理功能簡單、軟件無法升級、功能無法擴展等問題，導致用戶交互體驗感差，無法滿足泛在電力物聯網的信息互聯、設備交互、全面感知的需求，同時也無法與新國際標準接軌。因此，現有多芯模組化電能表已嚴重制約泛在電力物聯網的建設，下一代多芯模組化電能表的設計、應用已迫在眉睫。

1 邊緣計算與多芯模組化電能表

1.1 邊緣計算

近年來，“物聯網”“云計算”等技術得到廣泛應用，但是隨著萬物互聯以及5G高帶寬、低時延時代的到來，各類業務如車聯網、工業控制、4K/8K、虛擬現實/增強現實（VR/AR）等所產生的數據量爆炸式增長，給計算設施帶來了實時性、網絡依賴性和安全性等方面的要求。為了解決這些問題，國內外學者們提出了邊緣計算的概念。邊緣計算是源于物聯網的一種技術，其可以實現在設備上進行消息通信、本地核算、數據緩存等功能，并在不聯通網絡的情況下實現設備的本地聯動、數據處理。從寬泛意義上來看，邊緣計算可看作“任何不是傳統數據中心的均可成為某一個體邊緣節點”，包括貼近企業的微數據中心、基站內部署的容器化邊緣計算服務器、貼近終端用戶的服務器設備等。從狹義上來看，邊緣計算是在用戶端設備上運行的工作負載，根據面向用戶類型的差異，可以劃分為企業端邊緣計算（視頻監控分析、邊緣層機器學習、視頻會議加速）、用戶端邊緣計算（游戲加速、MEC、互聯網CDN）、設備端邊緣計算（車聯網、物聯網邊緣計算等）幾種類型。

邊緣計算在傳輸特性、多樣性、容量級等方面具有多項優點，其中傳輸特性特指實時、批處理、周期性、近實時與離線，多樣性則可分為數據庫、表格、Things、Web/視頻/社交、文本/圖片/音頻等類型，容量級包括PB級、GB級、ZB級、PB級等多種級別[1]。其應用程序在邊緣側發起，產生更快的網絡服務響應，滿足行業在實時業務、應用智能、安全與隱私保護等方面的基本需求。

1.2 多芯模組化電能表

多芯模組化電能表是在常規智能化電表功能基礎上，借助關鍵通信、負荷識別等技術，通過軟件升級的方式，在常規電能表的基礎上進一步拓展功能而產生的新型電能表，如圖1所示。多芯模組化電能表可以為未來智能家居電器的控制提供更為個性化的功能。

圖1 多芯模組化電能表

多芯模組化設計理念強調進行電表計量管理分離的理念，即將電能表分離為計量芯、管理芯幾個模塊。其中計量芯主要承擔法制計量任務，并借助硬件的持續升級，實現更加可靠、便捷的計量。一般計量芯部分基本計量功能為ADC采樣數據、電壓瞬時量、脈沖輸出、累積電量等，涉及了清零、校時、掉電、管理芯插拔等事件。同時經接口與管理芯接口展開SPI信息交互；管理芯則承擔業務功能，比如費控、對外通信、顯示、數據凍結、負荷控制等，并借助軟件升級，實現不同類別故障的自維護。一般管理芯計量功能包括時間費率、軟時鐘、費率電量及存儲模塊，顯示、存儲可相互凍結，并經有效的連接器上行模塊、有序用電擴展模塊實現更加豐富的功能。

2 邊緣計算在多芯模組化電能表中的應用方案

2.1 諧波計量

在電力電子技術變化更新背景下，電網中非線性特征的電力設備占據著越來越大的空間。而在能源互聯網背景下海量分布式光伏、風力能源接入電網之際，諧波問題不可避免，嚴重威脅著電力系統安全、經濟、平穩運行，沖擊著周邊電氣環境平穩性。基于此，可以非線性用戶為對象進行諧波污染考核，判定用戶諧波、非諧波特性，為電能科學計量、電能質量管控（限制諧波源用戶）提供依據[2]。

諧波分析是諧波電能計量的前提，也是基本電力參數、諧波有功電能量先后獲得的前提。具體分析時，可以利用傅里葉變換法，將信號向若干個多頻率正弦信號和分解，進而進行信號所含基波幅值、相位、頻率以及若干個次諧波的相位、幅值、頻率的求解。在求解相關參數后，可以綜合考慮電壓直流量、諧波電流有效值、電壓相位、基波角頻率等因子，進行電壓、電流有效值的計算，即：

式（1）（2）中：U0、I0分別為電壓、電流的流量；θn、?n分別為第n次諧波電壓、電流相位；Un、In分別為第n次諧波的電壓、電流有效值；w0為基波角頻率。

由于邊緣算法是諧波分析的主要工具，因此，在諧波分析時，需要經計量芯部分收集的海量電流、電壓樣本采集數據，開展傅里葉變換后求解若干次諧波電力參數。同時由管理芯進行數據存儲，突破傳統海量電壓電流采樣數據向云端主站傳輸時遇到的網絡帶寬、云端主站運算壁壘，滿足大量電表用戶諧波分析的要求。

2.2 實時費控

基于邊緣計算的實時電費核算控制可以在現有用采架構的集中器中植入、加裝邊緣計算模塊，由邊緣計算模塊依據每小時/每分鐘計算頻次的需要，進行電能表數據召測，并根據下發規則，開展邊緣判斷[3]。在這一架構下，首次開展或用戶電能表余額發生變化后，可以在主站進行用戶峰谷電價、階梯電費標準的規約以及預警閾值設置，電表上一次結算時將示數等信息下發至邊緣計算模塊。同時在采集源于傳統電表采集系統依據每天特定時刻召測、存儲的數據外，由邊緣計算模塊依據需要的計算頻次開展電表數據召測。若在召測時發現以往由于拖欠費用而關停電力能源傳送渠道的用戶進行電費繳納暫存后，則可以將用戶暫存繳納款項再次下發到邊緣計算模塊，根據所需頻次開展核算，判定用戶暫存款是否超出已使用電費，并分析其電量波動、突增情況，避免用戶暫存款不足對電能供應的影響。

實時費控具體流程如圖2所示。具體如下：①多路采集模塊完成模擬量以及數字量信號的采集，初步分析錄波、電能質量，并將分析結果發送至主控制器。②主控制器根據時間索引、數據，進行存儲數據分類、波形分析。并根據階梯電費標準規約定位異常波形、發生時刻，以日志的形式記錄，同時經上行接口向上一級監控用戶推送，經下行接口實現現場信號接入。③經dap、abc芯片，對數據緩存進行一系列計算，并讀取預警數據，實現多路do輸出。

圖2 實時費控流程

2.3 非侵入式負荷監測

非侵入式負荷監測即Non-Intrusive Load Monitoring，簡稱之NILM[4]。相較于僅具備電能量測量的傳統智能電表而言，多芯模組化電能表所具備的非侵入式負荷監測功能可以在邊緣計算支持下，自動監測用戶電能表內不同類型電氣啟動/停止時間、能量損耗、運行狀態等信息，促使用戶第一時間了解自身電量使用行為，為電量使用計劃的科學測定以及智能電網大數據的建立提供依據，奠定電力調度、電力供應與需求協調分析、能源管控理論基礎。從本質上而言，非侵入式負荷監測多以電力資源使用入口端電流、電壓等用電信息為監測對象，利用用電設備特征模式識別技術、構建技術，配合智能學習算法，經過數據量測、數據處理、數據勘探測量、數據特征提取、數據特征庫匹配、電力負荷區別辨識等幾個環節，進行穩態下負荷特征、暫態下負荷特征的解讀、分析，同時辨識電網末端不同用電設備的電力資源使用情況。

在近幾年信號處理技術持續變化、更新進程中，信號分解算法日益豐富，負荷區別辨識數據日益精確。當前非侵入式負荷監測除選擇以云計算主站為基礎的簡單特征值提取、云端主站負荷識別外，還可以運用以邊緣計算表端為基礎的特征值提取和負荷識別方式，這一技術對存儲資源、邊緣計算表端的計算要求均不高，易于實現。具體流程如圖3所示。

圖3 以邊緣計算為基礎的非侵入式負荷監測流程

根據IEC85提供的以邊緣計算為基礎的非侵入式負荷監測流程，實現非侵入式負荷辨識的高級算法是管理芯（用電設備）的主要功能，具體表現為負荷辨識；電能表主要負責原始數據獲取、預先處理，涵蓋了恰當的負荷特征數據提供、后端辨識算法運行等多個環節，具體數據包括頻域類的數據（分次諧波、諧波抑制比THD）、時域類的數據（有效值、功率、功率因數）、原始采樣ADC數據等[5]。

3 邊緣計算在多芯模組化電能表中的應用效果

3.1 經濟效益

相較于傳統電能表僅可滿足1個或者2個地市供電公司的計算模式而言，基于邊緣計算的多芯模組化電能表可以覆蓋整個省域，并在每增加一臺集中器配一個邊緣計算模塊的基礎上，達到分鐘級別的實時計算[6]。假定省域內需1.0×106臺集中器，而每臺技術較為成熟且價格適中的ARM架構的邊緣計算模塊價格在150～220元，共需資金1.5×108～2.2×108元，遠低于傳統電能表計算模塊建設資金投入。

3.2 網絡傳輸效果

應用邊緣計算模塊之后，可以由每小時/每分鐘采集與計算代替每日計算，提高24倍（或1 450倍）的網絡傳輸量。且由于基于邊緣計算的每小時/每分鐘電能表示數不需要向主站上傳，網絡傳輸效果可以進一步提升。

3.3 主站吞吐計算效果

基于邊緣計算的多芯模組化電能表計算能力是傳統電能表計算能力的24～1 440倍。再加上應用邊緣計算模塊之后，邊緣計算模塊負責了全部計算任務，主站僅需進行每日計算、局部預先警報復測，主站計算壓力大大下降。與此同時，現有模式可以將主站提高60～1 440倍的吞吐能力，遠遠超出傳統電能表用電采集系統吞吐能力。

3.4 存儲效果

除高壓用戶外的其他電力用戶大多不需存儲每小時/每分鐘電能表指示數值，電能表存儲數值仍然為特定時間段計算的臨時數據，但由于需要將臨時數據上傳到主站，現實存儲量需要為臨時數據量的2倍。而基于邊緣計算的多芯模組化電能表由于簡化了臨時數據向主站上傳步驟，可以保證所需存儲量與臨時數據量一致，實現更低的存儲量。

3.5 安全和隱私

邊緣計算將計算推至靠近用戶的地方，避免了數據在上傳到云端過程中及在云端存儲、計算時用戶數據丟失、被盜的風險，降低了隱私數據泄露的可能性，同時通過多維度日志行為分析系統的運行，避免了用戶數據受到攻擊，保證了用戶的信息安全和個人隱私。

4 總結

綜上所述，邊緣計算是云計算的進一步延伸，具有廣闊的發展前景。在多芯模組化電能表中應用邊緣計算，不僅可以在靠近用戶端、邊緣端提供IT服務環境，而且可以降低對主站計算能力、網絡傳輸的要求。因此，可以探究邊緣計算在非侵入式負荷監測、實時費控、諧波計量中的應用，滿足下一代多芯模組化電能表的設計要求。