基于邊緣計算的變電站異構傳感網關設計

胡雪凱,羅 蓬,王文瑞,魏 坤,楊 洋

(1.國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021;2.中國科學院上海高等研究院,上海 200120;3.國網河北省電力有限公司,河北 石家莊 050021;4.國網河北省電力有限公司經濟技術研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

智能變電站是充分利用物聯網(Inter net of Things,IOT)技術,將變電站內的智能控制、監測和現代通信技術集成到變電站的設施中,提高變電站的智能化管控水平[1-4]。近年來,隨著5G、邊緣計算等技術的發展,國家電網有限公司提出泛在電力物聯網,對變電站電力設備進行實時感知、狀態評價和故障診斷,保障變電站的安全可靠運行[5-9]。泛在電力物聯網融合了高速可靠通信網絡和低功耗廣域網(Low Power Wide Area Networ k,LPWAN),能夠有效提高數據感知覆蓋的廣度,保障數據通信的實時性和可靠性[10-11]。目前,變電站設備狀態監測主要利用物聯網技術,針對各個監測設備設計監測系統,包括了Lora、Zig-Bee、Wi Fi、藍牙等多種網絡組成的傳感器網絡。文獻[12]研制了基于Lora的開關柜溫度監測系統;文獻[13]提出了變電站遠程視頻監控的自組網技術;文獻[14]針對變電設備的多狀態量監測研制了邊緣計算裝置;文獻[15]基于無線傳感器網絡實現輸變電設備在線監測;文獻[16]基于Zig Bee無線傳輸技術實現變電線路夾件的無線測溫系統研制;文獻[17]研究了無線傳感器網絡的能效與優化策略,提升傳感器網絡的可靠性和穩定性;文獻[18]提出了5 G與Lora融合架構的智能電網覆蓋增強策略,實現自組網能量效率的最大化部署。文獻[19]基于“云、管、邊、端”的配電物聯網架構,對邊緣計算和邊云協同技術在配電網中的應用進行設計和應用。這些研究主要針對變電設備狀態監測的無線傳感器網絡的組網、負載均衡、任務調度、能效、邊云協同等方面進行,針對變電站多網絡制式的異構網絡的接入、融合和邊緣計算研究較少。

基于此,本文提出一種基于邊緣計算的變電站異構傳感網關系統,能夠彌補高速可靠通信在物聯網應用、智能變電站建設、變電站運維業務融合等方面難以全面覆蓋的問題。研制了異構傳感網關系統支持多種無線傳感網絡的接入,支持5 G通信與遠程服務器的數據交互,支持邊緣計算進行變電設備的狀態監測。

1 異構傳感網關系統架構設計

基于邊緣計算的變電站異構傳感網關具有高速通信和開放式架構,能夠增強UEIOT、Ad-hoc網絡的數據處理能力,支持Lora、ZigBee、Wi Fi、藍牙、RF433無線射頻等多種網絡的接入,實現對變電站內設備狀態監測傳感器的更廣覆蓋,并能夠基于邊緣計算對接入的傳感器數據進行就地處理,并與云平臺進行協同,其系統架構如圖1所示。

圖1 異構傳感網關系統架構

安裝在變電設備上的狀態監測傳感器通過有線和無線的方式接入到網關的通信模塊。網關對接入的傳感器進行數據采集、協議解析,進一步對采集的傳感器數據進行預處理、邊緣計算,實現在邊端對變電設備進行狀態分析、健康評價等。針對復雜的計算算法通過邊云協同的方式進行計算模型的級聯。邊緣端處理完成的數據通過協議轉換以基于5G的MQTT通信方式將數據發送到變電站云平臺。在云平臺建立變電設備監測的應用,包括變電設備狀態的展示、遠程配置監測傳感器、邊緣計算模型更新與下發等核心功能模塊。邊緣計算網關根據變電站監測任務的需要選取傳感器的類型,如針對變壓器的監測選取局部放電傳感器、視頻監控、SF6檢測傳感器、振動傳感器和噪聲傳感器等。

基于高速可靠的通信網絡和邊云協同,一方面降低數據傳輸的時延,另一方面云計算能夠對邊緣側網關的算力進行補充。在云端實現對變電設備狀態評價和運維決策模型的訓練,并將模型推送到邊緣側進行更新。利用5G和邊云協同能夠最大化的提高數據計算的速度和效率,實現變電設備狀態監測的快速響應和應用。

2 數據網關設計

2.1 硬件設計

基于邊緣計算的變電站異構傳感網關采用高達1 GHz Sitara ARM?Cortex?_A832位精簡指令集計算機(RISC)處理器,支持SGX5303D圖形引擎,具有密碼硬件加速器(AES、SHA、RNG),能夠滿足變電站邊緣計算的浮點運算性能。主要包括:電源模塊、無線通信模塊、數字通信接口、I/O擴展接口、模擬量輸入接口、核心處理器、存儲模塊和報警模塊,其硬件架構如圖2所示。

圖2 數據網關硬件架構

電源模塊采用24 V供電,為系統各個模塊提供5 V、3.3 V電壓,如圖3所示。I/O擴展主要通過GPIO實現數據網關對外設進行開關量的檢測和控制,可擴展繼電器、設備開關、指示燈等。模擬量輸入最多支持8路模擬量設備接入,包括4路電壓輸入和4路電流輸入,電壓輸入為0～10 V,電流輸入為4～20 mA。數字通信接口支持RS485、RS232、Et her net、CAN等有線通信的接入。其中RS485支持噪聲、振動等傳感器;RS232支持局部放電、SF6檢測等傳感器;CAN總線支持溫濕度、噪聲等傳感器;Ethernet支持視頻監控、紅外測溫等傳感器。存儲模塊主要用來存儲操作系統數據、傳感器采集的數據、邊緣計算模型和數據處理結果,存儲模塊支持國家電網有限公司的安全TF卡,可以實現與國家電網有限公司內網通信的數據安全加密。報警模塊主要包括設備的狀態指示和聲光報警器等,用于對異常信息進行報警。無線通信模塊包括WiFi、藍牙、ZigBee、Lora和5G通信,用于接入本地的無線傳感器網絡和遠程數據通信。

圖3 供電電路

5 G模塊采用中國移動推出的F03 X工業級多模5G通信模組,支持5G NR/LTE-TDD/LTE-FDD/HSPA+通信模式,模塊采用M.2接口,支持NSA和SA雙模,并提供穩定的GNSS定位服務,5 G模塊接口電路如圖4所示。

圖4 5G模塊接口電路

2.2 軟件設計

基于邊緣計算的變電站異構傳感網關采用實時Linux操作系統,Linux內核版本為4.9.65,實時補丁采用RT-Preempt Patch,通過打補丁重新編譯RT-Linux系統文件,并在數據網關上運行[20]。

基于實時Linux操作系統通過實時任務調度實現傳感器數據的協議解析、數據采集、設備控制、協議轉換、邊緣計算和遠程通信的功能,并在邊緣側對數據進行存儲。其軟件系統架構如圖5所示。

圖5 軟件系統架構

網關開機帶電后,U-Boot引導加載內核文件,無線通信模塊和外設接口的驅動集成到系統內核中,進入到系統后驅動自動加載。應用層軟件按照國家電網有限公司信息安全、移動終端的統一規范進行設計,通過運行任務調度服務程序,對數據采集、設備控制、協議轉換、數據處理、模型同步、邊緣計算、數據加密等應用進行動態加載和刪除,保障網關的系統穩定。

協議轉換作為網關系統應用中重要的功能,起上行與服務器交互,下行與傳感器網絡交互的作用,根據網關接入的不同傳感器協議自適應加載相應的數據解析程序,并將解析后的數據進一步處理后封裝成統一的數據格式。網關與云平臺的數據交互采用MQTT協議,其數據格式為JSON格式的報文。數據處理和邊緣計算作為本文研制網關的主要特色功能,能夠對采集的傳感器數據進行就地實時處理,并將處理后的數據上報,同時對服務器下發的控制指令處理,實現對網關的遠程操作。

3 網關應用實例

以變電站視頻監控無線傳感器網絡數據采集為應用對象。視頻監控主要包括:變壓器、隔離開關、開關柜等設備的外觀和運行狀態,絕緣子破損、線路異物懸掛等異常情況,作業人員是否佩戴安全防護器具等安全施工行為,變電站周界防護等。無線傳感器網絡能夠接入局部放電檢測傳感器、工頻電場傳感器、溫濕度傳感器、噪聲傳感器、振動傳感器等,對變電站的主要電力設備進行實時狀態感知和邊緣側數據處理與分析。

異構傳感網關系統需要同時處理接入的傳感器數據、視頻數據,并進行邊緣側的數據融合,實現變電站設備的健康評估和運維決策。為了保證對數據的實時處理,網關采用多個線程進行數據處理任務的調度,同時通過SQlite數據庫進行數據的實時共享,網關在數據處理過程中的各個線程間的通信采用同步與互斥信號量和事件組的方式實現,從而增加了網關分布式計算的穩定性,也便于快速開發網關的應用程序。

網關上的Wi Fi、4 G、5G、以太網等網絡通信均能夠實現與服務器直接MQTT通信。由于MQTT是基于TCP/IP的應用層進行拓展,為了減少系統資源的開銷,同時保證數據交互的實時性,本文采用長連接的方式,數據交互的協議采用JSON格式,便于對傳感器、電力設備等字段進行擴展,滿足網關在不同場景下的應用。

在變電站部署研制的網關,網關接入視頻監測攝像頭、噪聲傳感器、紅外溫度傳感器,采集變壓器運行過程中的傳感器數據和視頻、圖像數據。其中噪聲傳感器用于采集主變壓器室內的噪聲數據,紅外溫度傳感器用于采集主變壓器表面的溫度數據,所采集的數據通過MQTT協議傳輸到服務器上。

通過一段時間的現場應用,對研制的網關主要功能進行了測試。基于Py QT5設計了網關測試上位機軟件,上位機界面主要實現對網關各個功能的測試和數據展示,主要包括數據處理、傳感網絡、狀態監測和邊緣計算4個部分。

數據處理能夠對采集的傳感器數據進行處理,本次試驗采用的壓縮感知算法對采集的振動信號進行稀疏編碼和重構,其界面如圖6所示。

圖6 數據處理界面

傳感網絡主要用于監聽無線傳感器網絡發送的傳感器數據,同時對接入的網絡類型和端口等進行統計,便于網關進行網絡任務的調度,其界面如圖7所示。

圖7 傳感網絡界面

網關對接入的傳感器進行協議解析,并存儲在本地SQLite數據庫,網關經過協議轉換通過MQTT協議將數據發送到遠程服務器,其界面如圖8所示。本次試驗主要采集了溫度、噪聲、局部放電、工頻電場和濕度傳感器的數據,同時網關接入了激光雷達,實現主變壓器室內的三維點云測量,為后期變電站設備和人員的定位提供數據支撐。

圖8 狀態監測界面

邊緣計算主要實現在邊緣側網關上對傳感器數據、視頻數據等進行融合,實現設備的狀態評價和運維決策。圖9展示的是基于YOLO v5訓練的電力設備識別算法處理視頻采集數據。圖中實現了對絕緣子的識別,能夠應用到變電站多種設備的識別和缺陷檢測中。

圖9 邊緣計算界面

應用表明研制的網關能夠實現5G的MQTT數據通信,同時對接入的傳感器能夠實現數據采集、協議解析和數據處理,并基于邊緣計算模型實現對變電設備典型缺陷的識別,能夠將傳感器數據和邊緣計算數據發送到遠程服務器。同時數據網關能夠接入變電站內的無線傳感器網絡,通過軟件尋址和切換技術實現變電站內異構網絡的融合。因此,本文研制的基于邊緣計算的變電站異構傳感網關能夠有效提高變電設備監測的覆蓋度,保障數據通信的實時性,為變電站的運維提供邊緣決策和服務。

4 結論

本文針對變電站內設備狀態監測的異構傳感器網絡,研制了基于邊緣計算的變電站異構傳感網關,能夠有效地對變電站內的異構網絡進行融合,實現變電設備狀態監測數據的采集、協議解析、數據處理,并基于邊緣計算模型對變電設備的典型缺陷進行識別。在變電站內進行了裝置的部署和應用,試驗表明,所研制的高速可靠通信邊緣智能數據網關能夠實時對變電設備數據進行采集、處理和邊緣計算,并能夠通過5G網絡以MQTT協議的方式將傳感器數據、邊緣計算結果數據發送到遠程服務器,為變電站邊云協同提供技術保障,提高變電站設備故障診斷和狀態評估的實時性,提高變電運維檢修的效率,為實現變電站的智能化運維打下基礎。