基于智能電網終端系統的設計與實現

雷 霏，吳軍平，何天宜

（1.武漢郵電科學研究院，湖北武漢 430074；2.烽火通信科技股份有限公司，湖北武漢 430074；3.武漢大學，湖北 武漢 430074）

在電力技術、物聯網技術迅猛發展的形勢下，各層級電網公司都將把重點移到電力與物聯網相融合的技術領域。電力物聯網的高接入、高并發、高交互的問題依舊是炙手可熱的話題。現有的電力終端設備系統中，還存在很多關于接入兼容性不全面、擴容性不高、海量數據并發的問題。

針對上述問題，各類廠商和設備供應商都研究了不同類別的終端系統設備，文獻[1]中采用的是以DSP(Digital Signal Process)為主體，快速、高性能的計算芯片，在采集臺區電能原始信息的同時也開始在感知層進行諧波檢測。但在電網龐大終端數量的情況下，構建組網模式的成本急劇上升。文獻[2]利用光纖通信的方式實現了電力終端通信，這種方案使用頻分復用技術實現了精確數據通信，但缺乏無線通信的多樣性，無法滿足電網終端數量大、種類多的需求。在安全方面，文獻[3-5]各自采用不同的協議安全，結合終端系統的獨立性，在物聯網生態中可以保證用戶的網絡安全，不僅是在智能家居網關和醫療預警領域有所應用，更能在工業、石油、電力等領域移植運用，文獻[6]在安全通信的過程中通過加密算法實現數據加密，提高了接入的安全性和可靠性。

1 終端系統框架設計

該文終端設備結構主要分為兩部分，第一部分是交采底板MCU(Microcontroller Unit)的計量，用于采集各類型數據例如溫度、濕度和電壓值等業務原始數據。第二部分是主控板的物聯終端系統，用于處理MCU 傳來的各類數據并與數據中心平臺進行通信。

該文從物聯網架構入手，引出電力智能融合終端的需求分析，從云、管、邊、端來整體概括電力物聯網的整個框架，結合實際應用場景來分析終端的需求依據。電力智能融合終端上的應用程序提供了運行環境，邊緣物聯代理支持各類采集終端和匯聚終端的即插、即連、即用的接入需求，用以實現感知層終端與物聯管理平臺之間的互聯、邊緣計算、電力信息采集、臺區識別等功能，適配各類電力物聯應用場景需求。電力智能融合終端本體由硬件層、軟件層兩層架構組成。硬件層由主控板、電源交采底板等構成，軟件層由驅動程序、系統內核、應用APP 等組成。電力智能融合終端支持配電、交采系統的接入及各類通信接口和協議。

其中，主控板本地通信支持HPLC(High Power Line Carrier)、RS485 等多種通信方式與感知單元進行數據交互，MCU 交采底板支持各種串行通信接口如SPI(Serial Peripheral Interface)，而接入通信接口南向常用采集協議如Modbus-RTU、DLT645、1376.1、1376.2 等規約，北向主站接入主要通過5G、LTE、以太網口等方式，通過支持不同的下行通信方式，提供與子設備自定義數據的傳輸方式。

在設計該電力智能融合終端時，依托物聯網框架進行從上至下的設計框架。

如圖1 所示，電力智能融合終端接入側為場景示意圖的端側，其中包含配電設備、傳感設備、用戶設備和營銷設備等，需要通過南向設備RS485、HPLC、交采等接口接入對應的電力智能融合終端。

圖1 云、管、邊、端組網場景

接入特性業務場景如圖2 所示。

圖2 接入特性業務場景圖

從圖2 可以看出電力物聯的基本業務應用場景，電力智能融合終端整機輸入三項電源，下掛電能表、斷路器、溫濕度計等終端，具備狀態感知、數據采集和分析能力，并通過公共無線網絡上報配電、營銷主站或物聯網平臺。

從接入特性業務應用而言，終端接入特性應用主要用于電力邊緣物聯代理終端的上聯主站接入和下聯終端接入、本地維護接入以及安全接入等方面。

2 終端各類接口設計

2.1 北向接口設計

在交采底板向主控板傳輸的北向接口中采用SPI 協議，SPI 接口具有主從設備的特性。同時，SPI還可用作總線型通信模式，滿足對外通信時，可以在SoC 內部以RAM、DMA、寄存器模式與不同設備進行通信，大大提升了通信速率[7]。

此外，北向接口還包括以太網、5G/LTE 無線公網或專網接口等遠程通信功能，其中，主要通過5G模塊來實現，5G 模塊通過內置USB 與主控板相連，通過無線方式與主站進行通信。5G 通信技術幫助智能電網進行用戶的相關信息采集，表現形式是低壓用電，這種技術可以對智能電網中的電力運行實時監控，對用戶使用電力運行的平穩性進行分析[8]。另外，以太網口作為連接主站的輔助通信方式。文獻[9]指出5G 能夠提供更加高效靈活的接入方案，相比傳統光纖專線方式可有效節省部署成本，有助于提高智能電網的繼電保護水平。

2.2 南向接口設計

南向接口采用主流的Modbus 協議接口。文獻[10]指出Modbus 生成的報文可以保留原有數據集的攻擊特征,并可以有效地提高入侵檢測系統的檢測精度。這個協議利用其高傳輸速率實現對各節點組的控制,同時對超多節點設備同時進行監控，提高了超多節點設備場景的監控效率[11]。并且在物理層中，Modbus 技術支持基于RS232、RS485 的標準總線物理通信介質，以及以太網的通信鏈路支持[12]。

南向接口還包括RS232 串口、RS485 串口、電力線載波通信/微功率無線、北斗/GPS 雙模、開入接口（4 路）、PT100（2 路三線制）、電源交采板等，用于用戶采集和配電設備的信息采集，包括電表、斷路器、交采、溫度傳感器、DI、本地時鐘位置等各類信息采集和控制的業務應用等。選用電力線載波通信即HPLC 作為采集通信最為合適，具有提高采集的實時性、穩定性和可靠性等優點[13]。基于HPLC 技術可實現模塊互聯互通、高頻數據采集、停電主動上報、相位拓撲識別、臺區自動識別等功能，上報準確率可達到100%[14]。

2.3 本地維護接口設計

本地接口包括以太網接口、藍牙等，其中以太網接口用于本地設備的升級維護，而藍牙用于本地運維設備，可以對電力智能融合終端進行設備運維和信息采集等。藍牙具有方便快捷、靈活安全、成本低、功耗低等特點[15]。因此，藍牙技術運用在物聯終端設備上是非常合適的，保持了低功耗和通信的有效性。

2.4 安全接入接口設計

通過安全模組電力智能融合終端的應用，保障主站、物聯終端和南向接入設備的安全接入和數據安全；在主控板中運用容器技術實現分治的思想，保證其每一個程序都是一個獨立運行的環境。容器技術為終端設備及每個應用程序提供軟件服務，它不僅用于數據處理和存儲管理還可以通過分布式服務器與物聯網服務保持一致。多容器技術用來擴展物聯網系統的能力，采用這種方法可以增加連接設備的數量、提高網絡效率，以更好地進行計算、控制和數據存儲[16]。

3 業務應用與I/O接口銜接的設計

基于容器技術劃歸業務的不同類別，分別設置不同業務類型歸屬不同的容器，其中有各類傳輸協議服務的類型、電力專業特有的算法業務、物聯網的協議棧類型業務、底層驅動I/O 的接口類型和數據處理的業務類型等。

這些不同容器的相互通信，使得終端設備系統的聯動性優異。該終端系統設計了一個公共接口comm_intf，有利于實現物理I/O 口與其他業務互通互控。comm_intf 是一個龐大的接口融合進程，其下面有若干個子線程獨立運行，如HPLC 模塊接口通信的線程、串口通信的線程、WiFi 接口的線程、北斗定位業務接口的線程以及lora 和ZigBee 的線程等。進程內通信通過消息隊列互通消息。

在外掛傳感器時，采用Modbus 協議與主機進行通信，協議棧類型的容器通過MQTT 傳輸協議下發任務與comm_intf 通信。當消息存入消息隊列時，帶有標記的消息優先取出，并傳入相對應的線程中，執行對物理I/O 口的控制。

同時，在數據處理完畢后通過MQTT 服務將數據上傳至IoT 數據云平臺。也可以通過遠程操控，使用IoT 數據云平臺下發控制指令一層一層地傳遞到某個物聯終端設備的物理I/O 接口。具體基于容器技術的應用程序框架圖如圖3 所示。

圖3 基于容器技術的應用程序框架圖

4 斷電業務保護關鍵技術

4.1 技術總攬與介紹

在面對復雜的室外環境和惡劣的天氣時，供電是否穩定是一個不可忽視的、影響設備穩定性的關鍵因素。

文獻[17]給出了一種設備異常斷電緊急通知的方法，指出通過向外部服務器發送掉電信號至平臺，在第一時間告知相關負責人員，能夠使負責人盡快安排相關人員到現場進行維修，減小異常斷電造成的損失，盡早恢復設備的正常工作。但在偏遠山區，可能因人力物力等因素不能夠及時到達現場，物聯終端在異常斷電后，容器里的業務未進行停止，導致業務數據出錯、數據丟失等問題。因此需要一種可以在異常斷電后可以保護容器內正在運行的業務及其數據可靠性、完整性的關鍵技術，在重新上電之后，能及時恢復。

物聯終端強電發生斷電后，容器A 中的監控模塊檢測到硬件中斷信號，通過MQTT 服務的topic 通知容器B 中的交采程序讀取MCU 采集板的強電電壓值，容器A 的監控模塊收到結果后進行判斷，若不符合強電電壓閾值時視為斷電。斷電之后，物聯終端上的電容儲存器會提供4 min 左右的電量。

確認斷電后，會周期性地上報管理平臺終端出現斷電事件，并進入物聯終端業務保護恢復的處理流程，該技術可以提高業務和數據處理兩方面的時效性和可靠性。

該關鍵技術基于容器，解決了在物聯終端強電斷電時業務程序仍在運行，相關數據沒有及時存儲，導致數據錯誤、丟失等，從而容易引起業務數據不準確、業務異常等不可預知的問題。圖4 為斷電保護整體框架。

圖4 斷電保護整體框架

4.2 詳細設計方案

該技術從4 個方面來解決異常斷電時帶來的一些問題。

1）多模塊的差異性處理方式。在電力終端設備中具有一些強電自有的協議和通信模塊，如HPLC模塊、698 協議和該設備的MCU 交采底板等。在強電掉電后，依賴強電的器件模塊無法完全滿足運行條件，因此，針對這些器件監控模塊通過MQTT 服務的指定斷電topic 來通知容器B 中的業務模塊和對應的I/O 接口關閉。但對于滿足電容儲存器供電運行要求的器件，相關的業務數據可以繼續被處理，但是容器B 中的業務模塊在此期間北向上報數據信息不使用數據中心當前值，而使用初始無效值進行上報，斷電期間的關鍵數據信息存儲在斷電保護區，供上電恢復時使用。

2）不同類型的數據差異化處理方式。在設備功能復雜的情況下，設備接收到的數據類型大致分為兩大類：控制類與采集類。對于控制類的數據，要求實時性高，以較高的優先級進行處理；對于采集類的數據，處理的優先級低。采集類型的數據又根據完整性校驗進行區分優先級，對于完整性達到判決要求的進行高優先級處理，這樣會保證業務數據的可靠性，對于完整性達不到判決要求的數據進行低優先級處理，甚至根據電容儲存器情況直接進行丟棄處理。

3）不同業務I/O 接口數據的差異化處理方式。該設備的電容儲存器只能維持4 min 左右，當設備運行到電容即將耗盡的最后時刻，可能會出現某些器件供電不足的情況。數據轉換模塊會匹配不同的業務內容，對于匹配過程中符合數據報文錯誤閾值的業務I/O 接口將會通知檢測模塊，檢測模塊通過MQTT 服務下發關閉相關業務接口與I/O 接口的任務。

4）對于程序臨終遺言的處理方式。數據轉換模塊將業務數據的業務類型、I/O 接口屬性、MQTT 屬性、時間以及校驗等信息封裝成指定存儲格式，并將存儲內容實時保存到掉電存儲區中，防止丟失以便后續數據恢復。具體流程圖如圖5 所示。

圖5 程序臨終遺言的處理方式流程圖

5 結束語

在物聯網技術與電網技術相融合的過程中，各大廠商都在把終端接入作為建設智能電網的發力點。此外，移動通信技術不斷發展，使電力行業可以把終端設備作為節點與外界數據交換等。我國電力行業龐大而復雜，既有海量的接入需求，也有時效性、低功耗的特性需求，更有安全接入系統的可靠性剛需。因此，該文從整體物聯網框架到終端進行了需求性分析，逐一解決多接入、應急策略、安全穩定、高時效、低功耗的一些需求問題。該套終端系統已運用到現網，通過系統壓力測試可知，該終端系統能夠滿足上述需求。