一種基于邊緣計算的電力網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)

梁甄勇，張超

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，湖北武漢 430074；2.中國信息通信科技集團烽火通信有限公司，湖北武漢 430073）

隨著電力行業(yè)的發(fā)展和智能電網(wǎng)的建設(shè)，國家提出了“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”的概念[1]，如何高效地對電力終端設(shè)備(以下簡稱終端設(shè)備)進(jìn)行管理是十分重要的。在電力物聯(lián)網(wǎng)中，設(shè)備的數(shù)量十分巨大，每一臺設(shè)備都有各自的通信、存儲和計算需求，不同于傳統(tǒng)云計算模型對設(shè)備和數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理和處理，邊緣計算模型充分利用了更貼近用戶側(cè)的邊緣節(jié)點設(shè)備，這些節(jié)點同時具有傳輸、存儲和數(shù)據(jù)處理的功能，通過將云端功能下放來解決網(wǎng)絡(luò)延時、帶寬消耗等問題[2-5]。

該文提出一種基于邊緣計算用于電力系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)（以下簡稱網(wǎng)關(guān)），可作為連接電力系統(tǒng)中終端設(shè)備和云平臺的橋梁，通過容器虛擬化技術(shù)為電力應(yīng)用提供運行環(huán)境，同時網(wǎng)關(guān)中設(shè)計有數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)將網(wǎng)絡(luò)功能、計算存儲功能和設(shè)備核心功能融合進(jìn)網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，以降低云端的數(shù)據(jù)存儲和計算壓力。

1 網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計

網(wǎng)關(guān)的總體設(shè)計包含硬件層、軟件層，如圖1 所示。硬件層由主控板、電源板、上下行通信板構(gòu)成；軟件層中Linux 系統(tǒng)底層應(yīng)用負(fù)責(zé)對硬件接口數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理、遠(yuǎn)程通信等，邊緣物聯(lián)應(yīng)用實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲、終端設(shè)備管理等網(wǎng)關(guān)通用功能，電力行業(yè)的應(yīng)用分別安裝在各自的容器內(nèi)，通過應(yīng)用APP 實現(xiàn)所需的功能。網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了終端設(shè)備與云平臺的連接，同時采集到的數(shù)據(jù)可存儲在本地數(shù)據(jù)存儲模塊，從而緩解云端的存儲壓力。

圖1 電力網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計

2 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)硬件總體設(shè)計如圖2 所示，主控板作為整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)外圍電路的控制，決定系統(tǒng)SPI總線的數(shù)據(jù)流向，接收來自交采模塊的電能質(zhì)量運算結(jié)果和波形記錄，采集終端設(shè)備上報的信息，并對其進(jìn)行存儲、分析和遠(yuǎn)程傳輸，主控芯片GPIO 管腳連接可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)，為啟動采樣時提供負(fù)脈沖[6-7]。

圖2 電力網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

電源板由降壓模塊和交采模塊組成。降壓模塊實現(xiàn)三相四線電壓380 V 轉(zhuǎn)12 V，電流1.5 A 直流輸出，當(dāng)系統(tǒng)電源出現(xiàn)故障時，主控板可接受掉電檢測輸出的DyingGasp 信號，使用超級電容作為后備電源維持網(wǎng)關(guān)正常工作3 min[8]。采樣模塊負(fù)責(zé)對電網(wǎng)電能質(zhì)量信息進(jìn)行采集，三相電壓信號通過電壓和電流互感器變換后，信號調(diào)理電路將信號變換至適量范圍，A/D 采樣芯片以CPLD 提供的10 240 Hz 固定頻率的采樣時序?qū)? 路輸入信號進(jìn)行采樣，并將采樣結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)至CPLD[9]。

上行通信板搭載基于高通平臺的物聯(lián)網(wǎng)卡模塊實現(xiàn)4G 無線通信，網(wǎng)卡接口電路如圖3 所示，USIM_DET 為1.8 V 中斷管腳并支持USIM 卡檢測，USIM 卡插入前SIM_DET 懸空為高電平，插入后接地同時電平翻轉(zhuǎn)為低電平。各信號線上串聯(lián)不大于20 Ω的電阻，并配置防護(hù)二極管進(jìn)行ESD 防護(hù)[10-11]。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)卡接口電路

下行通信板搭載RS485、Modbus 接口電路實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與終端設(shè)備的通信。大多數(shù)電氣設(shè)備都具備的RS485 接口有通信速度高、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強的特點，網(wǎng)關(guān)采用VP3082 芯片控制RS485 輸出電路，通過使用NPN 三極管的通斷來控制芯片的收發(fā)使能[12]。

3 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

電力網(wǎng)關(guān)的軟件系統(tǒng)以硬件平臺為基礎(chǔ)，基于嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，為網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序提供運行環(huán)境。作為邊緣計算節(jié)點，不同于傳統(tǒng)通信網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，網(wǎng)關(guān)中提供統(tǒng)一的容器環(huán)境，通過docker 虛擬化技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用與硬件解耦，為電力業(yè)務(wù)應(yīng)用提供運行環(huán)境，并完成與遠(yuǎn)端容器/應(yīng)用管理平臺的對接。

3.1 物聯(lián)協(xié)議轉(zhuǎn)換

在邊緣計算模型中，網(wǎng)關(guān)作為邊緣計算節(jié)點，通過Modbus 連接終端設(shè)備，安裝消息隊列遙測傳輸(Message Queuing Telemetry Transport，MQTT)代理作為內(nèi)部消息總線，連接云平臺完成MQTT 消息的發(fā)布/訂閱，通過Modbus 與MQTT 信息轉(zhuǎn)換實現(xiàn)終端設(shè)備到云平臺的通信，同時網(wǎng)關(guān)應(yīng)用間通過MQTT 進(jìn)行通信[13]。在如圖4 所示的網(wǎng)關(guān)底層通信架構(gòu)中，Modbus 數(shù)據(jù)幀包含設(shè)備唯一地址，網(wǎng)關(guān)通過該地址與終端設(shè)備進(jìn)行通信，并查詢對應(yīng)設(shè)備寄存器中的內(nèi)容，從而獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖4 電力網(wǎng)關(guān)底層通信架構(gòu)

網(wǎng)關(guān)北向數(shù)據(jù)傳輸過程中為平衡傳輸?shù)乃俣扰c穩(wěn)定性，設(shè)計三種數(shù)據(jù)傳輸策略：

1）周期傳輸策略：在規(guī)定的時間間隔節(jié)點如5 s、10 s 時傳輸即時采樣的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對采樣數(shù)據(jù)的篩選，減少所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，適用于數(shù)據(jù)浮動變化較小的場景；

2）即時傳輸策略：當(dāng)網(wǎng)關(guān)檢測到特定事件時，立即上傳采樣數(shù)據(jù)，實現(xiàn)重要數(shù)據(jù)的即時傳輸，與周期傳輸策略形成互補，防止遺漏波動較大的數(shù)據(jù)；

3）延時傳輸策略：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信鏈路中斷時，網(wǎng)關(guān)將待傳數(shù)據(jù)暫存到本地存儲模塊中，通信鏈路恢復(fù)后，數(shù)據(jù)主動上傳。

通過MQTT 消息的Topic 部分對不同傳輸策略的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記，如表1 所示。即時策略數(shù)據(jù)具有較高的重要性，采用QoS2 來確保消息到達(dá)且只到達(dá)一次，一般性的周期策略數(shù)據(jù)使用QoS0 降低網(wǎng)絡(luò)傳輸開銷，延時策略數(shù)據(jù)的QoS 則與其暫存前設(shè)定保持一致。

表1 數(shù)據(jù)類型對應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量

為進(jìn)一步降低周期和延時傳輸策略使用過程中占用的帶寬資源，網(wǎng)關(guān)使用LZO 算法對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，針對即時傳輸策略中如事件順序記錄(SOE)等重要信息，使用AES 算法進(jìn)行加密，利用AES 算法運算速度快、安全性高、資源消耗少的特性兼顧傳輸?shù)陌踩院屯ㄐ判蔥14]。

網(wǎng)關(guān)中數(shù)據(jù)報文采用二進(jìn)制格式，存儲在MQTT消息的Payload中，由六部分組成，如圖5所示。

圖5 電力網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)報文格式

數(shù)據(jù)區(qū)的類型域用于表示數(shù)據(jù)區(qū)部分的編碼方式，其值與對應(yīng)編碼方式如表2 所示。

表2 數(shù)據(jù)區(qū)類型的定義

報文長度域用于記錄數(shù)據(jù)區(qū)長度，單位為字節(jié)。

網(wǎng)關(guān)編號域通過192 位的對象標(biāo)識(OID) 編碼，作為網(wǎng)關(guān)在云平臺的全局唯一設(shè)備標(biāo)識。

版本域用于記錄數(shù)據(jù)區(qū)的報文格式。

數(shù)據(jù)區(qū)由n條終端設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)組成，每條設(shè)備數(shù)據(jù)包含數(shù)據(jù)地址、數(shù)據(jù)值及時間戳三部分。其中，數(shù)據(jù)地址由設(shè)備全局唯一標(biāo)識符(Globally Unique Identifier，GUID)及設(shè)備模型中的數(shù)據(jù)編址聯(lián)合組成。

校驗碼域使用CRC32 算法保證傳輸過程中消息體數(shù)據(jù)的完整性。

3.2 數(shù)據(jù)存儲模塊

不同于云端數(shù)據(jù)中心，邊緣計算中網(wǎng)關(guān)搭載獨立的數(shù)據(jù)存儲模塊，MQTT 代理的數(shù)據(jù)作為存儲模塊的輸入源，消息路由配置將網(wǎng)關(guān)采集的電力信息、終端設(shè)備和其他應(yīng)用產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。網(wǎng)關(guān)應(yīng)用只能通過MQTT 代理調(diào)用數(shù)據(jù)庫所提供的接口，對特定的數(shù)據(jù)進(jìn)行存取操作。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQLite3可對包括模型、設(shè)備、事件在內(nèi)的各種特殊格式數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并能夠靈活地設(shè)計數(shù)據(jù)表的字段[15]。

終端設(shè)備產(chǎn)生的信息在網(wǎng)關(guān)中存儲時遵循以下原則：數(shù)據(jù)按設(shè)備分類存儲，依靠設(shè)備類型、設(shè)備地址、附加信息等來定義唯一設(shè)備。網(wǎng)關(guān)應(yīng)用啟動時需要向數(shù)據(jù)中心注冊設(shè)備對應(yīng)的物模型(Thing Specification Language，TSL)，設(shè)備名由設(shè)備物模型和GUID 組合而成，是數(shù)據(jù)中心中設(shè)備的唯一標(biāo)識，也是網(wǎng)關(guān)應(yīng)用訂閱/發(fā)布的信息對象及數(shù)據(jù)庫存儲的表名。

數(shù)據(jù)存儲訪問架構(gòu)由三個主要部分組成，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)存儲訪問架構(gòu)

1）消息處理模塊：接收總線消息、進(jìn)行分類并將消息轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的接口模塊進(jìn)行處理；

2）接口模塊：包括模型處理、設(shè)備交互處理、數(shù)據(jù)交互處理、參數(shù)交互處理等，用于分類處理不同的存儲需求；

3）權(quán)限及數(shù)據(jù)管理模塊：用于數(shù)據(jù)庫權(quán)限管理及數(shù)據(jù)管理。

3.3 docker虛擬化

邊緣計算中，為靈活配置邊緣節(jié)點功能，網(wǎng)關(guān)通過docker虛擬化技術(shù)構(gòu)建電力行業(yè)應(yīng)用的運行環(huán)境，不同的電力應(yīng)用可安裝在容器內(nèi)實現(xiàn)所需的功能，以適配各種電力協(xié)議需求[16]，且應(yīng)用之間可通過MQTT實現(xiàn)通信，電力網(wǎng)關(guān)包含的應(yīng)用類型如表3 所示。

表3 網(wǎng)關(guān)電力應(yīng)用

網(wǎng)關(guān)容器管理流程如圖7 所示，容器管理模塊收到MQTT 消息后，處理Topic 對應(yīng)的容器操作命令，如果容器不存在，返回錯誤碼，否則通過MQTT代理將消息發(fā)送給對應(yīng)的容器內(nèi)部管理進(jìn)程執(zhí)行容器命令，若需等待回復(fù)的消息，則等待管理進(jìn)程返回對應(yīng)消息，并進(jìn)行回復(fù)。模塊進(jìn)程內(nèi)部定時循環(huán)檢測容器的運行狀態(tài)，在CPU、內(nèi)存或者磁盤空間超過閾值的情況下，上報告警信息，并重啟該容器。

圖7 電力網(wǎng)關(guān)容器管理流程

4 實驗測試

電力網(wǎng)關(guān)實物如圖8 所示。

圖8 電力網(wǎng)關(guān)實物

云平臺通過網(wǎng)關(guān)管理終端設(shè)備，結(jié)果如圖9 所示，網(wǎng)關(guān)通過4G 無線網(wǎng)絡(luò)連接到云平臺，并上報終端設(shè)備規(guī)格、編碼、名稱、類型等信息，對電流、電壓等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和存儲。

圖9 終端設(shè)備管理

對網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)存儲模塊讀寫性能進(jìn)行批量載入測試，通過對存儲模塊進(jìn)行設(shè)備物模型信息和終端設(shè)備信息的批量導(dǎo)入，分別選擇了SQLite3 單行事務(wù)，多行事務(wù)和prepare 模式的多行事務(wù)模式，測試結(jié)果如表4 所示，經(jīng)計算三種模式下存儲模塊每秒執(zhí)行的事務(wù)數(shù)量(Transaction Per Second，TPS)分別為60、8 568 和11 600，在實際使用中選擇prepare 模式可以滿足大多數(shù)電力物聯(lián)的使用需求。

表4 批量載入測試結(jié)果

將終端設(shè)備分別與網(wǎng)關(guān)和云平臺進(jìn)行MQTT 通信，對如下場景進(jìn)行模擬測試：在QoS 分別為0、1、2的情況下發(fā)送10 000 條消息，消息體大小為100 個字節(jié)，對比兩種通信方式的最大發(fā)送延時、平均發(fā)送延時，結(jié)果如表5 和表6 所示。

表5 MQTT消息最大發(fā)送時延

表6 MQTT消息平均發(fā)送時延

由表5 和表6 結(jié)果可知，隨著消息服務(wù)質(zhì)量的提升，兩種通信方式的平均時延和最大時延都會增加，因為MQTT 協(xié)議針對不同的服務(wù)質(zhì)量會采用不同的發(fā)送策略，質(zhì)量越高，系統(tǒng)中報文交換的次數(shù)就越多，從而使系統(tǒng)的負(fù)載增大，進(jìn)而導(dǎo)致時延增加。在同種QoS 下，終端設(shè)備與網(wǎng)關(guān)通信平均時延和最大時延均小于與云平臺通信，這得益于網(wǎng)關(guān)采用邊緣計算模型，更靠近終端設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)傳輸消耗的時間更短。

5 結(jié)束語

隨著電力物聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，電力終端設(shè)備的不斷增加，傳統(tǒng)的終端設(shè)備+云計算模型存在時延較大，占用較大網(wǎng)絡(luò)帶寬的問題。

文中設(shè)計了一種基于邊緣計算的電力網(wǎng)關(guān)方案，實現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)對電力系統(tǒng)中終端設(shè)備的管理、數(shù)據(jù)的采集和處理，同時數(shù)據(jù)既可通過遠(yuǎn)程通信上傳到云平臺，也可存儲在本地數(shù)據(jù)中心，從而減輕云平臺的壓力，降低網(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗，通過虛擬化技術(shù)為電力物聯(lián)應(yīng)用搭建穩(wěn)定的運行環(huán)境。經(jīng)測試，網(wǎng)關(guān)在電力系統(tǒng)中程序運行可靠、軟硬件結(jié)合良好、數(shù)據(jù)的存儲效率高。從現(xiàn)場運行情況看，網(wǎng)關(guān)滿足了電力系統(tǒng)的運行要求。