基于Modbus協議的邊緣計算電能質量網關設計

朱斌庚 陳曉曼

收稿日期：2023-04-27

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2023.22.038

摘? 要：針對目前電能質量采集器協議不統一、交互數據量大，采用傳統物聯網關傳輸電能質量數據時，常造成云平臺負荷大、數據上云效率低、連接超時頻發等問題，研制基于Modbus協議的邊緣計算電能質量網關，并提出基于該網關的電能質量壓縮數據幀傳輸方案和基于采集請求的TCP?；钸B接方法。測試表明：該邊緣計算電能質量網關數據上云效率高、與云端平臺連接工作穩定，具有推廣價值。

關鍵詞：Modbus；電能質量；邊緣計算；預警提示

中圖分類號：TM73? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）22-0174-05

Design of Power Quality Gateway of Edge Computing Based on Modbus Protocol

ZHU Bingeng1， CHEN Xiaoman2

（1.Guangzhou Xinyi Information Technology Co.， Ltd.， Guangzhou? 510630， China;

2.School of Electrical Engineering， Guangzhou Railway Polytechnic， Guangzhou? 511300， China）

Abstract： Focusing on the current inconsistent protocol and large data volume of power quality collectors leads to issues such as high platform load， low data cloud efficiency and frequent connection timeout when using traditional IoT gateways to transmit power quality data， the edge computing power quality gateway based on Modbus protocol is developed. Also， the transmission scheme of power quality compressed data frame and the TCP active connection method based on collection request are proposed. The test shows that the edge computing power quality gateway has high data cloud efficiency and the connection with the cloud platform is stable， which is worth popularizing.

Keywords： Modbus; power quality; edge computing; early warning tip

0? 引? 言

電能是當前國民經濟發展的重要能源，而隨著用電環境日趨復雜和用電系統負載持續變化，電能質量問題頻發不斷[1]，采用電能質量監測設備和平臺及時診斷、定位電能質量問題成為有效解決手段[2-4]。據智研咨詢《2023—2029年中國電能質量治理行業分析報告》統計，2019年，我國電能質量治理市場規模達1 206.4億元，其中電能質量監測設備規模達244.9億元，配套產業軟件與服務達30.2億元。但實際應用過程中仍存在不少困難：1）入網設備劇增導致云端平臺負荷大、數據上云效率低[5]；2）不同電能質量采集器協議存在差異，導致云平臺數據處理流程繁雜；3）網關與平臺連接穩定性差，因網絡原因斷開后，短期重連效率低，導致數據傳輸成功率不高。因此，亟須在數據上云前采取優化措施，以降低云平臺負荷，提高云平臺監測效率。

邊緣計算作為在數據源頭實現計算服務的計算模型，是解決以上問題有效方法。本文研制一套基于Modbus協議的邊緣計算電能質量網關（以下簡稱“網關”），并提出一種電能質量壓縮數據幀傳輸方案，以及基于采集請求的TCP保活連接方法，對提升電能質量數據上云效率和連接穩定性具有重要意義。

1? Modbus通信協議和邊緣計算

1.1? Modbus協議

Modbus協議是應用層報文傳輸協議，具有實時性好、通信距離長、穩定性好等特點，其采用主從通信技術，已廣泛應用于工業自動化設備通信[6]。電能質量分析儀普遍支持Modbus協議，包括基于RS485通信接口的Modbus RTU協議，以及基于RJ45以太網接口的Modbus TCP/IP協議[7]。

Modbus RTU數據幀由地址域、功能碼、數據和差錯校驗構成，最大長度為256字節（Byte），其中地址域占1個字節，功能碼占1個字節，數據部分占0～252字節，差錯校驗一般采用CRC校驗，占2個字節[8]，如圖1所示。

Modbus TCP/IP數據幀由MBAP報文頭、功能碼和數據構成，最大長度為260字節，其中MBAP報文頭占用7個字節，功能碼占1個字節，數據部分占0～252字節[9]，如圖2所示。

由上可知，Modbus RTU數據幀及Modbus TCP/IP數據幀最大支持252字節有效數據。

1.2? 邊緣計算

邊緣計算作為在數據源頭實現計算服務的一種計算模型[10]，具有本地化、時效性、低耗能的特點：1）本

地化：通過將原本由云端集中的通信、計算、存儲等資源下沉到各邊緣節點，以降低對網絡資源的占用[11]；2）時效性：可對數據進行預處理，提高數據時效性；3）低能耗：云計算能耗高，邊緣計算可有效分擔云中心的工作量，降低系統整體能耗[12，13]。因此，邊緣計算對降低云端計算負荷具有重要意義。

2? 邊緣計算電能質量網關整體設計

2.1? 邊緣計算電能質量網關功能分析

在電能質量在線監測系統中，網關位于電能質量采集器與監測平臺之間，是連接感知網絡與傳統通信網絡的紐帶，保證網絡連接，實現網絡邊緣側管理。網關實現功能包括：1）接入電能質量采集器：作為采集器入網的唯一入口，網關負責解析采集器協議，獲取電能質量數據；2）本地處理電能質量數據：具備一定運算、存儲能力，并對電能質量數據進行源頭處理，重新打包數據，將Modbus數據幀轉換為平臺統一數據幀；3）傳輸數據：通過4G、Wi-Fi，或以太網與云端建立和保持數據傳輸通道，實現設備入網、注冊、數據交換。

2.2? 邊緣計算電能質量網關系統設計

邊緣計算電能質量網關系統模塊組成如圖3所示，由ESP32控制板、4G通信模塊、以太網通信模塊、OLED顯示屏構成。ESP32控制板負責現場電能質量數據采集處理，內置了雙核32位處理器，處理頻率達240 MHz，且集成Wi-Fi，具有較強運算能力；4G通信模塊負責將處理后數據傳輸到云端電能質量監測平臺，采用CAT.1等級，支持LTE和GSM網絡，網絡覆蓋范圍廣，滿足電能質量數據傳輸需求；以太網通信模塊采用支持8路獨立硬件Socket同時通信的以太網模組，能夠實現三相電能質量波形數據同時采集；OLED顯示屏可實時顯示數據處理進度和狀態信息。

3? 邊緣計算電能質量數據采集、處理和傳輸關鍵技術

3.1? 電能質量壓縮數據幀傳輸方案

針對數據采集器Modbus數據幀傳輸次數多、數據幀格式未統一問題，提出電能質量壓縮數據幀傳輸方案。該方案采用了游程編碼和變換編碼2種壓縮方式，及一種自定義電能質量壓縮數據幀PQCDF（Power Quality Compressed Data Frame）。1）游程編碼：用于剔除Modbus數據幀中冗余信息，包括MBAP報文頭、地址域、功能碼、寄存器地址和校驗位等，屬于無損壓縮[15]。2）變換編碼：在精度要求范圍內，轉換電能質量數據類型，用更簡短的數據類型代替，屬于有損壓縮[16，17]。3）自定義電能質量壓縮數據幀PQCDF：格式如圖4所示，主要由幀起始、控制字段、序列號、數據信息和幀結束構成。幀起始占2個字節，標識數據幀的開始；控制字段包括1字節功能碼、2字節數據長度，用于標明幀類型和數據長度；序列號由2字節編號和1字節擴展號構成，編號是平臺分配給網關的唯一識別號，擴展號對應Modus數據幀的地址域，表示采集器的總線地址。

自定義電能質量壓縮數據幀PQCDF通過剔除冗余信息、歸類參數值、變換編碼等措施實現數據壓縮及傳輸數據標準化，以兼容不同Modbus數據采集器、減少數據傳輸量。同時通過增加網關唯一識別號和功能碼，優化數據處理流程，減少平臺計算量，達到數據壓縮的效果，用數據壓縮比（Compression Ratio， CR）來衡量，計算公式如式（1）所示[18]：

（1）

式中DAnew和DAold分別表示壓縮后數據量和原始數據量。

對數據進行統一壓縮之后，數據按圖5電能質量壓縮數據幀傳輸方案流程進行傳輸：1）網關分次從采集器獲取電能質量Modbus數據幀；2）解析各Modbus數據幀，提取電能質量參數值；3）歸類參數

值，統一數據類型；4）變換編碼，縮減占用空間，例如將各次諧波含有率等百分比浮點數轉為整形數；

5）構建PQCDF，打包所有參數值；6）傳輸數據，網關收到平臺數據請求后，發送最新完整數據幀PQCDF給平臺。

3.2? 基于采集請求的TCP?；钸B接方法

為解決網關與平臺連接穩定性差、數據傳輸成功率低等問題[19，20]，本文采用基于采集請求的TCP保活保持方法。圖6為該方法運行示意圖，該方法核心為：1）數據采集請求由平臺發起，網關響應，采集周期Tc單位為秒，且Tc ∈ [1，60]，允許用戶動態更改Tc；2）平臺設置TCP超時時間Tp，若Tp內未收到網關數據，則斷開連接；3）網關設置TCP超時時間Tg，若Tg內未收到平臺數據，則重新建立TCP連接。

3.2.1? 平臺TCP超時時間Tp設置

雖然TCP超時時間Tp默認可達2個小時，但引起平臺連接超時因素多，除NAT超時為周期性，其他因素均具有隨機性；在異常處理機制下，網關會發起新TCP連接，Tp過大會導致無效連接數量增多，造成平臺端口資源耗盡和服務器宕機。

考慮到中國移動和中國聯通的NAT超時時間Tp一般為5分鐘[21]，本文設定Tp = 300秒。

3.2.2? 網關TCP超時時間Tg設置

網關與平臺主動連接流程為：1）網關主動向平臺發起建立TCP連接，并完成身份識別認證；2）網關在完成身份識別認證后，不主動向平臺發起數據交換，僅被動回應平臺請求；3）網關周期性從采集器讀取實時數據，并進行邊緣計算，構建PQCDF，僅在接收到平臺采集請求后，返回最新PQCDF數據幀；4）若Tp時間內，網關未接收到平臺請求，意味著連接存在異常，平臺中斷連接，網關需重新發起建立TCP連接，此時Tg = Tp。

因此，Tc、Tp與Tg滿足以下關系：

（2）

基于采集請求的TCP?；钸B接方法將NAT超時時間設為連接超時時間，并將采集請求周期限定在連接超時時間內，利用采集請求與網關回應實現傳統網關的TCP連接心跳功能；同時以NAT超時時間作為連接異常判定周期，在不占用心跳包傳輸帶寬基礎上，實現TCP保活連接，既提升網關與平臺傳輸效率，又保證連接穩定性。

4? 測試與應用

圖7為基于Modbus協議的邊緣計算電能質量網關實物圖，可兼容Modbus RTU和Modbus TCP/IP協議電能質量采集器。圖8為網關OLED屏顯示界面，分為狀態欄和進度欄，用于顯示狀態信息和處理進度。

根據平臺要求，采集器記錄一條電能質量數據需要1 260字節，網關至少需要從采集器讀取5幀Modbus數據。以5幀Modbus協議數據傳輸為例，測試采用電能質量壓縮數據幀PQCDF格式之后數據壓縮情況，如表1所示。

由該表可知，5幀Modbus RTU格式總長DAold1為1 280個字節，采用PQCDF格式壓縮之后數據總長DAnew1為961個字節；5幀Modbus TCP/IP格式總長DAold2為1 300個字節，采用PQCDF格式壓縮之后數據總長DAnew2為961個字節。

Modbus RTU格式的數據壓縮比CR1為：

（3）

Modbus TCP/IP格式的數據壓縮比CR2為：

（4）

因此，在至少需5幀數據幀完成一條數據記錄傳輸的情況下，采用電能質量壓縮數據幀PQCDF格式可實現較好的數據壓縮，網關與平臺交互次數由原來多次傳輸降低到單次傳輸，極大提升數據上云效率、降低平臺負荷。

為測試網關與平臺連接穩定性，隨機選取10個測試點，連續24小時測試實際傳輸數據量，網關采集頻率設定為20秒一次，每個測試點連續24小時的實際傳輸數據如表2所示。

按采樣頻率20秒一次計算，網關連續24小時理論采集數據量DCth應為：

（個）? ? ? ? （5）

網關連續24小時實際采集數據量為DCrel，則每個測試點數據傳輸成功率η如式（6）所示：

（6）

按式（6）計算10個測試點的數據傳輸成功率，如表2所示。

由表2可見，10個測試點中，數據傳輸成功率為99.1%～99.9%，較傳統網關與平臺連接穩定性顯著提高，網關達到設計要求。

5? 結? 論

基于Modbus協議的邊緣計算電能質量網關，在電能質量在線監測系統中，采用邊緣計算對電能質量數據歸類統一、壓縮、轉換、傳輸，具有采集器兼容性高、數據壓縮率高、連接穩定性強等特點，提高電能質量在線監測系統數據上云效率及系統連接穩定性。邊緣計算電能質量網關有效分擔云中心的工作量，降低電能質量在線監測系統整體能耗，對提升電能質量治理、節能減排和設備運維效率，推動“雙碳”戰略具有現實意義。

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作者簡介：朱斌庚（1987—），男，漢族，江西贛州人，中級工程師，碩士，主要研究方向：電能質量數據采集。