李 騰 劉之奎 廖 軍 楊可軍 朱能富

（1、國網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司，安徽 合肥230000 2、安徽南瑞繼遠電網(wǎng)技術有限公司，安徽 合肥230088）

1 邊緣物聯(lián)代理概述

邊緣物聯(lián)代理基于軟件定義終端和容器技術，通過通信協(xié)議適配、統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型、安全管控等技術手段完成對主設備在線監(jiān)測、閥廳紅外測溫等系統(tǒng)數(shù)據(jù)的匯聚接入、邊緣處理以及轉(zhuǎn)發(fā)上送。

2 古泉換流站物聯(lián)網(wǎng)建設存在的問題

2.1 數(shù)據(jù)共享和資源復用不足

在數(shù)據(jù)匯聚方面，數(shù)據(jù)無法共享，導致各個系統(tǒng)“孤島”運行，無法協(xié)同工作。

2.2 感知能力未充分發(fā)揮，輔助手段不足

缺少運行設備全面監(jiān)控、聯(lián)合巡檢等業(yè)務應用，無法充分激發(fā)現(xiàn)有設備感知能力，數(shù)據(jù)利用率較低，不能更好的支撐換流站內(nèi)運維人員全面及時的掌握設備狀況。

2.3 不滿足泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設要求

站內(nèi)缺少邊緣物聯(lián)代理，不能實現(xiàn)站內(nèi)數(shù)據(jù)的邊緣匯聚和邊緣處理，不足以支撐物聯(lián)管理平臺和企業(yè)中臺的物聯(lián)應用，也不滿足國網(wǎng)公司的智慧物聯(lián)體系要求。

3 邊緣物聯(lián)代理一體化平臺的建設

3.1 系統(tǒng)總體設計

3.1.1 技術架構設計

邊緣物聯(lián)代理一體化平臺包括邊緣物聯(lián)代理以及邊緣業(yè)務應用兩部分（如圖1）。通過邊緣物聯(lián)代理接入古泉換流示范站的各類感知終端，包括現(xiàn)有存量設備和系統(tǒng)以及新建設備和系統(tǒng)，涵蓋站內(nèi)設備、環(huán)境和人員感知，實現(xiàn)站端的邊緣計算、區(qū)域自治。提供站內(nèi)設備數(shù)據(jù)建模、邊緣智能服務交互接口等服務，在整合分析站內(nèi)各類數(shù)據(jù)后上送信息至三維可視化系統(tǒng)、物聯(lián)管理平臺(預留接口)、智能運檢管控系統(tǒng)等。同時邊緣業(yè)務應用將提供設備智能聯(lián)動、全面監(jiān)視、智能巡檢等智能輔助應用，全面提升特高壓古泉換流站的智能化水平。

圖1 邊緣物聯(lián)代理一體化平臺架構示意圖

3.1.2 集成方案設計

根據(jù)邊緣物聯(lián)代理一體化平臺的建設需求，邊緣物聯(lián)代理需要集成主設備在線監(jiān)測系統(tǒng)、閥廳紅外測溫系統(tǒng)、蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)、接地極在線監(jiān)測系統(tǒng)、聲紋監(jiān)測系統(tǒng)、換流變紅外測溫系統(tǒng)、室內(nèi)/室外機器人系統(tǒng)、PMS 系統(tǒng)等多個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

3.1.3 部署架構設計

邊緣物聯(lián)代理與邊緣業(yè)務應用分開部署，通過restful 接口進行數(shù)據(jù)交互；邊緣物聯(lián)代理通過各種協(xié)議完成存量和新增在線監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)接入。

3.2 網(wǎng)絡架構

古泉換流站泛在電力物聯(lián)網(wǎng)近場通信， 采用5G+LoRa+5.8GHz 技術寬窄帶混合組網(wǎng)方式擴展近場通信組網(wǎng)通道，與運營商合作建設5G 基站3 座，自建5.8G LTE 宏基站1座、微基站1 座，自建中興LoRa 基站2 座、補盲基站4 座，實現(xiàn)全站的5G、5.8G LTE 和LoRa 三種無線終端接入方式的全覆蓋。

（1）主設備在線監(jiān)測、閥廳紅外在線監(jiān)測等存量系統(tǒng)通過有線網(wǎng)絡方式接入?yún)R聚節(jié)點，再接入到邊緣物聯(lián)代理一體化平臺。（2）新型的變壓器局放、GIS 局放、GIS 機械特性、開關柜測溫等主設備在線監(jiān)測設備采用無線通信的方式接入到采集終端里，無線為Lora 或2.4GHz 無線網(wǎng)絡等，采集終端通過有線網(wǎng)絡方式與匯聚節(jié)點通信。（3）安防、微氣象、燈光、溫濕度監(jiān)測等環(huán)境感知終端采用現(xiàn)場總線方式接入到現(xiàn)場環(huán)境單元，再通過有線網(wǎng)絡方式與匯聚節(jié)點進行通信。（4）高清攝像機和紅外攝像機設備采用有線網(wǎng)絡方式接入到視頻匯聚節(jié)點，再通過有線網(wǎng)絡方式接入到邊緣一體化平臺。（5）機器人，室外移動巡檢機器人和智能穿戴裝置采用Wifi 通過微型安全平臺裝置接入到機器人匯聚節(jié)點，室內(nèi)機器人則采用有線網(wǎng)絡接入到機器人節(jié)點。（6）站內(nèi)所有匯聚節(jié)點采用有線網(wǎng)絡方式接入到一體化平臺。

3.3 軟件架構

3.3.1 邊緣物聯(lián)代理

邊緣物聯(lián)代理基于微服務框架和容器技術，通過通信協(xié)議適配、統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型技術手段，完成存量系統(tǒng)/終端和增量智能終端/傳感器的安全可信接入，解決智能終端和感知終端統(tǒng)一接入、數(shù)據(jù)共享、業(yè)務協(xié)同。

邊緣物聯(lián)代理架構共分為分為三層（如圖2）：設備接入層、核心服務層、支撐服務層，同時還有安全服務和系統(tǒng)服務作為支撐。

設備接入層是通過各種物聯(lián)協(xié)議和規(guī)約，實現(xiàn)各類設備和邊緣物聯(lián)代理的數(shù)據(jù)交互。

核心服務層作為邊緣物聯(lián)代理的核心，通過接收、處理、轉(zhuǎn)發(fā)設備數(shù)據(jù)，使用元數(shù)據(jù)管理，發(fā)現(xiàn)注冊設備等服務為整個邊緣物聯(lián)代理提供基礎服務。

支撐服務層提供邊緣物聯(lián)代理支撐服務，如日志、告警、規(guī)則引擎、流處理等，同時通過云邊協(xié)同服務作為北向API 的接入層，為應用、物聯(lián)管理平臺、智能運檢管控平臺提供API 接入服務。

圖2 邊緣物聯(lián)代理功能架構圖

3.3.2 邊緣業(yè)務應用

古泉邊緣物聯(lián)管理一體化平臺的邊緣業(yè)務應用架構分為接入層、數(shù)據(jù)層、平臺層和業(yè)務層。接入層負責接入邊緣物聯(lián)代理所集成的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)層負責數(shù)據(jù)的存儲以及數(shù)據(jù)挖掘、分析識別等數(shù)據(jù)處理服務。平臺層提供告警、進程管理、聯(lián)動、權限、日志、報表等服務。業(yè)務層實現(xiàn)智能巡檢、運行監(jiān)控、運維管理、可視化展示等應用。

3.4 微服務架構

微服務是一種新興的架構風格，一個大型復雜軟件應用由一個或多個微服務組成。系統(tǒng)中的各個微服務可被獨立部署，各個微服務之間是松耦合的。每個微服務僅關注于完成一件任務并很好地完成該任務。在所有情況下，每個任務代表著一個小的業(yè)務能力。就是把一個大型的單個應用程序和服務拆分為數(shù)十個的支持微服務。一個微服務的策略可以讓工作變得更為簡便，它可擴展單個組件而不是整個的應用程序堆棧。

從而滿足服務等級協(xié)議。微服務架構強調(diào)的重點就是業(yè)務系統(tǒng)需要徹底的組件化和服務化，原有的單個業(yè)務系統(tǒng)會拆分為多個可以獨立開發(fā)，設計，運行和運維的小應用。這些小應用之間通過服務完成交互和集成。其核心特點如下：（1）通過服務實現(xiàn)組件化。開發(fā)者不再需要協(xié)調(diào)其它服務部署對本服務的影響。（2）按業(yè)務能力來劃分服務和開發(fā)團隊。開發(fā)者可以自由選擇開發(fā)技術，提供API 服務。（3）去中心化。數(shù)據(jù)的去中心化，進一步降低了微服務之間的耦合度，不同服務可以采用不同的數(shù)據(jù)庫技術（SQL、NoSQL 等）。在復雜的業(yè)務場景下，如果包含多個微服務，通常在客戶端或者中間層（網(wǎng)關.處理）。

邊緣物聯(lián)代理一體化平臺通過微服務技術將大型應用拆分成獨立部署的獨立應用。

3.5 Docker 容器

Docker 是一個跨平臺、可移植的容器解決方案，用于構建、發(fā)布和運行分布式應用的平臺。通過Docker，可在容器內(nèi)部快速自動化地部署應用，并通過操作系統(tǒng)內(nèi)核技術為容器提供資源隔離與安全保障。容器技術主要有以下幾個優(yōu)點：（1）跨云平臺支持。越來越多的云平臺都支持容器，用戶無需擔心受到云平臺的捆綁，也讓應用多平臺混合部署成為可能。（2）環(huán)境標準化和版本控制?；谌萜魈峁┑沫h(huán)境一致性和標準化，可以使用版本控制工具對容器鏡像進行版本控制，還可以對整個應用運行環(huán)境實現(xiàn)版本控制，一旦出現(xiàn)故障可以快速回滾。相比以前的虛擬機鏡像，容器壓縮和備份速度更快，鏡像啟動也像啟動一個普通進程一樣快速。（3）高資源利用率與隔離。容器沒有管理程序的額外開銷，與底層共享操作系統(tǒng)，性能更加優(yōu)良，系統(tǒng)負載更低，在同等條件下可以運行更多的應用實例，可以更充分地利用系統(tǒng)資源。同時，容器擁有很好的資源隔離與限制能力，可以精確地對應用分配CPU、內(nèi)存等資源，保證了應用間不會相互影響。（4）容器跨平臺性與鏡像。容器有一整套標準化的配置方法，將應用及其依賴的運行環(huán)境打包成鏡像，真正實現(xiàn)了“構建一次、到處運行”的理念，大大提高了容器的跨平臺性。

邊緣物聯(lián)代理通過容器技術，提供應用間的基本運行環(huán)境和所需邊緣服務，保證應用運行環(huán)境的一致和互相之間的隔離。

3.6 安全管理

邊緣物聯(lián)代理具備可信計算、保護存儲數(shù)據(jù)機密性和完整性的功能。在安全方面主要分為兩個方面：邊緣服務安全調(diào)用、設備數(shù)據(jù)安全傳輸。

邊緣服務安全調(diào)用主要是在調(diào)用邊緣物聯(lián)代理接口時，對調(diào)用者進行認證。其主要流程有：授權管理、訪問授權、信息加密等功能。授權管理是指配置能夠訪問邊緣物聯(lián)代理服務接口的用戶以及驗證方式。訪問授權是指調(diào)用者調(diào)用邊緣物聯(lián)代理內(nèi)部接口時，通過密碼或密鑰等參數(shù)獲取認證token，通過token訪問邊緣物聯(lián)代理服務接口。邊緣物聯(lián)代理在用戶訪問時校驗token 有效性。

設備數(shù)據(jù)安全傳輸通過對設備進行配置和管理，以及對設備物模型的設置和設備訪問的設置，控制接入數(shù)據(jù)的安全性。在數(shù)據(jù)上傳到邊緣物聯(lián)代理時能夠使用國密算法進行數(shù)據(jù)解密，保證傳輸數(shù)據(jù)的安全性。

3.7 數(shù)據(jù)上送

采用https 或者MQTT 協(xié)議建立數(shù)據(jù)上傳接口，上傳數(shù)據(jù)到智能運檢管控系統(tǒng)、三維可視化平臺。預留物聯(lián)管理平臺上送接口，支持后期接入國網(wǎng)統(tǒng)一物聯(lián)管理平臺，預留接口包括設備注冊請求、設備升級命令下發(fā)、設備升級狀態(tài)上報、請求更新配置、物模型下發(fā)命令、物模型命令響應、應用控制命令接收、應用狀態(tài)監(jiān)測等。采用數(shù)據(jù)格式為JSON。

三維可視化平臺、智能運檢管控系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)為接入的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)。包括主設備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、蓄電池監(jiān)測數(shù)據(jù)、紅外測溫監(jiān)測數(shù)據(jù)、接地極在線監(jiān)測數(shù)據(jù)等。同時為智能運檢管控系統(tǒng)開發(fā)并部署前端展示和統(tǒng)計模塊。

3.8 高可靠安全防護體系

邊緣物聯(lián)代理一體化平臺采用安全操作系統(tǒng)，確保邊緣物聯(lián)代理的基礎操作系統(tǒng)及軟件具備可信計算、存儲數(shù)據(jù)機密性完整性保護。采用國密算法對關鍵數(shù)據(jù)進行加密傳輸和存儲。

4 結論

通過邊緣物聯(lián)代理一體化平臺的建設，實現(xiàn)了對古泉站端的設備信息采集、信息匯聚和信息共享，實現(xiàn)對站內(nèi)在線監(jiān)測、環(huán)境、視頻、機器人等設備運行的全景監(jiān)控和信息感知，使運維人員能夠全面掌控設備運行狀態(tài)，及時處理設備故障，提升巡檢工作效率，最終實現(xiàn)特高壓古泉換流站信息全景交互，全面提升特高壓古泉換流站的智能化水平，減少人力成本，提高工作質(zhì)量和效率，保障電網(wǎng)安全運行。