于 泳，谷呈星，于振超，朱德良，吳國(guó)強(qiáng)，劉 冰，陳鳳娟，梁志娟

（中電裝備山東電子有限公司，濟(jì)南 250101）

自2015 年以來，我國(guó)加快了建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)[1]的步伐。處于電力系統(tǒng)末端的配電網(wǎng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的基石。隨著分布式能源的發(fā)展和電動(dòng)汽車的普及，用戶和電網(wǎng)之間的聯(lián)系越來越密切。根據(jù)國(guó)家能源局的統(tǒng)計(jì)，2022 年4 月，我國(guó)可再生能源新增裝機(jī)為2 541 萬kW，其中，水電新增343 萬kW、風(fēng)電新增790 萬kW、光伏發(fā)電新增1 321 萬kW、生物質(zhì)發(fā)電新增87 萬kW。不穩(wěn)定的新能源并網(wǎng)以及越來越多的智能化需求對(duì)低壓配電網(wǎng)的可靠性和適應(yīng)性提出了更高的要求[2]。傳統(tǒng)的低壓配電網(wǎng)會(huì)給主站系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和升級(jí)與維護(hù)帶來巨大的壓力。高度智能化、信息化的低壓配電網(wǎng)才能提升電網(wǎng)管理效率和電能利用效率[3]，才能適應(yīng)快速變化的服務(wù)需求，解決傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)面臨的問題。

目前的低壓臺(tái)區(qū)為了保障安全、可靠及有序的供電，安裝了不同種類的終端，比如用電信息采集類、負(fù)荷監(jiān)測(cè)類、用電保護(hù)類和配網(wǎng)精益運(yùn)維類等[4]。在臺(tái)區(qū)內(nèi)存在設(shè)備安裝凌亂、種類繁多和產(chǎn)品廠家繁雜的問題。而且，各類設(shè)備的硬件獨(dú)立、軟件固化。比如，采集類終端僅支持基本電量采集，未預(yù)留采集、通信接口，無法兼顧電容器投切控制、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)等精益化管理需求。當(dāng)有新的需求出現(xiàn)時(shí)需要安裝新的設(shè)備，這會(huì)給設(shè)備運(yùn)維、設(shè)備管控和建設(shè)成本帶來巨大的壓力。精益管理水平不斷提高的低壓配電網(wǎng)會(huì)加快配電臺(tái)區(qū)智能化的建設(shè)，業(yè)務(wù)拓展性和靈活性差的模式已經(jīng)不適合新需求爆發(fā)式增長(zhǎng)的能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。此外，各地區(qū)的需求有差異化。拿低壓?jiǎn)栴}來講，東部地域的低電壓?jiǎn)栴}主要是用電高峰期的間斷性低電壓，中部地區(qū)的低電壓?jiǎn)栴}主要是電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)度落后于用電發(fā)展速度，西部地域相對(duì)落后，低壓?jiǎn)栴}比較嚴(yán)重。

為了解決上述問題，采用“硬件平臺(tái)化、功能軟件化、結(jié)構(gòu)模塊化、軟硬件解耦和通信協(xié)議自適配”的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)的智能融合終端應(yīng)運(yùn)而生[5]，其最早源于2014 年國(guó)網(wǎng)營(yíng)銷部的模組化終端預(yù)研項(xiàng)目，是低壓配電物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，符合新一代配電物聯(lián)網(wǎng)“全面感知、廣泛互聯(lián)、邊緣計(jì)算、數(shù)據(jù)融合和智能應(yīng)用”的思想[6]。

1 低壓臺(tái)區(qū)的架構(gòu)及智能終端的優(yōu)勢(shì)

數(shù)字化低壓配電臺(tái)區(qū)的架構(gòu)如圖1 所示，數(shù)字化低壓配電臺(tái)區(qū)在配變側(cè)、低壓側(cè)、用戶側(cè)分別部署了各類低壓感知設(shè)備。其中，智能融合終端是低壓配電臺(tái)區(qū)的核心，是集狀態(tài)感知、數(shù)據(jù)采集、配變監(jiān)測(cè)、邊緣物聯(lián)和本地化分析決策等功能于一體的智能化終端設(shè)備，是構(gòu)建低壓配電物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。數(shù)字化低壓配電臺(tái)區(qū)既可以采集低壓電氣數(shù)據(jù)、電能數(shù)據(jù)等信息，也可以檢測(cè)配電變壓器、低壓分支箱等設(shè)備。智能終端對(duì)下可以通過HPLC 或RS485 的通信手段集抄電表信息。對(duì)上可以通過4G 或5G 的方式與主站進(jìn)行交互，包括下發(fā)主站命令和主動(dòng)向主站匯報(bào)。

圖1 低壓配電臺(tái)區(qū)的架構(gòu)

智能融合終端強(qiáng)大的采集能力和邊緣計(jì)算能力可以打通“電力服務(wù)的最后一公里”，將智能臺(tái)區(qū)融合終端安裝在公變或?qū)Ｗ兣_(tái)區(qū)，可實(shí)現(xiàn)客戶側(cè)和配電側(cè)計(jì)量與感知設(shè)備的靈活接入，具有數(shù)據(jù)采集、智能費(fèi)控、時(shí)鐘同步、精準(zhǔn)計(jì)量、有序充電、用能管理、回路狀態(tài)巡檢、戶變關(guān)系識(shí)別和停電事件上報(bào)等功能。智能融合終端的靈活性和可擴(kuò)展性對(duì)建設(shè)新型電力系統(tǒng)具有重要意義[7]。

與現(xiàn)有的終端相比，采用硬件模塊化，軟件容器化、結(jié)構(gòu)模塊化和通信協(xié)議自適配思路設(shè)計(jì)的智能融合終端具有巨大優(yōu)勢(shì)。在理解了用戶需求并做分析之后，將終端分解成多個(gè)獨(dú)立、通用的功能模塊。這種模塊化的設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)，第一，可擴(kuò)展性強(qiáng)，升級(jí)方便。比如，將上下行通信的功能做在一個(gè)可更換的通信模組中，通過升級(jí)和更換通信模組的方式就能完成對(duì)通信需求的擴(kuò)展，這有利于適應(yīng)快速發(fā)展的通信技術(shù)。第二，靈活強(qiáng)?？梢园锤鞯貐^(qū)的實(shí)際需求安裝相應(yīng)的模組，能解決部分地區(qū)存在的功能與需求不匹配的問題。此外，不同的模組組合可以形成不同功能的終端，能滿足市場(chǎng)對(duì)終端多樣化的需求。第三，安全性強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)隔離。采用了基于容器技術(shù)的，統(tǒng)一操作系統(tǒng)的軟件框架方案，能按照業(yè)務(wù)功能將軟件劃分為多個(gè)業(yè)務(wù)APP，通過容器技術(shù)將業(yè)務(wù)軟件與操作系統(tǒng)隔離，不僅可以實(shí)現(xiàn)配電業(yè)務(wù)APP 和用采業(yè)務(wù)APP 隔離，還可以提升系統(tǒng)的安全性。總之，智能融合終端是對(duì)于營(yíng)銷和配電都兼容的新的終端設(shè)備，能夠根據(jù)不同實(shí)用場(chǎng)景安裝不同的APP，具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

2 硬件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)上采用了分布式電源設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)、大容量存儲(chǔ)和多信道兼容互換等先進(jìn)的技術(shù)，智能融合終端的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由功能單元和對(duì)外接口2 部分組成。在功能單元部分，整體電源由AC/DC單元提供，共有2 部分。其中一部分直接給交采板計(jì)量單元供電，另一部分通過電源管理單元輸出5 V 及3.3 V 的電壓給核心板、AI 人工智能主板及模塊供電。AI 人工智能主板負(fù)責(zé)控制通信模塊、存儲(chǔ)模塊和擴(kuò)展模塊等所有的模塊。包括點(diǎn)陣液晶、百兆以太網(wǎng)、ESAM、USBHUB、藍(lán)牙模塊、功能模組和USB 調(diào)試口等，其中遙信跟RS485 模塊采用隔離DC/DC 方案設(shè)計(jì)，主板與交采板之間通過串口進(jìn)行通信。功能模組通過USB 總線安裝在智能臺(tái)區(qū)融合終端的本體上，用于擴(kuò)展本體功能。可以拓展的模塊有遠(yuǎn)程通信模塊（如4G/5G 通信模塊）、本地通信模塊（如HPLC 通信模塊、微功率無線通信模塊、RS485 通信模塊、M-Bus 通信模塊和CAN 通信模塊等）、控制模塊、遙信脈沖采集模塊和回路狀態(tài)巡檢模塊等。在對(duì)外接口部分，智能融合終端對(duì)外預(yù)留了豐富的接口，有RS485、RS232、以太網(wǎng)和藍(lán)牙等。在通信協(xié)議方面，智能臺(tái)區(qū)融合終端的遠(yuǎn)程通信協(xié)議支持DL/T 634.5 101-2009、DL/T 634.5 104-2009 和Q/GDW 11778-2017 等；本地通信協(xié)議支持DL/T 698.44-2016、Q/GDW 11612-2018；智能臺(tái)區(qū)融合終端與電能表的數(shù)據(jù)通信協(xié)議支持DL/T 645-1997/2007、Q/GDW 11778-2017 以及其他進(jìn)口表協(xié)議。

圖2 智能融合終端的硬件結(jié)構(gòu)

3 軟件設(shè)計(jì)

終端軟件架構(gòu)如圖3 所示，分操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層，操作系統(tǒng)層包括操作系統(tǒng)內(nèi)核、硬件驅(qū)動(dòng)框架、啟動(dòng)程序、系統(tǒng)接口、硬件抽象層和系統(tǒng)組件，操作系統(tǒng)通過系統(tǒng)接口為APP 提供系統(tǒng)調(diào)用接口，通過硬件抽象層提供硬件設(shè)備訪問接口，系統(tǒng)組件與應(yīng)用層通過數(shù)據(jù)交互總線通信，數(shù)據(jù)交互總線采用了容器間IP 化技術(shù)與消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（MQTT）協(xié)議，能實(shí)現(xiàn)跨容器的消息交互。應(yīng)用層包括基礎(chǔ)APP和業(yè)務(wù)APP，不同APP 之間通過消息總線完成數(shù)據(jù)的交互。

圖3 終端軟件架構(gòu)

APP 是運(yùn)行在終端內(nèi)部，符合邊緣計(jì)算架構(gòu)、可快速開發(fā)、自由擴(kuò)展、滿足配用電及新業(yè)務(wù)需求的軟件。在不同的容器中安裝功能不同的APP，可以夠保證某一功能的APP 運(yùn)行故障時(shí)不會(huì)影響其他APP 的正常運(yùn)行。APP 的分類架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 APP 的分類架構(gòu)

這種架構(gòu)避免了多APP 并發(fā)訪問帶來的沖突，同時(shí)可以對(duì)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行管理?；A(chǔ)APP 包括數(shù)據(jù)中心、本地通信管理等。基礎(chǔ)APP 通過消息總線以消息的方式為其他APP 提供服務(wù)?；A(chǔ)APP 與主站系統(tǒng)之間不存在數(shù)據(jù)交換。采集業(yè)務(wù)類APP 與主站系統(tǒng)間存在數(shù)據(jù)交互，遵循一APP 對(duì)應(yīng)一主站原則，不允許一個(gè)APP 連接到多個(gè)不同的主站。采集業(yè)務(wù)類APP 的實(shí)現(xiàn)方式可以是單一二進(jìn)制文件（單一進(jìn)程），或者多二進(jìn)制文件（多進(jìn)程），通過多進(jìn)程協(xié)作模式完成某一特定場(chǎng)景業(yè)務(wù)功能。主站業(yè)務(wù)類APP 包括但不限于低壓集抄、車聯(lián)網(wǎng)云通信、電動(dòng)汽車有序用電、企業(yè)能效管理、分布式能源管理和臺(tái)區(qū)智能監(jiān)測(cè)等。分析業(yè)務(wù)類APP包括電能治理分析、物聯(lián)數(shù)據(jù)管理等，有邊緣計(jì)算的功能，可以將臺(tái)區(qū)數(shù)據(jù)按需分析、計(jì)算、整理后上送至配電自動(dòng)化主站。分析業(yè)務(wù)類APP 通過數(shù)據(jù)中心對(duì)外提供服務(wù)，與主站系統(tǒng)間不存在數(shù)據(jù)交互。

終端的APP 使用消息總線框架如圖5 所示，有采集類APP、安全類APP、管理類APP 和通信類APP，APP 之間的交互全部通過消息總線進(jìn)行，消息驅(qū)動(dòng)支持IPC（Inter-Process Communication，進(jìn)程間通信）、傳輸控制協(xié)議（TCP）、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）和MQTT 協(xié)議等多種模式，可根據(jù)系統(tǒng)資源及運(yùn)行環(huán)境靈活使用其中一種或多種，APP 只要符合消息驅(qū)動(dòng)規(guī)范，就能接入系統(tǒng)。服務(wù)提供方定義消息接口，服務(wù)使用方根據(jù)定義的消息接口訪問相應(yīng)的服務(wù)。一個(gè)APP 既可以是服務(wù)提供方，同時(shí)也可以是某些服務(wù)的使用方，同時(shí)具有 服務(wù)器與客戶機(jī)多重角色。

圖5 APP 使用消息總線框架

4 總結(jié)與展望

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，國(guó)家電網(wǎng)的智能化水平不斷提升，作為“電力服務(wù)最后一公里”的低壓配電網(wǎng)有提升精益化管理水平的需求。本文首先闡述了當(dāng)前低壓配電網(wǎng)的現(xiàn)狀，指出了當(dāng)前的低壓臺(tái)區(qū)存在的2 個(gè)問題，一是終端的種類繁多、設(shè)備廠家繁雜、安裝凌亂，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不利于日后的維護(hù)和升級(jí)。二是當(dāng)前臺(tái)區(qū)中的終端硬件獨(dú)立、軟件固化，擴(kuò)展性和靈活性差。不符合新一代配電物聯(lián)網(wǎng)全狀態(tài)感知、數(shù)據(jù)融合和智能應(yīng)用的發(fā)展方向，不能滿足需求爆發(fā)式增長(zhǎng)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。然后，闡述了發(fā)展智能融合終端的必要性及優(yōu)勢(shì)，是集狀態(tài)感知、數(shù)據(jù)采集、配變監(jiān)測(cè)、邊緣物聯(lián)和本地化分析決策等功能于一體的智能化終端設(shè)備。其可擴(kuò)展性強(qiáng)和靈活性好的優(yōu)勢(shì)對(duì)于新型電力系統(tǒng)的建設(shè)具有重要意義。最后闡述了智能融合終端的軟硬件架構(gòu)，模塊化的硬件設(shè)計(jì)解決了終端種類繁多以及需求存在地區(qū)差異化的問題，采用容器隔離的不同功能的技術(shù)保證了電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。在未來，隨著智能融合終端的廣泛應(yīng)用，臺(tái)區(qū)內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)收集負(fù)荷數(shù)據(jù)和智能調(diào)控客戶側(cè)的設(shè)備，比如充電樁、儲(chǔ)能、屋頂光伏等?？梢酝ㄟ^云平臺(tái)的智能調(diào)控策略，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)供能能力與用戶用能需求的平衡，創(chuàng)建電動(dòng)汽車有序充放電、用戶側(cè)需求管理的新業(yè)態(tài)、新模式。能引導(dǎo)用戶低谷用電、高峰放電（V2G），提高客戶側(cè)深度參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)的能力，促進(jìn)清潔能源消納，提升電網(wǎng)的運(yùn)行效率和用戶的用電經(jīng)濟(jì)性，助力國(guó)家綠色發(fā)展的目標(biāo)。