雷 霏，吳軍平，何天宜

（1.武漢郵電科學(xué)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(xué)，湖北 武漢 430074）

在電力技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展的形勢下，各層級電網(wǎng)公司都將把重點移到電力與物聯(lián)網(wǎng)相融合的技術(shù)領(lǐng)域。電力物聯(lián)網(wǎng)的高接入、高并發(fā)、高交互的問題依舊是炙手可熱的話題?，F(xiàn)有的電力終端設(shè)備系統(tǒng)中，還存在很多關(guān)于接入兼容性不全面、擴容性不高、海量數(shù)據(jù)并發(fā)的問題。

針對上述問題，各類廠商和設(shè)備供應(yīng)商都研究了不同類別的終端系統(tǒng)設(shè)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(qū)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(wǎng)龐大終端數(shù)量的情況下，構(gòu)建組網(wǎng)模式的成本急劇上升。文獻[2]利用光纖通信的方式實現(xiàn)了電力終端通信，這種方案使用頻分復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)了精確數(shù)據(jù)通信，但缺乏無線通信的多樣性，無法滿足電網(wǎng)終端數(shù)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(xié)議安全，結(jié)合終端系統(tǒng)的獨立性，在物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)中可以保證用戶的網(wǎng)絡(luò)安全，不僅是在智能家居網(wǎng)關(guān)和醫(yī)療預(yù)警領(lǐng)域有所應(yīng)用，更能在工業(yè)、石油、電力等領(lǐng)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(xiàn)數(shù)據(jù)加密，提高了接入的安全性和可靠性。

1 終端系統(tǒng)框架設(shè)計

該文終端設(shè)備結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)例如溫度、濕度和電壓值等業(yè)務(wù)原始數(shù)據(jù)。第二部分是主控板的物聯(lián)終端系統(tǒng)，用于處理MCU 傳來的各類數(shù)據(jù)并與數(shù)據(jù)中心平臺進行通信。

該文從物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)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(lián)網(wǎng)的整個框架，結(jié)合實際應(yīng)用場景來分析終端的需求依據(jù)。電力智能融合終端上的應(yīng)用程序提供了運行環(huán)境，邊緣物聯(lián)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(xiàn)感知層終端與物聯(lián)管理平臺之間的互聯(lián)、邊緣計算、電力信息采集、臺區(qū)識別等功能，適配各類電力物聯(lián)應(yīng)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(gòu)組成。硬件層由主控板、電源交采底板等構(gòu)成，軟件層由驅(qū)動程序、系統(tǒng)內(nèi)核、應(yīng)用APP 等組成。電力智能融合終端支持配電、交采系統(tǒng)的接入及各類通信接口和協(xié)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(shù)據(jù)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(xié)議如Modbus-RTU、DLT645、1376.1、1376.2 等規(guī)約，北向主站接入主要通過5G、LTE、以太網(wǎng)口等方式，通過支持不同的下行通信方式，提供與子設(shè)備自定義數(shù)據(jù)的傳輸方式。

在設(shè)計該電力智能融合終端時，依托物聯(lián)網(wǎng)框架進行從上至下的設(shè)計框架。

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

圖1 云、管、邊、端組網(wǎng)場景

接入特性業(yè)務(wù)場景如圖2 所示。

圖2 接入特性業(yè)務(wù)場景圖

從圖2 可以看出電力物聯(lián)的基本業(yè)務(wù)應(yīng)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(tài)感知、數(shù)據(jù)采集和分析能力，并通過公共無線網(wǎng)絡(luò)上報配電、營銷主站或物聯(lián)網(wǎng)平臺。

從接入特性業(yè)務(wù)應(yīng)用而言，終端接入特性應(yīng)用主要用于電力邊緣物聯(lián)代理終端的上聯(lián)主站接入和下聯(lián)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(shè)計

2.1 北向接口設(shè)計

在交采底板向主控板傳輸?shù)谋毕蚪涌谥胁捎肧PI 協(xié)議，SPI 接口具有主從設(shè)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(nèi)部以RAM、DMA、寄存器模式與不同設(shè)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(wǎng)、5G/LTE 無線公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)接口等遠程通信功能，其中，主要通過5G模塊來實現(xiàn)，5G 模塊通過內(nèi)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(shù)幫助智能電網(wǎng)進行用戶的相關(guān)信息采集，表現(xiàn)形式是低壓用電，這種技術(shù)可以對智能電網(wǎng)中的電力運行實時監(jiān)控，對用戶使用電力運行的平穩(wěn)性進行分析[8]。另外，以太網(wǎng)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(tǒng)光纖專線方式可有效節(jié)省部署成本，有助于提高智能電網(wǎng)的繼電保護水平。

2.2 南向接口設(shè)計

南向接口采用主流的Modbus 協(xié)議接口。文獻[10]指出Modbus 生成的報文可以保留原有數(shù)據(jù)集的攻擊特征,并可以有效地提高入侵檢測系統(tǒng)的檢測精度。這個協(xié)議利用其高傳輸速率實現(xiàn)對各節(jié)點組的控制,同時對超多節(jié)點設(shè)備同時進行監(jiān)控，提高了超多節(jié)點設(shè)備場景的監(jiān)控效率[11]。并且在物理層中，Modbus 技術(shù)支持基于RS232、RS485 的標準總線物理通信介質(zhì)，以及以太網(wǎng)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(shè)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(yè)務(wù)應(yīng)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(wěn)定性和可靠性等優(yōu)點[13]?；贖PLC 技術(shù)可實現(xiàn)模塊互聯(lián)互通、高頻數(shù)據(jù)采集、停電主動上報、相位拓撲識別、臺區(qū)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(shè)計

本地接口包括以太網(wǎng)接口、藍牙等，其中以太網(wǎng)接口用于本地設(shè)備的升級維護，而藍牙用于本地運維設(shè)備，可以對電力智能融合終端進行設(shè)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(shù)運用在物聯(lián)終端設(shè)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(shè)計

通過安全模組電力智能融合終端的應(yīng)用，保障主站、物聯(lián)終端和南向接入設(shè)備的安全接入和數(shù)據(jù)安全；在主控板中運用容器技術(shù)實現(xiàn)分治的思想，保證其每一個程序都是一個獨立運行的環(huán)境。容器技術(shù)為終端設(shè)備及每個應(yīng)用程序提供軟件服務(wù)，它不僅用于數(shù)據(jù)處理和存儲管理還可以通過分布式服務(wù)器與物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)保持一致。多容器技術(shù)用來擴展物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的能力，采用這種方法可以增加連接設(shè)備的數(shù)量、提高網(wǎng)絡(luò)效率，以更好地進行計算、控制和數(shù)據(jù)存儲[16]。

3 業(yè)務(wù)應(yīng)用與I/O接口銜接的設(shè)計

基于容器技術(shù)劃歸業(yè)務(wù)的不同類別，分別設(shè)置不同業(yè)務(wù)類型歸屬不同的容器，其中有各類傳輸協(xié)議服務(wù)的類型、電力專業(yè)特有的算法業(yè)務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議棧類型業(yè)務(wù)、底層驅(qū)動I/O 的接口類型和數(shù)據(jù)處理的業(yè)務(wù)類型等。

這些不同容器的相互通信，使得終端設(shè)備系統(tǒng)的聯(lián)動性優(yōu)異。該終端系統(tǒng)設(shè)計了一個公共接口comm_intf，有利于實現(xiàn)物理I/O 口與其他業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)接口的線程以及l(fā)ora 和ZigBee 的線程等。進程內(nèi)通信通過消息隊列互通消息。

在外掛傳感器時，采用Modbus 協(xié)議與主機進行通信，協(xié)議棧類型的容器通過MQTT 傳輸協(xié)議下發(fā)任務(wù)與comm_intf 通信。當(dāng)消息存入消息隊列時，帶有標記的消息優(yōu)先取出，并傳入相對應(yīng)的線程中，執(zhí)行對物理I/O 口的控制。

同時，在數(shù)據(jù)處理完畢后通過MQTT 服務(wù)將數(shù)據(jù)上傳至IoT 數(shù)據(jù)云平臺。也可以通過遠程操控，使用IoT 數(shù)據(jù)云平臺下發(fā)控制指令一層一層地傳遞到某個物聯(lián)終端設(shè)備的物理I/O 接口。具體基于容器技術(shù)的應(yīng)用程序框架圖如圖3 所示。

圖3 基于容器技術(shù)的應(yīng)用程序框架圖

4 斷電業(yè)務(wù)保護關(guān)鍵技術(shù)

4.1 技術(shù)總攬與介紹

在面對復(fù)雜的室外環(huán)境和惡劣的天氣時，供電是否穩(wěn)定是一個不可忽視的、影響設(shè)備穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

文獻[17]給出了一種設(shè)備異常斷電緊急通知的方法，指出通過向外部服務(wù)器發(fā)送掉電信號至平臺，在第一時間告知相關(guān)負責(zé)人員，能夠使負責(zé)人盡快安排相關(guān)人員到現(xiàn)場進行維修，減小異常斷電造成的損失，盡早恢復(fù)設(shè)備的正常工作。但在偏遠山區(qū)，可能因人力物力等因素不能夠及時到達現(xiàn)場，物聯(lián)終端在異常斷電后，容器里的業(yè)務(wù)未進行停止，導(dǎo)致業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)出錯、數(shù)據(jù)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(nèi)正在運行的業(yè)務(wù)及其數(shù)據(jù)可靠性、完整性的關(guān)鍵技術(shù)，在重新上電之后，能及時恢復(fù)。

物聯(lián)終端強電發(fā)生斷電后，容器A 中的監(jiān)控模塊檢測到硬件中斷信號，通過MQTT 服務(wù)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(jiān)控模塊收到結(jié)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(lián)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(xiàn)斷電事件，并進入物聯(lián)終端業(yè)務(wù)保護恢復(fù)的處理流程，該技術(shù)可以提高業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)處理兩方面的時效性和可靠性。

該關(guān)鍵技術(shù)基于容器，解決了在物聯(lián)終端強電斷電時業(yè)務(wù)程序仍在運行，相關(guān)數(shù)據(jù)沒有及時存儲，導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤、丟失等，從而容易引起業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不準確、業(yè)務(wù)異常等不可預(yù)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(shè)計方案

該技術(shù)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(shè)備中具有一些強電自有的協(xié)議和通信模塊，如HPLC模塊、698 協(xié)議和該設(shè)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(jiān)控模塊通過MQTT 服務(wù)的指定斷電topic 來通知容器B 中的業(yè)務(wù)模塊和對應(yīng)的I/O 接口關(guān)閉。但對于滿足電容儲存器供電運行要求的器件，相關(guān)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可以繼續(xù)被處理，但是容器B 中的業(yè)務(wù)模塊在此期間北向上報數(shù)據(jù)信息不使用數(shù)據(jù)中心當(dāng)前值，而使用初始無效值進行上報，斷電期間的關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息存儲在斷電保護區(qū)，供上電恢復(fù)時使用。

2）不同類型的數(shù)據(jù)差異化處理方式。在設(shè)備功能復(fù)雜的情況下，設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)類型大致分為兩大類：控制類與采集類。對于控制類的數(shù)據(jù)，要求實時性高，以較高的優(yōu)先級進行處理；對于采集類的數(shù)據(jù)，處理的優(yōu)先級低。采集類型的數(shù)據(jù)又根據(jù)完整性校驗進行區(qū)分優(yōu)先級，對于完整性達到判決要求的進行高優(yōu)先級處理，這樣會保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的可靠性，對于完整性達不到判決要求的數(shù)據(jù)進行低優(yōu)先級處理，甚至根據(jù)電容儲存器情況直接進行丟棄處理。

3）不同業(yè)務(wù)I/O 接口數(shù)據(jù)的差異化處理方式。該設(shè)備的電容儲存器只能維持4 min 左右，當(dāng)設(shè)備運行到電容即將耗盡的最后時刻，可能會出現(xiàn)某些器件供電不足的情況。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊會匹配不同的業(yè)務(wù)內(nèi)容，對于匹配過程中符合數(shù)據(jù)報文錯誤閾值的業(yè)務(wù)I/O 接口將會通知檢測模塊，檢測模塊通過MQTT 服務(wù)下發(fā)關(guān)閉相關(guān)業(yè)務(wù)接口與I/O 接口的任務(wù)。

4）對于程序臨終遺言的處理方式。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)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(nèi)容實時保存到掉電存儲區(qū)中，防止丟失以便后續(xù)數(shù)據(jù)恢復(fù)。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(jié)束語

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電網(wǎng)技術(shù)相融合的過程中，各大廠商都在把終端接入作為建設(shè)智能電網(wǎng)的發(fā)力點。此外，移動通信技術(shù)不斷發(fā)展，使電力行業(yè)可以把終端設(shè)備作為節(jié)點與外界數(shù)據(jù)交換等。我國電力行業(yè)龐大而復(fù)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(tǒng)的可靠性剛需。因此，該文從整體物聯(lián)網(wǎng)框架到終端進行了需求性分析，逐一解決多接入、應(yīng)急策略、安全穩(wěn)定、高時效、低功耗的一些需求問題。該套終端系統(tǒng)已運用到現(xiàn)網(wǎng)，通過系統(tǒng)壓力測試可知，該終端系統(tǒng)能夠滿足上述需求。