張斯淇，鄭翔天，王小玄，袁一飛，袁文杰

（1.國(guó)網(wǎng)南京供電公司，南京 210017；2.南京工程學(xué)院，南京 211167；3.中國(guó)石油華北油田勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北 任丘 062550）

1 引言

隨著城市化的快速發(fā)展和電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大， 傳統(tǒng)的預(yù)防電氣火災(zāi)等嚴(yán)重電氣事故的方案的運(yùn)維成本也隨之增加。數(shù)字化運(yùn)維配電站房成為一種有效的解決方案[1]，可以為設(shè)施的智能監(jiān)控、 狀態(tài)評(píng)估以及全壽命周期管理等多種功能提供技術(shù)支持。 電網(wǎng)公司配電站房正在普及數(shù)字化改造，實(shí)現(xiàn)站房設(shè)備狀態(tài)評(píng)估與綜合研判的數(shù)字化[2]。數(shù)字化配電站房的運(yùn)維網(wǎng)關(guān)[3]可以實(shí)現(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)控制和多協(xié)議接入主云與邊緣計(jì)算協(xié)同運(yùn)維。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云服務(wù)的發(fā)展有助于解決人力資源匱乏、配電網(wǎng)可靠性、能源互聯(lián)網(wǎng)等難題[4]。最后，本文以南京市區(qū)數(shù)字化配電站房運(yùn)維的實(shí)際需要為例， 設(shè)計(jì)了城區(qū)分級(jí)建設(shè)情境適用的運(yùn)維網(wǎng)關(guān)， 實(shí)現(xiàn)了訪(fǎng)問(wèn)控制和多協(xié)議接入主云與邊緣計(jì)算協(xié)同運(yùn)維兩個(gè)核心功能。

2 網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)

2.1 核心功能

傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)框架在分級(jí)建設(shè)站房中還存在著很多問(wèn)題。 為了解決數(shù)據(jù)協(xié)議單一的問(wèn)題， 需要設(shè)計(jì)創(chuàng)建多種接入?yún)f(xié)議網(wǎng)關(guān)功能以支撐站房傳感網(wǎng)分級(jí)化建設(shè)， 并引入邊緣計(jì)算特性網(wǎng)關(guān)來(lái)提高數(shù)字化配電站房通用性[5]。 此外，改進(jìn)的網(wǎng)關(guān)還需要設(shè)計(jì)傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集可配置功能， 避免進(jìn)行重復(fù)多次開(kāi)發(fā)并減少傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)冗余浪費(fèi)傳輸帶寬現(xiàn)象。

2.2 網(wǎng)關(guān)架構(gòu)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)需要考慮不同配電站房的分級(jí)建設(shè)需求， 配備數(shù)字化監(jiān)測(cè)傳感器。 普通站房需要新增傳感器，而存有智能監(jiān)測(cè)裝置的站房需要適配標(biāo)準(zhǔn)型物聯(lián)代理裝置[6]。重點(diǎn)站房需要連接物聯(lián)代理裝置實(shí)現(xiàn)站內(nèi)環(huán)境信息上送， 并增加適配智能型物聯(lián)代理裝置功能，以支持高效管理、輔助決策、智能運(yùn)維。軟件基礎(chǔ)架構(gòu)分為3 層，感知層、數(shù)據(jù)處理與邊緣計(jì)算層、應(yīng)用層。 運(yùn)維網(wǎng)關(guān)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示，可以監(jiān)測(cè)所有物聯(lián)代理裝置、采集不同設(shè)備數(shù)據(jù)和監(jiān)控信息，提供數(shù)字化站房運(yùn)維支持。 邊緣計(jì)算層進(jìn)行邏輯判斷、數(shù)據(jù)運(yùn)算、信號(hào)聯(lián)動(dòng)和故障研判，將標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣計(jì)算。 應(yīng)用層將采集設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)顯示， 網(wǎng)關(guān)可以在地市遠(yuǎn)程桌面軟件和班組移動(dòng)終端App 內(nèi)實(shí)現(xiàn)本地顯示。 網(wǎng)關(guān)硬件架構(gòu)主要包括感知層監(jiān)測(cè)設(shè)備主機(jī)、通信單元、預(yù)處理單元、軟件服務(wù)板卡和微服務(wù)器等組成部分。 它可以接入現(xiàn)有的電力物聯(lián)方案，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、終端設(shè)備與云平臺(tái)之間的連接以及數(shù)據(jù)交互。同時(shí)，網(wǎng)關(guān)還可實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)協(xié)議及ModBus 協(xié)議，并能遠(yuǎn)端傳輸及解析放電幅值、脈沖次數(shù)、放電類(lèi)型及相位分布圖譜等信息[7]。網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)的微服務(wù)器中的重要組成部分有網(wǎng)關(guān)底板、邊緣計(jì)算核心板和擴(kuò)展單片機(jī)。

圖1 運(yùn)維網(wǎng)關(guān)總體構(gòu)成

使用的iCORE-220E 板卡構(gòu)架了雙嵌入式操作系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)OS 系統(tǒng)和可U-Boot 引導(dǎo)的Linux 內(nèi)核系統(tǒng)， 內(nèi)核更新采用重編譯Patch 實(shí)現(xiàn)。 該板卡包括WiFi 模塊、 內(nèi)存、DDR3、NANDFLASH、電源管理模塊、LTE 4G 模塊和RTC 實(shí)時(shí)時(shí)鐘等。單片機(jī)可以擴(kuò)展各種模塊，如USB 接口模塊、ADC、DAC、以太網(wǎng)接口模塊、LTE 模塊等， 通過(guò)USB 和GPIO 接口連接。核心板由USB Host 控制器構(gòu)成， 擴(kuò)展單片機(jī)由USB Device設(shè)備構(gòu)成。 這些設(shè)計(jì)有利于實(shí)現(xiàn)板卡的功能擴(kuò)展和應(yīng)用拓展。

3 核心功能實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了訪(fǎng)問(wèn)控制、 設(shè)備接入和配電房運(yùn)維邊緣計(jì)算等核心功能。其中，訪(fǎng)問(wèn)控制的設(shè)計(jì)采用Token 算法安全認(rèn)證技術(shù)， 通過(guò)創(chuàng)建設(shè)備的協(xié)議類(lèi)型選擇相應(yīng)的設(shè)備接入開(kāi)發(fā)以及應(yīng)用開(kāi)發(fā)， 并使用不可逆算法生成簽名Token 執(zhí)行身份驗(yàn)證， 確保只有授權(quán)的開(kāi)發(fā)人員才能訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)關(guān)重要權(quán)限碼。 同時(shí)，設(shè)計(jì)的認(rèn)證參數(shù)針對(duì)不同使用者預(yù)設(shè)了有效時(shí)限，降低網(wǎng)關(guān)被未授權(quán)訪(fǎng)問(wèn)和惡意操作的風(fēng)險(xiǎn)。

網(wǎng)關(guān)Token 身份認(rèn)證參考了JSON Web Token（JWT）微服務(wù)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，并針對(duì)配電站房場(chǎng)景進(jìn)行了優(yōu)化。 具體設(shè)計(jì)見(jiàn)表1，Token 認(rèn)證由Header、Payload、timestamp 和signature四個(gè)參數(shù)組成，其中，Header 包括Token 類(lèi)型和平臺(tái)ID 屬性，Payload 用于存放站房接入設(shè)備廠(chǎng)商傳遞信息，timestamp 表示訪(fǎng)問(wèn)過(guò)期時(shí)間戳，signature 由兩部分加密構(gòu)成， 用于保護(hù)Token 但保留讀權(quán)限。 Signature 的生成使用設(shè)定的次序排列header、Payload、timestamp 參數(shù)內(nèi)容， 再使用算法支持簽名方法創(chuàng)建簽名。 最終創(chuàng)建的Token 包含devices、平臺(tái)ID、Token類(lèi)型、timestamp 和signature 五個(gè)部分，以“_”相接。

表1 Token 安全認(rèn)證核心參數(shù)

配網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)維管理中的安全措施。 設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)控制通過(guò)審批流程控制設(shè)備上線(xiàn)， 雙因子認(rèn)證登陸提高了登陸安全性。USBKey 可用于驗(yàn)證人員身份和權(quán)限認(rèn)證，數(shù)字調(diào)度證書(shū)用于數(shù)字簽名以確保通信過(guò)程中不會(huì)被篡改。 運(yùn)維網(wǎng)關(guān)會(huì)對(duì)傳遞的綜合USBKey 和身份信息的安全認(rèn)證參數(shù)進(jìn)行安全校驗(yàn)，確保其安全性。

訪(fǎng)問(wèn)控制核心功能實(shí)現(xiàn)后， 配電站房數(shù)字化運(yùn)維網(wǎng)關(guān)還需要處理多協(xié)議設(shè)備接入功能。 通過(guò)TCP 協(xié)議接入網(wǎng)關(guān)，并通過(guò)SSL/TLS 協(xié)議進(jìn)行加密保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與云平臺(tái)之間的通信安全。 設(shè)備客戶(hù)端執(zhí)行單向驗(yàn)證， 使用端口號(hào)8601 與NLEcloud 建立TLS 連接。 在TCP 協(xié)議接入時(shí)，設(shè)備客戶(hù)端記錄傳輸密鑰和設(shè)備標(biāo)識(shí)，如果握手連接成功，云平臺(tái)將發(fā)送響應(yīng)消息，并在設(shè)備管理中顯示在線(xiàn)標(biāo)記。 如果使用Modbus 協(xié)議來(lái)接入網(wǎng)關(guān)， 需要填寫(xiě)設(shè)備寄存器的對(duì)應(yīng)地址及其含義和計(jì)算系數(shù)，并保存這些信息。 網(wǎng)關(guān)內(nèi)提供了兩種Modbus 輸入模式Modbus_RTU 和Modbus_TCP。填寫(xiě)完成后，網(wǎng)關(guān)就可以自動(dòng)識(shí)別Modbus_TCP 協(xié)議下的各個(gè)接口， 并顯示連接的設(shè)備數(shù)量。

網(wǎng)關(guān)除設(shè)備接入外，還包括接入、退出和更新管理等，并且可以根據(jù)不同類(lèi)型、不同廠(chǎng)家定制化軟件應(yīng)用[8]。 這些功能的實(shí)現(xiàn)利用了容器化運(yùn)行的隔離特性。 供應(yīng)商提供了各種運(yùn)維應(yīng)用，可以遠(yuǎn)程部署下發(fā)、安裝升級(jí)、啟動(dòng)停止、狀態(tài)查詢(xún)、定值下發(fā)、日志召喚等操作功能，并且可以按需部署與擴(kuò)展網(wǎng)關(guān)數(shù)字化運(yùn)維功能。MQTT 協(xié)議被用來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件應(yīng)用上線(xiàn)，并且需要通過(guò)配電運(yùn)維專(zhuān)職許可、審批并分配應(yīng)用ID。審核通過(guò)后，審核人員會(huì)為其打賞版本標(biāo)簽，并將其歸檔。 當(dāng)網(wǎng)關(guān)收到主站下發(fā)的可以接入確認(rèn)信息后， 主站會(huì)根據(jù)網(wǎng)關(guān)回傳的自描述信息進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。 不同應(yīng)用所涉及的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)提供的GSP 和DL/T634.5.104 協(xié)議進(jìn)行傳輸處理。 為了保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和安全性，MQTT 協(xié)議在傳輸層和應(yīng)用層上增加了控制報(bào)文和內(nèi)嵌應(yīng)用數(shù)據(jù)的完整性校驗(yàn)。 運(yùn)維人員可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況升級(jí)云上應(yīng)用和智能網(wǎng)關(guān)側(cè)應(yīng)用， 并且升級(jí)后運(yùn)行狀態(tài)信息會(huì)被自動(dòng)發(fā)送給云端監(jiān)控， 實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一管理和靈活擴(kuò)展業(yè)務(wù)功能。 此外，網(wǎng)關(guān)的邊緣計(jì)算擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)云端應(yīng)用與邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)協(xié)同運(yùn)維。 智能網(wǎng)關(guān)是一款集成控制、管理、計(jì)算和通信等多種功能的設(shè)備，采用邊緣計(jì)算服務(wù)端App 化的設(shè)計(jì)理念。當(dāng)采集到數(shù)據(jù)后，網(wǎng)關(guān)會(huì)根據(jù)預(yù)先配置好的配置文件對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析處理和判斷， 并根據(jù)當(dāng)前鏈表節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行其他處理。

邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算功能，運(yùn)維人員會(huì)提前對(duì)計(jì)算公式、 邏輯或應(yīng)用拆分成的計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行完整的信息配置。 邊緣計(jì)算公式被分解成兩個(gè)一組的計(jì)算節(jié)點(diǎn)， 數(shù)據(jù)處理層把經(jīng)過(guò)解析處理的數(shù)據(jù)按照寄存器地址的順序存儲(chǔ)到每個(gè)設(shè)備的鏈表節(jié)點(diǎn)緩存中。 設(shè)備寄存器地址和寄存器標(biāo)識(shí)符之間的映射關(guān)系表也包括在鏈表節(jié)點(diǎn)中。 使用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算或者進(jìn)行其他操作時(shí)， 可以直接用寄存器標(biāo)識(shí)符來(lái)調(diào)用數(shù)據(jù)。

圖2 展示了基于QT5 實(shí)現(xiàn)的上位機(jī)軟件，利用數(shù)字化站房應(yīng)用邊緣計(jì)算技術(shù)在邊緣側(cè)網(wǎng)關(guān)擴(kuò)展板卡上對(duì)巡視機(jī)器人的視覺(jué)采集信息進(jìn)行分析。 實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)分析實(shí)例：

圖2 配電運(yùn)維巡視機(jī)器人邊緣計(jì)算端圖像分析示例

1）綜合分析低壓柜的內(nèi)置傳感器數(shù)據(jù)與巡視機(jī)器人的視頻數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)配電站房?jī)?nèi)開(kāi)關(guān)柜設(shè)備的狀態(tài)評(píng)價(jià)；

2）實(shí)現(xiàn)了對(duì)站房?jī)?nèi)運(yùn)維作業(yè)人數(shù)、安全帽佩戴、摘帽行為的識(shí)別， 底層實(shí)現(xiàn)利用擴(kuò)展板的E-linux 子系統(tǒng)上已訓(xùn)練的YOLOV5 模型，該模型還適用于站房始端箱、智能配變終端及消防設(shè)施的檢測(cè)工作。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了數(shù)字化運(yùn)維網(wǎng)關(guān)解決配電站房運(yùn)維問(wèn)題的方案，包括云邊一體化平臺(tái)、云端App 商店和自動(dòng)化運(yùn)維技術(shù)。該系統(tǒng)已在城區(qū)配電站房應(yīng)用，提高了網(wǎng)絡(luò)利用率和靈活度，具有高工程應(yīng)用價(jià)值。