基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的低壓配電臺區(qū)數(shù)據(jù)采集方案

　　摘要配電臺區(qū)是連接配電網(wǎng)和電力用戶的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，智能電網(wǎng)建設(shè)需要推進(jìn)低壓配電臺區(qū)數(shù)據(jù)的采集。為了解決配電臺區(qū)點多面廣、終端數(shù)量多、通信困難等問題，本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行低壓配電數(shù)據(jù)采集的方案，分別介紹了方案中的幾項關(guān)鍵技術(shù)，包括總體架構(gòu)、邊緣計算智能終端、消息隊列遙測傳輸協(xié)議(MQTT)、典型通信過程、統(tǒng)一模型及主站與物聯(lián)網(wǎng)平臺間的接口。方案以邊緣計算智能配變終端(TTU)為網(wǎng)關(guān)，通過電力線通信(PLC)、短距無線通信、紅外通信、射頻等通信方式接入臺區(qū)智能電表、無功補(bǔ)償裝置及各種傳感器，基于物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)配電臺區(qū)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)靈活實時接入。

　　關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);配電臺區(qū);數(shù)據(jù)采集;邊緣計算;智能終端

　　0引言

　　建設(shè)智能電網(wǎng)，其中關(guān)鍵一環(huán)是智能配電臺區(qū)的建設(shè)，配電網(wǎng)通過低壓配電臺區(qū)連接終端電力用戶，亟需提升配電臺區(qū)的精細(xì)化及智能化管理水平，保證低壓電網(wǎng)供電質(zhì)量及其可靠、安全運行，滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。目前，配電臺區(qū)建設(shè)及運行現(xiàn)狀仍存在以下問題：1)配電網(wǎng)點多線長面廣，大部分處于盲調(diào)狀態(tài)。2)目前，通過不斷增加相對獨立的信息化小系統(tǒng)來滿足業(yè)務(wù)需求的方式導(dǎo)致資源浪費和業(yè)務(wù)割裂。3)伴隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)充，采集信息的逐步完善，低壓配網(wǎng)監(jiān)視推進(jìn)，當(dāng)前采用的主備服務(wù)集中式處理模式在海量終端接入、數(shù)據(jù)處理速度、存儲能力、分析效率方面存在明顯的瓶頸，維護(hù)和擴(kuò)展困難。

　　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以通過泛在的感知技術(shù)幫助電力系統(tǒng)實現(xiàn)對低壓配電臺區(qū)海量信息的感知和決策，將配電臺區(qū)建設(shè)成配電末端數(shù)據(jù)交互中心，通過對配電臺區(qū)各種配電終端的全信息采集實現(xiàn)對低壓配電網(wǎng)的全景感知，從而消除配電運維盲區(qū)，實現(xiàn)全流程管控、全專業(yè)支撐的配電臺區(qū)新管理模式;實現(xiàn)對臺區(qū)管轄內(nèi)用戶進(jìn)行就地管理，縮短用戶故障時間，提高配電末端的運維水平[1-2]。

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外廠家相繼推出了智能物聯(lián)網(wǎng)平臺，包括中國移動、騰訊、阿里和華為都有物聯(lián)網(wǎng)實際成功應(yīng)用案例。其中華為發(fā)布了基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的配用電解決方案及Hi-Grid套件，把邊緣計算、物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings,IoT)、云端管理結(jié)合起來，實現(xiàn)了從主站、網(wǎng)絡(luò)、終端的一體化解決方案�；�于物聯(lián)網(wǎng)平臺的低壓配電臺區(qū)數(shù)據(jù)采集方案可以很好地推進(jìn)低壓配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集。

　　1配電物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)

　　為迎接新能源革命的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，電力企業(yè)紛紛向綜合能源服務(wù)企業(yè)轉(zhuǎn)型，尋求應(yīng)用最新的互聯(lián)網(wǎng)理念和“云大物移智”最新技術(shù)來對能源管理進(jìn)行技術(shù)改造[3]，對目前管控能力相對薄弱的配電網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)升級改造是提升智能電網(wǎng)建設(shè)、管理、運維水平的一個切入點。業(yè)界提出的配電物聯(lián)網(wǎng)(distributed-InternetofThings,D-IoT)理念將最新物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)電網(wǎng)，通過各種通信技術(shù)，如電力線通信(powerlinecommunication,PLC)、紅外通信、5G、LoRa、窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrowband-InternetofThings,NB-IoT)、ZigBee等，接入海量配網(wǎng)終端[4-6]，能實時全息感知電力生產(chǎn)、傳輸、消費各環(huán)節(jié)，在全面感知、數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)上提升設(shè)備間互聯(lián)、互通、互操作能力。

　　配電物聯(lián)網(wǎng)具有終端即插即用、設(shè)備廣泛互聯(lián)、狀態(tài)全面感知、云計算協(xié)同、應(yīng)用隨需定制和資源高效利用等特征，配電物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推出可以提高供電可靠性、降低運維成本、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和提升用戶體驗，協(xié)助電力用戶節(jié)能減耗，自主進(jìn)行能效管理[7-8]。

　　分為3個層次，上層是云，云化的主站;下一層是邊，即邊緣計算，將云計算等向邊緣延伸;最后為終端，各類型的智能終端，實現(xiàn)配電網(wǎng)的感知，整體構(gòu)建云邊端的配電物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)[9]。配電物聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)就是將信息化和工業(yè)化進(jìn)行深度的融合，通過信息化力量將原有配電網(wǎng)的生產(chǎn)力進(jìn)一步的釋放，實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

　　2邊緣計算智能終端

　　現(xiàn)階段配電物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計思路是基于“硬件平臺化、軟件APP化”，采用開放式硬件平臺和操作系統(tǒng)，達(dá)到軟硬件解耦，以不同的APP應(yīng)用軟件來擴(kuò)展終端功能[10-11]。新型智能配變終端(distributiontransformersupervisoryterminalunit,TTU)作為配電物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算網(wǎng)關(guān)，面向的不僅僅是配電變壓器，還面向整個配電臺區(qū)、電壓側(cè)設(shè)備，以及信息通信整體管理，并融入了邊緣計算。

　　邊緣計算充分發(fā)揮了云計算的資源整合高通用性以及邊緣側(cè)迅速可靠地響應(yīng)用戶需求，其架構(gòu)的優(yōu)勢在于云端協(xié)同和本地計算，在靠近終端用戶的邊緣側(cè)，開發(fā)靈活高效的數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件APP，例如分布式電源并網(wǎng)、拓?fù)渥R別、負(fù)荷預(yù)測、線損分析、故障研判、風(fēng)險預(yù)警、電動汽車充放電等邊緣計算應(yīng)用，體現(xiàn)配電物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用價值。智能終端網(wǎng)關(guān)同時負(fù)責(zé)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，接入各種配電端設(shè)備，目前配電網(wǎng)領(lǐng)域設(shè)備應(yīng)用的廠家非常多，通過智能配電終端建立協(xié)議庫的方式，最大限度利用已有設(shè)備達(dá)到互聯(lián)互通的目的，不用對原有的設(shè)備進(jìn)行大范圍的改造。

　　3MQTT物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議

　　消息隊列遙測傳輸(messagequeuingtelemetrytransport,MQTT)協(xié)議是IBM在1999年發(fā)布的一個即時通信協(xié)議，更為簡約、輕量、易于使用，適合于受限環(huán)境下的消息分發(fā)，也是為物聯(lián)網(wǎng)場景(帶寬低、網(wǎng)絡(luò)延遲、不穩(wěn)定通信)而設(shè)計的輕量級發(fā)布/訂閱消息傳輸協(xié)議，使用TCP/IP連接，最大優(yōu)點在于可以為計算能力有限、低帶寬的遠(yuǎn)程設(shè)備提供可靠的傳輸[12-13]。

　　MQTT協(xié)議通過客戶端和服務(wù)器端完成通信，分為發(fā)布者(Publisher)、代理(Broker)、訂閱者(Subscriber)三種身份，其中消息代理是MQTT服務(wù)器，消息的發(fā)布者和訂閱者都屬于客戶端且發(fā)布者同時也可以是訂閱者。發(fā)布者和訂閱者并不需要知道對方是否存在，只需要通過IP和端口連接到Broker，Broker能夠根據(jù)不同的話題過濾和分發(fā)消息，實現(xiàn)消息的發(fā)布和訂閱。MQTT對信息傳輸提供三種服務(wù)質(zhì)量(Qos)等級，最多一次(Qos0)，消息可能丟失;至少一次(Qos1)保證消息到達(dá)，但是可能重復(fù);以及只有一次(Qos2)保證消息只到達(dá)一次。端設(shè)備可以直接經(jīng)MQTT協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)平臺通信，也可經(jīng)本地組網(wǎng)通過邊緣計算智能終端再經(jīng)MQTT協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)平臺通信。

　　4典型通信過程

　　4.1設(shè)備即插即用流程

　　邊緣計算智能終端的注冊由主站應(yīng)用發(fā)起，通過調(diào)用設(shè)備注冊接口完成設(shè)備在平臺側(cè)的注冊。1)主站應(yīng)用通過掃碼等方式獲得設(shè)備檔案和SN號。2)主站應(yīng)用下方智能終端的檔案信息給物聯(lián)網(wǎng)平臺。3)物聯(lián)網(wǎng)平臺返回deviceId后，主站側(cè)提示注冊成功，并建立SN碼、deviceId和主站mRid關(guān)聯(lián)關(guān)系。4)主站側(cè)導(dǎo)入臺區(qū)模型文件。5)邊緣計算智能終端上電后通過MQTT協(xié)議請求連接物聯(lián)網(wǎng)平臺，物聯(lián)網(wǎng)平臺匹配注冊信息通過后，返回登錄通過信息給終端。

　　5統(tǒng)一模型

　　物聯(lián)網(wǎng)平臺接入設(shè)備需要編寫設(shè)備的Profile文件，該文件用來描述設(shè)備能力、服務(wù)及如何控制設(shè)備。設(shè)備能力包括設(shè)備類型、廠商、型號、協(xié)議類型名稱及提供的服務(wù)類型。服務(wù)描述可理解為物理設(shè)備的功能模塊或者虛擬設(shè)備提供的服務(wù)，包括命令和屬性。

　　6主站與物聯(lián)網(wǎng)平臺間

　　RESTful接口物聯(lián)網(wǎng)平臺提供了豐富的RESTfulAPI接口給主站應(yīng)用，通過這些接口，實現(xiàn)對設(shè)備的管理(包括設(shè)備的增、刪、查、改)、數(shù)據(jù)上報、命令下發(fā)等業(yè)務(wù)場景。REST(representationalstatetransfer)是一種面向資源的輕量級WebService架構(gòu)，其API具有三個特點：①通過統(tǒng)一資源標(biāo)識符(URI)定位和識別資源;②通過HTTP協(xié)議中定義的方法(PUT,GET,POST,DELETE)對資源進(jìn)行操作;③狀態(tài)無關(guān)性[14]。

　　7結(jié)論

　　本文介紹了一種低壓配電臺區(qū)的數(shù)據(jù)采集方案，以邊緣計算智能終端TTU為網(wǎng)關(guān)，通過PLC、短距無線通信、紅外通信、射頻等通信方式接入臺區(qū)智能電表、無功補(bǔ)償裝置及各種傳感器，基于物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)配電臺區(qū)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)靈活實時接入，設(shè)備間互聯(lián)互通，并為其他應(yīng)用平臺提供數(shù)據(jù)共享融合接口，運用本方案能夠解決配電側(cè)設(shè)備種類多、通信環(huán)境復(fù)雜、數(shù)據(jù)采集困難的問題。

　　電力論文投稿刊物：《廣東電力》(月刊)創(chuàng)刊于1988年，由廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東省電機(jī)工程學(xué)會主辦。為中國期刊方陣“雙效”期刊，中國學(xué)術(shù)期刊綜合評價數(shù)據(jù)庫、中文科技期刊數(shù)據(jù)庫、中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)、萬方數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)字化期刊群、中國期刊網(wǎng)和北極星電力電信網(wǎng)全文收錄期刊，中國電力報刊協(xié)會優(yōu)秀期刊，廣東省優(yōu)秀期刊和廣東省優(yōu)秀科技期刊。

　　方案作為按能源物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算+云計算架構(gòu)來重新設(shè)計的新一代配用電主站系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)接入模塊，結(jié)合廣東電網(wǎng)智能電網(wǎng)示范區(qū)建設(shè)，部署在省局和相應(yīng)的地調(diào)側(cè)，接入部分試點配置智能TTU的智能臺區(qū)、獨立的企業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及智能配電房物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。能夠?qū)崟r全面監(jiān)測臺區(qū)的運行狀態(tài)，進(jìn)行實時大數(shù)據(jù)分析，獲取臺區(qū)的三相負(fù)荷不平衡率、負(fù)載率及可靠性統(tǒng)計分析等，實現(xiàn)低壓配電臺區(qū)的高度智能、高度監(jiān)測及控制，可大大提高管理效率，加強(qiáng)為電力客戶服務(wù)的能力。

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　　作者：王海柱趙瑞鋒郭文鑫劉洋

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