孔震

通過對國家電網公司主配網通道、設備和客戶側的狀態(tài)感知現(xiàn)狀及問題的分析，以及對消費側物聯(lián)網與工業(yè)級物聯(lián)網的特征比較，闡述基于泛在電力物聯(lián)網的智慧物聯(lián)體系的構建思路，提出重點加強業(yè)務邊緣計算能力的觀點，具體描述符合泛在電力物聯(lián)網建設要求的工業(yè)級智慧物聯(lián)網多層體系架構，對其中物聯(lián)管理平臺、邊緣物聯(lián)代理等關鍵技術進行研究，重點分析基于物模型的設備管理、數(shù)據處理、連接管理、應用管理、邊緣計算框架等功能，為泛在電力物聯(lián)網的智慧物聯(lián)體系建設提供依據。

一、引言

國家電網公司（以下簡稱國網公司）提出的泛在電力物聯(lián)網建設工作，旨在以互聯(lián)網思維，優(yōu)化傳統(tǒng)的信息通信及安全架構，以“云大物移智鏈”等新技術為傳統(tǒng)電網賦能，提高電網的感知能力和互動能力，進而提升電網運行質效、客戶服務質量和社會綜合能效，構建廣泛互聯(lián)、開放共享的能源互聯(lián)網生態(tài)圈。

面對電網傳統(tǒng)業(yè)務及智慧能源等新興業(yè)務，電網設備及客戶側感知、采集和監(jiān)控等需求日益增強，國網公司亟需構建一套標準化、互動化、智能化的物聯(lián)管理體系，以能實時感知各類設備及客戶側的海量運行信息，并對傳感設備進行統(tǒng)一接入管理，實現(xiàn)智慧物聯(lián)、深度感知、友好互動的建設目標。

二、現(xiàn)狀分析

國網公司經過十多年的自動化及信息化系統(tǒng)建設，物聯(lián)網應用已具有一定基礎，狀態(tài)感知的范圍主要包括設備電流、電壓、功率等電氣狀態(tài)，設備故障、形變、放電、溫度等設備本體狀態(tài)，設備運行場所溫濕度、煙感等環(huán)境狀態(tài)。在輸變電側，通過遠程終端設備（Remote Terminal Unit，RTU）采集變壓器等主網設備運行狀態(tài)和電氣狀態(tài)，接入調度自動化系統(tǒng)，設備及線路的環(huán)境狀態(tài)感知較弱。在中壓配網側，通過配電自動化饋線終端裝置（Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU）和開閉所及環(huán)網柜的終端設備（Data Transfer Unit，DTU）采集中壓配網設備的負荷、電壓、功率和開關位置等遙測數(shù)據接入配電自動化系統(tǒng)，但受限于當前配電網量測裝置覆蓋率低，設備及線路的環(huán)境狀態(tài)感知較弱。在低壓配網側，通過智能配變終端（Distribution Transformer Supervisory Terminal Unit，TTU）采集配電變壓器等低壓配電設備的運行數(shù)據，相關設備規(guī)模龐大但標準化程度低。在低壓臺區(qū)側，通過電表和用采集中器定時采集或召測用電關口數(shù)據接入用電信息采集系統(tǒng)。

與泛在電力物聯(lián)網“全息感知、泛在連接、開放共享、融合創(chuàng)新”的提升目標相比，國網公司現(xiàn)有的設備及客戶側感知能力仍顯不足。一是公司現(xiàn)有感知系統(tǒng)由專業(yè)主導建設，以滿足專業(yè)應用為主，各專業(yè)形成橫向條塊化、縱向垂直化的獨立體系，傳感設備重復部署，難以實現(xiàn)一次采集、共享共用。二是在配用電等環(huán)節(jié)，狀態(tài)感知設備覆蓋面不廣，設備狀態(tài)及客戶側用能信息感知不全且不及時。三是在互聯(lián)網側缺少感知來源，網絡部署結構無法支撐綜合能源服務、數(shù)據運營等新業(yè)態(tài)發(fā)展。四是現(xiàn)有感知體系未按標準化建設，難以集中統(tǒng)一管控，無法敏捷響應應用需求，需要大量現(xiàn)場運維工作。基于上述原因，國網公司亟需構建企業(yè)級的泛在電力物聯(lián)網智慧物聯(lián)體系。

三、總體思路

物聯(lián)網被IT業(yè)界認為是互聯(lián)網發(fā)展的“下半場”，率先在消費側通過先進的信息通信技術，接入個人或家庭的健康手環(huán)、智能盒子等海量終端，實現(xiàn)對健康數(shù)據、消費數(shù)據等非實時感知數(shù)據的分布采集和集中處理，推動了消費側商業(yè)模式升級。支撐消費側物聯(lián)網應用場景的物聯(lián)體系架構通常采用弱邊緣智能計算、強集中智能處理的設計思路，即強化云平臺能力、降低邊端復雜度，以能夠進一步降低消費側感知設備的成本，最大程度拓寬感知范圍。以制造業(yè)為典型的工業(yè)級物聯(lián)網應用場景，實現(xiàn)了對設備本體的實時感知和就地控制，對設備本體感知設備的智能計算要求較高，其物聯(lián)體系架構通常采用強終端智能計算的設計思路。

在電網系統(tǒng)，從變電站到客戶側，狀態(tài)感知的地域范圍逐步縮小、設備量級逐步增大，且需滿足工業(yè)級逐級控制的應用場景要求，對區(qū)域邊緣、設備及客戶側等感知末端的接入種類、計算能力、安全性和智能化要求較高，而消費側物聯(lián)體系架構在邊緣和終端層面的相關能力尚有不足，傳統(tǒng)工業(yè)級物聯(lián)體系架構在邊緣層面的相關能力也不充分。故而，滿足泛在電力物聯(lián)網建設要求的智慧物聯(lián)體系需重點加強物聯(lián)邊緣和終端的能力，在中心化的物聯(lián)平臺層面要支持多類型邊緣和終端的上行接入和下行控制，且邊緣和終端之間也需具備智能互動能力，進而支持區(qū)域自治等應用場景。

四、體系架構

結合泛在電力物聯(lián)網建設要求，借鑒業(yè)界成熟物聯(lián)網體系架構，泛在電力物聯(lián)網的智慧物聯(lián)體系采用“邊端分離、邊管共用”的多層體系架構，參見圖1。在“端”側，即感知層，支持DTU、FTU、TTU、智能電表、采集器、充電樁、攝像頭、機器人等傳統(tǒng)設備，以及未來智能家居、辦公樓宇、工業(yè)園區(qū)等客戶側新型感知設備的接入。在“邊”側，即邊緣物聯(lián)代理，支持區(qū)域內不同類型感知設備的統(tǒng)一接入和管理，并可實現(xiàn)基于邊緣物聯(lián)代理裝置的就地計算和區(qū)域自治，避免因海量數(shù)據上傳云端加工處理而產生的帶寬浪費和響應延時等問題。感知終端通過短距離無線通信手段與邊緣物聯(lián)代理進行交互，也可通過無線公網或無線專網直接接入物聯(lián)管理平臺。在“管”側，即物聯(lián)管理平臺，實現(xiàn)對感知設備及邊緣物聯(lián)代理的統(tǒng)一管理，并對接入數(shù)據按標準規(guī)約轉換后，轉發(fā)至“云”端的業(yè)務中臺/數(shù)據中臺，為業(yè)務分析和管控類企業(yè)級應用提供基礎支撐。

此架構的目標是，末端感知設備只采集基本電氣或狀態(tài)量，不做復雜計算，通過在一個基本單元區(qū)域，如一個用電臺區(qū)范圍內，部署一套邊緣物聯(lián)代理裝置，統(tǒng)一匯集和處理配網和營銷等各專業(yè)末端采集信息并傳送至省級統(tǒng)一部署的物聯(lián)管理平臺，即通過感知終端與邊緣物聯(lián)代理的“邊端分離”，實現(xiàn)同區(qū)域范圍、不同專業(yè)間的“邊管共用”，避免感知設備因功能復雜導致成本偏高、因重復部署導致同類數(shù)據多次采集等問題。

五、關鍵技術

（一）物聯(lián)管理平臺

物聯(lián)管理平臺通常在每省電力公司的云端部署一套，主要包括設備管理、數(shù)據處理、連接管理、應用管理等功能模塊，實現(xiàn)對所轄范圍內各類“邊“和”端”的智能設備的統(tǒng)一管理和狀態(tài)采集。

設備管理包括設備模型、設備注冊、設備影子、設備拓撲、實時監(jiān)控、遠程運維等模塊。其中，設備模型是設備管理和數(shù)據處理的基礎，借鑒信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physics System，CPS）理念，采用物模型（Thing Specification Language，簡稱TSL）設計思路，即將物理空間中的實體模型化、數(shù)字化，從屬性（遙測）、事件（遙信）、服務（遙控）三個維度進行模型定義及管理。屬性定義終端的靜態(tài)參數(shù)，如終端類型、終端ID等，以及量測量，如電壓、電流、有功功率等；事件定義終端發(fā)生的動作，如過流事件、斷相事件、磁場異常事件等；服務定義對終端的控制操作，如終端對時、數(shù)據召測等。物聯(lián)管理平臺對各專業(yè)終端物模型進行定義并下發(fā)到邊緣物聯(lián)代理，在邊緣物聯(lián)代理處，傳感信息聚合至物模型，上傳至物聯(lián)管理平臺進行校核和數(shù)據規(guī)約轉換。設備影子通常是一段JSON格式的描述信息，用于存儲設備的在線狀態(tài)、設備最近一次上報的設備屬性值、應用服務器期望下發(fā)的配置等。每個設備有且只有一個設備影子，設備可以獲取和設置設備影子以此來同步設備屬性值，該同步可以是影子同步給設備，也可以是設備同步給影子。

數(shù)據處理包括規(guī)則引擎、實時計算、流計算、數(shù)據緩存等模塊，實現(xiàn)對各專業(yè)終端采集數(shù)據的解析處理，通過規(guī)則引擎對采集數(shù)據進行加工、清洗、轉換和分發(fā)，通過緩存處理或就地計算等技術手段合理降低上行流量壓力。

連接管理包括協(xié)議轉換、安全認證、消息總線、負責均衡等模塊，實現(xiàn)對各專業(yè)終端的身份認證和接入管理，可通過消息總線等方式上載終端狀態(tài)數(shù)據或下發(fā)服務端的配置及控制信息，并支持各類通信通道的統(tǒng)一接入和管理，通常在終端側包含用于安全認證的加密芯片

應用管理包括應用商店、應用注冊、應用監(jiān)控、應用升級等模塊，實現(xiàn)對各專業(yè)APP應用上架、發(fā)布、升級、配置、調試、監(jiān)控、下架的全生命周期管理，可通過遠程批量升級等方式，實現(xiàn)APP按需快速部署或更新至邊緣物聯(lián)代理或其它智能終端設備。

（二）邊緣物聯(lián)代理

邊緣按消費側物聯(lián)網架構通常分為個人邊緣、業(yè)務邊緣、云邊緣三類，泛在電力物聯(lián)網中的邊緣物聯(lián)代理類似業(yè)務邊緣，通常部署在臺區(qū)等區(qū)域，主要用于匯聚和處理區(qū)域內各類溫濕度傳感器、電氣設備傳感器、機器人感知的信息。

邊緣物聯(lián)代理包括操作系統(tǒng)、應用容器、模型管理、接入管理、內存庫、通信模組、邊緣計算框架[等功能模塊。其中，操作系統(tǒng)可基于centOS等定制研發(fā)，實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測、安全認證和接入、安全升級、實時調度、可信度量等功能。應用容器實現(xiàn)應用空間及權限隔離，以支持不同專業(yè)APP的獨立部署和運行。模型管理與物聯(lián)管理平臺的設備模型功能對應，實現(xiàn)物聯(lián)管理平臺設備模型的統(tǒng)一下發(fā)及對智能終端設備的管理。邊緣計算框架是邊緣物聯(lián)代理內嵌APP的開發(fā)和運行環(huán)境，封裝設備模型管理、子設備接入、消息總線、規(guī)則引擎、內存計算等基礎功能服務，支撐邊緣智能計算等應用。

六、展望

泛在電力物聯(lián)網智慧物聯(lián)體系后續(xù)建設工作的關鍵是制修訂相關標準，實現(xiàn)各類電網側和用戶側既有和新增智能感知終端的廣泛接入和規(guī)范采集，通過物聯(lián)管理平臺實現(xiàn)海量終端的連接和數(shù)據接入，持續(xù)向配網的網格化和智能化方向探索，逐漸構建邊緣智能計算能力，穩(wěn)步實現(xiàn)以區(qū)域自治為核心的智慧臺區(qū)建設，形成用戶分鐘級用能數(shù)據匯聚，支撐電網智慧運營及新業(yè)態(tài)拓展，形成跨專業(yè)數(shù)據共享共用的生態(tài)，充分發(fā)揮數(shù)據資產價值，為全社會效能提升貢獻更大價值。

作者單位：南瑞集團有限公司