莫宇 孫福強(qiáng)

摘? 要：隨著近期新型智能聯(lián)合終端系統(tǒng)的研發(fā)，原有通過IEC104/IEC101規(guī)約實現(xiàn)配電終端檢測的方法已無法滿足檢測要求。針對配電終端檢測方法與新型智能聯(lián)合終端系統(tǒng)通信協(xié)議不一致的問題，通過HTTP、Kafka、MQTT建立測試平臺與物聯(lián)管理平臺、物管平臺與智能聯(lián)合終端的通信，提出了基于HTTP、Kafka、MQTT的邊緣智能設(shè)備近端和遠(yuǎn)端檢測方法。該方法實現(xiàn)了對新型智能聯(lián)合終端邊緣智能設(shè)備的檢測，有效地提高了邊緣智能設(shè)備出廠的合格率，保障了邊緣智能設(shè)備的正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng);新型智能聯(lián)合終端;邊緣智能設(shè)備檢測

中圖分類號：TP391.44;TN929.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）01-0159-06

Detection Method on Edge Smart Equipment of New Intelligent Joint Terminal

MO Yu，SUN Fuqiang

（Shanghai Sunest Electricity Technology Co.，Ltd.，Shanghai? 200233，China）

Abstract：With the recent research and development of new intelligent joint terminal system，the original detection method of distribution terminal based on IEC104/IEC101 protocol is impossible to meet the detection requirements. Aiming at the problem that the detection method of distribution terminal is inconsistent with the communication protocol of the new intelligent joint terminal system，the communication between the test platform and the IoT management platform，IoT management platform and the intelligent joint terminal are established through HTTP，Kafka and MQTT，and the near end and far end detection method of edge intelligent equipment based on HTTP，Kafka and MQTT is proposed. This method realizes the detection of the edge intelligent equipments of the new intelligent joint terminal，effectively improves the qualified rate of the edge intelligent equipments，and ensures the normal operation of the edge intelligent equipments.

Keywords：distribution network;new intelligent joint terminal;edge intelligent equipment detection

0? 引? 言

隨著配電網(wǎng)智能化的發(fā)展，逐漸形成了主站與配電終端直連的“樹型”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)中配電終端主要以IEC104/IEC101規(guī)約[1-4]作為通信協(xié)議與主站通信。為滿足2009年提出的“堅強(qiáng)智能電網(wǎng)”[5]發(fā)展規(guī)劃，必須在配電終端出廠前對其進(jìn)行合格性檢測。公司通過不斷對配電終端檢測系統(tǒng)的研究和實驗，逐漸形成了一套完整的配電終端檢測方案[6，7]：通過測試系統(tǒng)控制源給終端加量，終端將加量后的信息通過IEC104/IEC101規(guī)約傳輸給測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)通過傳輸前后的數(shù)據(jù)對比以判斷配電終端是否合格，進(jìn)而判斷終端是否滿足出廠要求。

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力行業(yè)不斷應(yīng)用，配電網(wǎng)以“堅強(qiáng)智能電網(wǎng)”為基礎(chǔ)，逐漸向“云、管、邊、端”[8，9]的模式推進(jìn)。國家電網(wǎng)決定設(shè)計并實現(xiàn)一套新型智能聯(lián)合終端系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一接入、運(yùn)營和管控，并將數(shù)據(jù)共享標(biāo)準(zhǔn)化。同時解決了對規(guī)約的理解不一致導(dǎo)致的終端無法接入配電網(wǎng)絡(luò)問題;配網(wǎng)中涉及的智能配變終端[10]，同時實現(xiàn)邊緣物聯(lián)代理與交流采樣功能，功能重復(fù)多余;多配變場景下，多配電變壓器監(jiān)測終端形成多個邊，物聯(lián)代理功能重復(fù)等問題。打破了這種多個專業(yè)“自建煙囪”的局面。

新型智能聯(lián)合終端系統(tǒng)通過“邊端分離”，將邊設(shè)備與端設(shè)備分開，解決了邊端一體化造成終端重復(fù)配置的問題。從一個終端一個邊，到一個現(xiàn)場一個邊，即“一邊一端”到“一邊多端”，實現(xiàn)了邊緣計算和區(qū)域自治的功能。系統(tǒng)中設(shè)計的物聯(lián)管理平臺能夠?qū)λ薪尤氘a(chǎn)品定義統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定必要的產(chǎn)品接入原則，根據(jù)邊設(shè)備的具體功能進(jìn)行產(chǎn)品的選型，以達(dá)到按需定制、按需部署的目的。

由于系統(tǒng)中應(yīng)用設(shè)備與終端通過MQTT和CoAP協(xié)議進(jìn)行通信，這種通信方式導(dǎo)致公司原有使用IEC104/IEC101協(xié)議進(jìn)行終端通信的檢測系統(tǒng)在該系統(tǒng)中無法實現(xiàn)閉環(huán)測試。因此針對配電終端檢測系統(tǒng)在新型系統(tǒng)下的構(gòu)建和應(yīng)用問題，提供了兩種解決方案。本文將兩種解決方案部署于江蘇電力科學(xué)研究院有限公司進(jìn)行實際的驗證和終端檢測，實驗發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)端檢測方法能夠在保證終端數(shù)據(jù)安全性的同時，能有效地實現(xiàn)智能設(shè)備檢測。這既為終端檢測提供了新方法，又為新舊系統(tǒng)與新型智能聯(lián)合終端系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了思路。

1? 相關(guān)工作

現(xiàn)有的智能配電網(wǎng)是以一個主站多個終端的形式構(gòu)建，它們通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，使用IEC104/IEC101規(guī)約與主站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如圖1所示。DTU、FTU、TTU就是與配電主站連接的配電終端，與配電終端直連的是電網(wǎng)中的一次設(shè)備。通過這種方式采集一次設(shè)備信息，并為主站提供相應(yīng)的三遙數(shù)據(jù)。

配電終端檢測系統(tǒng)主要通過模擬智能配電網(wǎng)中各種設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，來對配電終端進(jìn)行檢測。其中，配電終端檢測系統(tǒng)模擬配電主站;源模擬電網(wǎng)中的一次設(shè)備。配電終端檢測的主要流程為：使用配電終端檢測系統(tǒng)控制源對配電終端加量，配電終端將加量后的數(shù)據(jù)傳輸給配電終端檢測系統(tǒng)，如圖2所示。配電終端檢測系統(tǒng)通過通信網(wǎng)絡(luò)與源和配電終端DTU連接。源與配電終端檢測系統(tǒng)通過相應(yīng)的源協(xié)議進(jìn)行通信，同時與DTU直連。當(dāng)使用配電檢測系統(tǒng)進(jìn)行配電終端檢測時，配電終端檢測系統(tǒng)會通過對應(yīng)的源協(xié)議來控制源給配電終端加量，配電終端檢測系統(tǒng)從DTU中獲取遙信、遙測等數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)分析和對比，判斷配電終端的功能是否正常、是否滿足出廠要求。

國家電網(wǎng)在2019年提出了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)體系，體系包含“云、管、邊、端”四個層面。其中，“云”代表物聯(lián)網(wǎng)云管理，“管”代表通信方式，“邊”代表邊緣計算，“端”代表智能終端。國家電網(wǎng)根據(jù)這種體系架構(gòu)設(shè)計并研發(fā)了新型智能聯(lián)合終端系統(tǒng)，如圖3所示。該系統(tǒng)采用物聯(lián)管理平臺作為企業(yè)中臺與邊緣智能設(shè)備之間通信的管理者和數(shù)據(jù)的分發(fā)者。通過物聯(lián)管理平臺，將原有企業(yè)應(yīng)用與邊緣智能設(shè)備之間“多對多”關(guān)系分解成“多對一”和“一對多”的關(guān)系。同時采用“邊端分離”的策略，將對智能設(shè)備的功能進(jìn)行分解。這些方式共同解決了檢測過程配置繁瑣、功能重復(fù)多余和多配變場景下物聯(lián)代理功能重復(fù)的問題。

雖然新型智能聯(lián)合終端系統(tǒng)能夠解決現(xiàn)有企業(yè)應(yīng)用與邊緣智能設(shè)備之間的諸多問題，但由于新模式與現(xiàn)有模式使用通信協(xié)議的不同，導(dǎo)致原有使用IEC104/IEC101規(guī)約作為通信協(xié)議的配電終端檢測系統(tǒng)無法在新系統(tǒng)中使用，因此本文針對配電終端檢測系統(tǒng)在新型智能聯(lián)合終端系統(tǒng)中應(yīng)用的問題，提出邊緣智能設(shè)備近端檢測方法和邊緣智能設(shè)備遠(yuǎn)端檢測方法。

2? 邊緣智能設(shè)備近端檢測方法

近端檢測方法采用原有配電終端檢測系統(tǒng)與配電終端的通信方式，反應(yīng)在新型智能聯(lián)合終端系統(tǒng)中就是邊緣智能設(shè)備檢測系統(tǒng)不經(jīng)過物聯(lián)管理平臺，直接通過MQTT[11，12]與邊緣智能設(shè)備通信來進(jìn)行設(shè)備的測試。

圖4為本文設(shè)計的邊緣智能設(shè)備近端檢測方法，該方法通過MQTT使檢測系統(tǒng)與邊緣智能設(shè)備通信，使用源協(xié)議控制源以直連的方式給待測設(shè)備加量，進(jìn)而實現(xiàn)邊緣智能設(shè)備的檢測。

檢測的具體流程為：

（1）建立MQTT連接，并對邊緣智能設(shè)備進(jìn)行配置;

（2）通過源協(xié)議控制源給邊緣智能設(shè)備加量;

（3）邊緣智能檢測系統(tǒng)接收設(shè)備通過MQTT返回的JSON字符串;

（4）解析JSON字符串并與實際數(shù)據(jù)對比并返回檢測結(jié)果。

下文給出了接收到的一段遙測數(shù)據(jù)JSON字符串：

{

"app"："yongcai2.0"，

"param"：

{

"method"："analog"，

"data"：

{

"PhV_phsA"："220.4"，

"PhV_phsB"："220.7"，

…….

…….

}

}，

…….

…….

"timestamp"："2020-08-20 18：49：57"

}

}

其中，“app”是獲取數(shù)據(jù)時訪問的應(yīng)用程序;“param”即是用于程序“yongcai2.0”返回的數(shù)據(jù);“timestamp”表示該命令返回的時間;在數(shù)據(jù)“param”中，“method”代表數(shù)據(jù)的類型，標(biāo)注數(shù)據(jù)為遙信、遙測還是其他數(shù)據(jù)，這里的“analog”為遙測數(shù)據(jù);“data”中的內(nèi)容即為采到的遙測數(shù)據(jù)，“PhV_phsA”表示A項電壓為220.4 V，“PhV_phsB”表示B項電壓為220.7 V;根據(jù)JSON中規(guī)定節(jié)點(diǎn)的含義，解析并提取字符串中的內(nèi)容，判斷該設(shè)備是否存在故障。

公司在聯(lián)合終端測試現(xiàn)場將測試平臺與聯(lián)合終端鏈接，并實現(xiàn)MQTT通信后，對其遙測、遙信和故障告警等功能進(jìn)行測試，測試期間更換同一廠家的多個不同終端和多個廠家的多個不同終端分別進(jìn)行檢測測試。從檢測過程中可以看出，邊緣智能設(shè)備近端檢測方法有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）檢測設(shè)備無需通過IEC104規(guī)約進(jìn)行通信，避免了不同企業(yè)對IEC104規(guī)約理解不同導(dǎo)致的協(xié)議間的差異性;

（2）通過使用JSON字符串命令，可以清晰地判斷發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，大大縮短了遇到問題時分析報文的時間;

（3）該檢測方法通過MQTT協(xié)議能夠成功為邊緣智能設(shè)備提供檢測服務(wù)。

但是由于檢測設(shè)備通過MQTT直接與邊緣智能設(shè)備通信，且使用新型智能聯(lián)合終端需要定義邊緣智能設(shè)備返回的數(shù)據(jù)，無法避免對同種邊緣設(shè)備的多次配置。因此對于小批量設(shè)備檢測具有較好的效果，對于大批量設(shè)備的檢測會因為煩瑣的配置而力不從心。針對這一缺點(diǎn)，本文提出了邊緣智能設(shè)備遠(yuǎn)端檢測方法。

3? 邊緣智能設(shè)備遠(yuǎn)端檢測方法

遠(yuǎn)端檢測方法將檢測系統(tǒng)結(jié)合到新型智能聯(lián)合終端系統(tǒng)“一管多用”的思想中。該方法使檢測裝置通過HTTP協(xié)議[13，14]與物聯(lián)管理平臺通信，并從Kafka[15，16]消息隊列消費(fèi)由物聯(lián)管理平臺轉(zhuǎn)發(fā)的邊緣智能設(shè)備數(shù)據(jù)如圖5所示，同樣接收J(rèn)SON字符串來分析和解析數(shù)據(jù)。

由于遠(yuǎn)端檢測方法與近端檢測方法的通信方式發(fā)生了轉(zhuǎn)變，因此他的通信流程和JSON報文的解析方式也發(fā)生了改變。具體流程為：

（1）建立HTTP連接，啟動Kafka消息隊列的消費(fèi)模式;

（2）通過HTTP發(fā)送JSON字符串形式的命令或請求信息對邊緣智能設(shè)備進(jìn)行配置，并接收HTTP傳輸?shù)姆祷亟Y(jié)果;

（3）首先需要對HTTP命令提取JSON字符串，然后進(jìn)行JSON解析。根據(jù)解析后的數(shù)據(jù)，判斷配置是否成功，完成后由物聯(lián)管理平臺統(tǒng)一保存，之后對同一類設(shè)備進(jìn)行測試無需再次配置。HTTP返回的命令為：

2020-08-20 11：09：43：接收{(diào)"id"："1001"， "errMsg"："成功"，? "value"：{"modelId"："23010001170007"}， "code"：2000}

（4）通過源協(xié)議控制源給邊緣智能設(shè)備加量;

（5）消費(fèi)Kafka數(shù)據(jù)，得到的JSON字符串為：

{

…….，

"drdId"："1100001000110009"，

"topic"："service_data_2"，

…….，

"content"：{

"app"："yongcai2.0"，

"param"：

{

"method"："analog"，

"data"：

{

"PhV_phsA"："220.4"，

"PhV_phsB"："220.7"，

…….，

…….，

}

}，

…….，

…….，

"timestamp"："2020-08-20 19：50：32"

}

}

將得到的JSON字符串進(jìn)行解析，判斷設(shè)備是否故障。

在整個過程中，HTTP返回請求成功信息的同時，通過MQTT向邊緣智能設(shè)備發(fā)送相應(yīng)命令。當(dāng)接收到邊緣智能設(shè)備返回的結(jié)果時，物聯(lián)管理平臺以生產(chǎn)者的角色將返回值發(fā)送到Kafka消息隊列，然后由測試裝置消費(fèi)。

上文（5）中給出的代碼為Kafka消費(fèi)到的遙測數(shù)據(jù)，其中“content”部分即為第2小節(jié)中通過MQTT收到的JSON字符串;“drdId”為初始設(shè)備配置時產(chǎn)生的設(shè)備編號;“topic”是消費(fèi)到的數(shù)據(jù)的主題。檢測系統(tǒng)通過解析并對比該字符串包含的數(shù)據(jù)以實現(xiàn)對邊緣智能設(shè)備的故障性檢測。

同樣，公司在實現(xiàn)近端檢測方法的同時，根據(jù)其缺點(diǎn)和不完善性，又將遠(yuǎn)端檢測方法進(jìn)行了現(xiàn)場測試，采用多TTU同時鏈接同時測試的方式，該方法完全勝任檢測工作，并能夠提高設(shè)備檢測合格率，降低復(fù)檢概率。

邊緣智能設(shè)備遠(yuǎn)端檢測方法有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）物聯(lián)管理平臺將檢測設(shè)備與待檢測設(shè)備分隔開，檢測設(shè)備只需對同一類型的待測設(shè)備進(jìn)行一次配置，減少了多次配置設(shè)備帶來的重復(fù)勞動;

（2）檢測設(shè)備可以直接通過HTTP命令獲取命令是否發(fā)送成功的信息，減少了開發(fā)人員的工作量，同時將發(fā)送的消息標(biāo)準(zhǔn)化;

（3）通過使用JSON字符串命令，可以清晰地判斷發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，大大縮短了遇到問題時分析報文的時間。

通過遠(yuǎn)端檢測方法成功解決了近端檢測方法帶來的重復(fù)勞動問題，可以實現(xiàn)大批量邊緣智能設(shè)備檢測。

4? 與IEC104差異對比

4.1? 配置、適用場景對比

本節(jié)從終端檢測方法與新型智能聯(lián)合終端系統(tǒng)的兼容性入手，通過多次終端檢測和配置結(jié)果得出表1所示的數(shù)據(jù)。其中，配置次數(shù)為檢測裝置對多臺待檢設(shè)備的配置，原有104規(guī)約的檢測方法需要通過檢測裝置對每一臺設(shè)備進(jìn)行配置。

從表1可以看出，原有IEC104檢測方法已不能與新型智能聯(lián)合終端系統(tǒng)兼容，本文提出的兩種方法，均可以實現(xiàn)在新型智能聯(lián)合終端系統(tǒng)上進(jìn)行邊緣智能設(shè)備檢測的目的。并且因為物聯(lián)管理平臺介入的原因，使得遠(yuǎn)端檢測方法配置次數(shù)更少，更加適合用于大批量邊緣智能設(shè)備的檢測。

4.2? 報文類型和功能對比

由于原有邊緣智能設(shè)備檢測方法使用的是IEC104規(guī)約進(jìn)行通信，而本文提出的兩種方法使用新型的通信方式。針對他們的通信方式不同，本節(jié)提取了原有IEC104檢測方法、近端檢測方法和遠(yuǎn)端檢測方法通信過程中的遙測報文數(shù)據(jù)，并對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，如表2所示。

從表2中可以看出原有IEC104的檢測方法接收到的數(shù)據(jù)為報文，如果檢測出智能終端存在問題，需要對接收的報文逐位分析，這個過程特別煩瑣，且容易解析錯誤。本文提出的近端和遠(yuǎn)端檢測方法，通過接收J(rèn)SON字符串的形式獲取報文。此時，檢測人員可以通過返回結(jié)果直接獲取到數(shù)據(jù)，以分析故障原因。而遠(yuǎn)端檢測方法返回的JSON字符串內(nèi)容更加詳細(xì)，從報文中可以獲得設(shè)備編號等信息，使得終端的檢測和物聯(lián)管理平臺的管控更加方便。

5? 結(jié)? 論

針對新型智能聯(lián)合終端系統(tǒng)中配電終端檢測系統(tǒng)的構(gòu)建和應(yīng)用問題，本文提出了新型智能聯(lián)合終端邊緣智能設(shè)備近端檢測方法和遠(yuǎn)端檢測方法。分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，并針對它們的配置、使用場景和報文類型及功能進(jìn)行了對比。為原有系統(tǒng)在新型智能聯(lián)合終端系統(tǒng)上的接入提供了思路。

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作者簡介：莫宇（1983—），男，漢族，上海人，工程師，碩士，研究方向：計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。