施 溈，周 鵬，富 思

（1.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南京 210009；2.南京大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，南京 210093；3.北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100089）

近幾年，隨著新興技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多諸如云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈等信息技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，數(shù)據(jù)信息化革新席卷各個(gè)行業(yè)[1]。 同樣，互聯(lián)網(wǎng)能源面臨上億級(jí)終端接入、海量數(shù)據(jù)高效處理、業(yè)務(wù)應(yīng)用融合創(chuàng)新等一系列問(wèn)題[2]。 并且當(dāng)前電力企業(yè)的電網(wǎng)也正在向數(shù)字電網(wǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)，但由于電網(wǎng)中各個(gè)業(yè)務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，往往缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[3]，在運(yùn)營(yíng)和功能實(shí)現(xiàn)上通常參差不齊，在系統(tǒng)層面沒(méi)有統(tǒng)籌規(guī)劃，導(dǎo)致電網(wǎng)業(yè)務(wù)模塊之間的協(xié)同不是十分有效[4]。 因此借鑒互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)是電力行業(yè)迫在眉睫的任務(wù)。 目前在整個(gè)電力系統(tǒng)中，運(yùn)用傳感器、智能電表的終端設(shè)備以及服務(wù)管理平臺(tái)[5]，形成全鏈路的監(jiān)測(cè)是重要的發(fā)展趨勢(shì)。 邊緣計(jì)算可彌補(bǔ)電力數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)的問(wèn)題。 智慧物聯(lián)體系是能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的技術(shù)基石，而其中的邊緣計(jì)算框架是實(shí)現(xiàn)終端統(tǒng)一接入管理、數(shù)據(jù)共享共用等需求的核心。 本文提出的全鏈路監(jiān)測(cè)，是一種基于智慧物聯(lián)體系和邊緣計(jì)算的新型監(jiān)控手段，可助力電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型。

1 研究背景

近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)外針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，各國(guó)都開(kāi)展了各項(xiàng)研究和應(yīng)用，在國(guó)外尤其以歐美國(guó)家為主[6-7]。 電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來(lái)越大，電力負(fù)荷數(shù)據(jù)爆炸性增長(zhǎng)[8]，利用邊緣計(jì)算技術(shù)對(duì)電力服務(wù)進(jìn)行有效地業(yè)務(wù)場(chǎng)景監(jiān)控是十分重要的。 研究的核心主體也逐漸由物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步發(fā)展成對(duì)頂層架構(gòu)的研究[9]，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的體系架構(gòu)多種多樣，有效賦能前端業(yè)務(wù)應(yīng)用和業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的靈活調(diào)整[10]。 通過(guò)這類(lèi)的體系架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，可以完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理的功能[11]，對(duì)整體的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)形成良好的指導(dǎo)意義。 以美國(guó)的麻省理工學(xué)院的Auto-ID 實(shí)驗(yàn)室為例[12]，該實(shí)驗(yàn)室提出的Networked Auto-ID 體系結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)[13]。 美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)提出的Physical-net 體系也對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生實(shí)際的進(jìn)步意義[14]。除此之外，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織提出的M2M 架構(gòu)與歐盟FP7 計(jì)劃提出的IoT-A，SENSEI 架構(gòu)是眾多歐盟國(guó)家主導(dǎo)的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)[15-16]，具有十分重要的戰(zhàn)略地位。 而在亞洲，以日本和韓國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展最為迅速，日本的基于uID 的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和韓國(guó)的泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)USN 是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的重要代表[17]。 為了縮短與國(guó)外在物網(wǎng)技術(shù)方面的差距，我國(guó)在2009年提出了“感知中國(guó)”戰(zhàn)略[18]，大力發(fā)展中國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)。 以物聯(lián)體系的基礎(chǔ)設(shè)施為首，打造新興的科技模式和應(yīng)用模式，尤其以區(qū)塊鏈技術(shù)和云計(jì)算為主的軟件基礎(chǔ)設(shè)施正在大力建設(shè)中。自2019年開(kāi)始，國(guó)網(wǎng)公司開(kāi)始進(jìn)行智慧物聯(lián)體系的相關(guān)建設(shè)工作，智慧物聯(lián)體系包括物聯(lián)管理平臺(tái)、邊緣物聯(lián)代理以及營(yíng)銷(xiāo)、配電等多個(gè)專(zhuān)業(yè)的業(yè)務(wù)終端。

2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智慧物聯(lián)體系

智慧物聯(lián)體系是電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和業(yè)務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，其核心是物聯(lián)管理平臺(tái)、邊緣物聯(lián)代理以及各類(lèi)型終端的標(biāo)準(zhǔn)化接入[19]。 本文實(shí)現(xiàn)的智慧物聯(lián)體系整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智慧物聯(lián)體系架構(gòu)Fig.1 Smart IoT system architecture

該架構(gòu)分為感知層、平臺(tái)層、應(yīng)用層3 個(gè)層次。感知層是整體架構(gòu)的基礎(chǔ)，包括配電終端、變電終端、輸電終端等，通過(guò)邊緣物聯(lián)代理與平臺(tái)層進(jìn)行智能交互，交互方式為MQTT 協(xié)議。 平臺(tái)層為物聯(lián)管理平臺(tái)和業(yè)務(wù)中臺(tái)，物聯(lián)管理平臺(tái)與國(guó)網(wǎng)（一級(jí)）物聯(lián)平臺(tái)和ISC 進(jìn)行實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，為應(yīng)用層提供服務(wù)。應(yīng)用層為國(guó)網(wǎng)應(yīng)用以及配電主站。

2.2 邊緣計(jì)算框架

邊緣計(jì)算是指在實(shí)際物體或者數(shù)據(jù)源的邊緣側(cè)構(gòu)建應(yīng)用平臺(tái)，該平臺(tái)由于緊鄰數(shù)據(jù)源可以高效地提供計(jì)算、存儲(chǔ)等服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)服務(wù)能力的最大化。 邊緣物聯(lián)代理部署在現(xiàn)場(chǎng)具備邊緣計(jì)算能力，其核心是邊緣計(jì)算框架。 本文研究的邊緣計(jì)算框架運(yùn)行于硬件設(shè)備上，為電網(wǎng)的邊緣應(yīng)用APP 提供應(yīng)用開(kāi)發(fā)和運(yùn)行環(huán)境。 該框架的云邊交互協(xié)議是基于物聯(lián)網(wǎng)通用的消息隊(duì)列傳輸協(xié)議（即MQTT 協(xié)議，輕量級(jí)開(kāi)放協(xié)議），實(shí)現(xiàn)了與平臺(tái)的智能交互。 云邊交互框架設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 云邊交互框架圖Fig.2 Cloud edge interaction framework diagram

用戶在應(yīng)用商店下載相關(guān)業(yè)務(wù)APP，與邊緣計(jì)算側(cè)進(jìn)行交互，利用MQTT 協(xié)議與物聯(lián)管理平臺(tái)產(chǎn)生數(shù)據(jù)連接。 通過(guò)REST API 與物聯(lián)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)完成對(duì)用戶用電信息的采集工作。 配電云主站與企業(yè)中臺(tái)、企業(yè)中臺(tái)與物聯(lián)管理平臺(tái)間也實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)。 在實(shí)現(xiàn)的邊緣計(jì)算框架支撐下，全鏈路間的各節(jié)點(diǎn)間通信方式統(tǒng)一化，構(gòu)建出全鏈路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行基礎(chǔ)。

2.3 全鏈路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

服務(wù)具有不同的維度，依照服務(wù)維度進(jìn)行劃分，多個(gè)服務(wù)功能經(jīng)常會(huì)蘊(yùn)含在一次應(yīng)用請(qǐng)求中。 互聯(lián)網(wǎng)的軟件模塊可能是由不同的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)、使用不同的編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)、分布在幾千臺(tái)服務(wù)器，橫跨多個(gè)不同的數(shù)據(jù)中心[20]。 全鏈路性能監(jiān)控依據(jù)維度層次，從系統(tǒng)整體出發(fā)，落實(shí)到系統(tǒng)的局部維度，考量各個(gè)維度的各項(xiàng)指標(biāo)。 全鏈路性能監(jiān)控是針對(duì)智慧物聯(lián)的所有跨鏈應(yīng)用的性能集中調(diào)度和監(jiān)測(cè)，綜合整體和局部的性能， 用于減少排查故障的時(shí)間，并且對(duì)于系統(tǒng)的故障分析也提供相應(yīng)的保障手段。

TTU（transformer terminal unit）是裝設(shè)在配電變壓器、箱變等變壓器設(shè)備旁，監(jiān)測(cè)變壓器運(yùn)行狀況的終端裝置。 TTU 的主要作用是采集并處理配電變壓器低壓側(cè)的各種電量等參數(shù)，并將這些參數(shù)向上級(jí)傳輸，監(jiān)視變壓器運(yùn)行狀況，當(dāng)變壓器發(fā)生故障時(shí)及時(shí)上報(bào)。

全鏈路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：物聯(lián)管理平臺(tái)—邊緣計(jì)算框架—全鏈路監(jiān)測(cè)APP—TTU 采集APP—采集終端。 核心APP 運(yùn)行于TTU 或邊緣代理上，監(jiān)測(cè)底層數(shù)據(jù)在硬件端及各APP 間鏈路的通暢性與實(shí)時(shí)性是全鏈路監(jiān)測(cè)APP 的主要功能與任務(wù)。其監(jiān)測(cè)流程為：①在物聯(lián)管理平臺(tái)增加相關(guān)控制指令下發(fā)功能，以模擬停（復(fù)）電指令為例，平臺(tái)端向TTU 下發(fā)模擬停復(fù)電指令；②邊緣計(jì)算框架通過(guò)監(jiān)聽(tīng)云邊交互協(xié)議指定的Topic，獲取到平臺(tái)端發(fā)送的指令；③通過(guò)邊緣計(jì)算框架認(rèn)證后，將指令繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)給全鏈路監(jiān)測(cè)APP； ④全鏈路監(jiān)測(cè)APP 接收到指令后，將指令通過(guò)TTU 本地Topic 繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)至TTU 采集APP；⑤TTU 采集APP 接收到模擬停（復(fù)）電指令后，通過(guò)發(fā)送相關(guān)報(bào)文對(duì)下層端設(shè)備下發(fā)模擬停（復(fù)）電控制指令； ⑥全鏈路監(jiān)測(cè)APP 實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)TTU 本地Topic，在接收到采集APP 反饋到端設(shè)備報(bào)文消息后，將其轉(zhuǎn)發(fā)至邊緣計(jì)算框架；⑦邊緣計(jì)算框架將返回報(bào)文通過(guò)指定Topic 轉(zhuǎn)發(fā)上傳回平臺(tái)； ⑧物聯(lián)管理平臺(tái)接收到返回報(bào)文，并在前端界面呈現(xiàn)全鏈路監(jiān)測(cè)過(guò)程中各級(jí)鏈路間聯(lián)通實(shí)況，至此本次全鏈路監(jiān)測(cè)過(guò)程結(jié)束。 全鏈路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體實(shí)現(xiàn)流程如圖3 所示。

圖3 全鏈路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體實(shí)現(xiàn)流程Fig.3 Overall implementation flow chart of full link monitoring system

若在此過(guò)程中，某級(jí)鏈路間存有斷點(diǎn)導(dǎo)致指令或業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)報(bào)文無(wú)法正常流通，則下層端設(shè)備不會(huì)正常響應(yīng)發(fā)送的停（復(fù)）電指令，且在平臺(tái)端能直觀可見(jiàn)鏈路斷點(diǎn)在鏈路中所處位置。

3 全鏈路監(jiān)測(cè)的應(yīng)用構(gòu)建與驗(yàn)證

3.1 實(shí)際應(yīng)用開(kāi)發(fā)與調(diào)試

應(yīng)用開(kāi)發(fā)是基于自描述語(yǔ)法格式，在應(yīng)用開(kāi)發(fā)中需要對(duì)設(shè)備所需的全部信息進(jìn)行描述。 而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)接口是指物聯(lián)終端接收控制命令，并做出相應(yīng)動(dòng)作的描述。 接口需要符合一定的格式，在應(yīng)用開(kāi)發(fā)中，首先要對(duì)設(shè)計(jì)的物理模型接口進(jìn)行定義，具體如表1 所示。

表1 接口定義Tab.1 Interface definition

本文邊緣計(jì)算的構(gòu)建中設(shè)計(jì)了2 類(lèi)邊緣計(jì)算的方式， 第1 類(lèi)為基于事件觸發(fā)設(shè)備控制操作，其開(kāi)發(fā)流程如圖4 所示，當(dāng)營(yíng)銷(xiāo)APP 采集的數(shù)據(jù)通過(guò)規(guī)則引擎比對(duì)后，將根據(jù)規(guī)則觸發(fā)APP 對(duì)某個(gè)設(shè)備的控制行為，負(fù)責(zé)終端設(shè)備的接入和管理。 在應(yīng)用層，借助遠(yuǎn)程通信技術(shù)，物聯(lián)管理平臺(tái)能夠與邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)之間形成交互，借助本地通信技術(shù)建立與采集終端之間的通信。依照要求對(duì)不同的APP 應(yīng)用進(jìn)行加載，以實(shí)現(xiàn)功能。

圖4 基于事件觸發(fā)設(shè)備控制的邊緣計(jì)算流程Fig.4 Edge computing flow chart of based on event triggered device control

APP 采集的數(shù)據(jù)通過(guò)規(guī)則引擎比對(duì)后，符合條件時(shí)將觸發(fā)某個(gè)函數(shù)的計(jì)算，函數(shù)計(jì)算的實(shí)例由本地函數(shù)計(jì)算、后臺(tái)引擎統(tǒng)一管理。 規(guī)則引擎只需要指明需要執(zhí)行的函數(shù)名稱(chēng)，并調(diào)用后臺(tái)引擎接口即可啟動(dòng)函數(shù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 交互協(xié)議的設(shè)備升級(jí)的消息模式如表2 所示。

表2 交互協(xié)議中設(shè)備升級(jí)的消息格式Tab.2 Message format of device upgrade in interactive protocol

測(cè)試過(guò)程包括通信、數(shù)據(jù)采集與處理、遙控觸發(fā)等環(huán)節(jié)。 在檢查相關(guān)功能未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的情況下，對(duì)客戶端ID 與網(wǎng)關(guān)連接地址進(jìn)行配置，測(cè)試參數(shù)如表3 所示，終端設(shè)備的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5 所示。

表3 測(cè)試參數(shù)Tab.3 Test parameters

圖5 終端設(shè)備的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.5 Statistical results of terminal equipment

3.2 應(yīng)用場(chǎng)景驗(yàn)證

本項(xiàng)目的全鏈路監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)于南通供電公司。 依照上述的開(kāi)發(fā)過(guò)程，在實(shí)際應(yīng)用全鏈路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，運(yùn)維人員在云主站前端界面點(diǎn)擊下發(fā)一條遙測(cè)或停（復(fù)）電指令，鏈路即會(huì)開(kāi)始執(zhí)行自檢操作， 自檢的反饋結(jié)果會(huì)即時(shí)在日志中記錄。南通云主站運(yùn)行自檢主頁(yè)面如圖6 所示。

圖6 南通云主站運(yùn)行自檢主界面Fig.6 Main interface of Nantong cloud master station operation self-check

日志系統(tǒng)不僅會(huì)完整記錄每臺(tái)設(shè)備下執(zhí)行的每一次歷史操作與其操作結(jié)果，而且每次監(jiān)測(cè)鏈路間的詳細(xì)通信情況都會(huì)被展示，異常節(jié)點(diǎn)能夠直觀顯示。 全鏈路自檢成功界面如圖7 所示。

圖7 全鏈路自檢成功界面Fig.7 Successful interface of full link self-check

此外，在全鏈路監(jiān)測(cè)中還加入故障智能分析功能。 當(dāng)反饋結(jié)果為失敗，鏈路不通暢時(shí)，系統(tǒng)即可針對(duì)斷點(diǎn)所在位置智能分析本次自檢失敗原因，全鏈路自檢失敗原因分析如圖8 所示。 相比人工排錯(cuò)，大大降低運(yùn)維成本。

圖8 全鏈路自檢失敗原因分析Fig.8 Reason analysis of the failure of the full link self-test

4 結(jié)語(yǔ)

智慧物聯(lián)體系推廣建設(shè)過(guò)程中，涉及大量的設(shè)備安裝、數(shù)據(jù)接入、現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)調(diào)、數(shù)據(jù)校核等工作。 迫切需要一套工程化實(shí)施管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智慧臺(tái)區(qū)推廣建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)、設(shè)備規(guī)范化安裝、跨專(zhuān)業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換等實(shí)施工作“一站式”智能化管控?；诖?，通過(guò)采用邊緣計(jì)算技術(shù)，開(kāi)發(fā)并驗(yàn)證了一套全鏈路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使得在現(xiàn)有物聯(lián)體系下，利用該系統(tǒng)可擴(kuò)展建設(shè)千萬(wàn)級(jí)終端、百萬(wàn)級(jí)并發(fā)的接入能力。 本系統(tǒng)的應(yīng)用降低了各專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)維成本， 提升電網(wǎng)資源共享能力和標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)能力，支撐并推動(dòng)電力物聯(lián)行業(yè)升級(jí)與轉(zhuǎn)型。