建設(shè)智能電網(wǎng)，其中關(guān)鍵一環(huán)是智能配電臺(tái)區(qū)的建設(shè)，配電網(wǎng)通過(guò)低壓配電臺(tái)區(qū)連接終端電力用戶，亟需提升配電臺(tái)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(yùn)行，滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。

目前，配電臺(tái)區(qū)建設(shè)及運(yùn)行現(xiàn)狀仍存在以下問(wèn)題：

1）配電網(wǎng)點(diǎn)多線長(zhǎng)面廣，大部分處于盲調(diào)狀態(tài)。

2）目前，通過(guò)不斷增加相對(duì)獨(dú)立的信息化小系統(tǒng)來(lái)滿足業(yè)務(wù)需求的方式導(dǎo)致資源浪費(fèi)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(chǔ)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(guò)泛在的感知技術(shù)幫助電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓配電臺(tái)區(qū)海量信息的感知和決策，將配電臺(tái)區(qū)建設(shè)成配電末端數(shù)據(jù)交互中心，通過(guò)對(duì)配電臺(tái)區(qū)各種配電終端的全信息采集實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓配電網(wǎng)的全景感知，從而消除配電運(yùn)維盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)全流程管控、全專(zhuān)業(yè)支撐的配電臺(tái)區(qū)新管理模式；實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)區(qū)管轄內(nèi)用戶進(jìn)行就地管理，縮短用戶故障時(shí)間，提高配電末端的運(yùn)維水平。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外廠家相繼推出了智能物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，包括中國(guó)移動(dòng)、騰訊、阿里和華為都有物聯(lián)網(wǎng)實(shí)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(tái)的配用電解決方案及Hi-Grid套件，把邊緣計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things, IoT）、云端管理結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了從主站、網(wǎng)絡(luò)、終端的一體化解決方案。

基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的低壓配電臺(tái)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(lái)對(duì)能源管理進(jìn)行技術(shù)改造，對(duì)目前管控能力相對(duì)薄弱的配電網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)升級(jí)改造是提升智能電網(wǎng)建設(shè)、管理、運(yùn)維水平的一個(gè)切入點(diǎn)。

業(yè)界提出的配電物聯(lián)網(wǎng)（distributed-Internet of Things, 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(guò)各種通信技術(shù)，如電力線通信（power line communication, PLC）、紅外通信、5G、LoRa、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（narrow band-Internet of Things, NB-IoT）、ZigBee等，接入海量配網(wǎng)終端，能實(shí)時(shí)全息感知電力生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)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(jì)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(yùn)維成本、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和提升用戶體驗(yàn)，協(xié)助電力用戶節(jié)能減耗，自主進(jìn)行能效管理。

配電物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)如圖1所示。分為3個(gè)層次，上層是云，云化的主站；下一層是邊，即邊緣計(jì)算，將云計(jì)算等向邊緣延伸；最后為終端，各類(lèi)型的智能終端，實(shí)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(guò)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(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

圖1 配電物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)

2 邊緣計(jì)算智能終端

現(xiàn)階段配電物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)思路是基于“硬件平臺(tái)化、軟件APP化”，采用開(kāi)放式硬件平臺(tái)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(lái)擴(kuò)展終端功能。新型智能配變終端（distribution transformer supervisory terminal unit, TTU）作為配電物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，面向的不僅僅是配電變壓器，還面向整個(gè)配電臺(tái)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(jì)算。

邊緣計(jì)算充分發(fā)揮了云計(jì)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(shì)在于云端協(xié)同和本地計(jì)算，在靠近終端用戶的邊緣側(cè)，開(kāi)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(shí)別、負(fù)荷預(yù)測(cè)、線損分析、故障研判、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、電動(dòng)汽車(chē)充放電等邊緣計(jì)算應(yīng)用，體現(xiàn)配電物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用價(jià)值。

配電物聯(lián)網(wǎng)通信拓?fù)涫疽鈭D如圖2所示，智能終端網(wǎng)關(guān)同時(shí)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(guò)智能配電終端建立協(xié)議庫(kù)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(duì)原有的設(shè)備進(jìn)行大范圍的改造。

圖2 配電物聯(lián)網(wǎng)通信拓?fù)涫疽鈭D

3 MQTT物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議

消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（message queuing telemetry transport, MQTT）協(xié)議是IBM在1999年發(fā)布的一個(gè)即時(shí)通信協(xié)議，更為簡(jiǎn)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(chǎng)景（帶寬低、網(wǎng)絡(luò)延遲、不穩(wěn)定通信）而設(shè)計(jì)的輕量級(jí)發(fā)布/訂閱消息傳輸協(xié)議，使用TCP/IP連接，最大優(yōu)點(diǎn)在于可以為計(jì)算能力有限、低帶寬的遠(yuǎn)程設(shè)備提供可靠的傳輸。

MQTT協(xié)議通過(guò)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(shí)也可以是訂閱者。發(fā)布者和訂閱者并不需要知道對(duì)方是否存在，只需要通過(guò)IP和端口連接到Broker，Broker能夠根據(jù)不同的話題過(guò)濾和分發(fā)消息，實(shí)現(xiàn)消息的發(fā)布和訂閱。

MQTT對(duì)信息傳輸提供三種服務(wù)質(zhì)量（Qos）等級(jí)，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(tái)通信，也可經(jīng)本地組網(wǎng)通過(guò)邊緣計(jì)算智能終端再經(jīng)MQTT協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通信。

配電物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議通過(guò)定義不同的主題（Topic）來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的用途，單個(gè)主題可以包含多個(gè)層級(jí)，用斜杠字符分隔不同層級(jí)，例如邊緣計(jì)算終端通過(guò)主題/v1/devices/{gatewayId}/topo/add來(lái)添加端設(shè)備。

4 典型通信過(guò)程

4.1 設(shè)備即插即用流程

邊緣計(jì)算智能終端的注冊(cè)由主站應(yīng)用發(fā)起，通過(guò)調(diào)用設(shè)備注冊(cè)接口完成設(shè)備在平臺(tái)側(cè)的注冊(cè)。終端即插即用注冊(cè)通信過(guò)程如圖3所示。

1）主站應(yīng)用通過(guò)掃碼等方式獲得設(shè)備檔案和SN號(hào)。

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(tái)。

3）物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)返回deviceId后，主站側(cè)提示注冊(cè)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(tái)區(qū)模型文件。

5）邊緣計(jì)算智能終端上電后通過(guò)MQTT協(xié)議請(qǐng)求連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)匹配注冊(cè)信息通過(guò)后，返回登錄通過(guò)信息給終端。

圖3 終端即插即用注冊(cè)通信過(guò)程

4.2 數(shù)據(jù)訂閱流程

主站應(yīng)用可通過(guò)下發(fā)命令單次獲取設(shè)備數(shù)據(jù)，一般通過(guò)數(shù)據(jù)訂閱的方式注冊(cè)主站回調(diào)通知地址，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中設(shè)備數(shù)據(jù)變化后，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)會(huì)主動(dòng)通知主站應(yīng)用變化數(shù)據(jù)。

1）主站應(yīng)用調(diào)用subscribe API訂閱設(shè)備數(shù)據(jù)變更通知，當(dāng)設(shè)備數(shù)據(jù)變化時(shí)平臺(tái)會(huì)推送給應(yīng)用。

2）邊緣計(jì)算智能終端通過(guò)MQTT PUBLISH消息主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)消息給物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

3）物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接收到設(shè)備數(shù)據(jù)變化后，調(diào)用主站注冊(cè)的通知回調(diào)地址callbackUrl將信息通知主站。

5 統(tǒng)一模型

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接入設(shè)備需要編寫(xiě)設(shè)備的Profile文件，該文件用來(lái)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(lèi)型、廠商、型號(hào)、協(xié)議類(lèi)型名稱(chēng)及提供的服務(wù)類(lèi)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。

圖4 數(shù)據(jù)訂閱通信過(guò)程

需要將Profile文件按IEC61968/IEC61970轉(zhuǎn)換為電力系統(tǒng)基于XML的模型文件，抽象分類(lèi)為basic（基本信息，包括制造廠商、設(shè)備型號(hào)等），config（參數(shù)配置，包括通信參數(shù)、保護(hù)參數(shù)等），topology（拓?fù)?，包括電網(wǎng)一次拓?fù)湫畔⒌龋琧apability（按設(shè)備能力抽象分類(lèi)，包括analog模擬量，discrete狀態(tài)量，accumulator累積量，command命令等）。

6 主站與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)間RESTful接口

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供了豐富的RESTful API接口給主站應(yīng)用，通過(guò)這些接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的管理（包括設(shè)備的增、刪、查、改）、數(shù)據(jù)上報(bào)、命令下發(fā)等業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

REST（representational state transfer）是一種面向資源的輕量級(jí)Web Service架構(gòu)，其API具有三個(gè)特點(diǎn)：①通過(guò)統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符（URI）定位和識(shí)別資源；②通過(guò)HTTP協(xié)議中定義的方法（PUT, GET, POST, DELETE）對(duì)資源進(jìn)行操作；③狀態(tài)無(wú)關(guān)性。

例如主站注冊(cè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的API接口：

調(diào)用方法：POST

請(qǐng)求接口：

https://server:port/iocm/app/reg/v1.2.0/devices?appId={appId}

app_key:{appId}

Authorization:Bearer {accessToken}

Content-Type:application/json

{

"verifyCode":"****************",

"nodeId":"****************",

"timeout":300

}

響應(yīng)：

Status Code: 200 OK

Content-Type:application/json

{

"deviceId":"*******",

"verifyCode":"*******",

"timeout":300,

"psk":"******"

}

7 結(jié)論

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

方案作為按能源物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算+云計(jì)算架構(gòu)來(lái)重新設(shè)計(jì)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(diǎn)配置智能TTU的智能臺(tái)區(qū)、獨(dú)立的企業(yè)級(jí)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(shí)全面監(jiān)測(cè)臺(tái)區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)分析，獲取臺(tái)區(qū)的三相負(fù)荷不平衡率、負(fù)載率及可靠性統(tǒng)計(jì)分析等，實(shí)現(xiàn)低壓配電臺(tái)區(qū)的高度智能、高度監(jiān)測(cè)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。

本文編自2021年第3期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的低壓配電臺(tái)區(qū)數(shù)據(jù)采集方案”，作者為王海柱、趙瑞鋒 等。