基于物联网的标准化站所终端公共单元研制

吴海, 胡国， 吴雨薇， 黄琦， 徐志华， 周成， 曹子涛

(1.南瑞集团有限公司 智能电网保护和运行控制国家重点实验室, 江苏 南京 211106；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106)

0 引 言

配电网作为连接输电和用户的关键环节，安全可靠运行对电力系统稳定及用户体验至关重要。

现行配电网存在量测覆盖率低、网架结构不灵活和标准化程度低[1]等问题。而近年来电动汽车、分布式能源、微电网和储能装置的大量接入，使配电网出现分布式能源与新型负荷接纳能力不足和用户多样化用能需求服务能力不足[2]等诸多问题。开展配电物联网建设，以信息化、数字化和现代化手段为传统配电网赋能，有助于实现台区全景监测，提升配电区域管理能力，满足分布式能源接入和多元化负荷管控需求[3]8。

当前配电物联网的建设处于探索研究阶段。文献[3]4、[4]10对电力物联网的典型架构、体系功能进行了探讨；文献[5]3110论述了配电物联网架构及应用发展方向；文献[6]探讨了电力物联网的网络安全防护；文献[7]156针对容器技术在配电物联网设备边缘节点化中的作用进行了深入研究；文献[8]115对线损分析的研究；文献[9]125对拓扑分析的研究；文献[10]对物联边缘计算的研究。这些文献均为配电物联网的区域自治提供了参考。

本文对配电物联网的概念、分布式站所终端(distribution terminal unit,DTU)技术原理及关键技术进行梳理和综述，并分析讨论其在配电网中的典型应用，研制基于物联网的标准化站所终端公共单元，并在多个物联网示范工程成功挂网运行。

1 配电物联网技术

物联网是由各种信息传感设备通过互联网形成的开放的庞大网络，需要广泛的技术，包括无线射频识别(radio frequency identification，RFID)技术、媒体技术、通信技术等[4]11。物联网技术的应用对配电网的发展有着重要的推动作用。

配电物联网系统架构，由云、管、边和端组成[5]3110，构建在物联网感知层、网络层和应用层架构基础上，如图1所示。传感层主要涵盖各类型数据传感器及智能控制单元，实现低压配电网海量异构信息的采集与监控。传输层采取有线无线协同配合的通信架构，保证海量数据能够准实时或实时上传。应用层是配电网运行状态分析与智能运维的应用功能平台，包括拓扑分析、环境监测和状态监测等应用功能。

图1 整体分层架构图

配电物联网的发展，可极大程度提升配电网的全面感知能力、数据共享能力和需求反映能力。而配电物联网中的海量传感器数据、电气量数据及端设备的管理数据要高效分类，向云平台精准传递，需要经过部署在边侧设备的汇聚处理。因此，部署在边侧和具备边缘计算能力的配电终端，是构建配电物联网的一个重要组成元素。

2 分布式DTU终端技术原理

分布式DTU作为标准化站所终端，由若干个间隔单元和公共单元组成。常规场景下DTU间隔单元分散安装于间隔柜内，实现对本间隔“三遥”和故障判别功能。DTU公共单元安装于公共单元柜内，负责汇集各间隔单元的信息，并与主站通信。

分布式DTU的优势在于可分散安装，且各间隔单元功能独立，可根据站房实际需求灵活组合配置，便于系统扩充和运行维护，为客户提供便捷的升级扩容方案和高性价比的产品选择。

为实现低压配电网的运行状态分析与智能运维，构建的基于物联网技术的低压配电网运行状态分析与辅助运维系统[11]，整体架构如图2所示。

图2 配电物联网体系架构

常规分布式DTU并不具备物联通信及边缘计算能力，无法实现配电物联网中边设备的功能。本文所述基于物联网的标准化站所终端公共单元，作为中压环网柜的数据汇聚中心和边缘计算核心节点，除了各间隔数据的采集、存储、管理，还能与间隔单元及其他物联终端配合实现智能感知、故障定位与研判、设备状态监测与评估以及双向信息流即插即用等功能，并实现与主站的远程通信。

3 关键技术

3.1 容器技术应用

容器技术虚拟化技术已经成为一种被大家广泛认可的容器技术服务器资源共享方式。容器技术虚拟化技术的应用使装置得到以下提升。

(1) 装置内各容器具备独立空间，有效封装隔离进程，实现操作系统层面的虚拟化。容器资源使用有压力时不会连累整个系统[7]155。

(2) 容器平台可对容器进行启停、安装和卸载等操作管理，以及对资源配置、告警和日志进行管理。

(3) 利用安全超文本传输协议(hyper text transfer protocol over securesocket layer, HTTPS)，并确保在证书保护机制认证下对容器进行安全访问操作。

(4) 通过内核能力机制和白名单机制对容器进行权限访问控制，将受破坏可能降到最低。

此外，各项应用功能如IEC104、消息队列遥测传输协议(message queuing telemetry transport, MQTT)、拓扑识别等，均开发为APP应用，并可灵活部署于相应容器内。优点如下。

(1) 容器平台可对APP进行安装、卸载、启停、使能、状态查看和资源分配回收等管理操作。

(2)容器平台支撑APP统一编程模型、接口技术和应用扩展技术，保证APP的独立性、封装性和可移植性，满足不同用户的差异化需求以及自定义和自扩展需求。

通过容器技术的应用，实现了对装置系统权限的有效管理，保障了整个系统安全稳定地运行。

3.2 MQTT技术应用

MQTT协议是一种基于发布订阅的“轻量级”消息传输应用层通信协议。DTU公共单元部署MQTT协议，利用其异步、多点通信的特点，使通信的参与者在空间、时间和控制流上完全解耦，能够很好地满足物联网系统松散通信的需求[12]。

部署MQTT后，装置的对上、对下通信均可通过订阅和发布机制进行交互。客户端发布带有特定主题名标识的消息，代理服务器在完成基于主题的过滤[13]后向订阅了该消息的客户端转发，从而完成客户端和代理服务器之间数据的传输。

装置部署MQTT协议时，消息体选择JSON描述，考虑兼容营销业务698协议和提高信息传输的效率，也可采用A-XDR编码。各类APP通过MQTT 代理服务器与数据中心进行信息交互，按需获取数据，完成高级应用功能。

3.3 基于HTTPS的数据安全传输

公共单元的HTTPS服务结构设计如图3所示。HTTPS是经SSL加密后的 HTTP，主要通过数字证书、加密算法和非对称密钥等技术实现互联网数据可靠传输，从而提供具备秘密性、完整性和认证性的安全服务[14]。

图3 HTTPS服务结构设计图

公共单元采用的远程数据通信身份认证服务适应任意数据通信协议，具体身份认证流程如下。

(1) 客户端向云平台发HTTPS请求获取身份ID。

(2) 访问模块建立客户端与服务端的HTTPS安全通信通道。

(3) 服务端的身份ID模块验证客户端唯一性，返回客户端一串随机数作为身份ID(即token)。

(4) 客户端利用该身份ID作为token向服务端发送获取数据通道连接信息的HTTPS请求。

(5) 认证模块校验身份ID，通过则调取信息模块。

(6) 信息模块进行数据通道的唯一标志认证，通过后将连接信息(包括URL地址、用户名、密码和topic等)返回客户端。

(7) 客户端按连接信息完成基于HTTPS的身份认证，并与服务器建立连接，通过MQTT数据通道将采集数据发送至远程数据平台。

4 基于物联网的标准化站所终端公共单元研制

本装置作为满足配电网自动化、物联网化建设及分布式电源接入配电网发展需求而研制的新一代智能配电自动化终端，采用平台化硬件设计和分布式边缘计算架构，应用APP运行于虚拟容器化的可信计算环境，支持各业务个性化开发、灵活部署、独立运转和远程维护。

4.1 硬件设计框架

装置采用NXP公司的LS1043A(四核，ARM Cortex-A53 架构，主频1.6 GHz)处理器设计，4 GB内存、8 GB FLASH。装置硬件设计框架如图4所示。

图4 公共单元硬件设计框架

装置具备4路以太网接口、12路串口，4G无线模块、蓝牙模块、远距离无线电(long range radio,LoRa)模块、WiFi模块、RFID模块和GPS模块，可广泛接入各类传感设备，提供16路开入、8路开出、8路模拟量采集。强悍的处理能力与存储资源为现有业务提供完整支撑，并满足未来业务扩展需求。

4.2 软件设计框架

软件框架采用分层设计思想，基于平台进行软件设计，平台对上层应用屏蔽底层操作，并进行基础功能处理。面向对象编程，以元件方式进行封装隔离，高内聚、低耦合；运行linux操作系统，实现管理、通信、边缘计算和通信加密等功能。

软件设计框架如图5所示。整体平台架构分为ARM侧和MCU侧。

图5 公共单元软件设计框架

ARM侧由基于容器的应用程序和RTUServer服务组成。RTUServer服务负责与MCU的数据交互，包括获取数字量输入、模拟量输入和数字量输出。容器中的应用程序通过RTUClient从服务端获取数据和进行控制，同时通过Restful风格的API与数据库进行交互，完成各类应用功能。

MCU侧自主开发的系统构架，主要完成数字量、模拟量的数据采集和数字量输出，与ARM侧通过CAN总线进行数据交互。

4.3 边缘计算功能

基于软硬件平台功能，公共单元支持多种物联边缘计算功能App的灵活部署，并能实现广域内的云、边、端各层级和多种物联设备的多维协同、互联互通，摆脱了传统终端信息只能上送主站、缺乏横向交互的状态。

在此基础上，公共单元开发实现了多间隔状态监测分析、拓扑识别[9]125、线损分析[8]115、馈线自动化(feeder automation,FA)及故障预警等边缘计算APP功能，并能配合主站一起实现馈线网络拓扑分析、中压设备状态检修和中压故障态势感知等功能。

5 工程应用场景

基于物联网的标准化站所终端已成功应用于多个配电物联网项目中。以南京某配电物联网示范项目为例，该示范项目涉及多个开闭所、环网柜的改造，如图6所示。改造后的每间隔配置一台DTU间隔单元，每个站所配置一台DTU公共单元。改造工程还增设了物联传感器等设备。

图6 公共单元的一个工程应用示意图

5.1 信息传输性能

本文的物联网络传输包括了边端通信、边边通信和云边通信。通过实测，公共单元边缘计算与传输性能如表1所示。

表1 公共单元的物联网络传输性能

各网络层级之间的数据传输效率与传输通道、数据量大小相关。通过采用适当的传输通道(如5G无线)，并对传输数据进行梳理优化，可切实降低延时，提高传输效率，进而为后续高级应用提供实时、可靠的数据支撑。

5.2 智能分布式FA

以智能分布式FA的实现为例，说明装置在区域自治中发挥的作用。图7为各节点部署公共单元。

图7 智能分布式FA示意图

具体流程如下。

(1) 建立物联通道。线路各公共单元通过5G连接MQTT代理服务器，通过其发布信息、订阅上下游节点信息。

(2) 故障发生。线路K点发生故障，各公共单元收到上下游节点发布的故障及特征量信息。

(3) 定位故障区域。通过与上下游信息对比分析，DTU 1确定故障处于其下游，DTU 2确定故障处于其上游，从而确定故障区域位于①、②之间。

(4) 故障隔离。DTU 1跳开开关①，DTU 2跳开开关②，完成故障区域隔离。

(5) 恢复非故障区域供电。从开关②向下游查找合闸转供点。DTU 2确认开关③可作为转供点，并控制其合上，恢复非故障区域供电。

(6) 故障处理完成后，本装置主动上送处理结果。

以上步骤是基于5G无线物联组网进行公共单元间的边边交互，组网便捷，通信延时低，且省去了常规分布式FA敷设光纤的成本。经实测，其效果如表2所示。

表2 分布式FA故障处理时间 ms

通过对区域内故障的准确定位、精准隔离和非故障区供电快速恢复，实现自主快速响应，有效减少停电时间，提高供电质量，达到了区域自治目的。

6 结束语

现行配电网存在诸多问题。物联网技术应用到智能配电系统中，形成配电物联网，将极大程度提升配电网运行状态的全面感知能力，保证分布式能源的友好接入，满足用户多样性用能需求，提高配电网运维的工作效率，保证配电系统安全稳定运行。

本文首先梳理分析了配电物联网的概念、分布式DTU终端具体技术原理及基于物联网的标准化站所终端公共的单元涉及的关键技术，描述了该公共单元的软硬件设计框架以及装置作为边缘计算节点在配电物联网中所发挥的作用。最后以某配电物联网示范项目改造工程为例，进一步分析和验证本文所述终端在实际应用中的意义。