面向能源互联网的智慧物联体系全场景仿真检测系统设计与应用

刘冬兰，张 昊，王 睿，张方哲，孙莉莉

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

当前，物联网创新发展与新工业革命正处于历史交汇期，各国参与物联网发展的国际竞争日趋激烈，全球物联网产业处于高速发展阶段，相关的新技术、新应用也层出不穷。电力行业是国民经济的基础产业，是国民经济发展和人民生活极其重要的基础设施之一［1-2］。

我国物联网产业核心基础能力薄弱、高端产品对外依存度高、原始创新能力不足等问题长期存在。此外，随着物联网产业和应用加速发展，一些新问题日益突出。一是产业整合和引领能力不足，我国缺少整合产业链上下游资源、引领产业协调发展的龙头企业，产业链协同性能力较弱［3-7］；二是物联网安全问题日益突出。数以亿计的设备接入物联网，针对用户隐私、基础网络环境等的安全攻击不断增多，物联网风险评估、安全评测等尚不成熟，成为推广物联网应用的重要制约因素［8-10］。

在国家电网有限公司推进智慧物联体系建设过程中，能源互联网新业务实施和发展所面临的主要问题有基础数据缺失、平台缺失、运维成本高、终端设备各异、协议不统一、安全评测手段缺失、设备管理难、系统封闭、接入场景复杂、现场部署难等普遍问题，缺乏一套面向能源互联网的可推广、可验证的智慧物联仿真验证测试体系［11-15］。

设计了面向能源互联网的智慧物联体系全场景仿真检测系统，通过设计基于云计算技术的集群检测工具，采用先进的Map/Reduce 模型来实现存储技术，实现数据存储的集群式，可以使数据在各个检测节点间共享，采用微服务、分布式等先进技术，打造轻量级的仿真测试系统，使用少量服务器资源就可以仿真测试边设备通信协议是否支持智慧物联管理平台的通信协议要求，测试边设备上报设备采集数据功能，测试边设备下发控制命令等功能，同时将所有数据汇聚到管理中心，进行数据挖掘、关联分析、统计分析和趋势分析等。系统能够极大提高检测效率和检测时间，能够覆盖电力全产业链智慧物联系统的仿真、验证和测试，为国家电网有限公司物联管理平台建设与推广提供技术支撑。

1 系统功能架构

智慧物联体系全场景仿真检测系统功能架构主要包含产品模型管理模块、设备管理模块、日志管理模块、消息管理模块、命令模拟模块以及权限管理模块等核心功能模块。各功能模块之间相互配合，分工明确，功能相辅相成，共同完成设备的接入检测和验证。系统功能架构设计如图1所示。

图1 智慧物联体系全场景仿真检测系统功能架构

产品模型管理模块主要实现对产品模型文件进行验证解析，测试产品模型是否可直接导入物联管理平台。主要包括产品模型导入、产品模型服务查看、产品模型导出等功能。厂商提供的产品模型文件导入仿真测试系统，产品模型管理模块进行分析和解析，测试验证厂商的产品模型文件格式是否正确，测试通过的产品模型文件直接导出后，导入物联管理平台可直接使用无须反复删除修改。

设备管理模块包括子设备管理模块、边设备管理模块、Topic 管理模块，实现设备上报数据查看和设备上报数据解析等功能。通过设备管理功能模块，可以验证测试智能融合终端等设备是否能够正常注册子设备信息，是否能够正常上报子设备采集的数据值；通过设备上报数据查看和设备上报数据解析功能，可以测试检查智能融合终端中采集数据的APP 数据采集是否符合要求，可以测试检查产品模型设计是否合理，可以测试检查设备上报数据的频率是否合理。

边设备管理模块主要为边缘物联代理设备创建可以连接的服务地址，用户名和密码等，测试验证边设备的通信协议等功能。边设备管理模块包括添加客户端功能，断开连接功能等，测试验证智能融合终端是否支持消息队列遥测传输协议（Message Queuing Telemetry Transport，MQQT），是否具备连接物联管理平台的功能。

子设备管理模块主要为展示边设备注册的子设备信息以及子设备的相关行为，用以测试边设备注册子设备等相关功能。

消息管理功能模块主要管理边设备及子设备上报的数据信息，用以分析检验产品模型是否正确，分析检验上报的数据内容是否完整，格式是否正确。

命令管理功能模块包括配置主题，一键下发，验证对象简谱（Javascript Object Notation，JSON）后发送等功能。命令下发管理模块主要用于仿真物联管理平台命令下发功能，实现命令编制，命令格式验证，快捷下发命令等，测试边设备接收平台下发命令的功能。通过配置主题功能可以下发命令给指定的融合终端，可以编辑下发具体的命令内容，模拟物联管理平台的命令编辑功能；通过一键下发功能模拟物联管理平台的命令下发功能，将编辑好的命令信息下发至指定的智能融合终端中，测试智能融合终端命令接收功能；通过验证JSON 后发送功能能够验证测试编辑的命令信息是否存在格式上的错误，帮助物联管理平台业务用户调试命令信息。

日志管理功能模块主要包括实时日志和日志记录。通过详细记录仿真测试系统的日志信息，实时显示调试日志信息，方便用户快速定位问题，辅助设备测试，加快测试进度。

2 总体架构

2.1 总体架构及功能

智慧物联体系全场景仿真检测系统由基础应用、应用服务模块、云服务组件和数据存储服务四部分组成。应用服务模块主要实现对边端设备进行边缘计算框架及通信协议测试。总体架构如图2所示。

图2 智慧物联体系全场景仿真检测系统总体架构

系统由基础应用、应用服务模块、云服务组件和数据存储服务四部分组成。

基础应用包含Shiro、Oshi、GateWay API、Hystrix、Nacos 五类应用提供系统基础支撑。Shiro 安全框架提供认证、授权、加密和会话管理等功能，确保系统的安全运行。Oshi 系统监控组件通过获取实时系统信息，智能预警提醒，主机的CPU、内存、磁盘、网络、线程、JVM 内存、JVM GC 等维度的监控。Gate-Way API 网关提供对外唯一的授权访问入口，API 网关GatewayAPI负责请求转发、合成和协议转换。所有来自客户端的请求都要先经过GatewayAPI，然后路由这些请求到对应的微服务。Hystrix 隔离主要是为每个依赖组件提供一个隔离的线程环境，可实现组件线程的限流、熔断、降级处理，可防止意外攻击。Nacos 注册中心配置中心，实现服务配置一体化管理，动态刷新配置信息。

数据库存储服务包括Mysql、MongoDB、Redis 三个数据集成存储服务组件提供数据库存储服务。其中，使用mysql 作为基础数据存储组件；使用MongoDB 存储系统业务数据，增加数据存储扩展性，提供便利的数据迁移功能。使用Redis作为本系统的数据缓存层，减少数据库持久层输入输出访问次数，优化系统响应时间。

云服务组件包括FastDfs、MqttBroker、Git 三类云服务组件提供资源存储及消息转发服务。FastDfs 分布式文件系统对文件进行管理，功能包括：文件存储、文件同步、文件访问（文件上传、文件下载）等，解决了大容量存储和负载均衡的问题；本系统主要用来存储容器镜像、APP 程序包、物模型等文件。Mqtt-Broker服务器承载MQTT协议处理，平台与南向设备通信，支持平台订阅南向信息。Git 为本系统版本控制组件，有更精细的代码控制工作流，保证系统版本的稳定性及一致性。

应用服务模块由应用服务中间件提供。应用服务模块中，基础业务服务模块为本系统提供基础功能支持，进行业务数据处理，持久化保存，其中公共服务模块具有支持作用。模型管理模块支持对各类协议中需要的模型进行管理，包括物模型和产品模型的查看、导入、导出功能，并提供其他模块对模型的调用接口。命令管理模块提供对下发命令的管理功能，包括一键配置，历史命令保存等功能。边缘计算框架MQTT 协议模块，根据Q/GDW 12106.4—2021《物联管理平台技术和功能规范第4 部分：边缘物联代理与物联管理平台交互协议规范》接口协议开发，在设备接入测试过程中对消息格式进行检验，并模拟物联管理平台响应数据，提供设备、数据、容器、应用管理功能。应用商店模块，可以对APP 的上架、下线、上传、下载进行管理。北向API 接口模块，支持北向接口测试功能，并模拟华为物管平台的数据响应。拓展协议模块为此系统的功能拓展做模块抽象化，如698协议、104协议等。

2.2 平台应用架构

智慧物联体系全场景仿真检测系统主要模拟华为物联管理平台的输入、输出接口，用于测试终端设备与物联管理平台的安全对接、业务系统与物联管理平台的对接。测试成功后，在正式环境中被测设备可以直接接入华为物联管理平台。MQTT通信模块集成MQTT 消息服务器，负责与南向设备进行通信。平台应用架构如图3所示。

图3 智慧物联体系全场景仿真检测系统应用架构

智慧物联体系全场景仿真检测系统主要实现将输电、变电、配电、用户侧等各个领域的终端设备数据上报至边缘物联代理设备，边缘物联代理设备将终端设备数据信息上报至智慧物联体系全场景仿真检测工具，实现采集边端设备状态信息等功能。同时智慧物联体系全场景仿真检测工具也可下发命令至边端设备，控制边端设备做出相应的断电等操作。而针对上层应用方面，则通过智慧物联体系全场景仿真检测工具进行边端设备数据采集，并上报至上层业务应用系统，从而实现了对发输变配用等各领域终端设备的标准化接入和统一在线管控。

3 配电物联网台区运行状态感知监控场景应用

3.1 配电台区运行状态感知监控场景功能及成效

目前，结合智慧物联体系全场景仿真检测系统，已在实验室搭建了配电台区运行状态感知监控场景，验证融合终端数据上报及仿真检测系统命令下发等功能。配电物联网台区运行状态感知监控应用场景是基于物联网及边缘计算技术，在感知层实现配电台区实时运行工况、设备状态等信息的实时采集监控，实现对低压配电网整体运行状态及配电设备的实时监控与风险预警，提升低压配电网运行与设备管理水平。通过部署一、二次融合设备和具备边缘计算功能的台区融合终端等装置，智能感知和识别配电网运行工况、设备状态、环境情况及其他辅助信息。实现对配电台区运行状态精准监控，实现广泛的配电网运行状态全景感知。基于配电台区感知层部署的各类感知单元来获知低压配电网及设备的状态信息、电量信息等全景数据，在边缘计算节点完成本地用户停电时间、类型、原因、性质等事件的统计汇总，实时计算中低压供电可靠性指标和参考指标，对供电可靠率不合格的区域制定相应的提高策略，全面提升电网安全、可靠、优质、高效供电本质服务。

3.2 配电物联网台区运行状态感知监控场景系统结构

配电物联网台区运行状态感知监控场景试点建设分为感知层、网络层、平台层和应用层。配电场景智慧物联技术架构如图4所示。

图4 配电场景智慧物联技术架构

感知层。包括边缘汇聚层及末端传感层。“边缘汇聚层”主要为台区融合终端，根据具体业务应用场景，利用台区融合终端边缘计算框架，实现一定范围内传感器数据的汇聚、边缘计算及回传、区域自治，满足数据实时采集、即时处理、就地分析。“末端传感层”主要由微功率/低功耗无线传感器、常规无线传感器、有线传感器等监测装置组成，主要对电网设备的运行状态、环境数据、可视化信息进行采集，实现设备状态全方位感知与需求快速响应。

网络层。根据实验室环境实际情况可选择接入点名称（Access Point Name，APN）专网接入内网、交换机接入局域网、4G 接入公网等方式。汇聚层利用高速电力线载波、微功率无线等通信网络，将传感器层采集的数据统一汇聚至台区融合终端内，满足传感层和节点设备单点接入、链式分布多态组网需求。

平台层。边缘物联代理装置通过MQTT 协议与智慧物联体系全场景仿真检测系统进行数据交互，实现设备管理、数据转发等功能。智慧物联体系全场景仿真检测系统与配电云主站系统进行对接，根据数据实时性需求及业务需求，对外提供标准化数据服务，支撑应用层业务系统应用。同时可将智慧物联体系全场景仿真检测系统测试成功结果导入物联管理平台，实现场景设备在物联管理平台的即插即用。

应用层。应用层主要是配电云主站系统，基于智慧物联体系全场景仿真检测系统提供设备监测、设备管理、应用管理等功能接口来实现各类智能设备的有效管理。由智慧物联体系全场景仿真检测系统实现台区融合终端设备的统一接入、管控和应用，实现下连智能设备和传感设备的统一管理，以及边缘设备上传数据的统一汇聚、预处理和分发，统一支撑配电云主站各类业务应用。采集数据在接入智慧物联体系全场景仿真检测系统后，统一推送到配电云主站。

3.3 智慧物联体系全场景仿真检测平台处理过程

针对配电场景融合终端设备联调测试为例，智慧物联体系全场景仿真检测平台在模拟物联管理平台仿真联调测试的整个处理步骤如下。

步骤一：根据提供的产品模型文件模板编制产品模型文件，通过产品模型管理导入产品模型文件，测试验证编制的产品模型文件格式等是否符合物联管理平台要求。

步骤二：通过边设备管理功能模块创建边设备信息，将边设备信息和服务地址的IP 和端口号提供给智能融合终端方，智能融合终端将连接信息配置好，连接网络启动。测试验证智能融合终端是否支持MQTT 协议，能否自动上线，是否按照物联管理平台的技术标准规范接入物联管理平台。调试终端的接入功能时，可以打开实时日志界面，实时查看后台日志信息，方便问题定位，方便发现前台看不到的问题。

步骤三：通过设备管理功能模块测试验证智能融合终端注册子设备功能，上报数据消息功能。智能融合终端接入智慧物联体系全场景仿真检测系统，通过MQTT 协议添加子设备信息，查看仿真检测系统设备管理区是否有新增的子设备信息；智能融合终端通过MQTT 协议上报数据信息，查看子设备信息的上报数据。调试终端的子设备注册功能和上报数据功能时，可以打开实时日志界面，实时查看后台日志信息，方便问题定位，同时方便检查上报的数据是否完整。

步骤四：通过命令下发管理功能模块测试验证智能融合终端是否按照物联管理平台标准技术规范接收命令和响应命令。通过配置主题功能，依次选择下发的命令Topic，然后编辑下发命令消息体，选择一键下发或者验证JSON 后下发，查看融合终端是否正确接收到下发的命令。调试终端接收下发命令的功能时，可以打开实时日志界面，实时查看后台日志信息，方便问题定位。

步骤五：通过消息管理功能模块和日志管理功能模块，查看待测试的智能融合终端上报的数据信息正确与否，数据信息上报的频率是否符合要求，连接物联管理平台的方式是否符合国家电网公司智慧物联体系标准技术规范要求。

步骤六：通过测试的智能融合终端，在产品管理功能模块导出产品模型。导出的产品模型文件可直接导入物联管理平台无须更改，智能融合终端配置文件修改成物联管理平台对应的连接信息即可接入物联管理平台工作。

3.4 调试过程示例

通过将手工编辑好产品模型文件，通过产品导入功能，导入到智慧物联体系全场景仿真检测工具。导入过程如图5所示。

图5 导入产品模型

同时可以在查看服务中检查产品模型是否正确解析。解析成功会在右侧出现产品属性信息，解析不成功这里为空白。产品模型导入成功示例如图6所示。

图6 产品模型导入成功示例

智慧物联体系全场景仿真检测工具具备命令下发功能，在发布命令页面，通过配置主题可以添加需要下发的Topic。在内容中添加需要下发的命令，即可以向被测设备下发命令测试。发布命令如图7所示。

图7 发布命令

4 结语

智慧物联体系全场景仿真检测系统实现了终端接入物联管理平台的全流程联调测试，测试通过后可以直接接入物联管理平台，实现终端设备在物联管理平台的“即插即用”，提高了物联管理平台的接入调试效率。平台通过建设产品模型管理功能模块，针对厂商提供的产品模型，实现提前验证产品模型文件是否符合物联管理平台的格式要求，提高了产品模型文件导入物联管理平台的成功率，提高工作效率，减轻物联管理平台调试压力。通过对智慧物联终端设备开展边缘计算框架、通信协议及安全性检测，把安全管控关口前移，确保入网的物联网终端设备安全稳定运行。