基于智能电网终端系统的设计与实现

雷 霏，吴军平，何天宜

（1.武汉邮电科学研究院，湖北武汉 430074；2.烽火通信科技股份有限公司，湖北武汉 430074；3.武汉大学，湖北 武汉 430074）

在电力技术、物联网技术迅猛发展的形势下，各层级电网公司都将把重点移到电力与物联网相融合的技术领域。电力物联网的高接入、高并发、高交互的问题依旧是炙手可热的话题。现有的电力终端设备系统中，还存在很多关于接入兼容性不全面、扩容性不高、海量数据并发的问题。

针对上述问题，各类厂商和设备供应商都研究了不同类别的终端系统设备，文献[1]中采用的是以DSP(Digital Signal Process)为主体，快速、高性能的计算芯片，在采集台区电能原始信息的同时也开始在感知层进行谐波检测。但在电网庞大终端数量的情况下，构建组网模式的成本急剧上升。文献[2]利用光纤通信的方式实现了电力终端通信，这种方案使用频分复用技术实现了精确数据通信，但缺乏无线通信的多样性，无法满足电网终端数量大、种类多的需求。在安全方面，文献[3-5]各自采用不同的协议安全，结合终端系统的独立性，在物联网生态中可以保证用户的网络安全，不仅是在智能家居网关和医疗预警领域有所应用，更能在工业、石油、电力等领域移植运用，文献[6]在安全通信的过程中通过加密算法实现数据加密，提高了接入的安全性和可靠性。

1 终端系统框架设计

该文终端设备结构主要分为两部分，第一部分是交采底板MCU(Microcontroller Unit)的计量，用于采集各类型数据例如温度、湿度和电压值等业务原始数据。第二部分是主控板的物联终端系统，用于处理MCU 传来的各类数据并与数据中心平台进行通信。

该文从物联网架构入手，引出电力智能融合终端的需求分析，从云、管、边、端来整体概括电力物联网的整个框架，结合实际应用场景来分析终端的需求依据。电力智能融合终端上的应用程序提供了运行环境，边缘物联代理支持各类采集终端和汇聚终端的即插、即连、即用的接入需求，用以实现感知层终端与物联管理平台之间的互联、边缘计算、电力信息采集、台区识别等功能，适配各类电力物联应用场景需求。电力智能融合终端本体由硬件层、软件层两层架构组成。硬件层由主控板、电源交采底板等构成，软件层由驱动程序、系统内核、应用APP 等组成。电力智能融合终端支持配电、交采系统的接入及各类通信接口和协议。

其中，主控板本地通信支持HPLC(High Power Line Carrier)、RS485 等多种通信方式与感知单元进行数据交互，MCU 交采底板支持各种串行通信接口如SPI(Serial Peripheral Interface)，而接入通信接口南向常用采集协议如Modbus-RTU、DLT645、1376.1、1376.2 等规约，北向主站接入主要通过5G、LTE、以太网口等方式，通过支持不同的下行通信方式，提供与子设备自定义数据的传输方式。

在设计该电力智能融合终端时，依托物联网框架进行从上至下的设计框架。

如图1 所示，电力智能融合终端接入侧为场景示意图的端侧，其中包含配电设备、传感设备、用户设备和营销设备等，需要通过南向设备RS485、HPLC、交采等接口接入对应的电力智能融合终端。

图1 云、管、边、端组网场景

接入特性业务场景如图2 所示。

图2 接入特性业务场景图

从图2 可以看出电力物联的基本业务应用场景，电力智能融合终端整机输入三项电源，下挂电能表、断路器、温湿度计等终端，具备状态感知、数据采集和分析能力，并通过公共无线网络上报配电、营销主站或物联网平台。

从接入特性业务应用而言，终端接入特性应用主要用于电力边缘物联代理终端的上联主站接入和下联终端接入、本地维护接入以及安全接入等方面。

2 终端各类接口设计

2.1 北向接口设计

在交采底板向主控板传输的北向接口中采用SPI 协议，SPI 接口具有主从设备的特性。同时，SPI还可用作总线型通信模式，满足对外通信时，可以在SoC 内部以RAM、DMA、寄存器模式与不同设备进行通信，大大提升了通信速率[7]。

此外，北向接口还包括以太网、5G/LTE 无线公网或专网接口等远程通信功能，其中，主要通过5G模块来实现，5G 模块通过内置USB 与主控板相连，通过无线方式与主站进行通信。5G 通信技术帮助智能电网进行用户的相关信息采集，表现形式是低压用电，这种技术可以对智能电网中的电力运行实时监控，对用户使用电力运行的平稳性进行分析[8]。另外，以太网口作为连接主站的辅助通信方式。文献[9]指出5G 能够提供更加高效灵活的接入方案，相比传统光纤专线方式可有效节省部署成本，有助于提高智能电网的继电保护水平。

2.2 南向接口设计

南向接口采用主流的Modbus 协议接口。文献[10]指出Modbus 生成的报文可以保留原有数据集的攻击特征,并可以有效地提高入侵检测系统的检测精度。这个协议利用其高传输速率实现对各节点组的控制,同时对超多节点设备同时进行监控，提高了超多节点设备场景的监控效率[11]。并且在物理层中，Modbus 技术支持基于RS232、RS485 的标准总线物理通信介质，以及以太网的通信链路支持[12]。

南向接口还包括RS232 串口、RS485 串口、电力线载波通信/微功率无线、北斗/GPS 双模、开入接口（4 路）、PT100（2 路三线制）、电源交采板等，用于用户采集和配电设备的信息采集，包括电表、断路器、交采、温度传感器、DI、本地时钟位置等各类信息采集和控制的业务应用等。选用电力线载波通信即HPLC 作为采集通信最为合适，具有提高采集的实时性、稳定性和可靠性等优点[13]。基于HPLC 技术可实现模块互联互通、高频数据采集、停电主动上报、相位拓扑识别、台区自动识别等功能，上报准确率可达到100%[14]。

2.3 本地维护接口设计

本地接口包括以太网接口、蓝牙等，其中以太网接口用于本地设备的升级维护，而蓝牙用于本地运维设备，可以对电力智能融合终端进行设备运维和信息采集等。蓝牙具有方便快捷、灵活安全、成本低、功耗低等特点[15]。因此，蓝牙技术运用在物联终端设备上是非常合适的，保持了低功耗和通信的有效性。

2.4 安全接入接口设计

通过安全模组电力智能融合终端的应用，保障主站、物联终端和南向接入设备的安全接入和数据安全；在主控板中运用容器技术实现分治的思想，保证其每一个程序都是一个独立运行的环境。容器技术为终端设备及每个应用程序提供软件服务，它不仅用于数据处理和存储管理还可以通过分布式服务器与物联网服务保持一致。多容器技术用来扩展物联网系统的能力，采用这种方法可以增加连接设备的数量、提高网络效率，以更好地进行计算、控制和数据存储[16]。

3 业务应用与I/O接口衔接的设计

基于容器技术划归业务的不同类别，分别设置不同业务类型归属不同的容器，其中有各类传输协议服务的类型、电力专业特有的算法业务、物联网的协议栈类型业务、底层驱动I/O 的接口类型和数据处理的业务类型等。

这些不同容器的相互通信，使得终端设备系统的联动性优异。该终端系统设计了一个公共接口comm_intf，有利于实现物理I/O 口与其他业务互通互控。comm_intf 是一个庞大的接口融合进程，其下面有若干个子线程独立运行，如HPLC 模块接口通信的线程、串口通信的线程、WiFi 接口的线程、北斗定位业务接口的线程以及lora 和ZigBee 的线程等。进程内通信通过消息队列互通消息。

在外挂传感器时，采用Modbus 协议与主机进行通信，协议栈类型的容器通过MQTT 传输协议下发任务与comm_intf 通信。当消息存入消息队列时，带有标记的消息优先取出，并传入相对应的线程中，执行对物理I/O 口的控制。

同时，在数据处理完毕后通过MQTT 服务将数据上传至IoT 数据云平台。也可以通过远程操控，使用IoT 数据云平台下发控制指令一层一层地传递到某个物联终端设备的物理I/O 接口。具体基于容器技术的应用程序框架图如图3 所示。

图3 基于容器技术的应用程序框架图

4 断电业务保护关键技术

4.1 技术总揽与介绍

在面对复杂的室外环境和恶劣的天气时，供电是否稳定是一个不可忽视的、影响设备稳定性的关键因素。

文献[17]给出了一种设备异常断电紧急通知的方法，指出通过向外部服务器发送掉电信号至平台，在第一时间告知相关负责人员，能够使负责人尽快安排相关人员到现场进行维修，减小异常断电造成的损失，尽早恢复设备的正常工作。但在偏远山区，可能因人力物力等因素不能够及时到达现场，物联终端在异常断电后，容器里的业务未进行停止，导致业务数据出错、数据丢失等问题。因此需要一种可以在异常断电后可以保护容器内正在运行的业务及其数据可靠性、完整性的关键技术，在重新上电之后，能及时恢复。

物联终端强电发生断电后，容器A 中的监控模块检测到硬件中断信号，通过MQTT 服务的topic 通知容器B 中的交采程序读取MCU 采集板的强电电压值，容器A 的监控模块收到结果后进行判断，若不符合强电电压阈值时视为断电。断电之后，物联终端上的电容储存器会提供4 min 左右的电量。

确认断电后，会周期性地上报管理平台终端出现断电事件，并进入物联终端业务保护恢复的处理流程，该技术可以提高业务和数据处理两方面的时效性和可靠性。

该关键技术基于容器，解决了在物联终端强电断电时业务程序仍在运行，相关数据没有及时存储，导致数据错误、丢失等，从而容易引起业务数据不准确、业务异常等不可预知的问题。图4 为断电保护整体框架。

图4 断电保护整体框架

4.2 详细设计方案

该技术从4 个方面来解决异常断电时带来的一些问题。

1）多模块的差异性处理方式。在电力终端设备中具有一些强电自有的协议和通信模块，如HPLC模块、698 协议和该设备的MCU 交采底板等。在强电掉电后，依赖强电的器件模块无法完全满足运行条件，因此，针对这些器件监控模块通过MQTT 服务的指定断电topic 来通知容器B 中的业务模块和对应的I/O 接口关闭。但对于满足电容储存器供电运行要求的器件，相关的业务数据可以继续被处理，但是容器B 中的业务模块在此期间北向上报数据信息不使用数据中心当前值，而使用初始无效值进行上报，断电期间的关键数据信息存储在断电保护区，供上电恢复时使用。

2）不同类型的数据差异化处理方式。在设备功能复杂的情况下，设备接收到的数据类型大致分为两大类：控制类与采集类。对于控制类的数据，要求实时性高，以较高的优先级进行处理；对于采集类的数据，处理的优先级低。采集类型的数据又根据完整性校验进行区分优先级，对于完整性达到判决要求的进行高优先级处理，这样会保证业务数据的可靠性，对于完整性达不到判决要求的数据进行低优先级处理，甚至根据电容储存器情况直接进行丢弃处理。

3）不同业务I/O 接口数据的差异化处理方式。该设备的电容储存器只能维持4 min 左右，当设备运行到电容即将耗尽的最后时刻，可能会出现某些器件供电不足的情况。数据转换模块会匹配不同的业务内容，对于匹配过程中符合数据报文错误阈值的业务I/O 接口将会通知检测模块，检测模块通过MQTT 服务下发关闭相关业务接口与I/O 接口的任务。

4）对于程序临终遗言的处理方式。数据转换模块将业务数据的业务类型、I/O 接口属性、MQTT 属性、时间以及校验等信息封装成指定存储格式，并将存储内容实时保存到掉电存储区中，防止丢失以便后续数据恢复。具体流程图如图5 所示。

图5 程序临终遗言的处理方式流程图

5 结束语

在物联网技术与电网技术相融合的过程中，各大厂商都在把终端接入作为建设智能电网的发力点。此外，移动通信技术不断发展，使电力行业可以把终端设备作为节点与外界数据交换等。我国电力行业庞大而复杂，既有海量的接入需求，也有时效性、低功耗的特性需求，更有安全接入系统的可靠性刚需。因此，该文从整体物联网框架到终端进行了需求性分析，逐一解决多接入、应急策略、安全稳定、高时效、低功耗的一些需求问题。该套终端系统已运用到现网，通过系统压力测试可知，该终端系统能够满足上述需求。