基于边云协同的配电网智能网关设计

胡钢　高旋　徐成泽　陈志列

摘  要：随着用电量不断增大，以及工业互联网、云计算、大数据等技术飞速发展，以数字化、智能化方式提升配电网效率及能力受到关注。文章通过分析云边协同架构，设计边云协同配电网智能网关应用总体架构；结合电力行业应用场景特性，进行配电网智能网关软硬件设计，重点对配电网智能网关的电磁兼容性进行了分析，提出多级分压瞬态电压抑制剂技术及端口防护设计措施；研发了一款配电智能网关设备，实现设备状态监测、环境安防监控等，提高配电网智能化管理水平。最后，对网关电磁兼容性及可靠性开展了测试验证。

关键词：智能网关；边云协同；软硬件设计；电磁兼容设计

中图分类号：TP391.4；TN929.5 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）19-0051-05

Design of Intelligent Gateway of Power Distribution Network Based on

Edge Cloud Collaboration

HU Gang1，2 GAO Xuan1，2， XU Chengze1，2， CHEN Zhilie1，2

（1.Guangdong Province Industrial Edge Intelligent Innovation Center， Shenzhen  518057， China;

2.EVOC Intelligent Technology Co.， Ltd.， Shenzhen  518107， China）

Abstract： With the continuous increase of power consumption and the rapid development of Industrial Internet， cloud computing， Big Data and other technologies， the efficiency and energy efficiency of the power distribution network in the digital and intelligent way have received attention.  The overall architecture of the intelligent gateway application of the power distribution network based on cloud edge collaboration is designed by analyzing the edge cloud collaborative structure. Combined with the characteristics of application scenarios in the power industry， this paper designs the software and hardware of the power distribution network intelligent gateway， focuses on the analysis of the electromagnetic compatibility of the power distribution network intelligent gateway， and proposes the multi-level partial voltage transient voltage inhibitor technology and port protection design measures. A power distribution intelligent gateway device has been developed to realize equipment status monitoring， environmental security monitoring and other functions， and improve the intelligent management level of power distribution network. Finally， The electromagnetic compatibility and reliability of the gateway have been tested and verified.

Keywords： intelligent gateway; edge cloud collaboration; software and hardware design; EMC design

0  引  言

隨着用电需求连年走高，用电场景由过去单一的电力供应方式逐渐向多元化的服务方式转变。数字技术是传统电网赋能提升的重要手段，用来提升电网资源优化配置效率和智能互动水平[1-3]。作为电网的重要组成部分，配电网直接面对的是广大用户。需要不断提升基础设施质量，提高配电网供电能力。配电网的绿色安全、泛在互联和智能开放能力通过数字化、网络化、智能化的方式提升变得尤为重要[4-6]。

传统云计算模型通过网络将所有数据上传到云计算数据中心，利用云计算中心超强的算力，将计算需求的应用集中起来解决。然而，在万物互联时代，设备产生的数据量持续激增，导致云计算逐渐遭遇瓶颈的是网络带宽和时延。保证全场景网络覆盖的高昂成本也迫使企业下放一部分计算到边缘，因此，利用边缘设备计算和数据分析处理，在网络边缘设备上执行原云计算的计算任务，降低云服务器的计算负荷，缓解网络带宽压力，提高数据处理效率[7-10]。

1  边云协同配电网智能网关整体设计

边云协同配电网智能网关整体方案如图1所示，包括智能网关硬件设计和边云数据处理，智能配变终端、智能开关等感知设备部署在配电网低压侧，在用户端进行智能终端、智能电表等感知設备的设置[11]。基于配电变压器等实时运行状态数据的采集，实现边云协同配电网运行状态的实时检测、故障判断等。与配电自动化相比，基于电力物联网的云边协同配电网智能网关建设，更重视与用户的交互[12-14]，在用户端使用智能终端全面感知电网状态，打通与用户交互的数据壁垒，推动配电网高级应用。

1.1  硬件设计

主频700 MHz，支持4GLTE和LORA无线通信，支持三相载波HPLC接口，4个千兆RJ45网络接口，4个RS485三线制串口，2个RS485/RS232可调三线制串口。

采用SD5115T芯片设计核心板，核心板提供了GPIO管脚专门用来复位扩展单片机，ARM双核CortexA9，ZSP处理器镶嵌在芯片中。xPON接入支持GPON/EPON/GE三模自适应，遵从GPON标准G.984，G.983，以及802.3—2005、CTC的EPON设备技术要求。

配备PLC载波模块，采用OFDM调制载波频率2～12 MHz（支持自适应调节），物理层。物理层峰值速率为14 Mbit/s，应用层为2.8 Mbit。遵从Home-Plug国际标准执行。如图2所示。

核心板支持扩展RS485/RS232/RS422接口、CAN接口、DIO接口和AIO接口，USB提供两个通道：管理通道和业务通道，管理通道采用标准的ModBusRTU协议。用于获取扩展单片机软件版本、扩展接口信息，升级扩展单片机软件，以及配置扩展接口属性（如串口速率、CAN速率等）等，核心板作为ModBusRTU协议的主要装置。扩展单片机作为ModBus RTU协议的从设备；业务通道使用私有协议。用于传输串口、CAN、DIO和AIO业务数据。扩展单片机插入或者上电后，核心板通过管理通道自动获取扩展单片机的接口信息，根据接口信息在Linux上创建不同的设备。

1.2  电磁兼容设计

配电网智能网关需满足电力行业电磁兼容需求，需要对电源端口、外壳端口、功能接口、输入端口、输出端口进行EMC防护设计，如图3至图5所示，并且针对I/O接口抗浪涌、耐压难以兼顾的矛盾，首次采用浮地技术、多级分压瞬态电压抑制技术，提升了复杂电磁防护能力。

多级分压瞬态电压抑制技术方案采用三级保护，利用800 V TSS半导体放电管提高第一级防护器件的动作电压（DC 800 V），并控制元件后级残压在1 kV以下范围；第二级运用250 V 145 mA 5 Ω的PTC热敏电阻实现分压、限流；第三级封装15 V双向TVS管，主要是采用SMBJ15CA SMB实现；针对TSS动作后的残压，开展嵌位共模防护，使得残压为19.6～31.6 V之间，尖峰电压持续时间在0.1 μs左右。使用25 V TSS进行差模防护，能够达到10/700 μs波形4 kV的保护效果。

IO端口（LAN电口、光口）连接器金属外壳通过EMC弹片与箱体可靠低阻导电搭接；串口塑料端子连接器开孔增加自制屏蔽罩于电路板上，并通过导电泡棉与壳体良好导电接触；抽拉式电源模块通过多个EMC弹片与箱体可靠低阻抗导电接触；散热开孔为6 mm以下小孔，良好导电的嵌入式折边搭接，保证屏蔽性能。具体内容如下：

1）LAN EMC防护，次级ESD保护器件兼差模浪涌保护。采用集成网络变压器。LED灯信号采用RC滤波（R=150 Ω，C=0.01 μF）。

2）USB接口，增加ESD防护，USB接口电源脚串入保险丝。

3）COM口隔离与防浪涌设计，如图5所示。

4）电源模块采用定制模块，信号地与机壳地（包括螺丝孔）分开，用高压电容（耐压≥1 000 V）作高频连接（每个端口两边各1 pcs（相邻端口可共用），每个螺丝孔各1 pcs），机壳地与内部信号间表层airgap≥30 mil，内层airgap≥10 mil，满足介质强度≥707 VDC（AC500 V）。

1.3  软件设计

配电采集终端需要与站点单元和上层服务器进行通信。一方面，向站点单元的釆集终端发送命令或接收采集终端上传的数据帧；另一方面，接收对上的服务器命令，将通信数据封装数据包，并上传。同时，采集终端要有便捷可视化的人机界面，展示系统运行状态，配置系统参数，通信链路状态等。利用边缘计算的协同处理技术支持实现数据分析平台，采用面向服务的技术架构，分层分布式构建服务组件，如图6所示。

软件主要包括界面状态可视化显示、数据分析处理、参数配置设定，通过数据分析处理开展解析终端，并上传数据，然后对数据进行顿重封装和存储，软件支持接收采集终端上传的数据帧、接收服务器命令、可视化人机界面显示系统运行的状态、自动配置系统参数、通信链路状态等功能。配网智能网关的主要协议包括电力设备感知层到下层传输协议和配网智能采集终端到服务器端的上层传输协议，管理通道使用标准的ModBus RTU协议进行通信，核心板作为ModBusRTU协议的主要装置。扩展单片机作为ModBus RTU协议的从设备，设备信息请求使用ModBus RTU协议的读取保持寄存器功能，业务通道使用类似ModBus RTU协议数据格式进行封装的私有协议。

配网智能网关作为Modbus主设备，底层电力设备为从设备。配电智能网关与底层电力设备的通信，首先配网智能网关将需要通信的电力设备的地址放入Modbus包中，其次，与设备地址一样的电力设备利用数据地址进行查询，查找所需电气设备对应寄存器的内容，获得系统配置的数据。当电力设备响应时，将该数据地址放入应答帧中，从而让配网智能采集终端获悉是电力设备发出的响应[15]。

由于MQTT具备兼容强弱不一样的物联设备计算性能，系统资源占用较小等优势，大多数云平台采用MQTT协议。MQTT协议的实现需要创建客户端和服务器，协议结构如图7所示。其中，服务器位于中间，是消息代理的角色；客户端位于两边，一边是作为发布者，一边是作为订阅者，完成发布消息和订阅消息的功能。

整个系统使用MQTT协议作为消息总线，按照以下原则进行部署：在容器中部署MQTTBroker；ESDK（二次开发）部署在容器中，作为MQTT客户端，连接同容器中的MQTBroker。为容器内APP提供高级应用开放接口；APP部署在容器中，作为MQTT客户端，通过MQTBroker与ESDK进行通信。

2  测试分析

2.1  电磁兼容性

本文在完成配电智能网关基础软硬件功能测试基础上，重点对配电智能网关进行电磁兼容性能试验，包括30～1 000 MHz辐射骚扰场强、1 GHz以上辐射骚扰场强射频试验，符合GB/T 9254—2008相关无线电骚扰限值和测量方法，测试环境设备的连接如图8所示。

2.1.1  30～1 000 MHz辐射骚扰场强测试

如表1所示，试验数据符合GB /T 9254—2008辐射骚扰场强（30～1 000 MHz）A级限值要求。

2.1.2  1 G以上辐射骚扰场强射频测试

在测量过程中，对天线高度（1～4 m）、天线极化方向（H/V）及天线相对于EUT的方位（在0～360°旋转EUT）进行调节，从而得到不同频率上的最大骚扰场强指示值，如图9所示，由测试曲线可知，个频段峰值均未超出限定最高值，符合GB/T 9254—2008辐射骚扰场强（1 GHz以上）A级限值要求。

2.2  可靠性

将智能网关放入高低温环境中进行高低温测试，测试其温度范围-5 ℃～50 ℃，同时开展冲击和振动试验、IP防护等级的测试，试验完成后网关外观、结构、功能均保持正常，符合应用场景使用需求。

3  结  论

基于边云协同架构设计了一款面向配电网的智能网关设备，电磁兼容性符合GB/T 9254—2008相关要求，可靠性强，适用于电力应用场景，能够实现配电房终端设备快速接入、屏蔽终端设备差异性，支持获取设备状态监测、环境安防监控、低压电气量监测等数据实现设备状态监测，提高了配电网智能化管理水平。

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作者简介：胡钢（1989—），男，汉族，山西临汾人，中级工程师，硕士研究生，研究方向：工业控制计算机。

收稿日期：2023-02-24