某省广电总局综合配电管理及数据转发系统

摘 要：针对某省广电总局三个配电区域升级改造，并安装综合配电管理系统的项目，提出A区设备加装MODBUS通信线及MODBUS中继器的改造方案，B区加装IoT扩展通信模块的改造方案，C区直接应用内嵌IoT功能设备的建设方案。为保证IoT通信的安全性，设计出软硬件结合的三重加密体系。同时，为达到设备运行数据转发至广电总局已有监控系统的目的，设计出DTP数据转发程序，并选定光纤作为数据上行的通信介质。在配电管理综合系统部署后，包含时效性在内的指标均取得良好效果。

关键词：配电系统；分区改造；IoT模块；多重加密；规约设计；DTP程序

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）03-00-06

0 引 言

配电系统作为能源应用的管理调度平台，在智能化、网络化厂区与系统中日益发挥更加重要的作用[1]。除在工厂、居民区、商业综合体的应用外，在国民经济的各个战略部门，配电系统的智能化应用及其与其他系统平台的进一步融合正逐渐引发科技工作者的关注[2-3]。作为国内除移动、联通、电信三大运营商之外，取得5G运行执照的第四家企业，作为国家通信基础设施建设者的广电集团的业务随着5G技术逐步商业化的趋势稳步推进[4-7]。某省作为经济大省，其广电总局近几年业务量获得大幅度提高。在原有厂区占地面积较小的客观因素制约下，其设备升级采购、业务拓展等商务活动受到一定的限制。在多方协调下，政府划归其旧址对面一处拆迁厂房为其扩展用地。

由于某些历史和规划的问题。老厂区主楼（后文简称“旧楼”）的电力供应系统分为2个区域：其中A区建设较早，位于旧楼的地下二层；B区建设相对较晚，位于旧楼的地上一层。两区域共同承担旧楼的供电任务。新厂区主楼（后文简称“新楼”）的电力供应来源于主楼体之外的专用配电室（即C区）。项目实施前，在已投入运行的A/B两区，最大的问题是由于缺少配电管理平台，只能采取人工巡查、电话上报的方式，导致电工班工作效率异常低下。同时，因为缺少能综合反映配电状态的平台，对于设备上报的大量数据，只能由老电工采取经验判断的方式来排查潜在故障，这一点埋下较大的安全隐患。B区设备在3年前由于变压器低压出口侧负载过大，短时间热量积累，在人工巡查的空窗期内起火。虽然直接烧毁的设备数量较少，但造成B区较大面积设备过火，只能进行设备报废处理，造成了一定的经济损失，并产生了一些负面的社会影响。

同时，在国家大力提倡综合能效管理、智能化、信息化的大背景下[8-9]，广电总局管理层希望借新厂区建设的机会，将新旧三个配电区域进行系统性综合管理，并将电能利用的数据与总局的网络监控平台（下文简称“监控平台”）整合，以期减少多个系统运行效率低下的问题，最终打造成具有样板效应的综合监控平台。

基于上述原因和现状，广电总局发起工程招标项目，项目实施具体包括三方面内容：三个配电区域的建设及改造（A/B两区改造，C区新建），综合配电管理系统（下文简称“配电系统”）的部署，以及配电系统与监控平台间的数据转发。甲公司作为国内配电领域知名制造及系统集成商，成功中标。本文所设计的系统基于此项目展开。

1 原有设备安装及系统部署情况

本文提到的三个配电区域的具体分布如图1所示，旧楼的两个配电区域中，A区承担旧楼约63%的电力负担，主要包括照明、动力、次要设备等的供电任务；B区承担网关、服务器、数据中心等核心场所与设备的供电任务，占比约为37%。新楼的供电任务由C区100%承担。由于历史的原因，并没有统一的配电系统来分别管理A/B两区的各种配电设备；项目实施前采取的是电工班员工人工巡视、电话汇报的方式进行管理的。三区域的功能配置及低压配电设备安装情况如下。

A区：电工班所在地，也是项目招标合同中规定的新配电系统的部署地点。A区低压配电设备包括单/三相电表、空气开关、断路器等，以西门子和施耐德两家设备为主，平均使用年限8年。在与A区负责施工的单位沟通后了解到，其区域内低压设备具备基础的MODBUS规约通信能力，详见2.1节。

B区：新设备，平均机龄3年。在三年前出现火灾事故后，由于重建的任务紧急，当时只有作为本地企业的甲公司具有在极短工期内加急施工、设备调用、安装调试的能力，故B区的过火设备更换由甲公司承担。目前运行的设备是具有基础功能的低压配电设备。虽不具备通信能力，但留有设备扩展口，可以加装通信模块（如WiFi模块、光纤通信模块、IoT通信模块等）。

C区：新中标配电区域，由于合同中要求此区域中的配电设备具有通信能力，故加装内嵌通信模块的设备。

2 系统硬件架构及改造升级方案

2.1 A区改造方案

由于A区是预设的配电系统部署地，设备改造工作最多，相对任务较复杂。A区位于地下二层，面积相对较大，无线通信效果差，故采取有线通信的方式进行设备改造。

首先，A区的设备目前运行状态良好，在项目合同中不要求更换，在尽量不破坏原有布线、低压柜排列布局，并尽量减少成本的条件下进行设备通信改造，并接入配电系统。A区的设备中，71%为西门子设备，29%为施耐德设备。两品牌市场的占有率较高，同时技术资料也较多。

一方面，已安装设备均具有基础的MODBUS通信能力；但由于通信端口位于主模块中，相对抗干扰能力不足，在通信过程中可能出现丢包、不回复等情况。另一方面，两品牌的低压设备均可外加单独的通信模块。外加的方式存在两个问题：一是成本的增加，二是配电柜改造施工时间延长。一般情况下，如需改造，要对区内多个配电箱加装设备导轨，涉及到人员、施工、材料等诸多方面。在与广电总局项目管理层充分协商后，决定采取第一种方式，即利用原有设备的通信能力，加装通信线路及中继设备的改造方案。进一步地，考虑到原设备的MODBUS通信可靠性较低，采取分区加装MODBUS中继器（下文简称“中继器”）的方案以确保数据及时上传。

如图2所示，在改造施工过程中，由于MODBUS通信协议的通信距离存在限制，在保证尽可能在中继器单机覆盖范围内所有设备均能通信的要求下，经过计算后规划每20～30 m2安装一台MODBUS中继器。图中DevAx指代西门子品牌设备，DevBx指代施耐德品牌设备。中继器的作用有两方面：一方面，对其覆盖范围内的设备进行通信与数据采集；另一方面，对MODBUS规约进行规约转化，将对配电系统上行的报文转换成电力系统常用的IEC104规约形式。规约转换的好处在于：如上行数据依旧采取MODBUS协议，其通信距离和通信线路仍有较大限制；而IEC104协议报文以TCP/IP协议为载体，在普通加装网线的通信线路上即可传输，亦无传输距离的限制。

总的来说，中继器的数据处理流程分为三个步骤：

（a）收集每台中继器所辖区域内的设备数据，所采取的通信方式为有线MODBUS通信；（b）在中继器内部程序执行，将经由MODBUS协议上传的各低压设备的数据（如电压、电流、电量等）进行协议解析，并封装入IEC104报文中；

（c）涉及到中继器与作为上位机的配电系统进行IEC104报文交互的具体流程。

中继器的型号属于甲公司的成熟产品序列，不涉及到硬件改造的问题。本项目中，甲方广电总局希望在中继器原有软硬件基础上进行加强，以保证所有设备的运行数据准确上传。图3展示了中继器对下读取数据的第一步流程，命名a-I步骤。此步骤不同于配电设备应用的一般协议，即每隔15 min轮询下发读取数据的报文[10]。甲方要求每间隔5 min读取一次报文以保证实时性，此流程在中继器中已开发成熟，只需要改变查询周期即可。

图4中展示了中继器对下的第二部分功能。假设轮询过程中，由于主客观原因某些设备未能上传数据，则由中继器根据记录对其进行针对性查询。图4中，左侧实心灰圆表示数据查询成功，空心圆表示上一轮轮询中未成功。加强查询的功能属于本项目中的定制开发功能，只涉及到软件开发，周期较短。

当中继器将所辖区域内设备数据查询完毕后，电量数据的提取与IEC104规约[11]转换的步骤在图5展示的b流程中完成。此部分亦属于中继器成熟功能，不涉及开发任务。

图6中，中继器所进行的c流程主要是与配电系统的IEC104规约交互流程，主要包括总召回复、周期上报、突发告警等。由于IEC104规约的交互流程相对复杂，故单独设计此步骤来保证与前续步骤解耦，以增强程序的鲁棒性。

2.2 B区改造方案

在B区，三年前更换的设备具备通信接口的扩展能力。同时考虑到B区位于地上一层，采用无线通信的方式已在备选方案中。在现场勘查后发现如采用有线通信的方式，A/B两区的距离较远，且涉及不同楼层间的重新穿墙布线问题，施工程序审批将比较复杂。最终，在甲方的参与下，共同决定采取原设备加装IoT通信模块的方式，具体如图7所示。

图7中，DevCx指代甲公司的配电设备，设备右侧的小IoT模块表示通信功能是由扩展模块实现的。考虑到通信报文所携带的数据经由物联网传播，可能存在安全性隐患，故在通信报文进入广电总局内网之前，需要经过隔离解密装置的软硬件解密。

2.3 C区改造方案

C区属于本次项目的新建设配电区域，在设备的选型上，采取一步到位的方式安装内嵌IoT通信功能的配电设备。C区建设方案如图8所示。同B区类似，C区与A区的地理间隔更远，采取无线通信的方式最为经济。在B/C两区的通信过程中，通信报文在进入内网前需要穿透隔离解密装置，将其安装在A区。由于A区位于地下二层，无线信号相对来说强度不足，所以本项目中所应用的隔离解密装置除具有一般的报文解密、数据隔离功能外，还具有较强的信号放大增强功能，以方便接收另外两区的IoT报文。

2.4 IoT通信规约的安全性设计

由于B/C两区的通信报文经由外网接入配电系统，所以存在一定的安全性隐患。结合设备的硬件情况，本项目中采取了软硬件相结合的三层加密方式，如图9所示。

如图9所示，IoT报文的加密分为三个层次，前两层为软件加密层，第三层为硬件加密层。在第一层加密中，在原始IEC104报文的基础上添加前后两段加密报文，命名为Encry-I/Encry-II。Encry-I为系统中已授权通信的设备的SN号，是每台设备具有的全球唯一的可追溯编码；Encry-II为改进型CRC校验码字段，采用特殊算法对通用CRC码进行偏移计算所得。第二层加密，对完整报文应用甲公司特有的且已申请专利的不可逆推算法进行加密。第三层加密涉及硬件芯片层次的加密。在后文所提到的IoT扩展模块或内嵌模块中，集成有与作为接收端的隔离解密装置所配对的N∶1加解密芯片，如IoT报文无法通过芯片解密，则被丢弃。

2.5 系统总体框架设计

本节将阐述系统的总体架构。图10中，最上端的监控平台为广电总局的综合管理系统，是本次项目的最终数据收集端。中间部分的虚线框是甲公司开发部署的配电系统，分为两个功能相对区分明显的部分。配电系统-I部分是甲公司已开发并大规模应用的配电调度系统，在本项目中直接使用。其主系统部署在A区，操作展示平台部署在电工班值班室，以方便电工实时监控。由于需要将用电数据反馈到监控平台，故开发第II部分，即DTP数据转发程序（Data Transferring Program）。图10中的最下方代表将区域内设备运行数据通过有线、无线方式上传的三个配电区。

3 DTP数据转发程序的设计

DTP程序作为配电系统对上通信的关键部分，是本项目的开发重点。总的来说，DTP程序的任务是从配电系统I中提取所有的设备运行数据，并将之以合适的形式发送至上级监控系统，其各部分的设计阐述如下。

3.1 主从通信模式的设置

项目中的各部分之间的通信模式如图11所示。配电系统I与三个配电区域的设备之间，配电系统作为客户端，三区的设备作为服务器端。设备需要周期性或实时向相应配电系统I发送数据查询请求，故设置为服务器端。在监控系统与配电系统的通信过程中，将DTP程序作为数据请求的响应端，设置成为服务器模式。配电系统内部，两部分之间采用共享内存的技术实现数据的实时传输。

3.2 通信数据的种类及规约报文设置

配电设备上报的数据分为3种：遥测、遥信、告警，分别对应模拟量、数字量和告警信息。模拟量指的是设备运行过程中的电压电流等非开关量的数据；数字量代表开关类设备的状态信息，如断路器的状态1表示接通，0表示关闭；告警信息为设备运行中产生的报警字符串。

DTP程序随配电系统I一起启动，在初始化过程中，程序读取计划上传设备及其通信数据的配置文件。与上文提到的数据量对应，配置文件中对模拟量和数字量进行预设。在图12中配置的是0号设备“1#主进低压表”需要上传的多个模拟量。在一级配置中，“analog”指此配置块中的数据为模拟量，“devno”指设备号，“desc”是描述设备信息的字符串，“ananum”指此设备中一共配置有134个模拟量。二级配置“item”中，“net_no”指对上传输报文中，某条数据的编号。“scd_devno”和 “scd_no”两字段能定位到配电系统I中的具体某条模拟量的记录，以方便抽取数据。 “scd_devno”指集中器的编号，在A区中，由于采取了加装MODBUS中继器的改装方式，此字段反映具体的中继器编号；在B/C二区中，无中继器，此字段默认设置成0。“desc”是描述模拟量信息的字符串。类似地，图13中展示了数字量的配置方式，具体功能不再赘述。

在广电总局已部署的监控系统中，开发方预留的通信方式为简单的Socket通信规则。总的报文格式见表1所列。

双方约定的通信规则为：模拟量和数字量，一帧30个量，2 min上发一次；报警信息实时上送。在表1中，“key”为监控系统已设定好的标识符，每个组可以跟随多条“value”值，值之间用分隔符“|”连接。模拟量的标识符命名规则为Sx-Ex-Ax-VA，如S0-E2-A3-VA指代A区第3台设备的第4个模拟量的测点当前值（计数从0开始）。同样地，数字量命名规则为Sx-Ex-Dx-OV，如S0-E2-D3-OV表示A区第3台设备的第4个数字量的原始采集值。命名方式的最后部分为固定字母的命名规则，配电系统可以用到的数据类型见表2所列。

报警信息的组帧流程相对复杂，报警数据的“value”由多条文字信息组成，同时报警的状态值也存在等级划分，见表3所列。

以一条实际的报警报文为例，“S0-E1-A4-EV|3#AL|模拟量过低报警，当前值为：|4|2022-12-04 09：21：42|75DAD6DA-ABC6-48DC-BAF5-9BF147486179|”：代表A区第2台名称为“3#AL”的设备的第4个模拟量出现数值过低的报警，报警发生在2022-12-04 09：21：42时刻，当前的数值为经过十六进制转换的“75DAD6DA-ABC6-48DC-BAF5-9BF147486179”字符串。

3.3 DTP软件流程设计

图14阐述了DTP的两种运行情景，在随配电系统I一起启动后，DTP初始化阶段读入4.2节描述的配置文件，然后进入等待状态。按甲方要求，三区的运行数据每间隔5 min统一上报，如情景A所示。在到达设置时间后，DTP通过共享内存抽取配电系统I收集到的数据，然后按表1的格式进行组帧，随即发送后进入下一轮次的等待。同时，DTP保留有实时应答监控系统数据请求的能力，以应对特殊应用场景下人工查询的需要。在情景B中，如配电系统I接收到任何报警信息，将实时上报。

3.4 通信介质的选择

DTP程序向监控系统传输数据过程中，需要跨越较大的空间间隔，即从地下二层的电工班值班室，到监控系统部署所在的旧楼地上8层。其通信介质选择需要同时满足可靠性与实时性的要求。考虑到广电总局已有的软硬件设施，可供选择的通信介质分为有线传输与无线传输两大类。具体来说，无线传输包括WiFi和IoT方式，有线传输包含网线和光纤。

无线传输的缺点在于：项目前广电总局旧楼各楼层间不存在支持WiFi和IoT的现有设备，需要重新加装。另外，相对有线方式，无线传输的时延稍大。综上，本项目中不采用无线方式。在旧楼的弱电井中，预留有可以直达各楼层间的网线及光纤接口。网线传输方式本质上仍是电信号的传输，虽然在网线外层已做屏蔽处理，但考虑到弱电井中的其他电信号干扰，故不采用。最终选定的通信方式为光纤通信。

4 系统部署及测试

由于改造前采取人工巡视加电话汇报的方式，数据的实时性无法得到保证，三年前的B区火灾事故部分也由此原因引发。对于本次项目来说，广电总局最关心的是数据的实时性。故配电系统部署后，主要验证时效性的提高。其他配电数据涉及到合同保密条款，本文中不予展示。

在表4中，改造前不存在C区，故无数据；B区曾出现因数据审查不及时导致的事故，所以最大值记为无穷大。可以看出，A区的实时性最大值提升9倍，平均值提升15倍；B区平均值提升10倍，总的来说取得较好效果。B/C二区的时延稍大，因为采取的是IoT通信方式，经由外网传输有一定的延时。

5 结 语

本文针对某省广电总局配电管理及数据转发综合系统的项目需求，提出A/B/C三个配电区不同的改造及升级方案，并对配电系统与上位机监控系统之间的DTP数据转发程序进行设计。同时，为响应甲方的保密性要求，对IoT报文的数据量格式及安全性进行多重设计。系统部署后，在时效性上取得较好效果，达到项目需求。

注：本文通讯作者为张伟。

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作者简介：乔泽鹏（1995—），男，山西大同人，本科，助理实验师，研究方向为系统设计与实现、教学实验设计。

张 伟（1988—），男，河北定州人，硕士，讲师，研究方向为算法设计与分析、人工智能与大数据。