电力项目边缘物联代理一体化平台的建设研究

李 腾 刘之奎 廖 军 杨可军 朱能富

（1、国网安徽省电力有限公司检修分公司，安徽 合肥230000 2、安徽南瑞继远电网技术有限公司，安徽 合肥230088）

1 边缘物联代理概述

边缘物联代理基于软件定义终端和容器技术，通过通信协议适配、统一数据模型、安全管控等技术手段完成对主设备在线监测、阀厅红外测温等系统数据的汇聚接入、边缘处理以及转发上送。

2 古泉换流站物联网建设存在的问题

2.1 数据共享和资源复用不足

在数据汇聚方面，数据无法共享，导致各个系统“孤岛”运行，无法协同工作。

2.2 感知能力未充分发挥，辅助手段不足

缺少运行设备全面监控、联合巡检等业务应用，无法充分激发现有设备感知能力，数据利用率较低，不能更好的支撑换流站内运维人员全面及时的掌握设备状况。

2.3 不满足泛在电力物联网的建设要求

站内缺少边缘物联代理，不能实现站内数据的边缘汇聚和边缘处理，不足以支撑物联管理平台和企业中台的物联应用，也不满足国网公司的智慧物联体系要求。

3 边缘物联代理一体化平台的建设

3.1 系统总体设计

3.1.1 技术架构设计

边缘物联代理一体化平台包括边缘物联代理以及边缘业务应用两部分（如图1）。通过边缘物联代理接入古泉换流示范站的各类感知终端，包括现有存量设备和系统以及新建设备和系统，涵盖站内设备、环境和人员感知，实现站端的边缘计算、区域自治。提供站内设备数据建模、边缘智能服务交互接口等服务，在整合分析站内各类数据后上送信息至三维可视化系统、物联管理平台(预留接口)、智能运检管控系统等。同时边缘业务应用将提供设备智能联动、全面监视、智能巡检等智能辅助应用，全面提升特高压古泉换流站的智能化水平。

图1 边缘物联代理一体化平台架构示意图

3.1.2 集成方案设计

根据边缘物联代理一体化平台的建设需求，边缘物联代理需要集成主设备在线监测系统、阀厅红外测温系统、蓄电池监测系统、辅助控制系统、接地极在线监测系统、声纹监测系统、换流变红外测温系统、室内/室外机器人系统、PMS 系统等多个系统的数据。

3.1.3 部署架构设计

边缘物联代理与边缘业务应用分开部署，通过restful 接口进行数据交互；边缘物联代理通过各种协议完成存量和新增在线监测装置的数据接入。

3.2 网络架构

古泉换流站泛在电力物联网近场通信， 采用5G+LoRa+5.8GHz 技术宽窄带混合组网方式扩展近场通信组网通道，与运营商合作建设5G 基站3 座，自建5.8G LTE 宏基站1座、微基站1 座，自建中兴LoRa 基站2 座、补盲基站4 座，实现全站的5G、5.8G LTE 和LoRa 三种无线终端接入方式的全覆盖。

（1）主设备在线监测、阀厅红外在线监测等存量系统通过有线网络方式接入汇聚节点，再接入到边缘物联代理一体化平台。（2）新型的变压器局放、GIS 局放、GIS 机械特性、开关柜测温等主设备在线监测设备采用无线通信的方式接入到采集终端里，无线为Lora 或2.4GHz 无线网络等，采集终端通过有线网络方式与汇聚节点通信。（3）安防、微气象、灯光、温湿度监测等环境感知终端采用现场总线方式接入到现场环境单元，再通过有线网络方式与汇聚节点进行通信。（4）高清摄像机和红外摄像机设备采用有线网络方式接入到视频汇聚节点，再通过有线网络方式接入到边缘一体化平台。（5）机器人，室外移动巡检机器人和智能穿戴装置采用Wifi 通过微型安全平台装置接入到机器人汇聚节点，室内机器人则采用有线网络接入到机器人节点。（6）站内所有汇聚节点采用有线网络方式接入到一体化平台。

3.3 软件架构

3.3.1 边缘物联代理

边缘物联代理基于微服务框架和容器技术，通过通信协议适配、统一数据模型技术手段，完成存量系统/终端和增量智能终端/传感器的安全可信接入，解决智能终端和感知终端统一接入、数据共享、业务协同。

边缘物联代理架构共分为分为三层（如图2）：设备接入层、核心服务层、支撑服务层，同时还有安全服务和系统服务作为支撑。

设备接入层是通过各种物联协议和规约，实现各类设备和边缘物联代理的数据交互。

核心服务层作为边缘物联代理的核心，通过接收、处理、转发设备数据，使用元数据管理，发现注册设备等服务为整个边缘物联代理提供基础服务。

支撑服务层提供边缘物联代理支撑服务，如日志、告警、规则引擎、流处理等，同时通过云边协同服务作为北向API 的接入层，为应用、物联管理平台、智能运检管控平台提供API 接入服务。

图2 边缘物联代理功能架构图

3.3.2 边缘业务应用

古泉边缘物联管理一体化平台的边缘业务应用架构分为接入层、数据层、平台层和业务层。接入层负责接入边缘物联代理所集成的各类监测数据，数据层负责数据的存储以及数据挖掘、分析识别等数据处理服务。平台层提供告警、进程管理、联动、权限、日志、报表等服务。业务层实现智能巡检、运行监控、运维管理、可视化展示等应用。

3.4 微服务架构

微服务是一种新兴的架构风格，一个大型复杂软件应用由一个或多个微服务组成。系统中的各个微服务可被独立部署，各个微服务之间是松耦合的。每个微服务仅关注于完成一件任务并很好地完成该任务。在所有情况下，每个任务代表着一个小的业务能力。就是把一个大型的单个应用程序和服务拆分为数十个的支持微服务。一个微服务的策略可以让工作变得更为简便，它可扩展单个组件而不是整个的应用程序堆栈。

从而满足服务等级协议。微服务架构强调的重点就是业务系统需要彻底的组件化和服务化，原有的单个业务系统会拆分为多个可以独立开发，设计，运行和运维的小应用。这些小应用之间通过服务完成交互和集成。其核心特点如下：（1）通过服务实现组件化。开发者不再需要协调其它服务部署对本服务的影响。（2）按业务能力来划分服务和开发团队。开发者可以自由选择开发技术，提供API 服务。（3）去中心化。数据的去中心化，进一步降低了微服务之间的耦合度，不同服务可以采用不同的数据库技术（SQL、NoSQL 等）。在复杂的业务场景下，如果包含多个微服务，通常在客户端或者中间层（网关.处理）。

边缘物联代理一体化平台通过微服务技术将大型应用拆分成独立部署的独立应用。

3.5 Docker 容器

Docker 是一个跨平台、可移植的容器解决方案，用于构建、发布和运行分布式应用的平台。通过Docker，可在容器内部快速自动化地部署应用，并通过操作系统内核技术为容器提供资源隔离与安全保障。容器技术主要有以下几个优点：（1）跨云平台支持。越来越多的云平台都支持容器，用户无需担心受到云平台的捆绑，也让应用多平台混合部署成为可能。（2）环境标准化和版本控制。基于容器提供的环境一致性和标准化，可以使用版本控制工具对容器镜像进行版本控制，还可以对整个应用运行环境实现版本控制，一旦出现故障可以快速回滚。相比以前的虚拟机镜像，容器压缩和备份速度更快，镜像启动也像启动一个普通进程一样快速。（3）高资源利用率与隔离。容器没有管理程序的额外开销，与底层共享操作系统，性能更加优良，系统负载更低，在同等条件下可以运行更多的应用实例，可以更充分地利用系统资源。同时，容器拥有很好的资源隔离与限制能力，可以精确地对应用分配CPU、内存等资源，保证了应用间不会相互影响。（4）容器跨平台性与镜像。容器有一整套标准化的配置方法，将应用及其依赖的运行环境打包成镜像，真正实现了“构建一次、到处运行”的理念，大大提高了容器的跨平台性。

边缘物联代理通过容器技术，提供应用间的基本运行环境和所需边缘服务，保证应用运行环境的一致和互相之间的隔离。

3.6 安全管理

边缘物联代理具备可信计算、保护存储数据机密性和完整性的功能。在安全方面主要分为两个方面：边缘服务安全调用、设备数据安全传输。

边缘服务安全调用主要是在调用边缘物联代理接口时，对调用者进行认证。其主要流程有：授权管理、访问授权、信息加密等功能。授权管理是指配置能够访问边缘物联代理服务接口的用户以及验证方式。访问授权是指调用者调用边缘物联代理内部接口时，通过密码或密钥等参数获取认证token，通过token访问边缘物联代理服务接口。边缘物联代理在用户访问时校验token 有效性。

设备数据安全传输通过对设备进行配置和管理，以及对设备物模型的设置和设备访问的设置，控制接入数据的安全性。在数据上传到边缘物联代理时能够使用国密算法进行数据解密，保证传输数据的安全性。

3.7 数据上送

采用https 或者MQTT 协议建立数据上传接口，上传数据到智能运检管控系统、三维可视化平台。预留物联管理平台上送接口，支持后期接入国网统一物联管理平台，预留接口包括设备注册请求、设备升级命令下发、设备升级状态上报、请求更新配置、物模型下发命令、物模型命令响应、应用控制命令接收、应用状态监测等。采用数据格式为JSON。

三维可视化平台、智能运检管控系统上传数据为接入的各种监测数据。包括主设备在线监测数据、蓄电池监测数据、红外测温监测数据、接地极在线监测数据等。同时为智能运检管控系统开发并部署前端展示和统计模块。

3.8 高可靠安全防护体系

边缘物联代理一体化平台采用安全操作系统，确保边缘物联代理的基础操作系统及软件具备可信计算、存储数据机密性完整性保护。采用国密算法对关键数据进行加密传输和存储。

4 结论

通过边缘物联代理一体化平台的建设，实现了对古泉站端的设备信息采集、信息汇聚和信息共享，实现对站内在线监测、环境、视频、机器人等设备运行的全景监控和信息感知，使运维人员能够全面掌控设备运行状态，及时处理设备故障，提升巡检工作效率，最终实现特高压古泉换流站信息全景交互，全面提升特高压古泉换流站的智能化水平，减少人力成本，提高工作质量和效率，保障电网安全运行。