新型智能联合终端边缘智能设备检测方法

莫宇 孙福强

摘  要：随着近期新型智能联合终端系统的研发，原有通过IEC104/IEC101规约实现配电终端检测的方法已无法满足检测要求。针对配电终端检测方法与新型智能联合终端系统通信协议不一致的问题，通过HTTP、Kafka、MQTT建立测试平台与物联管理平台、物管平台与智能联合终端的通信，提出了基于HTTP、Kafka、MQTT的边缘智能设备近端和远端检测方法。该方法实现了对新型智能联合终端边缘智能设备的检测，有效地提高了边缘智能设备出厂的合格率，保障了边缘智能设备的正常运行。

关键词：配电网;新型智能联合终端;边缘智能设备检测

中图分类号：TP391.44;TN929.5       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）01-0159-06

Detection Method on Edge Smart Equipment of New Intelligent Joint Terminal

MO Yu，SUN Fuqiang

（Shanghai Sunest Electricity Technology Co.，Ltd.，Shanghai  200233，China）

Abstract：With the recent research and development of new intelligent joint terminal system，the original detection method of distribution terminal based on IEC104/IEC101 protocol is impossible to meet the detection requirements. Aiming at the problem that the detection method of distribution terminal is inconsistent with the communication protocol of the new intelligent joint terminal system，the communication between the test platform and the IoT management platform，IoT management platform and the intelligent joint terminal are established through HTTP，Kafka and MQTT，and the near end and far end detection method of edge intelligent equipment based on HTTP，Kafka and MQTT is proposed. This method realizes the detection of the edge intelligent equipments of the new intelligent joint terminal，effectively improves the qualified rate of the edge intelligent equipments，and ensures the normal operation of the edge intelligent equipments.

Keywords：distribution network;new intelligent joint terminal;edge intelligent equipment detection

0  引  言

随着配电网智能化的发展，逐渐形成了主站与配电终端直连的“树型”网络结构。结构中配电终端主要以IEC104/IEC101规约[1-4]作为通信协议与主站通信。为满足2009年提出的“坚强智能电网”[5]发展规划，必须在配电终端出厂前对其进行合格性检测。公司通过不断对配电终端检测系统的研究和实验，逐渐形成了一套完整的配电终端检测方案[6，7]：通过测试系统控制源给终端加量，终端将加量后的信息通过IEC104/IEC101规约传输给测试系统，测试系统通过传输前后的数据对比以判断配电终端是否合格，进而判断终端是否满足出厂要求。

近年来，物联网技术在电力行业不断应用，配电网以“坚强智能电网”为基础，逐渐向“云、管、边、端”[8，9]的模式推进。国家电网决定设计并实现一套新型智能联合终端系统。该系统能够对设备进行统一接入、运营和管控，并将数据共享标准化。同时解决了对规约的理解不一致导致的终端无法接入配电网络问题;配网中涉及的智能配变终端[10]，同时实现边缘物联代理与交流采样功能，功能重复多余;多配变场景下，多配电变压器监测终端形成多个边，物联代理功能重复等问题。打破了这种多个专业“自建烟囱”的局面。

新型智能联合终端系统通过“边端分离”，将边设备与端设备分开，解决了边端一体化造成终端重复配置的问题。從一个终端一个边，到一个现场一个边，即“一边一端”到“一边多端”，实现了边缘计算和区域自治的功能。系统中设计的物联管理平台能够对所有接入产品定义统一的技术标准，规定必要的产品接入原则，根据边设备的具体功能进行产品的选型，以达到按需定制、按需部署的目的。

由于系统中应用设备与终端通过MQTT和CoAP协议进行通信，这种通信方式导致公司原有使用IEC104/IEC101协议进行终端通信的检测系统在该系统中无法实现闭环测试。因此针对配电终端检测系统在新型系统下的构建和应用问题，提供了两种解决方案。本文将两种解决方案部署于江苏电力科学研究院有限公司进行实际的验证和终端检测，实验发现远端检测方法能够在保证终端数据安全性的同时，能有效地实现智能设备检测。这既为终端检测提供了新方法，又为新旧系统与新型智能联合终端系统中的应用提供了思路。

1  相关工作

现有的智能配电网是以一个主站多个终端的形式构建，它们通过通信网络进行连接，使用IEC104/IEC101规约与主站进行数据传输，如图1所示。DTU、FTU、TTU就是与配电主站连接的配电终端，与配电终端直连的是电网中的一次设备。通过这种方式采集一次设备信息，并为主站提供相应的三遥数据。

配电终端检测系统主要通过模拟智能配电网中各种设备产生的数据，来对配电终端进行检测。其中，配电终端检测系统模拟配电主站;源模拟电网中的一次设备。配电终端检测的主要流程为：使用配电终端检测系统控制源对配电终端加量，配电终端将加量后的数据传输给配电终端检测系统，如图2所示。配电终端检测系统通过通信网络与源和配电终端DTU连接。源与配电终端检测系统通过相应的源协议进行通信，同时与DTU直连。当使用配电检测系统进行配电终端检测时，配电终端检测系统会通过对应的源协议来控制源给配电终端加量，配电终端检测系统从DTU中获取遥信、遥测等数据。通过数据分析和对比，判断配电终端的功能是否正常、是否满足出厂要求。

国家电网在2019年提出了泛在电力物联网技术架构体系，体系包含“云、管、边、端”四个层面。其中，“云”代表物联网云管理，“管”代表通信方式，“边”代表边缘计算，“端”代表智能终端。国家电网根据这种体系架构设计并研发了新型智能联合终端系统，如图3所示。该系统采用物联管理平台作为企业中台与边缘智能设备之间通信的管理者和数据的分发者。通过物联管理平台，将原有企业应用与边缘智能设备之间“多对多”关系分解成“多对一”和“一对多”的关系。同时采用“边端分离”的策略，将对智能设备的功能进行分解。这些方式共同解决了检测过程配置繁琐、功能重复多余和多配变场景下物联代理功能重复的问题。

虽然新型智能联合终端系统能够解决现有企业应用与边缘智能设备之间的诸多问题，但由于新模式与现有模式使用通信协议的不同，导致原有使用IEC104/IEC101规约作为通信协议的配电终端检测系统无法在新系统中使用，因此本文针对配电终端检测系统在新型智能聯合终端系统中应用的问题，提出边缘智能设备近端检测方法和边缘智能设备远端检测方法。

2  边缘智能设备近端检测方法

近端检测方法采用原有配电终端检测系统与配电终端的通信方式，反应在新型智能联合终端系统中就是边缘智能设备检测系统不经过物联管理平台，直接通过MQTT[11，12]与边缘智能设备通信来进行设备的测试。

图4为本文设计的边缘智能设备近端检测方法，该方法通过MQTT使检测系统与边缘智能设备通信，使用源协议控制源以直连的方式给待测设备加量，进而实现边缘智能设备的检测。

检测的具体流程为：

（1）建立MQTT连接，并对边缘智能设备进行配置;

（2）通过源协议控制源给边缘智能设备加量;

（3）边缘智能检测系统接收设备通过MQTT返回的JSON字符串;

（4）解析JSON字符串并与实际数据对比并返回检测结果。

下文给出了接收到的一段遥测数据JSON字符串：

{

"app"："yongcai2.0"，

"param"：

{

"method"："analog"，

"data"：

{

"PhV_phsA"："220.4"，

"PhV_phsB"："220.7"，

…….

…….

}

}，

…….

…….

"timestamp"："2020-08-20 18：49：57"

}

}

其中，“app”是获取数据时访问的应用程序;“param”即是用于程序“yongcai2.0”返回的数据;“timestamp”表示该命令返回的时间;在数据“param”中，“method”代表数据的类型，标注数据为遥信、遥测还是其他数据，这里的“analog”为遥测数据;“data”中的内容即为采到的遥测数据，“PhV_phsA”表示A项电压为220.4 V，“PhV_phsB”表示B项电压为220.7 V;根据JSON中规定节点的含义，解析并提取字符串中的内容，判断该设备是否存在故障。

公司在联合终端测试现场将测试平台与联合终端链接，并实现MQTT通信后，对其遥测、遥信和故障告警等功能进行测试，测试期间更换同一厂家的多个不同终端和多个厂家的多个不同终端分别进行检测测试。从检测过程中可以看出，边缘智能设备近端检测方法有以下优点：

（1）检测设备无需通过IEC104规约进行通信，避免了不同企业对IEC104规约理解不同导致的协议间的差异性;

（2）通过使用JSON字符串命令，可以清晰地判断发送和接收数据的准确性，大大缩短了遇到问题时分析报文的时间;

（3）该检测方法通过MQTT协议能够成功为边缘智能设备提供检测服务。

但是由于检测设备通过MQTT直接与边缘智能设备通信，且使用新型智能联合终端需要定义边缘智能设备返回的数据，无法避免对同种边缘设备的多次配置。因此对于小批量设备检测具有较好的效果，对于大批量设备的检测会因为烦琐的配置而力不从心。针对这一缺点，本文提出了边缘智能设备远端检测方法。

3  边缘智能设备远端检测方法

远端检测方法将检测系统结合到新型智能联合终端系统“一管多用”的思想中。该方法使检测装置通过HTTP协议[13，14]与物联管理平台通信，并从Kafka[15，16]消息队列消费由物联管理平台转发的边缘智能设备数据如图5所示，同样接收JSON字符串来分析和解析数据。

由于远端检测方法与近端检测方法的通信方式发生了转变，因此他的通信流程和JSON报文的解析方式也发生了改变。具体流程为：

（1）建立HTTP连接，启动Kafka消息队列的消费模式;

（2）通过HTTP发送JSON字符串形式的命令或请求信息对边缘智能设备进行配置，并接收HTTP传输的返回结果;

（3）首先需要对HTTP命令提取JSON字符串，然后进行JSON解析。根据解析后的数据，判断配置是否成功，完成后由物联管理平台统一保存，之后对同一类设备进行测试无需再次配置。HTTP返回的命令为：

2020-08-20 11：09：43：接收{"id"："1001"， "errMsg"："成功"，  "value"：{"modelId"："23010001170007"}， "code"：2000}

（4）通过源协议控制源给边缘智能设备加量;

（5）消费Kafka数据，得到的JSON字符串为：

{

…….，

"drdId"："1100001000110009"，

"topic"："service_data_2"，

…….，

"content"：{

"app"："yongcai2.0"，

"param"：

{

"method"："analog"，

"data"：

{

"PhV_phsA"："220.4"，

"PhV_phsB"："220.7"，

…….，

…….，

}

}，

…….，

…….，

"timestamp"："2020-08-20 19：50：32"

}

}

将得到的JSON字符串進行解析，判断设备是否故障。

在整个过程中，HTTP返回请求成功信息的同时，通过MQTT向边缘智能设备发送相应命令。当接收到边缘智能设备返回的结果时，物联管理平台以生产者的角色将返回值发送到Kafka消息队列，然后由测试装置消费。

上文（5）中给出的代码为Kafka消费到的遥测数据，其中“content”部分即为第2小节中通过MQTT收到的JSON字符串;“drdId”为初始设备配置时产生的设备编号;“topic”是消费到的数据的主题。检测系统通过解析并对比该字符串包含的数据以实现对边缘智能设备的故障性检测。

同样，公司在实现近端检测方法的同时，根据其缺点和不完善性，又将远端检测方法进行了现场测试，采用多TTU同时链接同时测试的方式，该方法完全胜任检测工作，并能够提高设备检测合格率，降低复检概率。

边缘智能设备远端检测方法有以下优点：

（1）物联管理平台将检测设备与待检测设备分隔开，检测设备只需对同一类型的待测设备进行一次配置，减少了多次配置设备带来的重复劳动;

（2）检测设备可以直接通过HTTP命令获取命令是否发送成功的信息，减少了开发人员的工作量，同时将发送的消息标准化;

（3）通过使用JSON字符串命令，可以清晰地判断发送和接收数据的准确性，大大缩短了遇到问题时分析报文的时间。

通过远端检测方法成功解决了近端检测方法带来的重复劳动问题，可以实现大批量边缘智能设备检测。

4  与IEC104差异对比

4.1  配置、适用场景对比

本节从终端检测方法与新型智能联合终端系统的兼容性入手，通过多次终端检测和配置结果得出表1所示的数据。其中，配置次数为检测装置对多台待检设备的配置，原有104规约的检测方法需要通过检测装置对每一台设备进行配置。

从表1可以看出，原有IEC104检测方法已不能与新型智能联合终端系统兼容，本文提出的两种方法，均可以实现在新型智能联合终端系统上进行边缘智能设备检测的目的。并且因为物联管理平台介入的原因，使得远端检测方法配置次数更少，更加适合用于大批量边缘智能设备的检测。

4.2  报文类型和功能对比

由于原有边缘智能设备检测方法使用的是IEC104规约进行通信，而本文提出的两种方法使用新型的通信方式。针对他们的通信方式不同，本节提取了原有IEC104检测方法、近端检测方法和远端检测方法通信过程中的遥测报文数据，并对接收到的数据进行比较分析，如表2所示。

从表2中可以看出原有IEC104的检测方法接收到的数据为报文，如果检测出智能终端存在问题，需要对接收的报文逐位分析，这个过程特别烦琐，且容易解析错误。本文提出的近端和远端检测方法，通过接收JSON字符串的形式获取报文。此时，检测人员可以通过返回结果直接获取到数据，以分析故障原因。而远端检测方法返回的JSON字符串内容更加详细，从报文中可以获得设备编号等信息，使得终端的检测和物联管理平台的管控更加方便。

5  结  论

针对新型智能联合终端系统中配电终端检测系统的构建和应用问题，本文提出了新型智能联合终端边缘智能设备近端检测方法和远端检测方法。分析了它们的优缺点，并针对它们的配置、使用场景和报文类型及功能进行了对比。为原有系统在新型智能联合终端系统上的接入提供了思路。

参考文献：

[1] 何松，李育灵.IEC-104规约应用分析 [J].山西电力，2007（4）：18-21.

[2] 吴晓宇.基于IEC104规约的配网监控服务器的设计与实现 [D].北京：华北电力大学，2018.

[3] 唐宏丹，王旭，杨福有，等.应用IEC101/104报文快速排查变电站通信故障 [J].电工文摘，2015（2）：24-26.

[4] 王雷，史金伟.IEC 104规约中程序化控制的扩展应用 [J].供用电，2012，29（4）：52-53+76.

[5] 李兴源，魏巍，王渝红，等.坚强智能电网发展技术的研究 [J].电力系统保护与控制，2009，37（17）：1-7.

[6] 王秀茹，刘刚，凌万水，等.智能分布式馈线自动化网络闭环仿真测试技术 [J].电子器件，2019，42（6）：1416-1420+1427.

[7] 张磐，凌万水，刘东.基于案例预置的馈线自动化测试方法与应用 [J].广东电力，2015，28（8）：84-88.

[8] 熊小敏，杨鑫，刘兆璘，等.车路协同的云管边端架构及服务研究 [J].电子技术应用，2019，45（8）：14-18+31.

[9] 江苏深瑞汇阳能源科技有限公司.一种基于“云-管-边-端”架构的智能配电系统：CN202010380087.5 [P].2020-08-18.

[10] 陈力.企业移动智能终端检测技术深化研究与实现 [D].广州：华南理工大学，2015.

[11] 宋丽.一种基于MQTT协议的机房动力环境监控系统 [J].单片机与嵌入式系统应用，2020，20（8）：83-86.

[12] 胡镒良，章杰，王星辉.MQTT协议的自供电温湿度监测系统 [J].单片机与嵌入式系统应用，2020，20（7）：69-71.

[13] 李纯洁，韩显业，申宁.基于Modbus-TCP和http的轨道交通电力SCADA系统故障录波傳输设计 [J].船电技术，2020，40（8）：56-60.

[14] 吴其祥，李祖猛，马华.基于HTTP协议的隐蔽信道研究 [J].信息安全与通信保密，2009（1）：73-74.

[15] 刘英杰.基于Kafka和时序数据库的物联网数据测控系统设计与实现 [D].济南：山东大学，2020.

[16] 张娜，史佳炳，吴彪，等.基于Netty和Kafka的IOT终端服务系统设计方案 [J].浙江理工大学学报（自然科学版），2020，43（2）：240-245.

作者简介：莫宇（1983—），男，汉族，上海人，工程师，硕士，研究方向：计算机应用技术。