基于物联网技术的虚拟集中器系统研究与设计

文小珲，衣方磊，蒋佳辰，余宁泰，段 勇

(陕西省地方电力(集团)有限公司，陕西 西安 710061)

随着“大云物移智”技术发展及规模化应用，不断推进具有广泛互联、智能互动、灵活柔性、安全可控等特征的新一代电力系统建设。用电信息采集系统是用电数据采集的重要来源，为大数据分析和用电管理提供重要依据;是新一代电力系统建设的重要组成部分，其自动化、实时性、高效率、全面性、可靠性等将会影响到电力业务的精细化管理和未来规划。

集中器作为用电信息采集系统主站(以下简称“主站”)与终端设备的“中间枢纽”，具有对计量终端的数据采集、存储和上传的功能。近年来，面对用户用电需求增加，充电桩等采集终端新业务发展，电网精益化管理要求提升，电网系统和用户高频繁交互等现象，带来的集抄系统规模化部署，采集范围不断拓展，采集频次提高，采集数据要求高效处理等情况，导致主站处理数据的压力增大，对终端的通信速度和处理能力也提出了更高要求[1-4]。

本文以连接用户与电网的第一道枢纽“集中器”为研究对象，深化应用物联网技术，探索设计能够覆盖区域全用户的用电信息实时采集、远程集抄，采集数据高效处理交互，与主站直接通信，智能终端统一管理等功能为一体的用电信息采集虚拟集中器系统(以下简称“虚拟集中器系统”)，作为区域数据管理与业务应用的工作站点，替换原有的实体化集中器设备，既为电力企业节省了大量的设备管理及运行维护成本，又显著提高用电信息采集的实时性、全面性和成功率。

1 虚拟集中器系统概述

虚拟集中器系统采集电能表的数据进行存储与处理，同时能和主站进行数据交互，与实体化集中器设备相比，除了具有用电信息采集、存储、转发等基本功能外，还具有数据处理、数据异常监控、与主站直接通信开展业务应用、终端统一管理等功能，可有效减轻主站数据处理的压力，实现用电信息采集的全面性和实时性，更好帮助管理者掌握用户用电的状态及电能质量等，推动电力系统网络结构优化，加快了降本增效。

1.1 设计思路

结合现有集中器设备面临的问题，深化应用物联网技术，将虚拟集中器系统定位为连接主站与智能电能表等采集终端设备之间的枢纽。基于物联网技术的虚拟集中器系统，具有与采集终端直接远程数据通信和终端分台区管理的功能，以及对配变台区考核总表远程数据通信和总表管理功能，能够对区域内所有终端用户进行用电数据实时采集、分析、处理和监控，为智能用电管理和服务提供及时、完整、准确的基础数据支撑，为阶梯电价、分时电价、全面预付费的营销业务策略实施提供技术基础，进而辅助企业决策者迅速响应市场变化及客户需求[5-7]。

在此基础上，将虚拟集中器系统分为表现层、业务层、支撑层、数据层4层架构。其中，表现层设计为C/S模式客户端和B/S模式客户端2种；业务层分为采集层、应用层与接口，即虚拟集中器系统的业务范围主要包括用电信息采集和管理分析等业务应用，并通过数据接口的方式与其他系统进行信息数据交互；支撑层通过应用光纤、远程物联网通信(NB-IoT虚拟专用窄带物联网网络，简称“NB-IoT网络”)专网等实现远程通信服务、消息服务、业务服务及安全服务；数据层指虚拟集中器系统建立自有的数据库，用于存储短期计量终端数据。虚拟集中器系统总体架构如图1所示。

图1 虚拟集中器系统总体架构

本文设计的虚拟集中器系统是基于功能强大的计算机设备运行，分布式部署于不同功能的服务器设备中，一套完整的虚拟集中器系统可以运行多台虚拟集中器，并与主站的台区终端设备管理结构形成映射及共享关系。

虚拟集中器系统开发主要是基于分布式软件和管理软件系统开发，与现有的实体化集中器设备具有根本性的区别。主要工作是软件开发人员根据集中器功能编写和转化为计算机软件代码支持，并配合基于NB-IoT物联网技术开发的远程通信单元，完成与终端设备的数据交互，实现虚拟集中器系统整体拓扑结构。

基于NB-IoT物联网技术开发的远程通信单元，不但具有数据交互的能力，还具有台区识别的能力，通信单元具有NB-IoT和载波双模通信能力。利用本地载波通信单元组网可实现台区识别功能，由虚拟集中器系统向通信单元发起台区识别指令，通信单元台区识别完成后将数据回传至虚拟集中器系统，虚拟集中器系统通过智能化算法进行终端设备的台区划分，并提供给主站系统。提高台区划分的准确率为用电线损率计算提供有力的技术支撑。

虚拟集中器系统分布式部署的网络拓扑结构如图2所示。

图2 虚拟集中器系统网络拓扑结构

1.2 通信功能

虚拟集中器系统采集计量终端数据进行存储和处理，并与主站进行数据交互，采集计量终端为下行通信，与主站数据交互为上行通信。

虚拟集中器系统、终端、主站之间的数据通信模式，是以光纤和NB-IoT网络为载体，进行远程数据的高效、安全、稳定传输。其中，虚拟集中器系统与主站之间采用专用光纤网络通信，采集终端和虚拟集中器系统之间采用NB-IoT网络通信。主站通过虚拟集中器系统枢纽与终端设备建立关联关系，下达参数并统一管理用户用电信息等。

主站所辖台区内终端设备下发管理指令给虚拟集中器系统，虚拟集中器系统执行主站指令要求并完成数据上传，实现对所辖区域内计量终端统一管理。

现有实体化集中器设备接入能力有限，数据处理能力弱，整体成本高，而虚拟化集中器系统理论上可接入海量NB终端。与传统的集抄网络结构相比，省去了本地载波或无线网络的组网通信阶段，通过物联网网络大大提高了通信稳定性、实时性。现在三大移动公司的NB-IoT网络已经实现了全覆盖，并且具有海量接入的能力，为虚拟集中器系统开发提供了有力的公共网络资源支持。

虚拟集中器系统的通信模式严格遵循Q/GDW 1376.1《电力用户用电信息采集系统通信协议第1部分：主站与采集终端通信协议》的规定，按行业标准规定的数据传输规约实现数据传输。

远程物联网通信是指虚拟集中器系统与计量终端之间的数据通信。通过NB-IoT物联网信道与终端设备建立关联通信关系，下达指令，数据采集，统一管理。虚拟集中器系统数据通信网络结构满足稳定可靠的技术特性，远程数据传输由稳定的专用物联网网络信道构成，专网专用保证数据传输的稳定性和安全性。

当前，可供电力用户用电信息采集系统开展数据传输的通信主要是公共营运商提供的NB-IoT虚拟专用无线数据传输网络。NB-IoT基于蜂窝网络实现，被称作低功耗广域网，具有覆盖范围广、数据容量大、整体成本低等特点，NB-IoT窄带物联网网络部署成熟，发展迅速，网络运营成本低，终端接入点体量大，应用于电力物联网上是最优选择[8-9]。

1.3 网络结构

虚拟集中器系统对网络实时性、安全性和可靠性要求高，为保证网络安全稳定，虚拟集中器管理系统使用Netty框架，建立TCP/IP通道和IoT进行通信；使用Redis框架做数据缓存；使用mybatis框架封装JDBC操作，支持定制化 SQL，存储过程和高级映射的优秀持久层框架；使用Shiro框架做身份验证、授权、密码和会话管理；使用XXL-JOB框架做定时任务。虚拟集中器网络架构如图3所示。

图3 虚拟集中器网络架构

2 虚拟集中器系统部署、运维和监控

2.1 系统部署

虚拟集中器系统采用软件模块进行分布式部署，部署过程分为4个部分：硬件环境检查、网络部署、天基部署、云产品部署。具体流程如图4所示。

图4 虚拟集中器系统部署流程

2.1.1 硬件环境检查

硬件环境检查内容包括3部分：布线正确性检查、上架正确性检查、服务器出场配置检查。

a.布线正确性检查主要确认网络拓扑连接是否正确、标签粘贴是否正确、互联端口的指示灯是否亮起、连线是否有损坏等。

b.上架正确性检查内容主要包括服务器上架位置是否与规划一致、sn与机位的对应关系是否一致、网络设备上架位置是否与规划一致等。

c.硬件出场配置。虚拟集中器系统的各个产品对服务器出厂配置有不同要求，如raid配置、网卡配置、服务器口配置、bios配置等。

2.1.2 网络部署

在网络设备和服务器设备上架布线完成以后，网络工程师入场进行网络部署，网络部署依赖于网络规划和IP地址规划，网络工程师根据网络拓扑和分配好的IP地址段，编写交换机配置命令；然后到机房现场通过交换机的console口将网络配置刷入交换机；刷入完成以后，网络工程师根据相应的checklist，完成网络连通性、稳定性检查，在网络部署完成以后，由网络工程师统一给出网络设备配置信息。

2.1.3 天基部署

天基是虚拟集中器系统底层工具，负责虚拟集中器系统部署、监控、运维等工作。因此部署虚拟集中器系统的第一步是天基部署，天基部署分为2部分：单机天基部署和多机天基部署。单机天基和多机天基的原理和功能基本相同，但是用途不同，单机天基部署多机天基集群，多机天基部署云产品。

单机天基部署流程如图5所示。

图5 单机天基部署流程

在单机天基部署之前，网络已经部署完成，但是所有的服务器还没有操作系统。因此使用U盘对1台机器进行装机，然后以这台机器为种子机器开始天基部署。安装过程如图6所示。

图6 服务器操作系统安装

第1台机器通过U盘克隆好后，开始进行天基部署，只需要手动触发一键部署命令，直到部署完成，正常情况下不需要人工操作。部署人员通过移动硬盘将数据拷贝到已经装好机的第1台机器上，然后执行一键bootstrap工具，开始部署天基执行输出，如图7所示。

图7 天基执行输出

天基执行输出完成以下步骤：①初始化ops1的网络环境以及系统初始时间；② 拷贝docker镜像到docker-regsitry服务的数据目录/apsarapandu/disk1/registry下；③解压ops数据包到ops服务的数据目录/apsarapangu/disk2/{tianji_yum, tianji_clone, tianji_clone_tftpboot}；④安装alidocker并根据终态中的配置完成网桥设置；⑤load单机天基镜像到docker中，启动单机天基镜像；⑥单机天基镜像根据终态开始进行bootstrap；⑦天基会自动完成机器克隆、服务部署。机器克隆、服务部署如图8所示。

图8 机器克隆、服务部署

一键部署工具完成以后，就可以通过连接登录到单机天基的portal，界面如图9所示，界面上会显示当前集群状态以及相关报表。

单机天基启动完成以后，立刻进行多机天基部署，在单机portal上可以看到多机天基部署的状态，当多机天基完成以后，单机天基会将产品的部署形态等信息导入到多机天基中，然后退出，后续工作由多机天基完成。

(a)

(b)图9 单机天基界面

2.1.4 云产品部署

在天基部署完成后，启动天基portal，部署人员通过该页面展示Region下所有Project(产品)的部署情况。包括部署状态、部署进度(集群、服务实例、服务角色的终态比例)、资源申请状态、巡检错误、报警信息、直接依赖的父节点(可以是服务实例或服务角色)，如图10所示。可以通过portal查看服务部署状态信息，操作方法如图11所示。可以通过界面查看各个产品的部署进度，各个产品依赖资源的申请进度,如图12所示。

图10 云产品部署

图11 服务部署状态信息

图12 产品的部署进度

需要说明的是，整个云产品部署过程由天基自动完成，在没有问题的情况下，不需要人为干预，但是在实际部署的过程中，由于各种环境硬件问题，需要人为干预的,可以通过天基提供的terminal服务登录到服务器上排查问题，操作方法如图13所示。

图13 问题排查

2.2 系统运维

运维管理平台采用私有云模式，实现用户私有集群的容器化管理和资源智能化分配，提供全流程标准化的主机管理、应用持续集成、镜像构建、部署管理、容器运维和多层级监控服务。

2.3 系统监测

2.3.1 设备资产监测

对主机、服务器、集群等设备资产以及虚拟机进行管理，主要包括的是设备资产档案、虚拟机档案。

2.3.2 性能监测

对部署的硬件资源、软件资源性能指标数据进行监测，主要功能包括硬件监测、软件监测、集群监测和监测配置。

2.3.3 安全监测

对主机安全、网络安全进行统一监测，主要功能包括主机安全总览、主机安全监测、致命告警监测、软件安全监测、访问安全监测、端口安全监测、网络攻击监测及监测配置。

3 基于虚拟集中器系统的用电信息采集模式

基于物联网技术的虚拟集中器系统应用，可进一步优化原有的用电信息采集模式和电力网络结构。目前居民集中抄表以公用配变台区为采集单位，虚拟集中器系统利用远程采集数传网络，可对任意1个配变台区的全部居民电能表(包括该配电台区单相和三相工商业用户电能表)进行抄表以及通信，同时完成对该配电台区总表的电能信息采集，实现自动抄表；通过光纤数传通信与主站进行数据交互等配电台区所辖的用户用电信息至主站，完成对终端设备的统一管理，在主站监管下通过远程通信实现预购电管理功能等。

4 结束语

基于物联网技术的虚拟集中器系统，替换了原有实体化集中器设备，没有数量限制。在光纤和NB-IoT专网基础上，实现了每1个终端计量节点与主站直接通信，能够实时、自动对所有计量电能表进行远程分台区集中抄表、数据通信和应用管理，实现了系统对电力用户的全面覆盖和用电信息全面采集，为预付费、有序用电、终端安装、信息采集、用电检查、客户分析等电网业务的深化应用提供了基础数据支撑和技术支撑，在优化现有用电信息采集模式的同时，推动了电力业务系统向更优化、决策更高效方向发展。