边缘计算在多芯模组化电能表中的应用分析

丁海丽 周媛奉 胡婷婷

摘 要：近年来我国电力终端设备智能化发展速度惊人，这源于云计算、物联网等新型技术的不断进步，多芯模组化电能表便属于技术进步的产物。基于此，文章将简单分析多芯模组化电能表的构成和特点，并深入探讨边缘计算在多芯模组化电能表中的应用路径，希望研究内容能够给相关从业人员以启发。

关键词：多芯模组化电能表;边缘计算;非侵入式负荷监测

0    引言

所谓边缘计算，指的是网络边缘侧（靠近物或数据源头）融合存储、计算、网络、应用核心能力的分布式开放平台，以此提供的提供边缘智能服务。行业数字化存在的应用智能、数据优化、实时业务、敏捷连接、安全保障等关键需求可通过边缘计算满足，而通过发挥自身在网络末端的优势，边缘计算模式可更好为物联网应用提供服务，如提升服务响应能力、提升数据安全性、缓解数据中心和网络带宽压力，这使得其在多芯模组化电能表中有着较高应用价值。

1 多芯模组化电能表的构成和特点

1.1 构成分析

多芯模组化电能表由通信芯模组、管理芯模组、计量芯模组构成，具体构成如图1所示。

通过独立设计管理部分与计量部分，多芯模组化电能表可实现隔离区域划分，计量功能实现也能够得到独立计量芯的支持。作为基表的计量部分，计量芯模组主要负责电能计量任务，涉及每分钟电量存储并需要加上时标，具体功能涉及全失压、脉冲指示、时间源、电源异常事件检测。考虑到表端需要实现非侵入式负荷监测，因此选择SoC形式的计量芯;整个表的管理任务由管理芯模组负责，计量芯记录的电量信息需要由管理芯模组负责收集，同时需要进行计费，具体功能涉及负荷控制、数据冻结、事件记录、对外通信、费控显示，远程集控可实现管理芯模组功能升级;智能电表的上行、下行通信由通信芯模组负责，为实现多业务接入和多元化高效通信，采用先进通信策略[1]。

通过图1所示的设计，多芯模组化电能表可更好地服务于智能电网建设，其功能可不断升级。作为典型的法定计量器具，多芯模组化电能表的软硬件修改升级需要开展型式评价与检定，通过设计分离非计量功能和计量功能，即可保证计量的稳定性和准确性不会受到在线升级影响，功能拓展与计量公平的兼顾得以实现。

1.2 特点分析

多芯模组化电能表具备多方面特点，主要体现在3个方面：第一，模组化设计。计量芯模组属于多芯模组化电能表的核心，负责法制计量，采用模组化设计理念的通信芯模组和管理芯模组在先进通信技术、标准化接口支持下，模组间的可替换可顺利实现，后期维修和现场运维便利性可大幅提升。在先进通信技术和智能算法支持下，及时、准确计费能够得到保障，同时提供的控制策略在指导科学用电方面也能够发挥积极作用;第二，大容量、分布式存储。在大容量数据存储功能支持下，多芯模组化电能表能够更好提供优质服务，满足一体化的“源、网、荷、储”协调发展需要，用电纠纷也能够有效规避。通过存储长时间的带时标每分钟电能量数据，各部门的需要即可更好满足，分布式存储方案在数据高效读取方面也有着不俗表现;第三，多元化高效通信。主站的数据应用效率直接受到电能表的通信手段和速度影响，在先进通信策略支持下，依托高效数据压缩、可扩展通信协议、边缘计算，即可高速传输数据。多芯模组化电能表的下行通信功能还能够实现户内终端交互、多表集抄、有序管理电动汽车充电桩等业务。此外，还具有模块化升级、误差在线监测、谐波计量与负荷分析等功能[2]。

2 边缘计算在多芯模组化电能表中的应用路径

2.1 非侵入式负荷监测

在下一代智能电表标准体系的研究中，非侵入式负荷监测向来属于研究热点，这一研究不仅需要关注电能量测量，同时需要监测用户内各种类型电器的工作状态、启停时间、能耗情况，用户可由此加深对自身用电行为的了解，用电计划的科学制定可获得依据。“智能电网大数据”建设也能够通过由此获取的用户用电行为和电能数据实现，电力调度、能源控制、电力供需平衡能够获得非侵入式负荷监测提供的理论支持。通过监测用电入口端电流、电压等用电信息，识别用电设备特征模式，辅以智能学习算法对暂态和稳态下的负荷特征量进行解析，各用电设备用电状况识别即可顺利实现。非侵入式负荷监测涉及的环节包括量测数据、数据处理、探测、提取特征、特征匹配、负荷识别等。在不断发展的现代信号处理技术支持下，日渐丰富的信号分解算法使得愈加准确的负荷辨识得以实现，基于云计算的主站、基于边缘计算的表端均可实现非侵入式负荷监测，图2为表端集成识别功能示意图[3]。

本文采用表端集成识别功能的设计，非侵入式负荷辨识算法由管理芯模组提供，负荷辨识功能可顺利实现。获取和预处理原始数据由计量芯模组负责，具体涉及负荷特征数据提供，辨识算法应用需要可顺利满足，主要涉及数据包括原始采样ADC数据、频域类和时域类的数据，如谐波抑制比、分次谐波、功率因数、功率、有效值等。

2.2 谐波计量

在电能计量和电能质量管理工作中，非线性用户谐波污染考核属于业界长期以来关注的重点问题，由此科学计量谐波下的电能，判断谐波、非谐波用户，即可针对性限制和处理谐波源用户，用电科学管理可顺利实现。谐波分析属于谐波电能的计量基础，基本电力参数可通过求解得出，谐波有功电能量也能够在进一步计算中得到。傅里叶变换属于主要的谐波分析方法，基于多个不同频率正弦信号的和分解信号，并对所含基波和各次谐波的频率、幅值、相位进行求解，各电力参数即可最终得出。谐波分析对算法的依赖较高，计量芯模组需要提供大量的电流和电压采样数据，以此开展傅里叶变换和求解。如依托云端主站计算进行谐波分析，云端主站需要上传大量电流和电压采样数据，但在端主站的运算能力和传输网络的带宽限制下，这些谐波分析会导致网络阻塞问题出现，而在边缘计算技术支持下，电压电流数据在由计量芯模组采集后，谐波分析算法實现由管理芯模组负责，谐波计量功能由此即可在表端实现，边缘计算在多芯模组化电能表中的应用价值可见一斑。

3 结语

综上所述，边缘计算可较好用于多芯模组化电能表。在此基础上，本文涉及的非侵入式负荷监测、谐波计量等内容，则直观展示了边缘计算的应用路径。为更好地服务于下一代智能电表的研发，边缘计算的应用还应关注IR46国际建议理念、新型算法和硬件的应用。

[参考文献]

[1]孔令生，王志远，范心明，等.基于边缘计算的交直流配电网信息物理系统[J].广东电力，2020（12）：125-131.

[2]李斌，李星举，赵卓.基于配电网边缘计算应用的安全策略探讨[J].东北电力技术，2020（10）：1-6.

[3]张雪琦.宽带微功率通信模块应用层设计及实现[D].重庆：重庆邮电大学，2020.

（编辑 傅金睿）