基于电力物联网的智慧物联体系框架探讨

魏训虎

（南京南瑞信息通信科技有限公司，江苏 南京 211500）

自2010年起，我国开始大力推进电力物联网建设。集三网融合、云计算与边缘计算、物联网技术于一体的电力物联网旨在解决当前电力网络运营中存在的问题，如调度精确度低、泛在终端接入兼容性差等，因此信息高效利用、能源流与信息流深度融合是必然趋势。

然而在电力物联网建设过程中，发现当下的智能电网建设在业务流、数据流等方面存在诸多不足，不满足能源流与信息流深度融合需求。在业务流上，存在着业务及时性不足的问题，无法满足如故障实时研判等对业务即时性要求较高的需求；在数据流上，存在着数据感知深度广度不足，无法完全满足电力物联网汇聚各类资源参与系统调节的需要等问题；更为关键的是没有电网统一的物联标准体系，为实现数据融合共享、实现跨专业数据交互共享设置了障碍。为解决这些问题，势必要提升数据感知水平，提高数据采集频率，统一数据模型，建设数据实时交互通道。

本文从智慧物联体系的理念与实际意义出发，针对电力物联网建设过程中暴露出电网痛点与难点，提出智慧物联体系“云管边端”四层结构，结合电网中的典型应用场景与智慧物联体系支撑电力物联网建设的典型示范项目，显示智慧物联体系建设的重要意义。

1 智慧物联体系概述

在三型两网建设过程中，随着业务需求的快速发展，采集终端设备普及化、数据采集实时化、运行维护自动化等趋势日益明显。在这样的背景下，保障海量设备接入，实现实时数据交互、智能运维管理、应用快速迭代、信息全局共享成为电网重点业务需求。而目前电网各个系统相对独立，数据更新周期变慢，无法实现末端在线互动；各系统数据割裂，模型标准不统一，难以实现数据共享共用，支撑运营质效提升。

在这样的背景下，打通数据隔离屏障，拓展数据感知广度，挖掘边缘计算潜力成为电网建设的重中之重，智慧物联体系应运而生。智慧物联体系是电力物联网数据采集的来源和实现各类应用的基础，主要包括物联管理平台、边缘物联代理和各类型终端标准化接入。对下统筹输变电、配电网、客户侧和供应链等领域泛在物联和深度感知需求，实现统一物联管理和终端标准化接入；对上基于物联管理平台为企业平台和各类业务应用提供开发、标准的服务。通过智慧物联体系建设，最终实现“边端逻辑分离、边管共用”，推动公司各类终端统一接入、边缘智能和共享共用。体系包括感知层、网络层、平台层、应用层4个层次。其总体定位如图1所示。

图1 智慧物联体系总体定位

2 智慧物联体系的框架设计

目前，各大互联网厂商已经开始了消费侧物联网的建设。但消费侧物联网与电力工业物联网在对象特征与复杂程度上均有较大区别，在技术选型上有不同的考量，不适用于智能电网与电力物联网情境，不能直接将消费侧物联网的技术架构应用于电力系统。本文在各专业现有采集感知基础设施的基础上，满足国网公司战略目标落地和各专业业务发展需要，跟进电力物联网建设需求，按照“精准感知、边缘智能、统一物联、开放共享”的设计思路，提出智慧物联体系“云管边端”总体架构。下面分别对云侧、管理侧、边缘侧与端侧分别进行阐述。

2.1 云侧

“云”是指部署在云端的物联管理平台及其支撑的上层应用。上层应用包括输电、配电等各专业应用，在电力物联网中，还应当包括供热、供冷等专业应用。物联管理平台是云侧的关键设备，是实现智慧物联体系数据规范化、标准化的核心，具备千万级设备并发连接管理能力。物联管理平台对上向企业中台、业务系统开放接口，提供标准化数据；对下则主要实现对各类感知设备及物联APP的统一在线管理和远程运维，实现数据的统一接入和规范化与各设备模型统一定义。

2.2 管理侧

“管”是指各类远程通信网络。主要包含电力光纤、无线专网、无线公网和因特网。监管业务接入管理信息大区，具备条件的采用有线网络；无线专网覆盖范围内，优先采用无线专网，其余采用无线公网。非监管业务可采用APN加密。

2.3 边缘侧

“边”是指部署在区域现场具备边缘计算能力的智能设备。边缘侧是整个智慧物联体系起到承上启下作用的关键环节，也是智慧物联体系服务于电力物联网的重要抓手。边缘侧的核心设备是边缘物联代理。边缘物联代理是指对各类智能传感器、智能业务终端进行统一接入、数据解系和实时计算的装置。边缘物联代理与物联管理平台双向互联，实现跨专业数据就地集成共享、区域自治与云边协同业务处理，实现一定区域内各类感知数据就地汇聚。边缘物联代理功能的实现依赖于物模型的设计与边缘计算框架的支撑，采用云边协同技术实现数据协同、资源协同，根据不同应用场景有不同功能形态。

在边缘侧有物模型和边缘计算2个重要概念。所谓物模型，即对感知终端设备进行数字化，从属性、服务、事件3个维度对设备进行规范化标准化描述，统一感知终端数据模型。属性分为在设备全生命周期中不变的静态属性与需要动态调整的动态属性2种；服务主要指终端设备的功能；事件指终端设备主动上报的消息事件等。边缘计算则将非关键的计算任务下发至网络边缘节点进行处理，扩展终端设备的算力，降低通讯链路传输压力与云主站计算压力。相应的，边缘物联代理是在物联管理平台与感知终端设备之间具有边缘计算能力的节点设备，边缘计算框架是部署在边缘物联代理上、实现边缘计算功能的基础平台软件。

智慧物联体系的边缘计算框架基于规则引擎，规则引擎指明需执行的函数名称，调用对应的接口，在边缘物联代理启动函数计算，主要负责对数据的简单处理如去重、去噪、格式转换和加密等，也可以进行诸如线损计算等较复杂的计算任务。

2.4 端侧

“端”指的是采集终端，主要包括电源侧、电网侧、用户侧、供应链等终端装置，通常部署在采集监控对象本体内部或附近，对设备或对象的状态量、电气量和环境量等进行采集量测，具有简单的数据处理、控制和通信功能，一般不配置边缘计算功能，部分特殊应用场景的采集终端进行边端融合升级使其具备边缘计算能力。具体包括输电专业的金具温度、导线弧垂传感器，变电专业的油色谱、局放传感器，配电台区的智能电表、分路监测单元、低压断路器漏保，用户侧智能插座等。

3 智慧物联体系在工业电力物联网中的应用

目前，大型工业园区普遍存在能耗高、节能压力大、用能信息采集不全、各子系统相互独立、缺乏与电网互动等问题。同时，大型工业园区又是电力物联网系统部署应用的常见场景。本节以工业企业及园区为应用场景，阐述智慧物联体系在场景中的应用。

在工业企业及园区中，电力物联网与智慧物联体系应当包括运行检测、用能分析、资产管理等。运行检测实时监测园区冷、热、电、气等多种能源系统；用能分析对园区用能情况、能效水平进行统计分析；资产管理对园区能源设备进行全生命周期管理业务等。智慧物联体系通过建立以电力系统为核心枢纽的物联网络，在端侧通过采集（控制）终端实时监测各用能系统设备，将采集数据发送至边缘侧的边缘物联代理，统一将数据经管理侧发送至云侧的物联管理平台。物联管理平台对感知数据进行汇聚处理，与各专业应用进行业务交互。服务架构如图2所示。

图2 工业园区智慧物联体系服务架构

在云侧，工业企业及园区能源服务应用依托物联管理平台实现园区能源及负荷的在线监测、分析与挖掘，实现设备智慧运维、参与需求响应、智慧能效分析等服务。通过货值企业及园区精细化用能情况，掌握各园区可调负荷情况，实现园区侧需求响应，平抑电网峰谷差。物联管理平台支撑服务应用，实现上层应用对感知数据的共享，并为应用层提供可定制化的数据分析服务。

在端侧，部署各个系统的采集（控制）终端，对工业企业及园区内各个系统信息全息感知，为云侧应用提供数据支撑。边缘侧代理物联代理以HPLC/485/以太网等网络通信手段从采集终端收集数据或发送控制指令控制终端。同时，边缘物联代理还可接入第三方用能系统，且以终端设备整数等方式进行终端访问控制以阻止非法终端接入。

工业企业及园区智慧物联体系的应用，实现了电力物联网多能源系统接入，冷热电等复合系统有机融合，实现多能互补、能源梯次利用、降低用能成本等目标。还加强了整个系统接入更多能源模块的能力，进一步支撑了电力物联网海量感知设备接入，实现了各专业、各能源系统感知设备的数据标准化，实现了各能源系统数据融合与数据共享，为实现能源可持续利用与园区新能源高效、稳定、高品质供应提供了有力的支持。

经试点建设验证，本文提出的智慧物联体系在适用性、稳定性、经济性上均有较大优势，实现了系统设计目标，具备推广应用的价值。

4 结束语

本文提出了一种电力物联网情境下的智慧物联体系架构，通过统一物模型、采用边缘计算技术、感知终端设备边端融合升级等，构建出数据统一采集、数据全面共享、设备统一控制的电力物联网物联体系，满足了多样化的电力物联网业务需求，实现了“数据一个源、电网一张图、业务一条线”的目标，具有巨大的经济与社会效益。

同时需要指出的是，在推广建设的过程中，可能会出现更多能源系统接入，带来更多的感知终端设备。终端设备规模的进一步扩大可能会对设备接入稳定性和通信链路稳定性提出更高的要求。同时可能需要分析新的感知终端设备，对物模型进行进一步的扩展定义。这将是未来研究的关注方向。