基于智慧物联体系及边缘计算的全链路监测系统的开发与应用

施 沩，周 鹏，富 思

（1.东南大学 电气工程学院，南京 210009；2.南京大学 计算机科学与技术系，南京 210093；3.北京理工大学自动化学院，北京 100089）

近几年，随着新兴技术的发展，越来越多诸如云计算、大数据和区块链等信息技术得到广泛的应用，数据信息化革新席卷各个行业[1]。 同样，互联网能源面临上亿级终端接入、海量数据高效处理、业务应用融合创新等一系列问题[2]。 并且当前电力企业的电网也正在向数字电网进行转型升级，但由于电网中各个业务的应用系统相对独立，往往缺乏统一的标准规范[3]，在运营和功能实现上通常参差不齐，在系统层面没有统筹规划，导致电网业务模块之间的协同不是十分有效[4]。 因此借鉴互联网领域的经验进行技术升级是电力行业迫在眉睫的任务。 目前在整个电力系统中，运用传感器、智能电表的终端设备以及服务管理平台[5]，形成全链路的监测是重要的发展趋势。 边缘计算可弥补电力数据传输和存储的问题。 智慧物联体系是能源互联网建设的技术基石，而其中的边缘计算框架是实现终端统一接入管理、数据共享共用等需求的核心。 本文提出的全链路监测，是一种基于智慧物联体系和边缘计算的新型监控手段，可助力电网产业升级转型。

1 研究背景

近年来，在国内外针对物联网领域，各国都开展了各项研究和应用，在国外尤其以欧美国家为主[6-7]。 电力网络规模越来越大，电力负荷数据爆炸性增长[8]，利用边缘计算技术对电力服务进行有效地业务场景监控是十分重要的。 研究的核心主体也逐渐由物联网技术的应用进一步发展成对顶层架构的研究[9]，物联网技术的体系架构多种多样，有效赋能前端业务应用和业务设计的灵活调整[10]。 通过这类的体系架构的实现，可以完成数据采集、数据处理的功能[11]，对整体的物联网系统的设计目标形成良好的指导意义。 以美国的麻省理工学院的Auto-ID 实验室为例[12]，该实验室提出的Networked Auto-ID 体系结构可以实现自动化的物联网标识[13]。 美国弗吉尼亚大学提出的Physical-net 体系也对物联网技术的发展产生实际的进步意义[14]。除此之外，欧洲电信标准组织提出的M2M 架构与欧盟FP7 计划提出的IoT-A，SENSEI 架构是众多欧盟国家主导的物联网体系架构[15-16]，具有十分重要的战略地位。 而在亚洲，以日本和韩国的物联网技术的发展最为迅速，日本的基于uID 的物联网体系结构和韩国的泛在传感器网络体系结构USN 是物联网架构的重要代表[17]。 为了缩短与国外在物网技术方面的差距，我国在2009年提出了“感知中国”战略[18]，大力发展中国的物联网产业。 以物联体系的基础设施为首，打造新兴的科技模式和应用模式，尤其以区块链技术和云计算为主的软件基础设施正在大力建设中。自2019年开始，国网公司开始进行智慧物联体系的相关建设工作，智慧物联体系包括物联管理平台、边缘物联代理以及营销、配电等多个专业的业务终端。

2 总体架构设计及关键技术

2.1 智慧物联体系

智慧物联体系是电力物联网数据采集和业务应用的基础，其核心是物联管理平台、边缘物联代理以及各类型终端的标准化接入[19]。 本文实现的智慧物联体系整体架构如图1 所示。

图1 智慧物联体系架构Fig.1 Smart IoT system architecture

该架构分为感知层、平台层、应用层3 个层次。感知层是整体架构的基础，包括配电终端、变电终端、输电终端等，通过边缘物联代理与平台层进行智能交互，交互方式为MQTT 协议。 平台层为物联管理平台和业务中台，物联管理平台与国网（一级）物联平台和ISC 进行实时联动，为应用层提供服务。应用层为国网应用以及配电主站。

2.2 边缘计算框架

边缘计算是指在实际物体或者数据源的边缘侧构建应用平台，该平台由于紧邻数据源可以高效地提供计算、存储等服务，以实现服务能力的最大化。 边缘物联代理部署在现场具备边缘计算能力，其核心是边缘计算框架。 本文研究的边缘计算框架运行于硬件设备上，为电网的边缘应用APP 提供应用开发和运行环境。 该框架的云边交互协议是基于物联网通用的消息队列传输协议（即MQTT 协议，轻量级开放协议），实现了与平台的智能交互。 云边交互框架设计如图2 所示。

图2 云边交互框架图Fig.2 Cloud edge interaction framework diagram

用户在应用商店下载相关业务APP，与边缘计算侧进行交互，利用MQTT 协议与物联管理平台产生数据连接。 通过REST API 与物联管理平台实现联动完成对用户用电信息的采集工作。 配电云主站与企业中台、企业中台与物联管理平台间也实时联动。 在实现的边缘计算框架支撑下，全链路间的各节点间通信方式统一化，构建出全链路监测系统的运行基础。

2.3 全链路监测系统

服务具有不同的维度，依照服务维度进行划分，多个服务功能经常会蕴含在一次应用请求中。 互联网的软件模块可能是由不同的团队开发、使用不同的编程语言来实现、分布在几千台服务器，横跨多个不同的数据中心[20]。 全链路性能监控依据维度层次，从系统整体出发，落实到系统的局部维度，考量各个维度的各项指标。 全链路性能监控是针对智慧物联的所有跨链应用的性能集中调度和监测，综合整体和局部的性能， 用于减少排查故障的时间，并且对于系统的故障分析也提供相应的保障手段。

TTU（transformer terminal unit）是装设在配电变压器、箱变等变压器设备旁，监测变压器运行状况的终端装置。 TTU 的主要作用是采集并处理配电变压器低压侧的各种电量等参数，并将这些参数向上级传输，监视变压器运行状况，当变压器发生故障时及时上报。

全链路监测系统包括：物联管理平台—边缘计算框架—全链路监测APP—TTU 采集APP—采集终端。 核心APP 运行于TTU 或边缘代理上，监测底层数据在硬件端及各APP 间链路的通畅性与实时性是全链路监测APP 的主要功能与任务。其监测流程为：①在物联管理平台增加相关控制指令下发功能，以模拟停（复）电指令为例，平台端向TTU 下发模拟停复电指令；②边缘计算框架通过监听云边交互协议指定的Topic，获取到平台端发送的指令；③通过边缘计算框架认证后，将指令继续转发给全链路监测APP； ④全链路监测APP 接收到指令后，将指令通过TTU 本地Topic 继续转发至TTU 采集APP；⑤TTU 采集APP 接收到模拟停（复）电指令后，通过发送相关报文对下层端设备下发模拟停（复）电控制指令； ⑥全链路监测APP 实时监听TTU 本地Topic，在接收到采集APP 反馈到端设备报文消息后，将其转发至边缘计算框架；⑦边缘计算框架将返回报文通过指定Topic 转发上传回平台； ⑧物联管理平台接收到返回报文，并在前端界面呈现全链路监测过程中各级链路间联通实况，至此本次全链路监测过程结束。 全链路监测系统的总体实现流程如图3 所示。

图3 全链路监测系统的总体实现流程Fig.3 Overall implementation flow chart of full link monitoring system

若在此过程中，某级链路间存有断点导致指令或业务数据报文无法正常流通，则下层端设备不会正常响应发送的停（复）电指令，且在平台端能直观可见链路断点在链路中所处位置。

3 全链路监测的应用构建与验证

3.1 实际应用开发与调试

应用开发是基于自描述语法格式，在应用开发中需要对设备所需的全部信息进行描述。 而设计的系统接口是指物联终端接收控制命令，并做出相应动作的描述。 接口需要符合一定的格式，在应用开发中，首先要对设计的物理模型接口进行定义，具体如表1 所示。

表1 接口定义Tab.1 Interface definition

本文边缘计算的构建中设计了2 类边缘计算的方式， 第1 类为基于事件触发设备控制操作，其开发流程如图4 所示，当营销APP 采集的数据通过规则引擎比对后，将根据规则触发APP 对某个设备的控制行为，负责终端设备的接入和管理。 在应用层，借助远程通信技术，物联管理平台能够与边缘计算网关之间形成交互，借助本地通信技术建立与采集终端之间的通信。依照要求对不同的APP 应用进行加载，以实现功能。

图4 基于事件触发设备控制的边缘计算流程Fig.4 Edge computing flow chart of based on event triggered device control

APP 采集的数据通过规则引擎比对后，符合条件时将触发某个函数的计算，函数计算的实例由本地函数计算、后台引擎统一管理。 规则引擎只需要指明需要执行的函数名称，并调用后台引擎接口即可启动函数，对采集的数据进行处理。 交互协议的设备升级的消息模式如表2 所示。

表2 交互协议中设备升级的消息格式Tab.2 Message format of device upgrade in interactive protocol

测试过程包括通信、数据采集与处理、遥控触发等环节。 在检查相关功能未发现问题的情况下，对客户端ID 与网关连接地址进行配置，测试参数如表3 所示，终端设备的统计结果如图5 所示。

表3 测试参数Tab.3 Test parameters

图5 终端设备的统计结果Fig.5 Statistical results of terminal equipment

3.2 应用场景验证

本项目的全链路监测技术实测现场布设于南通供电公司。 依照上述的开发过程，在实际应用全链路监测系统时，运维人员在云主站前端界面点击下发一条遥测或停（复）电指令，链路即会开始执行自检操作， 自检的反馈结果会即时在日志中记录。南通云主站运行自检主页面如图6 所示。

图6 南通云主站运行自检主界面Fig.6 Main interface of Nantong cloud master station operation self-check

日志系统不仅会完整记录每台设备下执行的每一次历史操作与其操作结果，而且每次监测链路间的详细通信情况都会被展示，异常节点能够直观显示。 全链路自检成功界面如图7 所示。

图7 全链路自检成功界面Fig.7 Successful interface of full link self-check

此外，在全链路监测中还加入故障智能分析功能。 当反馈结果为失败，链路不通畅时，系统即可针对断点所在位置智能分析本次自检失败原因，全链路自检失败原因分析如图8 所示。 相比人工排错，大大降低运维成本。

图8 全链路自检失败原因分析Fig.8 Reason analysis of the failure of the full link self-test

4 结语

智慧物联体系推广建设过程中，涉及大量的设备安装、数据接入、现场联调、数据校核等工作。 迫切需要一套工程化实施管控系统实现智慧台区推广建设标准化作业、设备规范化安装、跨专业业务数据标准化转换等实施工作“一站式”智能化管控。基于此，通过采用边缘计算技术，开发并验证了一套全链路监测系统，使得在现有物联体系下，利用该系统可扩展建设千万级终端、百万级并发的接入能力。 本系统的应用降低了各专业系统建设运维成本， 提升电网资源共享能力和标准化建设能力，支撑并推动电力物联行业升级与转型。