配电房物联网关方案研究

万尚军，费章君，杨仕友，安欣睿，操 星

（1.浙江大学工程师学院，浙江 杭州 310007；2.浙江大学 电气学院，浙江 杭州 310007；3.南京征途信息技术有限公司，江苏 南京 210012）

0 引 言

近年来，随着智能配电网的发展建设，各地陆续开展配电站房智能辅助系统的改造，主要实现动力环境监测、辅助设备控制、安防监测管理等功能。通过当地的动环主机可实现对配电站房内的温湿度、烟雾、水位、有害气体的实时监测，同时实现灯光、空调、视频以及门禁监控系统的联动等。有些方案中还接入局部放电检测、红外测温、视频分析等模块实现对设备状态的在线监测[1-5]。

配电站房智辅系统的数据接入方式主要有独立小系统、小型主站系统两种方式。独立小系统以单站监控模式运行，监测数据采集、处理、储存均在本地完成，不进行远程监控，各站点形成独立的孤岛运行，无法实现远程监视运维，无法满足无人值守的运维要求。小型主站系统中，站房智辅系统监测数据通过公网通道接入部署在配电工区的监测主站系统，形成区域站房智辅监测系统，方便集中监视和信息的远程调阅，但无法保证数据的安全性。

为了推进配电站房智辅监控系统的建设，真正实现配电站房运维的智能化、可视化和远程化，国家电网公司提出了基于“云-管-边-端”典型架构的配电物联网建设方案[5]。根据该方案，江苏省提出了统一的配电房智能感知系统建设标准，解决了系统功能建设缺乏统一技术标准、系统框架建设缺乏统一接入模式、缺乏保证数据安全及网络安全的手段等一系列问题[6]。该系统中的边设备—配电物联网关成为了配电房智能感知系统的关键设备。

1 感知系统架构

配电房智能感知系统主要由云平台层（云）、通信网络层（管）、物联网关（边）、现场设备层（端）组成，架构如图1所示。云平台层包括数据中台和辅控主站，用户终端可通过互联网访问辅控主站数据。现场设备层包括感知传感器、环境控制器、视频设备、安防设备等。物联网关通过本地无线LoRa网络连接传感器和控制器，通过以太网连接视频设备，通过4G/5G网络或光纤通道连接云平台。

图1 配电房智能感知系统架构

2 网关功能设计

作为配电房智能感知系统的边设备，配电物联网关必须具备以下功能：

（1）传感器接入功能：网关应具备有线和无线传感器的接入接口。对于无线传感器，应该具备自动组网功能。如果在白名单内，传感器可以通过注册方式接入网关，同时网关对传感器配置数据主动发送频率等参数。

（2）控制器接入功能：网关应具备有线和无线控制器的接入功能。对于无线控制器，应该具备自动组网功能。如果在白名单内，控制器可以通过注册方式接入网关。为了保证控制的实时性，控制器需要一直在线。

（3）视频接入功能：通过以太网可以接入IP摄像机，对视频进行采集、处理和协议转换。

（4）安防接入功能：通过有线和无线通信方式可以接入智能门禁、电子围栏等安全防护设备。

（5）数据处理功能：可以对采集的各种数据进行格式标准化、存储和展现。

（6）规约转换功能：将不同规约的南向数据转换为统一规约的北向数据。

（7）本地联动控制功能：通过“采集-控制-采集”进行本地环境闭环控制，或异常情况下的安全控制或验证识别。

（8）人工智能分析功能：通过图像和视频识别对人员安全或设备安全进行告警、纠偏以及数字化采集、操作二次确认等。

（9）数据上传功能：通过北向通道，采用统一的通信协议实现数据上云功能。

（10）远程控制功能：接收来自“云”层的控制命令，实现站房设备的远程控制。

3 网关硬件设计

网关硬件主要包括主控模块、电源模块、继电器输出模块、开入量采集模块、以太网通信模块、串行通信模块、调试通信模块、LoRa2.4G通信模块、LoRa470M通信模块、HDMI显示模块、4G/5G通信模块、USB通信模块、硬盘接口和TF卡接口，如图2所示。

图2 网关硬件框图

主控模块采用国产工业级芯片RK3399K。CPU采用嵌入式六核64位ARM处理器，即双Cortex-A72+四Cortex-A53大小核结构，GPU采用新一代高端图像处理器四核Mali-T860，频率高达2.0 GHz。采用双通道4 GB LPDDR4内存、32 GB eMMC FLASH。支持4K H264/H265视频60 fps解码，配合RK1808 NPU，可达3 TOPS算力，拥有强劲的运算与图形处理性能。

电源模块采用开关电源，实现电压转换，输入AC-220 V或DC-220 V，输出5 V，提供给电源管理芯片，实现对各模块或芯片的供电。继电器输出模块实现信号隔离和继电器的驱动功能。开入采集模块实现消防告警、变压器门开等开关量信号的采集，具备信号隔离和防抖功能。以太网通信模块实现主控模块与北向设备或平台、与南向采集或控制设备的数据交换。串行通信模块通过RS 485实现与各种有线传感器和控制器的数据交换。调试通信模块通过RS 232实现网关的本地维护。LoRa2.4G通信模块通过2.4 GHz频段的LoRa无线通信实现与本地温湿度、气体、水位、水浸等无线传感器的数据交换。LoRa470M通信模块通过470 MHz频段的LoRa无线通信实现与空调、水泵、风机等控制器的数据交换。显示模块通过提供HDMI接口实现主控模块与显示屏的连接，实现数据的展示和当地控制。4G/5G通信模块通过4G/5G通信实现与平台的远程数据交换。

4 网关软件设计

网关的操作系统采用Ubuntu，是一款免费、开源的桌面Linux操作系统。Linux是一个基于POSIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统，支持主要的Unix工具软件、应用程序和网络协议，支持32位和64位硬件，继承了Unix以网络为核心的设计思想，是一个性能稳定的多用户网络操作系统。

作为边缘计算网关，采用的物联网边缘标准化微服务框架EdgeX Foundry[7]，是一个面向工业物联网边缘计算开发的标准化互操作性框架，为各种传感器、控制器或其他物联网设备提供即插即用功能并进行管理，进而收集和分析它们的数据，或者导出至边缘计算应用或云计算中心做进一步处理。

如图3所示，该框架具有四层服务。设备服务负责南向设备的接入，进行了输变电设备物联网微功率无线通信[8]、输变电设备物联网节点设备无线组网[9]、某大品牌视频SDK开发，实现了配电站房各种传感器、控制器、摄像头的数据采集和控制功能。核心服务负责数据的本地存储、分析和转发，以及北向或本地控制命令下发，还具备各微服务的属性配置。导出服务负责上传数据到云端或第三方信息系统以及将接收控制命令转发给核心服务，该服务实现了北向应用的注册，并提供其需要的南向设备的数据；目前已实现通过MQTT（Message Queue Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议）、IEC60870-5-104远传协议进行数据上传和本地展示。支持服务负责日志记录、任务调度、数据清理、规则引擎和告警通知。系统服务提供安全服务、管理服务，这两个模块不直接处理边缘计算的功能性业务，但对于边缘计算的安全性和易用性来说很重要[10]。不同服务之间主要采用RESTful API接口进行交互。

图3 网关软件框图

5 网关试点运行

目前，江苏省已针对不同类型的配电站所，按重要程度进行了智能配电站房系统方案配置，可分为基础配置、标准配置、保电配置，分别适用于不同地区具有不同特征需求的配电站所。保电配置方案原则见表1所列。

表1 配电房物联网保电配置方案

在南京省选择了3个配电房，按3种不同配置进行了物联网建设，并进行了试点运行，运行配置见表2所列。在将近一个月的运行过程中，解决了部分传感器电池耗电过快、个别传感器上传数据不稳定的问题。通过在省平台对数据进行监测发现，网关出现过3～5天的离线情况，对此经过多次分析，最终解决了4G模块不稳定问题。经过半年的运行验证，试点智能站房感知系统的运行趋于稳定，在线率在95%以上。

表2 配电房物联网运行配置

6 结 语

通过理论设计和现场实践检验，配电物联网关的研究实现了既定目标，所设计系统具有如下优点：采用满足国网公司规范要求的无线通信方式和通信规约，实现了物联网关和各种终端设备的互联互通，降低了安装、调试和运维成本；满足了国网公司要求的“硬件平台化、软件APP化”设计目标，实现了各种微服务的标准化开发模式；采用通用的边缘计算框架，优化了软件运行效率，提高了运行可靠性、安全性。