综合能源服务站用电管控云平台设计与实现

刘卫东 赵杰 李勇敢 梁凯 徐大伟

（1.河南省知识产权事务中心，河南 郑州 450000；2.上海红檀智能科技有限公司，上海 201306；3.河南省柔性配电物联网工程技术研究中心（零点创新科技有限公司），河南 郑州 450000）

0 引言

综合能源服务站是集加油、加氢、充换电、光伏发电、非油品等业务为一体的“碳中和”智能化综合加能站。利用综合能源服务站优越的空间资源，经过勘察设计、计算承重等关键参数，在条件允许的综合能源服务站，可在其罩棚顶部、站房屋顶、停车区等位置安装光伏电池组件，从而实现分布式光伏发电。如果加油站白天的光伏发电量消耗不完，可通过储能系统将其储存起来，储能系统可在用电高峰期释放电能、用电低峰期吸收电能，从而实现削峰填谷，降低用电成本。随着新能源汽车的保有量增大，新能源汽车充电难的问题也急需解决，在点多面广的加油站停车区安装快速充电桩无疑是一个非常好的选择，也是传统加油站增加营收的途径。由此可见，综合能源服务站用电管控相关平台系统将发挥着越来越重要的作用。本研究主要研究该系统的一种设计与实现方式。

1 整体设计

综合能源服务站用电管控云平台设计的核心思路是基于物联网技术来解决数据采集、数据存数、数据展示等问题。该系统的架构如图1所示。

图1 平台系统架构图

内容分发网络（Content Delivery Network，CDN）是通过将站点内容发布到遍布全国的海量加速节点，从而使最终用户可就近获取所需的内容资源，避免因网络拥堵、跨运营商、跨地域等因素的影响，造成网络不稳定、访问延迟高等问题，能有效提升静态资源的下载速度、降低响应时间，为用户提供流畅的用户体验。

全站加速网络（Enterprise Content Delivery Network，ECDN）可提供稳定高效的网络加速服务，适用于动静混合、纯动态、上传等多种加速场景。ECDN融合了静态缓存、智能路由、协议优化、多路传输、抗抖动等技术，其加速效果显著。

API服务器主要是基于uWSGI、Django REST Framework等开源项目开发的。uWSGI是一个用于构建托管服务的软件，其实现了http等协议，业务服务可基于uWSGi进行开发，帮助开发聚焦业务本身。uWSGI具有通用性强、性能高、资源利用率低和可靠性好等特点。Django REST Framework（DRF）是用于构建Web API的、功能强大且灵活的工具包，其是一个基于Django的开源项目。DRF为快速构建前后端分离的应用架构提供极大的方便［1］。业务逻辑主要是基于Python语言开发的，Python是一种解释型、面向对象、动态数据类型的高级程序设计语言。Python提供了高效的高级数据结构和语法［2］。目前，Python已被广泛应用于大型项目的开发中，在Web应用、人工智能等领域被广泛使用。业务层面平台实现的主要功能如图2所示。

图2 业务功能框图

本研究设计的系统主要聚焦国内市场。据估计，全国约有10万座加油站［3］，若将这些加油站全部改造成综合能源服务站，则该系统要支持约10万个站点。按每10 min轮训上送一次数据来计算，通信服务器要具备约167 fps的数据接收及解析能力。为了确保数据帧不丢失，同时考虑到未来的使用量扩展，本研究设计的系统对数据的解析采用Celery消息队列。通信服务器与消息队列服务器的有机配合，能有效保障数据传输的可靠性和稳定性。Celery是一个简单、灵活、可靠的分布式系统，可用于持续大量消息的处理场景，支持配置多个消息消费者，架构层面为后续更大量消息的处理能力留下扩展空间［4］。

未来，数据将成为各行各业的核心资产，为保障数据的可靠性，该系统以数据库集群为核心存储单元。

2 关键技术

2.1 通信协议

本系统主要采用Modbus-RTU和MQTT两种通信协议，底层采集设备通过多种方式将数据归一化到本地Modbus转MQTT网关，数据经由网关，并基于4G传输至通信服务器。

2.1.1 Modbus-RTU协议。该系统数据采集终端和网关间采用标准的RS485接口，通信协议为标准Modbus-RTU协议［5］。Modbus-RTU通信协议采用异步半双工通信模式，在一根通信线上采用主、从应答方式进行通信连接和数据交换。首先主机下发信息寻址到一台唯一地址的从机设备，然后该设备发出应答信号以相反的方向传输给主机，从而实现主机和各个从机间的轮询数据交换。数据传输采用16位CRC码进行校验，数据帧格式见表1。

表1 数据帧格式

①地址码。地址码主要用于标识产品的通信地址，占据1 Byte空间，可设定为01H～F7H。当主机下发广播报文时的地址码为00H，主机下发的广播报文从机设备不作应答。从机设备通信地址在同一条通信网络线路上必须唯一，只有被主机寻址到的从机设备才会响应主机，并与主机进行数据交换。

②功能码。主机通过功能码告知被寻址的从机设备执行何种操作，功能码占据1 Byte空间。被寻址到的从机设备以相同的功能码应答主机，如果功能码、地址和数据发生错误，则从机设备应答相应的错误报文。支持的功能码详见表2。

表2 支持的功能码

③数据码。数据码用于主机和从机设备的数据交换内容，根据不同功能，其具有不同内容和长度。

④校验码。采用16位CRC校验码，占据2 Byte空间，通信传输时先传低字节后传高字节。

⑤错误码。当功能码、寄存器地址和数据发生错误时，从机设备将应答异常报文，异常报文将功能号最高位置1。如主机请求功能号为0X03，则从机设备返回的异常报文功能号为0X83。错误类型码有以下3种，0X01（功能非法码），主机指定的功能码从机设备不支持；0X02（地址非法码），主机指定的寄存器地址超出从机设备地址范围；0X03（数据非法码），主机设定的数据值超出从机设备数据范围。

2.1.2 MQTT协议。本研究设计的系统数据采集网关与通信服务器采用MQTT协议进行通信。MQTT是物联网（IoT）的一个标准消息传递协议，其被设计为一种极其轻量级的发布/订阅消息传输，非常适合连接远程设备，只占用少量代码和最小的网络带宽［6］。如今，MQTT协议被广泛应用于汽车、制造、电信、石油和天然气等行业。MQTT协议提供多对多的消息订阅发布通道，能很好解除实体间的耦合。MQTT协议的另一个特点是支持可选的3种消息发布服务质量，即QoS0（At most once，接收方至多收到一次）、QoS1（At least once，接收方至少收到一次）和QoS2（Exactly once，接收方确保只收到一次），从而为不同的应用场景下权衡性能与资源提供极大的方便。

本研究设计的系统采用MQTT协议来解决物联网设备及云端服务间的通信连接问题。该方案能很好实现通信逻辑与业务逻辑的解耦，把复杂的通信链路建立、通信链路维护和通信资源回收等问题交给MQTT协议，应用工程师只用聚焦业务逻辑本身即可。

MQTT Broker负责接收Publisher的消息，并发送给相应的Subscriber，是整个MQTT订阅/发布的核心［7］。现在很多云服务器提供商都提供MQTT服务，如阿里云、腾讯云等。综合考量各方面因素，该系统采用mosquitto来搭建MQTT Broker。

2.2 数据库集群

本研究设计的平台系统数据库集群如图3所示。为了保证数据存储的可靠性，数据库系统采用“一主二只读一灾备”的4数据库实例存储架构，两台只读实例实时同步主实例数据，在提升数据读取速率的同时，还为系统提供了3冗余度的数据备份能力。此外，该系统还在另一地域部署了一个灾备实例，每天进行一次增量备份，从而保证当其他所有实例全部因遭受自然灾害等导致严重损坏时，数据最大损失仍控制在24 h内。

图3 数据库集群结构图

3 软件设计

系统的核心数据模型如图4所示，其核心是要支撑基于属性映射的数据采集方式，各配点单元内部的每个数据点都有一个唯一标识作为数据点的索引［8］，这样能大大提升数据采集的灵活性。

图4 系统数据模型

当要新增一个站点到平台时，要完成创建基本信息、创建网关、创建映射表、创建能源节点树、创建告警阈值、启动站点等，具体如图5所示。其中，能源节点树可帮助最终用户来配置其希望统计的耗能支路。

图5 站点创建流程图

在平台成功新增一个站点后，就可实现对数据的采集，其主要流程如图6所示。

图6 数据入库流程图

4 结语

根据综合能源服务站用电管控的数据采集的需求，本研究设计了一种对综合能源服务站用电情况进行数据集采的应用系统。在实际应用中，该系统能采集各用电回路的电压、电流、电能示值、断路器状态等，同时可通过4G网络把数据上传到数据中心，从而解决综合能源服务站用电相关数据采集和实时上传的问题。遵循该系统的设计方案，方便扩展接入水表、气表、热表等感知设备，可支撑综合能源服务站朝着全面感知和分级智能的方向发展。本研究设计的应用系统所采集的各项数据为后续的安全、节能分析提供数据支撑，后续可基于这些数据来实现更多智能化应用。