一种基于边缘计算的电力网关设计与实现

梁甄勇，张超

（1.武汉邮电科学研究院，湖北武汉 430074；2.中国信息通信科技集团烽火通信有限公司，湖北武汉 430073）

随着电力行业的发展和智能电网的建设，国家提出了“泛在电力物联网”的概念[1]，如何高效地对电力终端设备(以下简称终端设备)进行管理是十分重要的。在电力物联网中，设备的数量十分巨大，每一台设备都有各自的通信、存储和计算需求，不同于传统云计算模型对设备和数据进行集中管理和处理，边缘计算模型充分利用了更贴近用户侧的边缘节点设备，这些节点同时具有传输、存储和数据处理的功能，通过将云端功能下放来解决网络延时、带宽消耗等问题[2-5]。

该文提出一种基于边缘计算用于电力系统的网关（以下简称网关），可作为连接电力系统中终端设备和云平台的桥梁，通过容器虚拟化技术为电力应用提供运行环境，同时网关中设计有数据中心，实现将网络功能、计算存储功能和设备核心功能融合进网络边缘侧，以降低云端的数据存储和计算压力。

1 网关总体设计

网关的总体设计包含硬件层、软件层，如图1 所示。硬件层由主控板、电源板、上下行通信板构成；软件层中Linux 系统底层应用负责对硬件接口数据进行解析和处理、远程通信等，边缘物联应用实现了数据存储、终端设备管理等网关通用功能，电力行业的应用分别安装在各自的容器内，通过应用APP 实现所需的功能。网关实现了终端设备与云平台的连接，同时采集到的数据可存储在本地数据存储模块，从而缓解云端的存储压力。

图1 电力网关总体设计

2 网关硬件设计

网关硬件总体设计如图2 所示，主控板作为整个系统的核心，负责外围电路的控制，决定系统SPI总线的数据流向，接收来自交采模块的电能质量运算结果和波形记录，采集终端设备上报的信息，并对其进行存储、分析和远程传输，主控芯片GPIO 管脚连接可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)，为启动采样时提供负脉冲[6-7]。

图2 电力网关硬件结构

电源板由降压模块和交采模块组成。降压模块实现三相四线电压380 V 转12 V，电流1.5 A 直流输出，当系统电源出现故障时，主控板可接受掉电检测输出的DyingGasp 信号，使用超级电容作为后备电源维持网关正常工作3 min[8]。采样模块负责对电网电能质量信息进行采集，三相电压信号通过电压和电流互感器变换后，信号调理电路将信号变换至适量范围，A/D 采样芯片以CPLD 提供的10 240 Hz 固定频率的采样时序对4 路输入信号进行采样，并将采样结果转发至CPLD[9]。

上行通信板搭载基于高通平台的物联网卡模块实现4G 无线通信，网卡接口电路如图3 所示，USIM_DET 为1.8 V 中断管脚并支持USIM 卡检测，USIM 卡插入前SIM_DET 悬空为高电平，插入后接地同时电平翻转为低电平。各信号线上串联不大于20 Ω的电阻，并配置防护二极管进行ESD 防护[10-11]。

图3 物联网卡接口电路

下行通信板搭载RS485、Modbus 接口电路实现网关与终端设备的通信。大多数电气设备都具备的RS485 接口有通信速度高、传输距离远、抗干扰能力强的特点，网关采用VP3082 芯片控制RS485 输出电路，通过使用NPN 三极管的通断来控制芯片的收发使能[12]。

3 网关软件设计

电力网关的软件系统以硬件平台为基础，基于嵌入式Linux 操作系统，为网关应用程序提供运行环境。作为边缘计算节点，不同于传统通信网关产品，网关中提供统一的容器环境，通过docker 虚拟化技术实现网关应用与硬件解耦，为电力业务应用提供运行环境，并完成与远端容器/应用管理平台的对接。

3.1 物联协议转换

在边缘计算模型中，网关作为边缘计算节点，通过Modbus 连接终端设备，安装消息队列遥测传输(Message Queuing Telemetry Transport，MQTT)代理作为内部消息总线，连接云平台完成MQTT 消息的发布/订阅，通过Modbus 与MQTT 信息转换实现终端设备到云平台的通信，同时网关应用间通过MQTT 进行通信[13]。在如图4 所示的网关底层通信架构中，Modbus 数据帧包含设备唯一地址，网关通过该地址与终端设备进行通信，并查询对应设备寄存器中的内容，从而获取相应的数据。

图4 电力网关底层通信架构

网关北向数据传输过程中为平衡传输的速度与稳定性，设计三种数据传输策略：

1）周期传输策略：在规定的时间间隔节点如5 s、10 s 时传输即时采样的数据，实现对采样数据的筛选，减少所需传输的数据量，适用于数据浮动变化较小的场景；

2）即时传输策略：当网关检测到特定事件时，立即上传采样数据，实现重要数据的即时传输，与周期传输策略形成互补，防止遗漏波动较大的数据；

3）延时传输策略：当网络通信链路中断时，网关将待传数据暂存到本地存储模块中，通信链路恢复后，数据主动上传。

通过MQTT 消息的Topic 部分对不同传输策略的数据进行标记，如表1 所示。即时策略数据具有较高的重要性，采用QoS2 来确保消息到达且只到达一次，一般性的周期策略数据使用QoS0 降低网络传输开销，延时策略数据的QoS 则与其暂存前设定保持一致。

表1 数据类型对应的服务质量

为进一步降低周期和延时传输策略使用过程中占用的带宽资源，网关使用LZO 算法对传输数据进行压缩，针对即时传输策略中如事件顺序记录(SOE)等重要信息，使用AES 算法进行加密，利用AES 算法运算速度快、安全性高、资源消耗少的特性兼顾传输的安全性和通信效率[14]。

网关中数据报文采用二进制格式，存储在MQTT消息的Payload中，由六部分组成，如图5所示。

图5 电力网关数据报文格式

数据区的类型域用于表示数据区部分的编码方式，其值与对应编码方式如表2 所示。

表2 数据区类型的定义

报文长度域用于记录数据区长度，单位为字节。

网关编号域通过192 位的对象标识(OID) 编码，作为网关在云平台的全局唯一设备标识。

版本域用于记录数据区的报文格式。

数据区由n条终端设备产生的数据组成，每条设备数据包含数据地址、数据值及时间戳三部分。其中，数据地址由设备全局唯一标识符(Globally Unique Identifier，GUID)及设备模型中的数据编址联合组成。

校验码域使用CRC32 算法保证传输过程中消息体数据的完整性。

3.2 数据存储模块

不同于云端数据中心，边缘计算中网关搭载独立的数据存储模块，MQTT 代理的数据作为存储模块的输入源，消息路由配置将网关采集的电力信息、终端设备和其他应用产生的数据存储到数据库中。网关应用只能通过MQTT 代理调用数据库所提供的接口，对特定的数据进行存取操作。关系型数据库SQLite3可对包括模型、设备、事件在内的各种特殊格式数据进行存储，并能够灵活地设计数据表的字段[15]。

终端设备产生的信息在网关中存储时遵循以下原则：数据按设备分类存储，依靠设备类型、设备地址、附加信息等来定义唯一设备。网关应用启动时需要向数据中心注册设备对应的物模型(Thing Specification Language，TSL)，设备名由设备物模型和GUID 组合而成，是数据中心中设备的唯一标识，也是网关应用订阅/发布的信息对象及数据库存储的表名。

数据存储访问架构由三个主要部分组成，如图6所示。

图6 数据存储访问架构

1）消息处理模块：接收总线消息、进行分类并将消息转发至相应的接口模块进行处理；

2）接口模块：包括模型处理、设备交互处理、数据交互处理、参数交互处理等，用于分类处理不同的存储需求；

3）权限及数据管理模块：用于数据库权限管理及数据管理。

3.3 docker虚拟化

边缘计算中，为灵活配置边缘节点功能，网关通过docker虚拟化技术构建电力行业应用的运行环境，不同的电力应用可安装在容器内实现所需的功能，以适配各种电力协议需求[16]，且应用之间可通过MQTT实现通信，电力网关包含的应用类型如表3 所示。

表3 网关电力应用

网关容器管理流程如图7 所示，容器管理模块收到MQTT 消息后，处理Topic 对应的容器操作命令，如果容器不存在，返回错误码，否则通过MQTT代理将消息发送给对应的容器内部管理进程执行容器命令，若需等待回复的消息，则等待管理进程返回对应消息，并进行回复。模块进程内部定时循环检测容器的运行状态，在CPU、内存或者磁盘空间超过阈值的情况下，上报告警信息，并重启该容器。

图7 电力网关容器管理流程

4 实验测试

电力网关实物如图8 所示。

图8 电力网关实物

云平台通过网关管理终端设备，结果如图9 所示，网关通过4G 无线网络连接到云平台，并上报终端设备规格、编码、名称、类型等信息，对电流、电压等相关数据进行采集、处理和存储。

图9 终端设备管理

对网关数据存储模块读写性能进行批量载入测试，通过对存储模块进行设备物模型信息和终端设备信息的批量导入，分别选择了SQLite3 单行事务，多行事务和prepare 模式的多行事务模式，测试结果如表4 所示，经计算三种模式下存储模块每秒执行的事务数量(Transaction Per Second，TPS)分别为60、8 568 和11 600，在实际使用中选择prepare 模式可以满足大多数电力物联的使用需求。

表4 批量载入测试结果

将终端设备分别与网关和云平台进行MQTT 通信，对如下场景进行模拟测试：在QoS 分别为0、1、2的情况下发送10 000 条消息，消息体大小为100 个字节，对比两种通信方式的最大发送延时、平均发送延时，结果如表5 和表6 所示。

表5 MQTT消息最大发送时延

表6 MQTT消息平均发送时延

由表5 和表6 结果可知，随着消息服务质量的提升，两种通信方式的平均时延和最大时延都会增加，因为MQTT 协议针对不同的服务质量会采用不同的发送策略，质量越高，系统中报文交换的次数就越多，从而使系统的负载增大，进而导致时延增加。在同种QoS 下，终端设备与网关通信平均时延和最大时延均小于与云平台通信，这得益于网关采用边缘计算模型，更靠近终端设备，网络传输消耗的时间更短。

5 结束语

随着电力物联技术的发展，电力终端设备的不断增加，传统的终端设备+云计算模型存在时延较大，占用较大网络带宽的问题。

文中设计了一种基于边缘计算的电力网关方案，实现了网关对电力系统中终端设备的管理、数据的采集和处理，同时数据既可通过远程通信上传到云平台，也可存储在本地数据中心，从而减轻云平台的压力，降低网络带宽的消耗，通过虚拟化技术为电力物联应用搭建稳定的运行环境。经测试，网关在电力系统中程序运行可靠、软硬件结合良好、数据的存储效率高。从现场运行情况看，网关满足了电力系统的运行要求。