基于Modbus协议的边缘计算电能质量网关设计

朱斌庚 陈晓曼

收稿日期：2023-04-27

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2023.22.038

摘  要：针对目前电能质量采集器协议不统一、交互数据量大，采用传统物联网关传输电能质量数据时，常造成云平台负荷大、数据上云效率低、连接超时频发等问题，研制基于Modbus协议的边缘计算电能质量网关，并提出基于该网关的电能质量压缩数据帧传输方案和基于采集请求的TCP保活连接方法。测试表明：该边缘计算电能质量网关数据上云效率高、与云端平台连接工作稳定，具有推广价值。

关键词：Modbus；电能质量；边缘计算；预警提示

中图分类号：TM73  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）22-0174-05

Design of Power Quality Gateway of Edge Computing Based on Modbus Protocol

ZHU Bingeng1， CHEN Xiaoman2

（1.Guangzhou Xinyi Information Technology Co.， Ltd.， Guangzhou  510630， China;

2.School of Electrical Engineering， Guangzhou Railway Polytechnic， Guangzhou  511300， China）

Abstract： Focusing on the current inconsistent protocol and large data volume of power quality collectors leads to issues such as high platform load， low data cloud efficiency and frequent connection timeout when using traditional IoT gateways to transmit power quality data， the edge computing power quality gateway based on Modbus protocol is developed. Also， the transmission scheme of power quality compressed data frame and the TCP active connection method based on collection request are proposed. The test shows that the edge computing power quality gateway has high data cloud efficiency and the connection with the cloud platform is stable， which is worth popularizing.

Keywords： Modbus; power quality; edge computing; early warning tip

0  引  言

电能是当前国民经济发展的重要能源，而随着用电环境日趋复杂和用电系统负载持续变化，电能质量问题频发不断[1]，采用电能质量监测设备和平台及时诊断、定位电能质量问题成为有效解决手段[2-4]。据智研咨询《2023—2029年中国电能质量治理行业分析报告》统计，2019年，我国电能质量治理市场规模达1 206.4亿元，其中电能质量监测设备规模达244.9亿元，配套产业软件与服务达30.2亿元。但实际应用过程中仍存在不少困难：1）入网设备剧增导致云端平台负荷大、数据上云效率低[5]；2）不同电能质量采集器协议存在差异，导致云平台数据处理流程繁杂；3）网关与平台连接稳定性差，因网络原因断开后，短期重连效率低，导致数据传输成功率不高。因此，亟须在数据上云前采取优化措施，以降低云平台负荷，提高云平台监测效率。

边缘计算作为在数据源头实现计算服务的计算模型，是解决以上问题有效方法。本文研制一套基于Modbus协议的边缘计算电能质量网关（以下简称“网关”），并提出一种电能质量压缩数据帧传输方案，以及基于采集请求的TCP保活连接方法，对提升电能质量数据上云效率和连接稳定性具有重要意义。

1  Modbus通信协议和边缘计算

1.1  Modbus协议

Modbus协议是应用层报文传输协议，具有实时性好、通信距离长、稳定性好等特点，其采用主从通信技术，已广泛应用于工业自动化设备通信[6]。电能质量分析仪普遍支持Modbus协议，包括基于RS485通信接口的Modbus RTU协议，以及基于RJ45以太网接口的Modbus TCP/IP协议[7]。

Modbus RTU数据帧由地址域、功能码、数据和差错校验构成，最大长度为256字节（Byte），其中地址域占1个字节，功能码占1个字节，数据部分占0～252字节，差错校验一般采用CRC校验，占2个字节[8]，如图1所示。

Modbus TCP/IP数据帧由MBAP报文头、功能码和数据构成，最大长度为260字节，其中MBAP报文头占用7个字节，功能码占1个字节，数据部分占0～252字节[9]，如图2所示。

由上可知，Modbus RTU數据帧及Modbus TCP/IP数据帧最大支持252字节有效数据。

1.2  边缘计算

边缘计算作为在数据源头实现计算服务的一种计算模型[10]，具有本地化、时效性、低耗能的特点：1）本

地化：通过将原本由云端集中的通信、计算、存储等资源下沉到各边缘节点，以降低对网络资源的占用[11]；2）时效性：可对数据进行预处理，提高数据时效性；3）低能耗：云计算能耗高，边缘计算可有效分担云中心的工作量，降低系统整体能耗[12，13]。因此，边缘计算对降低云端计算负荷具有重要意义。

2  边缘计算电能质量网关整体设计

2.1  边缘计算电能质量网关功能分析

在电能质量在线监测系统中，网关位于电能质量采集器与监测平台之间，是连接感知网络与传统通信网络的纽带，保证网络连接，实现网络边缘侧管理。网关实现功能包括：1）接入电能质量采集器：作为采集器入网的唯一入口，网关负责解析采集器协议，获取电能质量数据；2）本地处理电能质量数据：具备一定运算、存储能力，并对电能质量数据进行源头处理，重新打包数据，将Modbus数据帧转换为平台统一数据帧；3）传输数据：通过4G、Wi-Fi，或以太网与云端建立和保持数据传输通道，实现设备入网、注册、数据交换。

2.2  边缘计算电能质量网关系统设计

边缘计算电能质量网关系统模块组成如图3所示，由ESP32控制板、4G通信模块、以太网通信模块、OLED显示屏构成。ESP32控制板负责现场电能质量数据采集处理，内置了双核32位处理器，处理频率达240 MHz，且集成Wi-Fi，具有较强运算能力；4G通信模块负责将处理后数据传输到云端电能质量监测平台，采用CAT.1等级，支持LTE和GSM网络，网络覆盖范围广，满足电能质量数据传输需求；以太网通信模块采用支持8路独立硬件Socket同时通信的以太网模组，能够实现三相电能质量波形数据同时采集；OLED显示屏可实时显示数据处理进度和状态信息。

3  边缘计算电能质量数据采集、处理和传输关键技术

3.1  电能质量压缩数据帧传输方案

针对数据采集器Modbus数据帧传输次数多、数据帧格式未统一问题，提出电能质量压缩数据帧传输方案。该方案采用了游程编码和变换编码2种压缩方式，及一种自定义电能质量压缩数据帧PQCDF（Power Quality Compressed Data Frame）。1）游程编码：用于剔除Modbus数据帧中冗余信息，包括MBAP报文头、地址域、功能码、寄存器地址和校验位等，属于无损压缩[15]。2）变换编码：在精度要求范围内，转换电能质量数据类型，用更简短的数据类型代替，属于有损压缩[16，17]。3）自定义电能质量压缩数据帧PQCDF：格式如图4所示，主要由帧起始、控制字段、序列号、数据信息和帧结束构成。帧起始占2个字节，标识数据帧的开始；控制字段包括1字节功能码、2字节数据长度，用于标明帧类型和数据长度；序列号由2字节编号和1字节扩展号构成，编号是平台分配给网关的唯一识别号，扩展号对应Modus数据帧的地址域，表示采集器的总线地址。

自定义电能质量压缩数据帧PQCDF通过剔除冗余信息、归类参数值、变换编码等措施实现数据压缩及传输数据标准化，以兼容不同Modbus数据采集器、减少数据传输量。同时通过增加网关唯一识别号和功能码，优化数据处理流程，减少平台计算量，达到数据压缩的效果，用数据压缩比（Compression Ratio， CR）来衡量，计算公式如式（1）所示[18]：

（1）

式中DAnew和DAold分别表示压缩后数据量和原始数据量。

对数据进行统一压缩之后，数据按图5电能质量压缩数据帧传输方案流程进行传输：1）网关分次从采集器获取电能质量Modbus数据帧；2）解析各Modbus数据帧，提取电能质量参数值；3）归类参数

值，统一数据类型；4）变换编码，缩减占用空间，例如将各次谐波含有率等百分比浮点数转为整形数；

5）构建PQCDF，打包所有参数值；6）传输数据，网关收到平台数据请求后，发送最新完整数据帧PQCDF给平台。

3.2  基于采集请求的TCP保活连接方法

为解决网关与平台连接稳定性差、数据传输成功率低等问题[19，20]，本文采用基于采集请求的TCP保活保持方法。图6为该方法运行示意图，该方法核心为：1）数据采集请求由平台发起，网关响应，采集周期Tc单位为秒，且Tc ∈ [1，60]，允许用户动态更改Tc；2）平台设置TCP超时时间Tp，若Tp内未收到网关数据，则断开连接；3）网关设置TCP超时时间Tg，若Tg内未收到平台数据，则重新建立TCP连接。

3.2.1  平臺TCP超时时间Tp设置

虽然TCP超时时间Tp默认可达2个小时，但引起平台连接超时因素多，除NAT超时为周期性，其他因素均具有随机性；在异常处理机制下，网关会发起新TCP连接，Tp过大会导致无效连接数量增多，造成平台端口资源耗尽和服务器宕机。

考虑到中国移动和中国联通的NAT超时时间Tp一般为5分钟[21]，本文设定Tp = 300秒。

3.2.2  网关TCP超时时间Tg设置

网关与平台主动连接流程为：1）网关主动向平台发起建立TCP连接，并完成身份识别认证；2）网关在完成身份识别认证后，不主动向平台发起数据交换，仅被动回应平台请求；3）网关周期性从采集器读取实时数据，并进行边缘计算，构建PQCDF，仅在接收到平台采集请求后，返回最新PQCDF数据帧；4）若Tp时间内，网关未接收到平台请求，意味着连接存在异常，平台中断连接，网关需重新发起建立TCP连接，此时Tg = Tp。

因此，Tc、Tp与Tg满足以下关系：

（2）

基于采集请求的TCP保活连接方法将NAT超时时间设为连接超时时间，并将采集请求周期限定在连接超时时间内，利用采集请求与网关回应实现传统网关的TCP连接心跳功能；同时以NAT超时时间作为连接异常判定周期，在不占用心跳包传输带宽基础上，实现TCP保活连接，既提升网关与平台传输效率，又保证连接稳定性。

4  测试与应用

图7为基于Modbus协议的边缘计算电能质量网关实物图，可兼容Modbus RTU和Modbus TCP/IP协议电能质量采集器。图8为网关OLED屏显示界面，分为状态栏和进度栏，用于显示状态信息和处理进度。

根据平台要求，采集器记录一条电能质量数据需要1 260字节，网关至少需要从采集器读取5帧Modbus数据。以5帧Modbus协议数据传输为例，测试采用电能质量压缩数据帧PQCDF格式之后数据压缩情况，如表1所示。

由该表可知，5帧Modbus RTU格式总长DAold1为1 280个字节，采用PQCDF格式压缩之后数据总长DAnew1为961个字节；5帧Modbus TCP/IP格式总长DAold2为1 300个字节，采用PQCDF格式压缩之后数据总长DAnew2为961个字节。

Modbus RTU格式的數据压缩比CR1为：

（3）

Modbus TCP/IP格式的数据压缩比CR2为：

（4）

因此，在至少需5帧数据帧完成一条数据记录传输的情况下，采用电能质量压缩数据帧PQCDF格式可实现较好的数据压缩，网关与平台交互次数由原来多次传输降低到单次传输，极大提升数据上云效率、降低平台负荷。

为测试网关与平台连接稳定性，随机选取10个测试点，连续24小时测试实际传输数据量，网关采集频率设定为20秒一次，每个测试点连续24小时的实际传输数据如表2所示。

按采样频率20秒一次计算，网关连续24小时理论采集数据量DCth应为：

（个）        （5）

网关连续24小时实际采集数据量为DCrel，则每个测试点数据传输成功率η如式（6）所示：

（6）

按式（6）计算10个测试点的数据传输成功率，如表2所示。

由表2可见，10个测试点中，数据传输成功率为99.1%～99.9%，较传统网关与平台连接稳定性显著提高，网关达到设计要求。

5  结  论

基于Modbus协议的边缘计算电能质量网关，在电能质量在线监测系统中，采用边缘计算对电能质量数据归类统一、压缩、转换、传输，具有采集器兼容性高、数据压缩率高、连接稳定性强等特点，提高电能质量在线监测系统数据上云效率及系统连接稳定性。边缘计算电能质量网关有效分担云中心的工作量，降低电能质量在线监测系统整体能耗，对提升电能质量治理、节能减排和设备运维效率，推动“双碳”战略具有现实意义。

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作者简介：朱斌庚（1987—），男，汉族，江西赣州人，中级工程师，硕士，主要研究方向：电能质量数据采集。