邊云協(xié)同感知的直流合成電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)

吳桂芳，張茜，崔勇

1. 中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司 高電壓研究所，北京 100192

2. 北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191

直流輸電工程具有輸送容量大、損耗小、輸送距離不受限制等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)三峽水電外送、西電東送和全國(guó)聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮了重要作用。近年來隨著直流工程的陸續(xù)投運(yùn)，特高壓直流線路沿線電磁環(huán)境引起了民眾和環(huán)保部門的廣泛關(guān)注。直流合成電場(chǎng)是直流輸電工程電磁環(huán)境的重要表征之一，其測(cè)量和預(yù)測(cè)為輸電工程設(shè)計(jì)、電磁環(huán)境影響評(píng)價(jià)和設(shè)備運(yùn)行提供重要的技術(shù)支撐。直流合成電場(chǎng)會(huì)受到溫濕度、灰塵、海拔、風(fēng)速等諸多環(huán)境因素影響，需要進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

由于特高壓直流輸電線分布廣泛，采用有線測(cè)量方式需要人工布線，人力耗費(fèi)大且成本高。采用無線通信技術(shù)傳輸方式的合成電場(chǎng)測(cè)量方式較為適合。文獻(xiàn)[1]將具有自組網(wǎng)、功耗低、速率低、通信距離短等特性的紫蜂(ZigBee)無線通信技術(shù)應(yīng)用于地面直流合成電場(chǎng)的測(cè)量中。文獻(xiàn)[2-3]分別提出了基于ZigBee無線技術(shù)的離子流密度與空間電荷密度測(cè)量方法。文獻(xiàn)[4]研制了一種基于ZigBee的無線電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)并分析了系統(tǒng)的電磁兼容性能。然而，基于Zigbee的無線技術(shù)需要復(fù)雜的組網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)湫允軠y(cè)量環(huán)境約束較大，如草地、建筑物、車輛等都對(duì)會(huì)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的通信性能造成影響。此外，采用Zigbee的電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)只能存儲(chǔ)于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量計(jì)算機(jī)中，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的多人共享和遠(yuǎn)程操作，使得數(shù)據(jù)利用效率較低。

文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了基于無線通信技術(shù)的工頻電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量所得的電場(chǎng)數(shù)據(jù)可在現(xiàn)場(chǎng)的移動(dòng)終端顯示或上傳至云服務(wù)器進(jìn)行后續(xù)分析。采用云計(jì)算技術(shù)的集中測(cè)量方式雖然能夠解決服務(wù)對(duì)象廣泛等問題[6]，但這些工作仍是所有測(cè)量數(shù)據(jù)全部上傳至云端處理，網(wǎng)絡(luò)帶寬會(huì)承受巨大壓力的同時(shí)，云端計(jì)算也負(fù)荷較重。此外，直流合成電場(chǎng)的測(cè)量設(shè)備有時(shí)部署在山區(qū)、高原等偏遠(yuǎn)地區(qū)，網(wǎng)絡(luò)傳輸條件難以滿足大批量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，因此僅使用云計(jì)算架構(gòu)不能從根本上滿足直流合成電場(chǎng)的測(cè)量要求。

為分擔(dān)云端的數(shù)據(jù)壓力，在靠近特高壓直流輸電線路一側(cè)部署邊緣節(jié)點(diǎn)，對(duì)匯集至此的直流合成電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理等工作。邊緣計(jì)算適用于對(duì)采集到的電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、周期短的數(shù)據(jù)處理場(chǎng)景，而云端計(jì)算適用于對(duì)各地匯集的邊緣節(jié)點(diǎn)電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行大批量數(shù)據(jù)分析。因此，邊端計(jì)算與云端計(jì)算的協(xié)同具有諸多優(yōu)勢(shì)[7-10]。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖1為邊云協(xié)同感知的直流合成電場(chǎng)測(cè)量架構(gòu)，由云端計(jì)算系統(tǒng)，邊緣計(jì)算系統(tǒng)與電場(chǎng)測(cè)量終端模塊組成。

圖1 邊云協(xié)同感知的直流合成電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)

1)云端計(jì)算系統(tǒng)。直流合成電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的云端計(jì)算中心匯集各地邊緣計(jì)算系統(tǒng)的電場(chǎng)數(shù)據(jù)，將其分種類分時(shí)段地存儲(chǔ)備份，并開發(fā)Web系統(tǒng)供多用戶協(xié)作與數(shù)據(jù)共享，通過對(duì)海量合成電場(chǎng)數(shù)據(jù)分析得出適當(dāng)?shù)恼{(diào)度命令，再由邊緣計(jì)算系統(tǒng)分發(fā)至各終端模塊。

2)邊緣計(jì)算系統(tǒng)。邊緣計(jì)算的硬件部分包括數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊等。邊緣計(jì)算的軟件系統(tǒng)接收云端中心下發(fā)的調(diào)度命令，并根據(jù)調(diào)度命令作用于終端模塊，控制電場(chǎng)數(shù)據(jù)的測(cè)量頻率以及數(shù)據(jù)量。同時(shí)邊緣計(jì)算系統(tǒng)對(duì)終端模塊上傳的電場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，判斷電場(chǎng)數(shù)據(jù)是否在設(shè)定的正常范圍之內(nèi)，發(fā)現(xiàn)異常電場(chǎng)數(shù)據(jù)時(shí)快速響應(yīng)預(yù)警機(jī)制，保障人的安全及設(shè)備的正常運(yùn)行。

3)電場(chǎng)測(cè)量終端。直流合成電場(chǎng)傳感器模塊，部署在特高壓直流輸電線附近，通過邊緣接入認(rèn)證方式實(shí)現(xiàn)連接管理。

2 電場(chǎng)測(cè)量終端

電場(chǎng)測(cè)量終端為電場(chǎng)傳感器。直流合成電場(chǎng)傳感器為旋轉(zhuǎn)感應(yīng)式，稱為場(chǎng)磨。利用高斯定理來測(cè)量電場(chǎng)，電機(jī)帶動(dòng)屏蔽片旋轉(zhuǎn)，在被測(cè)電場(chǎng)中，感應(yīng)片會(huì)呈周期性地被屏蔽片掩擋，感應(yīng)片會(huì)產(chǎn)生周期變化的感應(yīng)電流[11-13]。

測(cè)量直流線路地面合成電場(chǎng)分布時(shí)，將多個(gè)電場(chǎng)傳感器沿檔距中心垂直于線段方向布置，所需傳感器數(shù)量較多，通常超過20個(gè)(具體數(shù)量與被測(cè)線路參數(shù)和測(cè)量需求有關(guān))，同時(shí)為保證試驗(yàn)儀器良好接地，需要在被測(cè)點(diǎn)處鋪設(shè)接地鐵板，如圖2所示。

圖2 直流合成電場(chǎng)傳感器典型測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置

3 邊緣計(jì)算系統(tǒng)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

邊緣計(jì)算系統(tǒng)的硬件部分為邊緣節(jié)點(diǎn)。邊緣節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，包含微控制器、電池、線性電源、窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band internet of things, NB-IoT)無線通信模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元與液晶顯示器等。邊緣節(jié)點(diǎn)由低壓差線性穩(wěn)壓器供電，通過A/D模塊將直流合成電場(chǎng)數(shù)據(jù)送入微控制器進(jìn)行計(jì)算，并在液晶顯示器顯示數(shù)值。經(jīng)邊緣節(jié)點(diǎn)處理后的電場(chǎng)數(shù)據(jù)通過NB-IoT基站上傳至云服務(wù)器。

3.2 通信單元

隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、分布式可再生資源等技術(shù)的發(fā)展，能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了大量能源信息交互設(shè)備在廣域范圍的互聯(lián)互通與實(shí)時(shí)交互，對(duì)信息傳遞的“質(zhì)”與“量”都有較高的要求。因此適用于能源互聯(lián)網(wǎng)中的直流合成電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，其無線通信技術(shù)需要滿足傳輸功率低、覆蓋范圍廣、可靠性較強(qiáng)等需求。NB-IoT無線技術(shù)屬于典型的低功率廣域網(wǎng)技術(shù)之一，其低功耗和廣覆蓋特點(diǎn)可滿足能源互聯(lián)網(wǎng)中的電場(chǎng)測(cè)量需求[14]。

圖3 邊緣節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

邊緣節(jié)點(diǎn)采用NB-IoT無線通信單元實(shí)電場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的上云。邊緣節(jié)點(diǎn)的NB-IoT無線通信單元的供電電壓典型值為3.6 V，支持B1、B3、B5、B8、B20、B28頻段。NB-IoT無線通信單元的下行數(shù)據(jù)傳輸速率為25.2 Kb/s，上行支持單頻傳輸與多頻傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率分別為15.6 Kb/s與54 Kb/s，電場(chǎng)測(cè)量的典型數(shù)據(jù)幀為80 bit，可實(shí)現(xiàn)0.1 s內(nèi)將數(shù)據(jù)上云。由于合成電場(chǎng)屬于準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)，對(duì)其采樣的間隔一般大于10 s，因此所選用的邊緣節(jié)點(diǎn)的通信速率可滿足數(shù)據(jù)通信需求。

當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)被網(wǎng)絡(luò)較好地覆蓋時(shí)，上行數(shù)據(jù)傳輸采用多頻方式以提高吞吐率，從而降低邊緣節(jié)點(diǎn)上行數(shù)據(jù)傳輸功耗和時(shí)間延遲。

NB-IoT無線通信單元的功耗低、靈敏度高。其最大輸出功率為23 dBm±2 dB，靈敏度為-129 dBm+1 dB。在省電模式與空閑模式下，典型耗流值分別為3 μA與0.5 mA；當(dāng)處于發(fā)射和接收狀態(tài)時(shí)典型耗流分別為250 mA和60 mA。

綜合來看，其能耗水平跟Zigbee無線通信節(jié)點(diǎn)相當(dāng)，因此具有較好的低功耗數(shù)據(jù)傳輸性，可以滿足一些缺乏長(zhǎng)期供電條件的測(cè)量場(chǎng)景。

3.3 邊云交互的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邊云交互的主要功能是完成邊緣節(jié)點(diǎn)與云服務(wù)器的通信，實(shí)現(xiàn)邊緣節(jié)點(diǎn)處理后的電場(chǎng)數(shù)據(jù)的上傳，以及云計(jì)算中心分析后的電場(chǎng)調(diào)度命令的下發(fā)。云平臺(tái)選用云彈性可伸縮的計(jì)算服務(wù)(elastic compute service，ECS)云服務(wù)器，并使用NB-IoT調(diào)試工具進(jìn)行開發(fā)。

在云服務(wù)器中，設(shè)定云服務(wù)器的端口號(hào)，并在安全組中放行該端口號(hào)以及添加相應(yīng)規(guī)則，之后啟動(dòng)云端服務(wù)端程序。在邊緣節(jié)點(diǎn)客戶端，設(shè)定邊緣節(jié)點(diǎn)的端口號(hào)與云服務(wù)器的端口號(hào)一致，通過NB-IoT調(diào)試工具連接基站，使用GNU編譯器套件(GNU compiler collection，GCC)指令編譯程序連接云服務(wù)器。邊緣節(jié)點(diǎn)與云端的連接建立后，電場(chǎng)調(diào)度命令、電場(chǎng)數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)等信息就可以在測(cè)量系統(tǒng)中被上傳或下發(fā)。

邊云交互的流程如圖4所示。

圖4 邊云交互的流程框圖

4 云端計(jì)算系統(tǒng)

4.1 云端存儲(chǔ)

合成電場(chǎng)數(shù)據(jù)與設(shè)備狀態(tài)經(jīng)由邊云通信系統(tǒng)上傳至云端數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)。能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)具有高并發(fā)高流量，實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)[15]，采用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MongoDB(基于分布式文件存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù))對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)可以滿足要求。云端直流合成電場(chǎng)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)詳述如下。

1)高并發(fā)和高流量：云端上的直流合成電場(chǎng)數(shù)據(jù)是由多地區(qū)的邊緣節(jié)點(diǎn)定時(shí)上傳所得，并且系統(tǒng)的用戶量較大，查詢請(qǐng)求每秒可達(dá)到數(shù)千條，具有較強(qiáng)的并發(fā)性。

2)實(shí)時(shí)性要求高：在測(cè)量系統(tǒng)的云端計(jì)算中心，需要快速地對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)匯集的海量電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而做出相應(yīng)的電場(chǎng)調(diào)度命令。因此要求對(duì)直流合成電場(chǎng)數(shù)據(jù)的讀寫與超限預(yù)警功能有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的多表關(guān)聯(lián)查詢會(huì)使訪問效率降低。而非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中的集合單獨(dú)設(shè)計(jì)，不支持各個(gè)集合之間的連接操作，從而避免了關(guān)聯(lián)查詢?cè)斐傻乃俣容^慢的不足。此外，非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的讀寫性能高，可將云端匯集的直流合成電場(chǎng)數(shù)據(jù)分布式地存儲(chǔ)在多個(gè)服務(wù)器上，架構(gòu)分級(jí)層次清晰，擴(kuò)展性強(qiáng)，便于未來新的數(shù)據(jù)類型寫入。

4.2 云端Web系統(tǒng)

4.2.1 登陸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

直流合成電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)采用單點(diǎn)登陸(Single Sign-on)的方式。單點(diǎn)登陸的原理與實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5 登陸系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn)

在全局測(cè)量系統(tǒng)中創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)認(rèn)證中心，只有該測(cè)量系統(tǒng)認(rèn)證中心可以對(duì)用戶的用戶名及密碼進(jìn)行核驗(yàn)，核驗(yàn)無誤后頒發(fā)授權(quán)令牌。其他測(cè)量子系統(tǒng)沒有用戶登錄的接口，可通過共享令牌的方式獲得間接授權(quán)，在本系統(tǒng)創(chuàng)建局部會(huì)話，免去多次登錄[16-17]。

當(dāng)用戶訪問子系統(tǒng)1受保護(hù)的直流合成電場(chǎng)數(shù)據(jù)時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)將引導(dǎo)用戶跳轉(zhuǎn)至認(rèn)證環(huán)節(jié)，顯示登錄界面，用戶提交相關(guān)信息后，測(cè)量系統(tǒng)的認(rèn)證中心對(duì)其進(jìn)行核驗(yàn)，核驗(yàn)無誤后就開啟用戶與測(cè)量系統(tǒng)認(rèn)證中心的整體會(huì)話，并創(chuàng)建令牌。之后系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)回子系統(tǒng)1的地址，子系統(tǒng)1得到共享令牌并由測(cè)量系統(tǒng)認(rèn)證中心驗(yàn)證其有效性，校驗(yàn)有效后，創(chuàng)建用戶與子系統(tǒng)1的局部對(duì)話，受保護(hù)的電場(chǎng)數(shù)據(jù)被返回到用戶端。

使用單點(diǎn)可以降低訪問第三方網(wǎng)站的風(fēng)險(xiǎn)，提高安全系數(shù)。此外，系統(tǒng)構(gòu)建用戶與權(quán)限管理的映射關(guān)系，針對(duì)系統(tǒng)管理員與普通用戶設(shè)置不同的權(quán)限，采用SSL加密技術(shù)保障系統(tǒng)網(wǎng)站的真實(shí)性與數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)密性與安全性。

4.2.2 條件篩選及可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

直流合成電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)定時(shí)收集著不同種類、不同地區(qū)的數(shù)據(jù)，因此快速直觀地獲取所需的數(shù)據(jù)對(duì)提升用戶使用效率有著積極的意義。本節(jié)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)數(shù)據(jù)的條件篩選及數(shù)據(jù)可視化模塊。

根據(jù)時(shí)間、種類、地區(qū)設(shè)置系統(tǒng)查詢條件，并定義直流合成電場(chǎng)、傳感器狀態(tài)、通信模塊狀態(tài)作為查詢類。電場(chǎng)數(shù)據(jù)的條件篩選及數(shù)據(jù)可視化流程如圖6所示。

圖6 條件篩選及數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)流程圖

用戶在瀏覽器發(fā)送的條件篩選請(qǐng)求被提交至前置控制器，經(jīng)它找出處理請(qǐng)求的后端控制器，再由后端控制器與業(yè)務(wù)層進(jìn)行交互，訪問事務(wù)緩存與直流合成電場(chǎng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)前置控制器拿到業(yè)務(wù)層篩選返回的電場(chǎng)數(shù)據(jù)后，再將其渲染至視圖層，由Echarts(Enterprise Charts，商業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)圖表，一種可視化工具)獲取數(shù)據(jù)并按照配置繪圖。

數(shù)據(jù)可視化后可將電場(chǎng)數(shù)據(jù)的各個(gè)屬性以多維度的方式展現(xiàn)，繪制的動(dòng)態(tài)圖支持放大與縮小的功能，并且可以下載為圖片的格式，便于用戶進(jìn)行存儲(chǔ)記錄。數(shù)據(jù)可視化后可將電場(chǎng)數(shù)據(jù)的各個(gè)屬性以多維度的方式展現(xiàn)，繪制的動(dòng)態(tài)圖支持放大與縮小的功能，并且可以下載為圖片的格式，便于用戶進(jìn)行存儲(chǔ)記錄。

按照如圖2將多個(gè)電場(chǎng)傳感器沿檔距中心垂直于線段方向進(jìn)行布置，通過電腦或者手機(jī)登陸系統(tǒng)。在系統(tǒng)中設(shè)定云服務(wù)器的端口號(hào)，在邊緣節(jié)點(diǎn)客戶端設(shè)定與云服務(wù)器一致的端口號(hào)。邊緣節(jié)點(diǎn)與云端的連接建立后，點(diǎn)擊測(cè)量指令，指定傳感器就開始啟動(dòng)，并在本地自動(dòng)保存數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)分析和超限預(yù)警等操作。

實(shí) 際 得 到 如 圖7所 示 的2020年7月16日13時(shí)52分到14時(shí)10分，在某一位置測(cè)量所得的電場(chǎng)強(qiáng)度可視化結(jié)果。

圖7 電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)可視化

5 結(jié)論

本文針對(duì)直流合成電場(chǎng)傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方式存在危險(xiǎn)性高、操作繁瑣的不足，以及采用云計(jì)算技術(shù)的集中式測(cè)量方式存在網(wǎng)絡(luò)壓力大、實(shí)時(shí)性差的問題，開發(fā)了邊云協(xié)同感知的直流合成電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)部署的邊緣節(jié)點(diǎn)可以對(duì)電場(chǎng)數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行初步計(jì)算以及超限預(yù)警，經(jīng)各地邊緣節(jié)點(diǎn)處理后的電場(chǎng)數(shù)據(jù)匯集至云端，并進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)備份，從而決策出下一時(shí)刻的電場(chǎng)調(diào)度命令下發(fā)至邊緣節(jié)點(diǎn)。本文開發(fā)的邊云協(xié)同感知的直流合成電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)能夠及時(shí)感知設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)合成電場(chǎng)數(shù)據(jù)的超限預(yù)警功能，為能源互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行提供技術(shù)支撐。