基于電力物聯(lián)網(wǎng)的配電房智能網(wǎng)關(guān)研制

程 立，陳桂友，丁浩川，劉中澤，胡紹謙

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京211102）

0 引言

目前中低壓配電房的運(yùn)維管理工作較為薄弱，配電房的設(shè)備故障和老化導(dǎo)致事故時(shí)有發(fā)生，比如局部放電導(dǎo)致電纜絕緣降低，水浸導(dǎo)致設(shè)備短路，老鼠啃咬導(dǎo)致絕緣破壞等。另外，低壓配電房運(yùn)維人員較少，難以做到高頻度巡檢，加之缺乏遠(yuǎn)程監(jiān)視手段，導(dǎo)致運(yùn)維效率較低［1］。很多情況下用戶投訴時(shí)，才能發(fā)現(xiàn)和處理故障，費(fèi)時(shí)費(fèi)力效率較低。因此亟需推進(jìn)基于電力物聯(lián)網(wǎng)的配電房的規(guī)劃與建設(shè)，提高配電房的整體運(yùn)維水平。

2019年國(guó)家電網(wǎng)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“國(guó)網(wǎng)公司”）“兩會(huì)”做出全面推進(jìn)“三型兩網(wǎng)”建設(shè)，加快打造具有全球競(jìng)爭(zhēng)力的世界一流能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的戰(zhàn)略部署［2-5］。國(guó)網(wǎng)公司制訂《配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案》以開(kāi)展配電物聯(lián)網(wǎng)頂層設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究，形成相關(guān)技術(shù)導(dǎo)則［6-8］。2020年在配電物聯(lián)網(wǎng)示范區(qū)建設(shè)和臺(tái)區(qū)智能終端建設(shè)的基礎(chǔ)上，在江蘇等地開(kāi)展智能配電房的系統(tǒng)建設(shè)工作。總體規(guī)劃上按照云管邊端的建設(shè)思路，傳感器、攝像頭等構(gòu)成端設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)關(guān)構(gòu)成邊設(shè)備，EPON光纖、4G/5G無(wú)線和HPLC電力載波等構(gòu)成管層，物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)等構(gòu)成云端設(shè)備，系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 智能配電房系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Intelligent distribution substation system architecture

從實(shí)際需求層面和政策層面，建設(shè)基于電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智能配電房十分必要。智能網(wǎng)關(guān)作為智能配電房輔助系統(tǒng)的重要節(jié)點(diǎn)，向下匯聚環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、消防系統(tǒng)、安防系統(tǒng)以及視頻、智能巡檢等信息，借助虛擬化、數(shù)據(jù)中心及APP部署等技術(shù)，完成自動(dòng)巡檢、智能管控、智能聯(lián)動(dòng)及缺陷報(bào)警等邊緣計(jì)算［9-11］功能。向上通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議傳輸給物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)和可視化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)配電站房的智能巡視、狀態(tài)評(píng)估、遠(yuǎn)程監(jiān)控、危險(xiǎn)預(yù)警和異常告警等智能全面運(yùn)維。

1 系統(tǒng)架構(gòu)分析

配電房作為低壓集約型應(yīng)用的典型場(chǎng)景，已經(jīng)在江蘇省、深圳等地試點(diǎn)應(yīng)用。江蘇省相關(guān)規(guī)范中明確要求智能網(wǎng)關(guān)作為邊設(shè)備，負(fù)責(zé)對(duì)配電房?jī)?nèi)各功能子模塊進(jìn)行信息存儲(chǔ)、信息處理及分析，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議傳輸至遠(yuǎn)方監(jiān)控平臺(tái)，同時(shí)配置智能聯(lián)動(dòng)功能。南網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)與典型造價(jià)智能配電房部分，明確環(huán)境監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控和安防監(jiān)控功能配置，完成傳感器數(shù)據(jù)匯集、處理、遠(yuǎn)傳功能及站內(nèi)設(shè)備的智能聯(lián)動(dòng)等功能。站內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)與設(shè)備監(jiān)測(cè)等多以LoRa［12-14］無(wú)線通訊為主，輔以有線RS485方式。智能燈光采用硬結(jié)點(diǎn)方式，視頻與機(jī)器人采用100 M/1 000 M以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)關(guān)出站采用EPON光纖方式和4G無(wú)線方式遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)。

作為站內(nèi)整個(gè)輔控系統(tǒng)的集中采集與管理裝置，智能網(wǎng)關(guān)匯聚環(huán)境監(jiān)視、設(shè)備監(jiān)視、安防監(jiān)視、智能燈光、火災(zāi)監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)視及智能巡檢等業(yè)務(wù)，視頻業(yè)務(wù)送至可視化平臺(tái)，其他業(yè)務(wù)送至物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)。智能配電房系統(tǒng)配置見(jiàn)圖2。

圖2 智能配電房系統(tǒng)配置Fig.2 Intelligent distribution substation system configuration

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)充分考慮軟硬件融合的統(tǒng)一設(shè)計(jì)技術(shù)方案。硬件設(shè)計(jì)上，應(yīng)充分考慮自主可控的設(shè)計(jì)框架，處理器優(yōu)先考慮國(guó)產(chǎn)芯片，無(wú)線模組應(yīng)符合國(guó)網(wǎng)輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。軟件設(shè)計(jì)采用將系統(tǒng)分解為多個(gè)子系統(tǒng)的技術(shù)方案，各子系統(tǒng)既能作為獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行，又能相互交互協(xié)作。在軟硬件協(xié)作方案基礎(chǔ)上，軟件可根據(jù)硬件作適配性裁減以提升系統(tǒng)整體性能。

2.1 硬件設(shè)計(jì)原則

硬件設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮國(guó)產(chǎn)化需求，主要芯片應(yīng)選取國(guó)產(chǎn)自主設(shè)計(jì)。處理器應(yīng)具備高集成度，具備CPU/NPU/VPU/GPU等多個(gè)處理模塊。通訊接口應(yīng)考慮LoRa、RS232/485，以太網(wǎng)口和4G無(wú)線等需求。支持加密功能，支持安全智能TF卡認(rèn)證、加密芯片硬加密、消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT［15-17］））軟加密等功能，滿足互聯(lián)網(wǎng)部統(tǒng)一安防的要求。電源設(shè)計(jì)要考慮主備冗余設(shè)計(jì)，防止一路電源掉電后引起設(shè)備停機(jī)。硬件設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下指標(biāo)：

1）芯片：采用國(guó)產(chǎn)化芯片。支持至少8 G內(nèi)存，128 G SATA接口，具備視頻硬解碼和AI識(shí)別功能，具備寬溫特性。

2）無(wú)線：支持LoRa無(wú)線通訊。支持470 MHz和2.4 GHz兩種工作頻段，支持輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通訊和組網(wǎng)協(xié)議等。

3）加密：采用軟硬件加密相結(jié)合的方式。支持安全智能TF卡、加密芯片和MQTT加密等，滿足互聯(lián)網(wǎng)部統(tǒng)一的安防要求。

4）外設(shè)：支持鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器等。

5）面板：支持電源、運(yùn)行、故障、通信指示燈等。6）電源：采用雙電源設(shè)計(jì)。支持AC/DC 110/220 V，DC24 V/48 V。

2.2 軟件設(shè)計(jì)原則

軟件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮數(shù)據(jù)匯聚和業(yè)務(wù)處理兩大功能。數(shù)據(jù)匯聚包括傳感器數(shù)據(jù)接入、攝像頭視頻接入以及設(shè)備控制等功能，業(yè)務(wù)處理包括智能聯(lián)動(dòng)、智能運(yùn)維、圖像識(shí)別［18-20］等功能。通過(guò)數(shù)據(jù)匯聚和業(yè)務(wù)處理共同完成智能網(wǎng)關(guān)的業(yè)務(wù)功能。軟件設(shè)計(jì)考慮以下功能：

1）通信匯聚：支持動(dòng)環(huán)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、消防及安防等子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入，就地分析并轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)方主站系統(tǒng)。

2）智能聯(lián)動(dòng)：支持溫濕度、環(huán)境氣體等與空調(diào)風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)；支持煙霧火災(zāi)與門禁聯(lián)動(dòng)；支持安防與燈光、視頻聯(lián)動(dòng)等場(chǎng)景。

3）智能運(yùn)維：支持安全帽、絕緣鞋穿戴檢測(cè)；支持人員倒地識(shí)別；支持小動(dòng)物（異物）入侵檢測(cè)；支持外來(lái)人員入侵檢測(cè)等運(yùn)維場(chǎng)景。

4）智能識(shí)別：支持屏體壓板狀態(tài)識(shí)別；支持屏體指示燈識(shí)別；支持紅外溫度普測(cè)；支持設(shè)備溫度精測(cè)；支持設(shè)備外觀及狀態(tài)監(jiān)測(cè)；支持儀表讀數(shù)識(shí)別；支持開(kāi)關(guān)分合狀態(tài)識(shí)別；支持設(shè)備運(yùn)行聲音監(jiān)測(cè)；支持設(shè)備局部放電檢測(cè)等場(chǎng)景。

2.3 軟件實(shí)現(xiàn)

智能網(wǎng)關(guān)從業(yè)務(wù)功能映射到軟件架構(gòu)上，總體劃分為通信子系統(tǒng)、視頻子系統(tǒng)、web子系統(tǒng)和其他子系統(tǒng)等。通信子系統(tǒng)完成傳感器接入和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；視頻子系統(tǒng)完成視頻接入、圖像識(shí)別；web子系統(tǒng)僅完成就地展示及控制，信息不出站，端口綁定在本地loop ip（127.0.0.1），外部網(wǎng)絡(luò)無(wú)法訪問(wèn)。另外web系統(tǒng)采用了Https的安全加密措施，通過(guò)傳輸加密和身份認(rèn)證保證傳輸過(guò)程的安全性；APP子系統(tǒng)完成MQTT數(shù)據(jù)中心搭建，支撐APP遠(yuǎn)程運(yùn)維；開(kāi)入開(kāi)出子系統(tǒng)完成開(kāi)入開(kāi)出功能；面板燈子系統(tǒng)完成LED燈的顯示。軟件系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 智能網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)Fig.3 Intelligent gateway software architecture

為了保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)防護(hù)的相關(guān)規(guī)定，出站有線網(wǎng)絡(luò)架設(shè)了防火墻和縱向加密裝置，無(wú)線部分采用硬件加密與軟件加密相結(jié)合的方式。除了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上加以防護(hù)，網(wǎng)關(guān)本體采用加密和身份認(rèn)證與外部交互，關(guān)閉諸如ftp/telnet等不安全端口，增加協(xié)議棧健壯性，防護(hù)了DOS攻擊、FUZZ攻擊、重放攻擊等網(wǎng)絡(luò)攻擊。

軟件架構(gòu)按照通信子系統(tǒng)、視頻子系統(tǒng)、web子系統(tǒng)、開(kāi)入開(kāi)出子系統(tǒng)和面板燈子系統(tǒng)等分解如表1所示。

表1 軟件子系統(tǒng)分解Table 1 Software subsystem decomposition

2.3.1 通訊子系統(tǒng)

采用實(shí)時(shí)庫(kù)、歷史庫(kù)和規(guī)約插件庫(kù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。實(shí)時(shí)庫(kù)負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、歷史庫(kù)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的歷史存儲(chǔ)和檢索，規(guī)約插件負(fù)責(zé)向下傳感器數(shù)據(jù)的接入和向上主站的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作。北向通道負(fù)責(zé)與主站物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)通信，南向通道負(fù)責(zé)接入各類傳感器等信息。

北向通道：與物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)通訊，采用MQTT通訊協(xié)議。MQTT采用發(fā)布/訂閱機(jī)制進(jìn)行信息交互，該機(jī)制能夠提供一對(duì)多消息分發(fā)。在信息交互過(guò)程中，MQTT將參與主體劃分為發(fā)布者、代理和訂閱者。其中，消息的發(fā)布者和訂閱者都是客戶端，消息的代理是服務(wù)器端。整個(gè)交互機(jī)制如圖4所示。

圖4 智能網(wǎng)關(guān)發(fā)布訂閱機(jī)制Fig.4 Intelligent gateway publish subscribe mechanism

南向通道：負(fù)責(zé)與傳感器通信，采用RS232/RS485及LoRa等方式。無(wú)線通信協(xié)議符合國(guó)網(wǎng)公司的輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)微功率無(wú)線網(wǎng)通信協(xié)議。智能網(wǎng)關(guān)收集到傳感器信息后，通過(guò)MQTT發(fā)布給物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)。

2.3.2 視頻子系統(tǒng)

采用實(shí)時(shí)庫(kù)、歷史庫(kù)和前置庫(kù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。實(shí)時(shí)庫(kù)負(fù)責(zé)圖像識(shí)別結(jié)果的存儲(chǔ)，歷史庫(kù)負(fù)責(zé)圖像視頻的歷史存儲(chǔ)和檢索，前置庫(kù)負(fù)責(zé)各類攝像頭的協(xié)議接入工作。各個(gè)功能要點(diǎn)如下：

1）視頻實(shí)時(shí)庫(kù)：實(shí)現(xiàn)IPC、NVR配置、視頻識(shí)別結(jié)果等信息存儲(chǔ)，可進(jìn)行IPC控制命令轉(zhuǎn)發(fā)。

2）視頻歷史庫(kù)：實(shí)現(xiàn)圖像及視頻存儲(chǔ)等功能。

3）視頻前置庫(kù)：實(shí)現(xiàn)《GB/T 28181公共安全視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳輸、交換、控制技術(shù)要求》、ONVIF等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接入功能。

4）視頻轉(zhuǎn)發(fā)：實(shí)現(xiàn)《Q/GDW1517.1電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及接口》B接口的視頻轉(zhuǎn)發(fā)等業(yè)務(wù)。

5）圖像識(shí)別：根據(jù)聯(lián)動(dòng)點(diǎn)與IPC預(yù)置位等信息，自動(dòng)進(jìn)行圖像識(shí)別。

2.3.3 web子系統(tǒng)

主要由web服務(wù)器、fastCGI、前端框架、后端服務(wù)及轉(zhuǎn)碼服務(wù)構(gòu)成。lightHttpd支持web服務(wù)，fastCGI完成web服務(wù)器請(qǐng)求解析并轉(zhuǎn)發(fā)給后端服務(wù)進(jìn)程，后端服務(wù)進(jìn)程封裝應(yīng)用請(qǐng)求結(jié)果返回給fastCGI，進(jìn)一步通過(guò)lightHttpd轉(zhuǎn)發(fā)給web瀏覽器。各功能要點(diǎn)如下：

1）前端框架：采用web菜單固化方式，顯示配置菜單、實(shí)時(shí)量菜單、視頻菜單、歷史菜單及綜合展示菜單等。

2）web服務(wù)lightHttpd：采用開(kāi)源web架構(gòu)lightHttpd，輕量化配置，資源占用小。

3）FastCGI：實(shí)現(xiàn)與lightHttpd的信息交互，將web請(qǐng)求解析后轉(zhuǎn)發(fā)給后端服務(wù)，同時(shí)接收后端服務(wù)的JSON報(bào)文并封裝為http格式后轉(zhuǎn)發(fā)給lightHttpd。

4）后端服務(wù)：后端服務(wù)向通信實(shí)時(shí)庫(kù)注冊(cè)，讀取測(cè)點(diǎn)/事件等信息，控制攝像頭；后端服務(wù)向視頻實(shí)時(shí)庫(kù)注冊(cè)，讀取視頻流等。與FastCGI通過(guò)JSON格式交互。

2.3.4 APP子系統(tǒng)

考慮APP遠(yuǎn)程運(yùn)維需求，部署docker子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程部署和運(yùn)維。內(nèi)部通過(guò)內(nèi)嵌MQTT數(shù)據(jù)中心交互，外部通過(guò)主站MQTT數(shù)據(jù)中心交互。智能聯(lián)動(dòng)模塊可通過(guò)APP方式部署于容器內(nèi)部。

2.3.5 開(kāi)入開(kāi)出子系統(tǒng)

IO子系統(tǒng)完成開(kāi)入開(kāi)出管理需求，采用預(yù)配置方式固化開(kāi)入開(kāi)出參數(shù)。

2.3.6 面板燈子系統(tǒng)

負(fù)責(zé)面板LED狀態(tài)顯示，可用來(lái)顯示裝置運(yùn)行、LoRa通信、4G等通信狀態(tài)。

各子系統(tǒng)交互如下：

1）視頻子系統(tǒng)與通信子系統(tǒng)：通過(guò)“視頻交互進(jìn)程”交互，視頻子系統(tǒng)為監(jiān)視方向，通信子系統(tǒng)為控制方向。視頻子系統(tǒng)將識(shí)別結(jié)果、告警等信息轉(zhuǎn)化為通信子系統(tǒng)的“視頻虛裝置”入庫(kù)，通信子系統(tǒng)可向“視頻子系統(tǒng)”發(fā)起IPC控制命令。

2）web子系統(tǒng)與通信子系統(tǒng)：通過(guò)“后端服務(wù)”交互，“后端服務(wù)”解析web子系統(tǒng)的請(qǐng)求命令，轉(zhuǎn)發(fā)給通信子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)庫(kù)和歷史庫(kù)，通信子系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)封裝后返回給“后端服務(wù)”。

3）web子系統(tǒng)與視頻子系統(tǒng)：通過(guò)“轉(zhuǎn)碼服務(wù)”進(jìn)程交互，“轉(zhuǎn)碼服務(wù)”轉(zhuǎn)發(fā)web頁(yè)面視頻播放指令給視頻子系統(tǒng)，視頻子系統(tǒng)通過(guò)rtsp協(xié)議回復(fù)給“轉(zhuǎn)碼服務(wù)”，“轉(zhuǎn)碼服務(wù)”將rtsp轉(zhuǎn)碼為rtmp給web頁(yè)面。

4）其他：智能聯(lián)動(dòng)模塊通過(guò)通信實(shí)時(shí)庫(kù)完成數(shù)據(jù)讀取和聯(lián)動(dòng)控制，聯(lián)動(dòng)信息包括硬結(jié)點(diǎn)輸出、軟報(bào)文控制和IPC控制等。

3 工程驗(yàn)證

為了驗(yàn)證智能物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的研發(fā)思路，選取了湖北某地的智能配電房項(xiàng)目。該配電房項(xiàng)目建筑面積為60 m2，一次配置為10 kV線路兩進(jìn)四出，兩臺(tái)10 kV/400 V的配電變壓器，容量為630 kVA。為實(shí)現(xiàn)智能配電房的建設(shè)目標(biāo)，該配電房配置了動(dòng)環(huán)監(jiān)視及設(shè)備監(jiān)視等傳感器，配置了槍型和球型攝像機(jī)，還配置了智能門鎖、空調(diào)風(fēng)機(jī)等聯(lián)動(dòng)設(shè)備，整個(gè)配置清單如表2。智能網(wǎng)關(guān)匯聚動(dòng)環(huán)設(shè)備數(shù)據(jù)及視頻圖像信息后，除了本地進(jìn)行圖像識(shí)別和智能聯(lián)動(dòng)等高級(jí)應(yīng)用功能外，還分別上送到物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)和可視化平臺(tái)。該項(xiàng)目自投運(yùn)以來(lái)，為用戶提供了詳實(shí)的動(dòng)環(huán)和設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、視頻和圖像數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)配電房進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、圖像識(shí)別和智能聯(lián)動(dòng)等功能實(shí)施，使得運(yùn)行人員可以足不出戶全面掌握配電房的運(yùn)行工況，減少巡檢次數(shù)，降低維護(hù)成本，提高配電房的智能運(yùn)維水平。

表2 配電房配置清單Table 2 Distribution substation configuration list

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)配電房管理和運(yùn)維水平較為薄弱的問(wèn)題與不足，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了基于電力物聯(lián)網(wǎng)的智能物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的研制工作。智能網(wǎng)關(guān)利用了物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳輸技術(shù)，結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù)，形成集動(dòng)環(huán)監(jiān)測(cè)、設(shè)備監(jiān)測(cè)、視頻采集、圖像識(shí)別、APP部署等為一體的智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能讓運(yùn)維人員全景掌握配電房的運(yùn)行工況，減少巡檢次數(shù)，降低維護(hù)成本，深度挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，提高配電房的整體運(yùn)維水平。本文提及的智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)方案，不僅適用于配電房，還可廣泛應(yīng)用于輸變電、換流站，智能樓宇等系統(tǒng)，可以極大地提高系統(tǒng)的運(yùn)維管理水平。