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      綜合能源服務(wù)站用電管控云平臺設(shè)計與實現(xiàn)

      2023-02-13 02:45:18劉衛(wèi)東趙杰李勇敢梁凱徐大偉
      河南科技 2023年2期
      關(guān)鍵詞:機(jī)設(shè)備服務(wù)站用電

      劉衛(wèi)東 趙杰 李勇敢 梁凱 徐大偉

      (1.河南省知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)中心,河南 鄭州 450000;2.上海紅檀智能科技有限公司,上海 201306;3.河南省柔性配電物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心(零點創(chuàng)新科技有限公司),河南 鄭州 450000)

      0 引言

      綜合能源服務(wù)站是集加油、加氫、充換電、光伏發(fā)電、非油品等業(yè)務(wù)為一體的“碳中和”智能化綜合加能站。利用綜合能源服務(wù)站優(yōu)越的空間資源,經(jīng)過勘察設(shè)計、計算承重等關(guān)鍵參數(shù),在條件允許的綜合能源服務(wù)站,可在其罩棚頂部、站房屋頂、停車區(qū)等位置安裝光伏電池組件,從而實現(xiàn)分布式光伏發(fā)電。如果加油站白天的光伏發(fā)電量消耗不完,可通過儲能系統(tǒng)將其儲存起來,儲能系統(tǒng)可在用電高峰期釋放電能、用電低峰期吸收電能,從而實現(xiàn)削峰填谷,降低用電成本。隨著新能源汽車的保有量增大,新能源汽車充電難的問題也急需解決,在點多面廣的加油站停車區(qū)安裝快速充電樁無疑是一個非常好的選擇,也是傳統(tǒng)加油站增加營收的途徑。由此可見,綜合能源服務(wù)站用電管控相關(guān)平臺系統(tǒng)將發(fā)揮著越來越重要的作用。本研究主要研究該系統(tǒng)的一種設(shè)計與實現(xiàn)方式。

      1 整體設(shè)計

      綜合能源服務(wù)站用電管控云平臺設(shè)計的核心思路是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來解決數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存數(shù)、數(shù)據(jù)展示等問題。該系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

      圖1 平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖

      內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(Content Delivery Network,CDN)是通過將站點內(nèi)容發(fā)布到遍布全國的海量加速節(jié)點,從而使最終用戶可就近獲取所需的內(nèi)容資源,避免因網(wǎng)絡(luò)擁堵、跨運營商、跨地域等因素的影響,造成網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、訪問延遲高等問題,能有效提升靜態(tài)資源的下載速度、降低響應(yīng)時間,為用戶提供流暢的用戶體驗。

      全站加速網(wǎng)絡(luò)(Enterprise Content Delivery Network,ECDN)可提供穩(wěn)定高效的網(wǎng)絡(luò)加速服務(wù),適用于動靜混合、純動態(tài)、上傳等多種加速場景。ECDN融合了靜態(tài)緩存、智能路由、協(xié)議優(yōu)化、多路傳輸、抗抖動等技術(shù),其加速效果顯著。

      API服務(wù)器主要是基于uWSGI、Django REST Framework等開源項目開發(fā)的。uWSGI是一個用于構(gòu)建托管服務(wù)的軟件,其實現(xiàn)了http等協(xié)議,業(yè)務(wù)服務(wù)可基于uWSGi進(jìn)行開發(fā),幫助開發(fā)聚焦業(yè)務(wù)本身。uWSGI具有通用性強(qiáng)、性能高、資源利用率低和可靠性好等特點。Django REST Framework(DRF)是用于構(gòu)建Web API的、功能強(qiáng)大且靈活的工具包,其是一個基于Django的開源項目。DRF為快速構(gòu)建前后端分離的應(yīng)用架構(gòu)提供極大的方便[1]。業(yè)務(wù)邏輯主要是基于Python語言開發(fā)的,Python是一種解釋型、面向?qū)ο?、動態(tài)數(shù)據(jù)類型的高級程序設(shè)計語言。Python提供了高效的高級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和語法[2]。目前,Python已被廣泛應(yīng)用于大型項目的開發(fā)中,在Web應(yīng)用、人工智能等領(lǐng)域被廣泛使用。業(yè)務(wù)層面平臺實現(xiàn)的主要功能如圖2所示。

      圖2 業(yè)務(wù)功能框圖

      本研究設(shè)計的系統(tǒng)主要聚焦國內(nèi)市場。據(jù)估計,全國約有10萬座加油站[3],若將這些加油站全部改造成綜合能源服務(wù)站,則該系統(tǒng)要支持約10萬個站點。按每10 min輪訓(xùn)上送一次數(shù)據(jù)來計算,通信服務(wù)器要具備約167 fps的數(shù)據(jù)接收及解析能力。為了確保數(shù)據(jù)幀不丟失,同時考慮到未來的使用量擴(kuò)展,本研究設(shè)計的系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的解析采用Celery消息隊列。通信服務(wù)器與消息隊列服務(wù)器的有機(jī)配合,能有效保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。Celery是一個簡單、靈活、可靠的分布式系統(tǒng),可用于持續(xù)大量消息的處理場景,支持配置多個消息消費者,架構(gòu)層面為后續(xù)更大量消息的處理能力留下擴(kuò)展空間[4]。

      未來,數(shù)據(jù)將成為各行各業(yè)的核心資產(chǎn),為保障數(shù)據(jù)的可靠性,該系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫集群為核心存儲單元。

      2 關(guān)鍵技術(shù)

      2.1 通信協(xié)議

      本系統(tǒng)主要采用Modbus-RTU和MQTT兩種通信協(xié)議,底層采集設(shè)備通過多種方式將數(shù)據(jù)歸一化到本地Modbus轉(zhuǎn)MQTT網(wǎng)關(guān),數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)關(guān),并基于4G傳輸至通信服務(wù)器。

      2.1.1 Modbus-RTU協(xié)議。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端和網(wǎng)關(guān)間采用標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口,通信協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU協(xié)議[5]。Modbus-RTU通信協(xié)議采用異步半雙工通信模式,在一根通信線上采用主、從應(yīng)答方式進(jìn)行通信連接和數(shù)據(jù)交換。首先主機(jī)下發(fā)信息尋址到一臺唯一地址的從機(jī)設(shè)備,然后該設(shè)備發(fā)出應(yīng)答信號以相反的方向傳輸給主機(jī),從而實現(xiàn)主機(jī)和各個從機(jī)間的輪詢數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)傳輸采用16位CRC碼進(jìn)行校驗,數(shù)據(jù)幀格式見表1。

      表1 數(shù)據(jù)幀格式

      ①地址碼。地址碼主要用于標(biāo)識產(chǎn)品的通信地址,占據(jù)1 Byte空間,可設(shè)定為01H~F7H。當(dāng)主機(jī)下發(fā)廣播報文時的地址碼為00H,主機(jī)下發(fā)的廣播報文從機(jī)設(shè)備不作應(yīng)答。從機(jī)設(shè)備通信地址在同一條通信網(wǎng)絡(luò)線路上必須唯一,只有被主機(jī)尋址到的從機(jī)設(shè)備才會響應(yīng)主機(jī),并與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

      ②功能碼。主機(jī)通過功能碼告知被尋址的從機(jī)設(shè)備執(zhí)行何種操作,功能碼占據(jù)1 Byte空間。被尋址到的從機(jī)設(shè)備以相同的功能碼應(yīng)答主機(jī),如果功能碼、地址和數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤,則從機(jī)設(shè)備應(yīng)答相應(yīng)的錯誤報文。支持的功能碼詳見表2。

      表2 支持的功能碼

      ③數(shù)據(jù)碼。數(shù)據(jù)碼用于主機(jī)和從機(jī)設(shè)備的數(shù)據(jù)交換內(nèi)容,根據(jù)不同功能,其具有不同內(nèi)容和長度。

      ④校驗碼。采用16位CRC校驗碼,占據(jù)2 Byte空間,通信傳輸時先傳低字節(jié)后傳高字節(jié)。

      ⑤錯誤碼。當(dāng)功能碼、寄存器地址和數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤時,從機(jī)設(shè)備將應(yīng)答異常報文,異常報文將功能號最高位置1。如主機(jī)請求功能號為0X03,則從機(jī)設(shè)備返回的異常報文功能號為0X83。錯誤類型碼有以下3種,0X01(功能非法碼),主機(jī)指定的功能碼從機(jī)設(shè)備不支持;0X02(地址非法碼),主機(jī)指定的寄存器地址超出從機(jī)設(shè)備地址范圍;0X03(數(shù)據(jù)非法碼),主機(jī)設(shè)定的數(shù)據(jù)值超出從機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)范圍。

      2.1.2 MQTT協(xié)議。本研究設(shè)計的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)與通信服務(wù)器采用MQTT協(xié)議進(jìn)行通信。MQTT是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的一個標(biāo)準(zhǔn)消息傳遞協(xié)議,其被設(shè)計為一種極其輕量級的發(fā)布/訂閱消息傳輸,非常適合連接遠(yuǎn)程設(shè)備,只占用少量代碼和最小的網(wǎng)絡(luò)帶寬[6]。如今,MQTT協(xié)議被廣泛應(yīng)用于汽車、制造、電信、石油和天然氣等行業(yè)。MQTT協(xié)議提供多對多的消息訂閱發(fā)布通道,能很好解除實體間的耦合。MQTT協(xié)議的另一個特點是支持可選的3種消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)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,接收方確保只收到一次),從而為不同的應(yīng)用場景下權(quán)衡性能與資源提供極大的方便。

      本研究設(shè)計的系統(tǒng)采用MQTT協(xié)議來解決物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及云端服務(wù)間的通信連接問題。該方案能很好實現(xiàn)通信邏輯與業(yè)務(wù)邏輯的解耦,把復(fù)雜的通信鏈路建立、通信鏈路維護(hù)和通信資源回收等問題交給MQTT協(xié)議,應(yīng)用工程師只用聚焦業(yè)務(wù)邏輯本身即可。

      MQTT Broker負(fù)責(zé)接收Publisher的消息,并發(fā)送給相應(yīng)的Subscriber,是整個MQTT訂閱/發(fā)布的核心[7]?,F(xiàn)在很多云服務(wù)器提供商都提供MQTT服務(wù),如阿里云、騰訊云等。綜合考量各方面因素,該系統(tǒng)采用mosquitto來搭建MQTT Broker。

      2.2 數(shù)據(jù)庫集群

      本研究設(shè)計的平臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫集群如圖3所示。為了保證數(shù)據(jù)存儲的可靠性,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用“一主二只讀一災(zāi)備”的4數(shù)據(jù)庫實例存儲架構(gòu),兩臺只讀實例實時同步主實例數(shù)據(jù),在提升數(shù)據(jù)讀取速率的同時,還為系統(tǒng)提供了3冗余度的數(shù)據(jù)備份能力。此外,該系統(tǒng)還在另一地域部署了一個災(zāi)備實例,每天進(jìn)行一次增量備份,從而保證當(dāng)其他所有實例全部因遭受自然災(zāi)害等導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p壞時,數(shù)據(jù)最大損失仍控制在24 h內(nèi)。

      圖3 數(shù)據(jù)庫集群結(jié)構(gòu)圖

      3 軟件設(shè)計

      系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)模型如圖4所示,其核心是要支撐基于屬性映射的數(shù)據(jù)采集方式,各配點單元內(nèi)部的每個數(shù)據(jù)點都有一個唯一標(biāo)識作為數(shù)據(jù)點的索引[8],這樣能大大提升數(shù)據(jù)采集的靈活性。

      圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型

      當(dāng)要新增一個站點到平臺時,要完成創(chuàng)建基本信息、創(chuàng)建網(wǎng)關(guān)、創(chuàng)建映射表、創(chuàng)建能源節(jié)點樹、創(chuàng)建告警閾值、啟動站點等,具體如圖5所示。其中,能源節(jié)點樹可幫助最終用戶來配置其希望統(tǒng)計的耗能支路。

      圖5 站點創(chuàng)建流程圖

      在平臺成功新增一個站點后,就可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集,其主要流程如圖6所示。

      圖6 數(shù)據(jù)入庫流程圖

      4 結(jié)語

      根據(jù)綜合能源服務(wù)站用電管控的數(shù)據(jù)采集的需求,本研究設(shè)計了一種對綜合能源服務(wù)站用電情況進(jìn)行數(shù)據(jù)集采的應(yīng)用系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中,該系統(tǒng)能采集各用電回路的電壓、電流、電能示值、斷路器狀態(tài)等,同時可通過4G網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心,從而解決綜合能源服務(wù)站用電相關(guān)數(shù)據(jù)采集和實時上傳的問題。遵循該系統(tǒng)的設(shè)計方案,方便擴(kuò)展接入水表、氣表、熱表等感知設(shè)備,可支撐綜合能源服務(wù)站朝著全面感知和分級智能的方向發(fā)展。本研究設(shè)計的應(yīng)用系統(tǒng)所采集的各項數(shù)據(jù)為后續(xù)的安全、節(jié)能分析提供數(shù)據(jù)支撐,后續(xù)可基于這些數(shù)據(jù)來實現(xiàn)更多智能化應(yīng)用。

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