科学与信息化杂志社
主办单位:天津科学技术出版社有限公司 投稿邮箱: kxyxxh@126.com
期刊信息
主管单位:天津出版传媒集团有限公司
主办单位:天津科学技术出版社有限公司
出版周期:旬刊
编辑出版:科学与信息化杂志社
国内刊号:CN 12-1451/N
国际刊号:ISSN 2096-2908
邮发代号:6-96
开本:16开
语种:中文
投稿邮箱: kxyxxh@126.com
在线编辑QQ: 123456
联系我们

地址 : 天津市和平区西康路35号《科学与信息化》杂志社

投稿邮箱 : kxyxxh@126.com

编辑部QQ: 123456

官方网站: www.kxyxxh.com

论文展示
您所在的位置:首页 > 论文展示 > 基于泛在电力物联网的智慧物联体系研究

基于泛在电力物联网的智慧物联体系研究

阅读数:78   发布时间:2020/10/21

孔震

通过对国家电网公司主配网通道、设备和客户侧的状态感知现状及问题的分析,以及对消费侧物联网与工业级物联网的特征比较,阐述基于泛在电力物联网的智慧物联体系的构建思路,提出重点加强业务边缘计算能力的观点,具体描述符合泛在电力物联网建設要求的工业级智慧物联网多层体系架构,对其中物联管理平台、边缘物联代理等关键技术进行研究,重点分析基于物模型的设备管理、数据处理、连接管理、应用管理、边缘计算框架等功能,为泛在电力物联网的智慧物联体系建设提供依据。

一、引言

国家电网公司(以下简称国网公司)提出的泛在电力物联网建设工作,旨在以互联网思维,优化传统的信息通信及安全架构,以“云大物移智链”等新技术为传统电网赋能,提高电网的感知能力和互动能力,进而提升电网运行质效、客户服务质量和社会综合能效,构建广泛互联、开放共享的能源互联网生态圈。

面对电网传统业务及智慧能源等新兴业务,电网设备及客户侧感知、采集和监控等需求日益增强,国网公司亟需构建一套标准化、互动化、智能化的物联管理体系,以能实时感知各类设备及客户侧的海量运行信息,并对传感设备进行统一接入管理,实现智慧物联、深度感知、友好互动的建设目标。

二、现状分析

国网公司经过十多年的自动化及信息化系统建设,物联网应用已具有一定基础,状态感知的范围主要包括设备电流、电压、功率等电气状态,设备故障、形变、放电、温度等设备本体状态,设备运行场所温湿度、烟感等环境状态。在输变电侧,通过远程终端设备(Remote Terminal Unit,RTU)采集变压器等主网设备运行状态和电气状态,接入调度自动化系统,设备及线路的环境状态感知较弱。在中压配网侧,通过配电自动化馈线终端装置(Feeder Terminal Unit,FTU)和开闭所及环网柜的终端设备(Data Transfer Unit,DTU)采集中压配网设备的负荷、电压、功率和开关位置等遥测数据接入配电自动化系统,但受限于当前配电网量测装置覆盖率低,设备及线路的环境状态感知较弱。在低压配网侧,通过智能配变终端(Distribution Transformer Supervisory Terminal Unit,TTU)采集配电变压器等低压配电设备的运行数据,相关设备规模庞大但标准化程度低。在低压台区侧,通过电表和用采集中器定时采集或召测用电关口数据接入用电信息采集系统。

与泛在电力物联网“全息感知、泛在连接、开放共享、融合创新”的提升目标相比,国网公司现有的设备及客户侧感知能力仍显不足。一是公司现有感知系统由专业主导建设,以满足专业应用为主,各专业形成横向条块化、纵向垂直化的独立体系,传感设备重复部署,难以实现一次采集、共享共用。二是在配用电等环节,状态感知设备覆盖面不广,设备状态及客户侧用能信息感知不全且不及时。三是在互联网侧缺少感知来源,网络部署结构无法支撑综合能源服务、数据运营等新业态发展。四是现有感知体系未按标准化建设,难以集中统一管控,无法敏捷响应应用需求,需要大量现场运维工作。基于上述原因,国网公司亟需构建企业级的泛在电力物联网智慧物联体系。

三、总体思路

物联网被IT业界认为是互联网发展的“下半场”,率先在消费侧通过先进的信息通信技术,接入个人或家庭的健康手环、智能盒子等海量终端,实现对健康数据、消费数据等非实时感知数据的分布采集和集中处理,推动了消费侧商业模式升级。支撑消费侧物联网应用场景的物联体系架构通常采用弱边缘智能计算、强集中智能处理的设计思路,即强化云平台能力、降低边端复杂度,以能够进一步降低消费侧感知设备的成本,最大程度拓宽感知范围。以制造业为典型的工业级物联网应用场景,实现了对设备本体的实时感知和就地控制,对设备本体感知设备的智能计算要求较高,其物联体系架构通常采用强终端智能计算的设计思路。

在电网系统,从变电站到客户侧,状态感知的地域范围逐步缩小、设备量级逐步增大,且需满足工业级逐级控制的应用场景要求,对区域边缘、设备及客户侧等感知末端的接入种类、计算能力、安全性和智能化要求较高,而消费侧物联体系架构在边缘和终端层面的相关能力尚有不足,传统工业级物联体系架构在边缘层面的相关能力也不充分。故而,满足泛在电力物联网建设要求的智慧物联体系需重点加强物联边缘和终端的能力,在中心化的物联平台层面要支持多类型边缘和终端的上行接入和下行控制,且边缘和终端之间也需具备智能互动能力,进而支持区域自治等应用场景。

四、体系架构

结合泛在电力物联网建设要求,借鉴业界成熟物联网体系架构,泛在电力物联网的智慧物联体系采用“边端分离、边管共用”的多层体系架构,参见图1。在“端”侧,即感知层,支持DTU、FTU、TTU、智能电表、采集器、充电桩、摄像头、机器人等传统设备,以及未来智能家居、办公楼宇、工业园区等客户侧新型感知设备的接入。在“边”侧,即边缘物联代理,支持区域内不同类型感知设备的统一接入和管理,并可实现基于边缘物联代理装置的就地计算和区域自治,避免因海量数据上传云端加工处理而产生的带宽浪费和响应延时等问题。感知终端通过短距离无线通信手段与边缘物联代理进行交互,也可通过无线公网或无线专网直接接入物联管理平台。在“管”侧,即物联管理平台,实现对感知设备及边缘物联代理的统一管理,并对接入数据按标准规约转换后,转发至“云”端的业务中台/数据中台,为业务分析和管控类企业级应用提供基础支撑。

此架构的目标是,末端感知设备只采集基本电气或状态量,不做复杂计算,通过在一个基本单元区域,如一个用电台区范围内,部署一套边缘物联代理装置,统一汇集和处理配网和营销等各专业末端采集信息并传送至省级统一部署的物联管理平台,即通过感知终端与边缘物联代理的“边端分离”,实现同区域范围、不同专业间的“边管共用”,避免感知设备因功能复杂导致成本偏高、因重复部署导致同类数据多次采集等问题。

五、关键技术

(一)物联管理平台

物联管理平台通常在每省电力公司的云端部署一套,主要包括设备管理、数据处理、连接管理、应用管理等功能模块,实现对所辖范围内各类“边“和”端”的智能设备的统一管理和状态采集。

设备管理包括设备模型、设备注册、设备影子、设备拓扑、实时监控、远程运维等模块。其中,设备模型是设备管理和数据处理的基础,借鉴信息物理融合系统(Cyber-Physics System,CPS)理念,采用物模型(Thing Specification Language,简称TSL)设计思路,即将物理空间中的实体模型化、数字化,从属性(遥测)、事件(遥信)、服务(遥控)三个维度进行模型定义及管理。属性定义终端的静态参数,如终端类型、终端ID等,以及量测量,如电压、电流、有功功率等;事件定义终端发生的动作,如过流事件、断相事件、磁场异常事件等;服务定义对终端的控制操作,如终端对时、数据召测等。物联管理平台对各专业终端物模型进行定义并下发到边缘物联代理,在边缘物联代理处,传感信息聚合至物模型,上传至物联管理平台进行校核和数据规约转换。设备影子通常是一段JSON格式的描述信息,用于存储设备的在线状态、设备最近一次上报的设备属性值、应用服务器期望下发的配置等。每个设备有且只有一个设备影子,设备可以获取和设置设备影子以此来同步设备属性值,该同步可以是影子同步给设备,也可以是设备同步给影子。

数据处理包括规则引擎、实时计算、流计算、数据缓存等模块,实现对各专业终端采集数据的解析处理,通过规则引擎对采集数据进行加工、清洗、转换和分发,通过缓存处理或就地计算等技术手段合理降低上行流量压力。

连接管理包括协议转换、安全认证、消息总线、负责均衡等模块,实现对各专业终端的身份认证和接入管理,可通过消息总线等方式上载终端状態数据或下发服务端的配置及控制信息,并支持各类通信通道的统一接入和管理,通常在终端侧包含用于安全认证的加密芯片

应用管理包括应用商店、应用注册、应用监控、应用升级等模块,实现对各专业APP应用上架、发布、升级、配置、调试、监控、下架的全生命周期管理,可通过远程批量升级等方式,实现APP按需快速部署或更新至边缘物联代理或其它智能终端设备。

(二)边缘物联代理

边缘按消费侧物联网架构通常分为个人边缘、业务边缘、云边缘三类,泛在电力物联网中的边缘物联代理类似业务边缘,通常部署在台区等区域,主要用于汇聚和处理区域内各类温湿度传感器、电气设备传感器、机器人感知的信息。

边缘物联代理包括操作系统、应用容器、模型管理、接入管理、内存库、通信模组、边缘计算框架[等功能模块。其中,操作系统可基于centOS等定制研发,实现系统监测、安全认证和接入、安全升级、实时调度、可信度量等功能。应用容器实现应用空间及权限隔离,以支持不同专业APP的独立部署和运行。模型管理与物联管理平台的设备模型功能对应,实现物联管理平台设备模型的统一下发及对智能终端设备的管理。边缘计算框架是边缘物联代理内嵌APP的开发和运行环境,封装设备模型管理、子设备接入、消息总线、规则引擎、内存计算等基础功能服务,支撑边缘智能计算等应用。

六、展望

泛在电力物联网智慧物联体系后续建设工作的关键是制修订相关标准,实现各类电网侧和用户侧既有和新增智能感知终端的广泛接入和规范采集,通过物联管理平台实现海量终端的连接和数据接入,持续向配网的网格化和智能化方向探索,逐渐构建边缘智能计算能力,稳步实现以区域自治为核心的智慧台区建设,形成用户分钟级用能数据汇聚,支撑电网智慧运营及新业态拓展,形成跨专业数据共享共用的生态,充分发挥数据资产价值,为全社会效能提升贡献更大价值。

作者单位:南瑞集团有限公司


编辑整理:科学与信息化杂志社编辑部
科学与信息化官方网站:http://www.kxyxxh.com/


Copyright© 2019 科学与信息化杂志社:www.kxyxxh.com    版权所有

杂志社地址:天津市和平区西康路35号《科学与信息化》杂志社

科学与信息化在线编辑QQ:123456    科学与信息化投稿邮箱: kxyxxh@126.com

    备案号: 津ICP备13037728号 网站地图

国家网信办举报中心
网络110报警服务
违法和不良信息举报中心
中国文明网
国家工信部
360安全网站