電力項目邊緣物聯代理一體化平臺的建設研究

李 騰 劉之奎 廖 軍 楊可軍 朱能富

（1、國網安徽省電力有限公司檢修分公司，安徽 合肥230000 2、安徽南瑞繼遠電網技術有限公司，安徽 合肥230088）

1 邊緣物聯代理概述

邊緣物聯代理基于軟件定義終端和容器技術，通過通信協議適配、統一數據模型、安全管控等技術手段完成對主設備在線監測、閥廳紅外測溫等系統數據的匯聚接入、邊緣處理以及轉發上送。

2 古泉換流站物聯網建設存在的問題

2.1 數據共享和資源復用不足

在數據匯聚方面，數據無法共享，導致各個系統“孤島”運行，無法協同工作。

2.2 感知能力未充分發揮，輔助手段不足

缺少運行設備全面監控、聯合巡檢等業務應用，無法充分激發現有設備感知能力，數據利用率較低，不能更好的支撐換流站內運維人員全面及時的掌握設備狀況。

2.3 不滿足泛在電力物聯網的建設要求

站內缺少邊緣物聯代理，不能實現站內數據的邊緣匯聚和邊緣處理，不足以支撐物聯管理平臺和企業中臺的物聯應用，也不滿足國網公司的智慧物聯體系要求。

3 邊緣物聯代理一體化平臺的建設

3.1 系統總體設計

3.1.1 技術架構設計

邊緣物聯代理一體化平臺包括邊緣物聯代理以及邊緣業務應用兩部分（如圖1）。通過邊緣物聯代理接入古泉換流示范站的各類感知終端，包括現有存量設備和系統以及新建設備和系統，涵蓋站內設備、環境和人員感知，實現站端的邊緣計算、區域自治。提供站內設備數據建模、邊緣智能服務交互接口等服務，在整合分析站內各類數據后上送信息至三維可視化系統、物聯管理平臺(預留接口)、智能運檢管控系統等。同時邊緣業務應用將提供設備智能聯動、全面監視、智能巡檢等智能輔助應用，全面提升特高壓古泉換流站的智能化水平。

圖1 邊緣物聯代理一體化平臺架構示意圖

3.1.2 集成方案設計

根據邊緣物聯代理一體化平臺的建設需求，邊緣物聯代理需要集成主設備在線監測系統、閥廳紅外測溫系統、蓄電池監測系統、輔助控制系統、接地極在線監測系統、聲紋監測系統、換流變紅外測溫系統、室內/室外機器人系統、PMS 系統等多個系統的數據。

3.1.3 部署架構設計

邊緣物聯代理與邊緣業務應用分開部署，通過restful 接口進行數據交互；邊緣物聯代理通過各種協議完成存量和新增在線監測裝置的數據接入。

3.2 網絡架構

古泉換流站泛在電力物聯網近場通信， 采用5G+LoRa+5.8GHz 技術寬窄帶混合組網方式擴展近場通信組網通道，與運營商合作建設5G 基站3 座，自建5.8G LTE 宏基站1座、微基站1 座，自建中興LoRa 基站2 座、補盲基站4 座，實現全站的5G、5.8G LTE 和LoRa 三種無線終端接入方式的全覆蓋。

（1）主設備在線監測、閥廳紅外在線監測等存量系統通過有線網絡方式接入匯聚節點，再接入到邊緣物聯代理一體化平臺。（2）新型的變壓器局放、GIS 局放、GIS 機械特性、開關柜測溫等主設備在線監測設備采用無線通信的方式接入到采集終端里，無線為Lora 或2.4GHz 無線網絡等，采集終端通過有線網絡方式與匯聚節點通信。（3）安防、微氣象、燈光、溫濕度監測等環境感知終端采用現場總線方式接入到現場環境單元，再通過有線網絡方式與匯聚節點進行通信。（4）高清攝像機和紅外攝像機設備采用有線網絡方式接入到視頻匯聚節點，再通過有線網絡方式接入到邊緣一體化平臺。（5）機器人，室外移動巡檢機器人和智能穿戴裝置采用Wifi 通過微型安全平臺裝置接入到機器人匯聚節點，室內機器人則采用有線網絡接入到機器人節點。（6）站內所有匯聚節點采用有線網絡方式接入到一體化平臺。

3.3 軟件架構

3.3.1 邊緣物聯代理

邊緣物聯代理基于微服務框架和容器技術，通過通信協議適配、統一數據模型技術手段，完成存量系統/終端和增量智能終端/傳感器的安全可信接入，解決智能終端和感知終端統一接入、數據共享、業務協同。

邊緣物聯代理架構共分為分為三層（如圖2）：設備接入層、核心服務層、支撐服務層，同時還有安全服務和系統服務作為支撐。

設備接入層是通過各種物聯協議和規約，實現各類設備和邊緣物聯代理的數據交互。

核心服務層作為邊緣物聯代理的核心，通過接收、處理、轉發設備數據，使用元數據管理，發現注冊設備等服務為整個邊緣物聯代理提供基礎服務。

支撐服務層提供邊緣物聯代理支撐服務，如日志、告警、規則引擎、流處理等，同時通過云邊協同服務作為北向API 的接入層，為應用、物聯管理平臺、智能運檢管控平臺提供API 接入服務。

圖2 邊緣物聯代理功能架構圖

3.3.2 邊緣業務應用

古泉邊緣物聯管理一體化平臺的邊緣業務應用架構分為接入層、數據層、平臺層和業務層。接入層負責接入邊緣物聯代理所集成的各類監測數據，數據層負責數據的存儲以及數據挖掘、分析識別等數據處理服務。平臺層提供告警、進程管理、聯動、權限、日志、報表等服務。業務層實現智能巡檢、運行監控、運維管理、可視化展示等應用。

3.4 微服務架構

微服務是一種新興的架構風格，一個大型復雜軟件應用由一個或多個微服務組成。系統中的各個微服務可被獨立部署，各個微服務之間是松耦合的。每個微服務僅關注于完成一件任務并很好地完成該任務。在所有情況下，每個任務代表著一個小的業務能力。就是把一個大型的單個應用程序和服務拆分為數十個的支持微服務。一個微服務的策略可以讓工作變得更為簡便，它可擴展單個組件而不是整個的應用程序堆棧。

從而滿足服務等級協議。微服務架構強調的重點就是業務系統需要徹底的組件化和服務化，原有的單個業務系統會拆分為多個可以獨立開發，設計，運行和運維的小應用。這些小應用之間通過服務完成交互和集成。其核心特點如下：（1）通過服務實現組件化。開發者不再需要協調其它服務部署對本服務的影響。（2）按業務能力來劃分服務和開發團隊。開發者可以自由選擇開發技術，提供API 服務。（3）去中心化。數據的去中心化，進一步降低了微服務之間的耦合度，不同服務可以采用不同的數據庫技術（SQL、NoSQL 等）。在復雜的業務場景下，如果包含多個微服務，通常在客戶端或者中間層（網關.處理）。

邊緣物聯代理一體化平臺通過微服務技術將大型應用拆分成獨立部署的獨立應用。

3.5 Docker 容器

Docker 是一個跨平臺、可移植的容器解決方案，用于構建、發布和運行分布式應用的平臺。通過Docker，可在容器內部快速自動化地部署應用，并通過操作系統內核技術為容器提供資源隔離與安全保障。容器技術主要有以下幾個優點：（1）跨云平臺支持。越來越多的云平臺都支持容器，用戶無需擔心受到云平臺的捆綁，也讓應用多平臺混合部署成為可能。（2）環境標準化和版本控制。基于容器提供的環境一致性和標準化，可以使用版本控制工具對容器鏡像進行版本控制，還可以對整個應用運行環境實現版本控制，一旦出現故障可以快速回滾。相比以前的虛擬機鏡像，容器壓縮和備份速度更快，鏡像啟動也像啟動一個普通進程一樣快速。（3）高資源利用率與隔離。容器沒有管理程序的額外開銷，與底層共享操作系統，性能更加優良，系統負載更低，在同等條件下可以運行更多的應用實例，可以更充分地利用系統資源。同時，容器擁有很好的資源隔離與限制能力，可以精確地對應用分配CPU、內存等資源，保證了應用間不會相互影響。（4）容器跨平臺性與鏡像。容器有一整套標準化的配置方法，將應用及其依賴的運行環境打包成鏡像，真正實現了“構建一次、到處運行”的理念，大大提高了容器的跨平臺性。

邊緣物聯代理通過容器技術，提供應用間的基本運行環境和所需邊緣服務，保證應用運行環境的一致和互相之間的隔離。

3.6 安全管理

邊緣物聯代理具備可信計算、保護存儲數據機密性和完整性的功能。在安全方面主要分為兩個方面：邊緣服務安全調用、設備數據安全傳輸。

邊緣服務安全調用主要是在調用邊緣物聯代理接口時，對調用者進行認證。其主要流程有：授權管理、訪問授權、信息加密等功能。授權管理是指配置能夠訪問邊緣物聯代理服務接口的用戶以及驗證方式。訪問授權是指調用者調用邊緣物聯代理內部接口時，通過密碼或密鑰等參數獲取認證token，通過token訪問邊緣物聯代理服務接口。邊緣物聯代理在用戶訪問時校驗token 有效性。

設備數據安全傳輸通過對設備進行配置和管理，以及對設備物模型的設置和設備訪問的設置，控制接入數據的安全性。在數據上傳到邊緣物聯代理時能夠使用國密算法進行數據解密，保證傳輸數據的安全性。

3.7 數據上送

采用https 或者MQTT 協議建立數據上傳接口，上傳數據到智能運檢管控系統、三維可視化平臺。預留物聯管理平臺上送接口，支持后期接入國網統一物聯管理平臺，預留接口包括設備注冊請求、設備升級命令下發、設備升級狀態上報、請求更新配置、物模型下發命令、物模型命令響應、應用控制命令接收、應用狀態監測等。采用數據格式為JSON。

三維可視化平臺、智能運檢管控系統上傳數據為接入的各種監測數據。包括主設備在線監測數據、蓄電池監測數據、紅外測溫監測數據、接地極在線監測數據等。同時為智能運檢管控系統開發并部署前端展示和統計模塊。

3.8 高可靠安全防護體系

邊緣物聯代理一體化平臺采用安全操作系統，確保邊緣物聯代理的基礎操作系統及軟件具備可信計算、存儲數據機密性完整性保護。采用國密算法對關鍵數據進行加密傳輸和存儲。

4 結論

通過邊緣物聯代理一體化平臺的建設，實現了對古泉站端的設備信息采集、信息匯聚和信息共享，實現對站內在線監測、環境、視頻、機器人等設備運行的全景監控和信息感知，使運維人員能夠全面掌控設備運行狀態，及時處理設備故障，提升巡檢工作效率，最終實現特高壓古泉換流站信息全景交互，全面提升特高壓古泉換流站的智能化水平，減少人力成本，提高工作質量和效率，保障電網安全運行。