基于電力物聯網的配電房智能網關研制

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維管理工作較為薄弱，配電房的設備故障和老化導致事故時有發生，比如局部放電導致電纜絕緣降低，水浸導致設備短路，老鼠啃咬導致絕緣破壞等。另外，低壓配電房運維人員較少，難以做到高頻度巡檢，加之缺乏遠程監視手段，導致運維效率較低［1］。很多情況下用戶投訴時，才能發現和處理故障，費時費力效率較低。因此亟需推進基于電力物聯網的配電房的規劃與建設，提高配電房的整體運維水平。

2019年國家電網有限公司（以下簡稱“國網公司”）“兩會”做出全面推進“三型兩網”建設，加快打造具有全球競爭力的世界一流能源互聯網企業的戰略部署［2-5］。國網公司制訂《配電物聯網建設方案》以開展配電物聯網頂層設計與關鍵技術研究，形成相關技術導則［6-8］。2020年在配電物聯網示范區建設和臺區智能終端建設的基礎上，在江蘇等地開展智能配電房的系統建設工作。總體規劃上按照云管邊端的建設思路，傳感器、攝像頭等構成端設備，物聯網關構成邊設備，EPON光纖、4G/5G無線和HPLC電力載波等構成管層，物聯網管理平臺等構成云端設備，系統架構見圖1。

圖1 智能配電房系統架構Fig.1 Intelligent distribution substation system architecture

從實際需求層面和政策層面，建設基于電力物聯網架構的智能配電房十分必要。智能網關作為智能配電房輔助系統的重要節點，向下匯聚環境數據、設備狀態、消防系統、安防系統以及視頻、智能巡檢等信息，借助虛擬化、數據中心及APP部署等技術，完成自動巡檢、智能管控、智能聯動及缺陷報警等邊緣計算［9-11］功能。向上通過標準協議傳輸給物聯網管理平臺和可視化平臺，實現配電站房的智能巡視、狀態評估、遠程監控、危險預警和異常告警等智能全面運維。

1 系統架構分析

配電房作為低壓集約型應用的典型場景，已經在江蘇省、深圳等地試點應用。江蘇省相關規范中明確要求智能網關作為邊設備，負責對配電房內各功能子模塊進行信息存儲、信息處理及分析，通過標準協議傳輸至遠方監控平臺，同時配置智能聯動功能。南網標準設計與典型造價智能配電房部分，明確環境監控、設備狀態監測、視頻監控和安防監控功能配置，完成傳感器數據匯集、處理、遠傳功能及站內設備的智能聯動等功能。站內環境監測與設備監測等多以LoRa［12-14］無線通訊為主，輔以有線RS485方式。智能燈光采用硬結點方式，視頻與機器人采用100 M/1 000 M以太網進行數據傳輸。網關出站采用EPON光纖方式和4G無線方式遠傳數據。

作為站內整個輔控系統的集中采集與管理裝置，智能網關匯聚環境監視、設備監視、安防監視、智能燈光、火災監測、視頻監視及智能巡檢等業務，視頻業務送至可視化平臺，其他業務送至物聯網管理平臺。智能配電房系統配置見圖2。

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

2 系統架構設計

系統架構應充分考慮軟硬件融合的統一設計技術方案。硬件設計上，應充分考慮自主可控的設計框架，處理器優先考慮國產芯片，無線模組應符合國網輸變電設備物聯網的相關標準。軟件設計采用將系統分解為多個子系統的技術方案，各子系統既能作為獨立系統運行，又能相互交互協作。在軟硬件協作方案基礎上，軟件可根據硬件作適配性裁減以提升系統整體性能。

2.1 硬件設計原則

硬件設計應充分考慮國產化需求，主要芯片應選取國產自主設計。處理器應具備高集成度，具備CPU/NPU/VPU/GPU等多個處理模塊。通訊接口應考慮LoRa、RS232/485，以太網口和4G無線等需求。支持加密功能，支持安全智能TF卡認證、加密芯片硬加密、消息隊列遙測傳輸協議（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT［15-17］））軟加密等功能，滿足互聯網部統一安防的要求。電源設計要考慮主備冗余設計，防止一路電源掉電后引起設備停機。硬件設計應滿足以下指標：

1）芯片：采用國產化芯片。支持至少8 G內存，128 G SATA接口，具備視頻硬解碼和AI識別功能，具備寬溫特性。

2）無線：支持LoRa無線通訊。支持470 MHz和2.4 GHz兩種工作頻段，支持輸變電設備物聯網無線通訊和組網協議等。

3）加密：采用軟硬件加密相結合的方式。支持安全智能TF卡、加密芯片和MQTT加密等，滿足互聯網部統一的安防要求。

4）外設：支持鼠標、鍵盤、顯示器等。

5）面板：支持電源、運行、故障、通信指示燈等。6）電源：采用雙電源設計。支持AC/DC 110/220 V，DC24 V/48 V。

2.2 軟件設計原則

軟件設計應考慮數據匯聚和業務處理兩大功能。數據匯聚包括傳感器數據接入、攝像頭視頻接入以及設備控制等功能，業務處理包括智能聯動、智能運維、圖像識別［18-20］等功能。通過數據匯聚和業務處理共同完成智能網關的業務功能。軟件設計考慮以下功能：

1）通信匯聚：支持動環數據、設備狀態、消防及安防等子系統的數據接入，就地分析并轉發至遠方主站系統。

2）智能聯動：支持溫濕度、環境氣體等與空調風機聯動；支持煙霧火災與門禁聯動；支持安防與燈光、視頻聯動等場景。

3）智能運維：支持安全帽、絕緣鞋穿戴檢測；支持人員倒地識別；支持小動物（異物）入侵檢測；支持外來人員入侵檢測等運維場景。

4）智能識別：支持屏體壓板狀態識別；支持屏體指示燈識別；支持紅外溫度普測；支持設備溫度精測；支持設備外觀及狀態監測；支持儀表讀數識別；支持開關分合狀態識別；支持設備運行聲音監測；支持設備局部放電檢測等場景。

2.3 軟件實現

智能網關從業務功能映射到軟件架構上，總體劃分為通信子系統、視頻子系統、web子系統和其他子系統等。通信子系統完成傳感器接入和數據轉發；視頻子系統完成視頻接入、圖像識別；web子系統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），外部網絡無法訪問。另外web系統采用了Https的安全加密措施，通過傳輸加密和身份認證保證傳輸過程的安全性；APP子系統完成MQTT數據中心搭建，支撐APP遠程運維；開入開出子系統完成開入開出功能；面板燈子系統完成LED燈的顯示。軟件系統架構見圖3。

圖3 智能網關軟件架構Fig.3 Intelligent gateway software architecture

為了保證網絡系統的安全性，根據網絡防護的相關規定，出站有線網絡架設了防火墻和縱向加密裝置，無線部分采用硬件加密與軟件加密相結合的方式。除了網絡系統上加以防護，網關本體采用加密和身份認證與外部交互，關閉諸如ftp/telnet等不安全端口，增加協議棧健壯性，防護了DOS攻擊、FUZZ攻擊、重放攻擊等網絡攻擊。

軟件架構按照通信子系統、視頻子系統、web子系統、開入開出子系統和面板燈子系統等分解如表1所示。

表1 軟件子系統分解Table 1 Software subsystem decomposition

2.3.1 通訊子系統

采用實時庫、歷史庫和規約插件庫的系統設計思路。實時庫負責傳感器數據的實時采集、歷史庫負責數據的歷史存儲和檢索，規約插件負責向下傳感器數據的接入和向上主站的數據轉發工作。北向通道負責與主站物聯網管理平臺通信，南向通道負責接入各類傳感器等信息。

北向通道：與物聯網管理平臺通訊，采用MQTT通訊協議。MQTT采用發布/訂閱機制進行信息交互，該機制能夠提供一對多消息分發。在信息交互過程中，MQTT將參與主體劃分為發布者、代理和訂閱者。其中，消息的發布者和訂閱者都是客戶端，消息的代理是服務器端。整個交互機制如圖4所示。

圖4 智能網關發布訂閱機制Fig.4 Intelligent gateway publish subscribe mechanism

南向通道：負責與傳感器通信，采用RS232/RS485及LoRa等方式。無線通信協議符合國網公司的輸變電設備物聯網微功率無線網通信協議。智能網關收集到傳感器信息后，通過MQTT發布給物聯網管理平臺。

2.3.2 視頻子系統

采用實時庫、歷史庫和前置庫的系統設計思路。實時庫負責圖像識別結果的存儲，歷史庫負責圖像視頻的歷史存儲和檢索，前置庫負責各類攝像頭的協議接入工作。各個功能要點如下：

1）視頻實時庫：實現IPC、NVR配置、視頻識別結果等信息存儲，可進行IPC控制命令轉發。

2）視頻歷史庫：實現圖像及視頻存儲等功能。

3）視頻前置庫：實現《GB/T 28181公共安全視頻監控聯網系統信息傳輸、交換、控制技術要求》、ONVIF等標準協議接入功能。

4）視頻轉發：實現《Q/GDW1517.1電網視頻監控系統及接口》B接口的視頻轉發等業務。

5）圖像識別：根據聯動點與IPC預置位等信息，自動進行圖像識別。

2.3.3 web子系統

主要由web服務器、fastCGI、前端框架、后端服務及轉碼服務構成。lightHttpd支持web服務，fastCGI完成web服務器請求解析并轉發給后端服務進程，后端服務進程封裝應用請求結果返回給fastCGI，進一步通過lightHttpd轉發給web瀏覽器。各功能要點如下：

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

2）web服務lightHttpd：采用開源web架構lightHttpd，輕量化配置，資源占用小。

3）FastCGI：實現與lightHttpd的信息交互，將web請求解析后轉發給后端服務，同時接收后端服務的JSON報文并封裝為http格式后轉發給lightHttpd。

4）后端服務：后端服務向通信實時庫注冊，讀取測點/事件等信息，控制攝像頭；后端服務向視頻實時庫注冊，讀取視頻流等。與FastCGI通過JSON格式交互。

2.3.4 APP子系統

考慮APP遠程運維需求，部署docker子系統，實現遠程部署和運維。內部通過內嵌MQTT數據中心交互，外部通過主站MQTT數據中心交互。智能聯動模塊可通過APP方式部署于容器內部。

2.3.5 開入開出子系統

IO子系統完成開入開出管理需求，采用預配置方式固化開入開出參數。

2.3.6 面板燈子系統

負責面板LED狀態顯示，可用來顯示裝置運行、LoRa通信、4G等通信狀態。

各子系統交互如下：

1）視頻子系統與通信子系統：通過“視頻交互進程”交互，視頻子系統為監視方向，通信子系統為控制方向。視頻子系統將識別結果、告警等信息轉化為通信子系統的“視頻虛裝置”入庫，通信子系統可向“視頻子系統”發起IPC控制命令。

2）web子系統與通信子系統：通過“后端服務”交互，“后端服務”解析web子系統的請求命令，轉發給通信子系統的實時庫和歷史庫，通信子系統完成數據封裝后返回給“后端服務”。

3）web子系統與視頻子系統：通過“轉碼服務”進程交互，“轉碼服務”轉發web頁面視頻播放指令給視頻子系統，視頻子系統通過rtsp協議回復給“轉碼服務”，“轉碼服務”將rtsp轉碼為rtmp給web頁面。

4）其他：智能聯動模塊通過通信實時庫完成數據讀取和聯動控制，聯動信息包括硬結點輸出、軟報文控制和IPC控制等。

3 工程驗證

為了驗證智能物聯網關的研發思路，選取了湖北某地的智能配電房項目。該配電房項目建筑面積為60 m2，一次配置為10 kV線路兩進四出，兩臺10 kV/400 V的配電變壓器，容量為630 kVA。為實現智能配電房的建設目標，該配電房配置了動環監視及設備監視等傳感器，配置了槍型和球型攝像機，還配置了智能門鎖、空調風機等聯動設備，整個配置清單如表2。智能網關匯聚動環設備數據及視頻圖像信息后，除了本地進行圖像識別和智能聯動等高級應用功能外，還分別上送到物聯網管理平臺和可視化平臺。該項目自投運以來，為用戶提供了詳實的動環和設備監測數據、視頻和圖像數據。通過對配電房進行數據監測、圖像識別和智能聯動等功能實施，使得運行人員可以足不出戶全面掌握配電房的運行工況，減少巡檢次數，降低維護成本，提高配電房的智能運維水平。

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

4 結束語

本文針對傳統配電房管理和運維水平較為薄弱的問題與不足，設計并進行了基于電力物聯網的智能物聯網關的研制工作。智能網關利用了物聯網的無線傳輸技術，結合圖像識別技術，形成集動環監測、設備監測、視頻采集、圖像識別、APP部署等為一體的智能網關系統。該系統能讓運維人員全景掌握配電房的運行工況，減少巡檢次數，降低維護成本，深度挖掘數據價值，提高配電房的整體運維水平。本文提及的智能網關技術方案，不僅適用于配電房，還可廣泛應用于輸變電、換流站，智能樓宇等系統，可以極大地提高系統的運維管理水平。