智能終端融合技術分析

于 泳，谷呈星，于振超，朱德良，吳國強，劉 冰，陳鳳娟，梁志娟

（中電裝備山東電子有限公司，濟南 250101）

自2015 年以來，我國加快了建設能源互聯網[1]的步伐。處于電力系統末端的配電網是能源互聯網的基石。隨著分布式能源的發展和電動汽車的普及，用戶和電網之間的聯系越來越密切。根據國家能源局的統計，2022 年4 月，我國可再生能源新增裝機為2 541 萬kW，其中，水電新增343 萬kW、風電新增790 萬kW、光伏發電新增1 321 萬kW、生物質發電新增87 萬kW。不穩定的新能源并網以及越來越多的智能化需求對低壓配電網的可靠性和適應性提出了更高的要求[2]。傳統的低壓配電網會給主站系統、通信系統和升級與維護帶來巨大的壓力。高度智能化、信息化的低壓配電網才能提升電網管理效率和電能利用效率[3]，才能適應快速變化的服務需求，解決傳統低壓配電網面臨的問題。

目前的低壓臺區為了保障安全、可靠及有序的供電，安裝了不同種類的終端，比如用電信息采集類、負荷監測類、用電保護類和配網精益運維類等[4]。在臺區內存在設備安裝凌亂、種類繁多和產品廠家繁雜的問題。而且，各類設備的硬件獨立、軟件固化。比如，采集類終端僅支持基本電量采集，未預留采集、通信接口，無法兼顧電容器投切控制、設備狀態監測等精益化管理需求。當有新的需求出現時需要安裝新的設備，這會給設備運維、設備管控和建設成本帶來巨大的壓力。精益管理水平不斷提高的低壓配電網會加快配電臺區智能化的建設，業務拓展性和靈活性差的模式已經不適合新需求爆發式增長的能源互聯網時代。此外，各地區的需求有差異化。拿低壓問題來講，東部地域的低電壓問題主要是用電高峰期的間斷性低電壓，中部地區的低電壓問題主要是電網建設進度落后于用電發展速度，西部地域相對落后，低壓問題比較嚴重。

為了解決上述問題，采用“硬件平臺化、功能軟件化、結構模塊化、軟硬件解耦和通信協議自適配”的設計思路設計的智能融合終端應運而生[5]，其最早源于2014 年國網營銷部的模組化終端預研項目，是低壓配電物聯網的關鍵設備，符合新一代配電物聯網“全面感知、廣泛互聯、邊緣計算、數據融合和智能應用”的思想[6]。

1 低壓臺區的架構及智能終端的優勢

數字化低壓配電臺區的架構如圖1 所示，數字化低壓配電臺區在配變側、低壓側、用戶側分別部署了各類低壓感知設備。其中，智能融合終端是低壓配電臺區的核心，是集狀態感知、數據采集、配變監測、邊緣物聯和本地化分析決策等功能于一體的智能化終端設備，是構建低壓配電物聯網的基礎。數字化低壓配電臺區既可以采集低壓電氣數據、電能數據等信息，也可以檢測配電變壓器、低壓分支箱等設備。智能終端對下可以通過HPLC 或RS485 的通信手段集抄電表信息。對上可以通過4G 或5G 的方式與主站進行交互，包括下發主站命令和主動向主站匯報。

圖1 低壓配電臺區的架構

智能融合終端強大的采集能力和邊緣計算能力可以打通“電力服務的最后一公里”，將智能臺區融合終端安裝在公變或專變臺區，可實現客戶側和配電側計量與感知設備的靈活接入，具有數據采集、智能費控、時鐘同步、精準計量、有序充電、用能管理、回路狀態巡檢、戶變關系識別和停電事件上報等功能。智能融合終端的靈活性和可擴展性對建設新型電力系統具有重要意義[7]。

與現有的終端相比，采用硬件模塊化，軟件容器化、結構模塊化和通信協議自適配思路設計的智能融合終端具有巨大優勢。在理解了用戶需求并做分析之后，將終端分解成多個獨立、通用的功能模塊。這種模塊化的設計有以下優點，第一，可擴展性強，升級方便。比如，將上下行通信的功能做在一個可更換的通信模組中，通過升級和更換通信模組的方式就能完成對通信需求的擴展，這有利于適應快速發展的通信技術。第二，靈活強。可以按各地區的實際需求安裝相應的模組，能解決部分地區存在的功能與需求不匹配的問題。此外，不同的模組組合可以形成不同功能的終端，能滿足市場對終端多樣化的需求。第三，安全性強，能實現業務隔離。采用了基于容器技術的，統一操作系統的軟件框架方案，能按照業務功能將軟件劃分為多個業務APP，通過容器技術將業務軟件與操作系統隔離，不僅可以實現配電業務APP 和用采業務APP 隔離，還可以提升系統的安全性。總之，智能融合終端是對于營銷和配電都兼容的新的終端設備，能夠根據不同實用場景安裝不同的APP，具有廣泛的市場應用前景。

2 硬件設計

在硬件設計上采用了分布式電源設計、嵌入式系統、大容量存儲和多信道兼容互換等先進的技術，智能融合終端的硬件結構如圖2 所示，由功能單元和對外接口2 部分組成。在功能單元部分，整體電源由AC/DC單元提供，共有2 部分。其中一部分直接給交采板計量單元供電，另一部分通過電源管理單元輸出5 V 及3.3 V 的電壓給核心板、AI 人工智能主板及模塊供電。AI 人工智能主板負責控制通信模塊、存儲模塊和擴展模塊等所有的模塊。包括點陣液晶、百兆以太網、ESAM、USBHUB、藍牙模塊、功能模組和USB 調試口等，其中遙信跟RS485 模塊采用隔離DC/DC 方案設計，主板與交采板之間通過串口進行通信。功能模組通過USB 總線安裝在智能臺區融合終端的本體上，用于擴展本體功能。可以拓展的模塊有遠程通信模塊（如4G/5G 通信模塊）、本地通信模塊（如HPLC 通信模塊、微功率無線通信模塊、RS485 通信模塊、M-Bus 通信模塊和CAN 通信模塊等）、控制模塊、遙信脈沖采集模塊和回路狀態巡檢模塊等。在對外接口部分，智能融合終端對外預留了豐富的接口，有RS485、RS232、以太網和藍牙等。在通信協議方面，智能臺區融合終端的遠程通信協議支持DL/T 634.5 101-2009、DL/T 634.5 104-2009 和Q/GDW 11778-2017 等；本地通信協議支持DL/T 698.44-2016、Q/GDW 11612-2018；智能臺區融合終端與電能表的數據通信協議支持DL/T 645-1997/2007、Q/GDW 11778-2017 以及其他進口表協議。

圖2 智能融合終端的硬件結構

3 軟件設計

終端軟件架構如圖3 所示，分操作系統層和應用層，操作系統層包括操作系統內核、硬件驅動框架、啟動程序、系統接口、硬件抽象層和系統組件，操作系統通過系統接口為APP 提供系統調用接口，通過硬件抽象層提供硬件設備訪問接口，系統組件與應用層通過數據交互總線通信，數據交互總線采用了容器間IP 化技術與消息隊列遙測傳輸（MQTT）協議，能實現跨容器的消息交互。應用層包括基礎APP和業務APP，不同APP 之間通過消息總線完成數據的交互。

圖3 終端軟件架構

APP 是運行在終端內部，符合邊緣計算架構、可快速開發、自由擴展、滿足配用電及新業務需求的軟件。在不同的容器中安裝功能不同的APP，可以夠保證某一功能的APP 運行故障時不會影響其他APP 的正常運行。APP 的分類架構如圖4 所示。

圖4 APP 的分類架構

這種架構避免了多APP 并發訪問帶來的沖突，同時可以對優先級進行管理。基礎APP 包括數據中心、本地通信管理等。基礎APP 通過消息總線以消息的方式為其他APP 提供服務。基礎APP 與主站系統之間不存在數據交換。采集業務類APP 與主站系統間存在數據交互，遵循一APP 對應一主站原則，不允許一個APP 連接到多個不同的主站。采集業務類APP 的實現方式可以是單一二進制文件（單一進程），或者多二進制文件（多進程），通過多進程協作模式完成某一特定場景業務功能。主站業務類APP 包括但不限于低壓集抄、車聯網云通信、電動汽車有序用電、企業能效管理、分布式能源管理和臺區智能監測等。分析業務類APP包括電能治理分析、物聯數據管理等，有邊緣計算的功能，可以將臺區數據按需分析、計算、整理后上送至配電自動化主站。分析業務類APP 通過數據中心對外提供服務，與主站系統間不存在數據交互。

終端的APP 使用消息總線框架如圖5 所示，有采集類APP、安全類APP、管理類APP 和通信類APP，APP 之間的交互全部通過消息總線進行，消息驅動支持IPC（Inter-Process Communication，進程間通信）、傳輸控制協議（TCP）、用戶數據報協議（UDP）和MQTT 協議等多種模式，可根據系統資源及運行環境靈活使用其中一種或多種，APP 只要符合消息驅動規范，就能接入系統。服務提供方定義消息接口，服務使用方根據定義的消息接口訪問相應的服務。一個APP 既可以是服務提供方，同時也可以是某些服務的使用方，同時具有 服務器與客戶機多重角色。

圖5 APP 使用消息總線框架

4 總結與展望

隨著能源互聯網的不斷發展，國家電網的智能化水平不斷提升，作為“電力服務最后一公里”的低壓配電網有提升精益化管理水平的需求。本文首先闡述了當前低壓配電網的現狀，指出了當前的低壓臺區存在的2 個問題，一是終端的種類繁多、設備廠家繁雜、安裝凌亂，缺乏統一的標準，不利于日后的維護和升級。二是當前臺區中的終端硬件獨立、軟件固化，擴展性和靈活性差。不符合新一代配電物聯網全狀態感知、數據融合和智能應用的發展方向，不能滿足需求爆發式增長的物聯網時代。然后，闡述了發展智能融合終端的必要性及優勢，是集狀態感知、數據采集、配變監測、邊緣物聯和本地化分析決策等功能于一體的智能化終端設備。其可擴展性強和靈活性好的優勢對于新型電力系統的建設具有重要意義。最后闡述了智能融合終端的軟硬件架構，模塊化的硬件設計解決了終端種類繁多以及需求存在地區差異化的問題，采用容器隔離的不同功能的技術保證了電網運行的可靠性。在未來，隨著智能融合終端的廣泛應用，臺區內可以實現收集負荷數據和智能調控客戶側的設備，比如充電樁、儲能、屋頂光伏等。可以通過云平臺的智能調控策略，實現電網供能能力與用戶用能需求的平衡，創建電動汽車有序充放電、用戶側需求管理的新業態、新模式。能引導用戶低谷用電、高峰放電（V2G），提高客戶側深度參與電網調節的能力，促進清潔能源消納，提升電網的運行效率和用戶的用電經濟性，助力國家綠色發展的目標。