一種基于邊緣計算的電力網關設計與實現

梁甄勇，張超

（1.武漢郵電科學研究院，湖北武漢 430074；2.中國信息通信科技集團烽火通信有限公司，湖北武漢 430073）

隨著電力行業的發展和智能電網的建設，國家提出了“泛在電力物聯網”的概念[1]，如何高效地對電力終端設備(以下簡稱終端設備)進行管理是十分重要的。在電力物聯網中，設備的數量十分巨大，每一臺設備都有各自的通信、存儲和計算需求，不同于傳統云計算模型對設備和數據進行集中管理和處理，邊緣計算模型充分利用了更貼近用戶側的邊緣節點設備，這些節點同時具有傳輸、存儲和數據處理的功能，通過將云端功能下放來解決網絡延時、帶寬消耗等問題[2-5]。

該文提出一種基于邊緣計算用于電力系統的網關（以下簡稱網關），可作為連接電力系統中終端設備和云平臺的橋梁，通過容器虛擬化技術為電力應用提供運行環境，同時網關中設計有數據中心，實現將網絡功能、計算存儲功能和設備核心功能融合進網絡邊緣側，以降低云端的數據存儲和計算壓力。

1 網關總體設計

網關的總體設計包含硬件層、軟件層，如圖1 所示。硬件層由主控板、電源板、上下行通信板構成；軟件層中Linux 系統底層應用負責對硬件接口數據進行解析和處理、遠程通信等，邊緣物聯應用實現了數據存儲、終端設備管理等網關通用功能，電力行業的應用分別安裝在各自的容器內，通過應用APP 實現所需的功能。網關實現了終端設備與云平臺的連接，同時采集到的數據可存儲在本地數據存儲模塊，從而緩解云端的存儲壓力。

圖1 電力網關總體設計

2 網關硬件設計

網關硬件總體設計如圖2 所示，主控板作為整個系統的核心，負責外圍電路的控制，決定系統SPI總線的數據流向，接收來自交采模塊的電能質量運算結果和波形記錄，采集終端設備上報的信息，并對其進行存儲、分析和遠程傳輸，主控芯片GPIO 管腳連接可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)，為啟動采樣時提供負脈沖[6-7]。

圖2 電力網關硬件結構

電源板由降壓模塊和交采模塊組成。降壓模塊實現三相四線電壓380 V 轉12 V，電流1.5 A 直流輸出，當系統電源出現故障時，主控板可接受掉電檢測輸出的DyingGasp 信號，使用超級電容作為后備電源維持網關正常工作3 min[8]。采樣模塊負責對電網電能質量信息進行采集，三相電壓信號通過電壓和電流互感器變換后，信號調理電路將信號變換至適量范圍，A/D 采樣芯片以CPLD 提供的10 240 Hz 固定頻率的采樣時序對4 路輸入信號進行采樣，并將采樣結果轉發至CPLD[9]。

上行通信板搭載基于高通平臺的物聯網卡模塊實現4G 無線通信，網卡接口電路如圖3 所示，USIM_DET 為1.8 V 中斷管腳并支持USIM 卡檢測，USIM 卡插入前SIM_DET 懸空為高電平，插入后接地同時電平翻轉為低電平。各信號線上串聯不大于20 Ω的電阻，并配置防護二極管進行ESD 防護[10-11]。

圖3 物聯網卡接口電路

下行通信板搭載RS485、Modbus 接口電路實現網關與終端設備的通信。大多數電氣設備都具備的RS485 接口有通信速度高、傳輸距離遠、抗干擾能力強的特點，網關采用VP3082 芯片控制RS485 輸出電路，通過使用NPN 三極管的通斷來控制芯片的收發使能[12]。

3 網關軟件設計

電力網關的軟件系統以硬件平臺為基礎，基于嵌入式Linux 操作系統，為網關應用程序提供運行環境。作為邊緣計算節點，不同于傳統通信網關產品，網關中提供統一的容器環境，通過docker 虛擬化技術實現網關應用與硬件解耦，為電力業務應用提供運行環境，并完成與遠端容器/應用管理平臺的對接。

3.1 物聯協議轉換

在邊緣計算模型中，網關作為邊緣計算節點，通過Modbus 連接終端設備，安裝消息隊列遙測傳輸(Message Queuing Telemetry Transport，MQTT)代理作為內部消息總線，連接云平臺完成MQTT 消息的發布/訂閱，通過Modbus 與MQTT 信息轉換實現終端設備到云平臺的通信，同時網關應用間通過MQTT 進行通信[13]。在如圖4 所示的網關底層通信架構中，Modbus 數據幀包含設備唯一地址，網關通過該地址與終端設備進行通信，并查詢對應設備寄存器中的內容，從而獲取相應的數據。

圖4 電力網關底層通信架構

網關北向數據傳輸過程中為平衡傳輸的速度與穩定性，設計三種數據傳輸策略：

1）周期傳輸策略：在規定的時間間隔節點如5 s、10 s 時傳輸即時采樣的數據，實現對采樣數據的篩選，減少所需傳輸的數據量，適用于數據浮動變化較小的場景；

2）即時傳輸策略：當網關檢測到特定事件時，立即上傳采樣數據，實現重要數據的即時傳輸，與周期傳輸策略形成互補，防止遺漏波動較大的數據；

3）延時傳輸策略：當網絡通信鏈路中斷時，網關將待傳數據暫存到本地存儲模塊中，通信鏈路恢復后，數據主動上傳。

通過MQTT 消息的Topic 部分對不同傳輸策略的數據進行標記，如表1 所示。即時策略數據具有較高的重要性，采用QoS2 來確保消息到達且只到達一次，一般性的周期策略數據使用QoS0 降低網絡傳輸開銷，延時策略數據的QoS 則與其暫存前設定保持一致。

表1 數據類型對應的服務質量

為進一步降低周期和延時傳輸策略使用過程中占用的帶寬資源，網關使用LZO 算法對傳輸數據進行壓縮，針對即時傳輸策略中如事件順序記錄(SOE)等重要信息，使用AES 算法進行加密，利用AES 算法運算速度快、安全性高、資源消耗少的特性兼顧傳輸的安全性和通信效率[14]。

網關中數據報文采用二進制格式，存儲在MQTT消息的Payload中，由六部分組成，如圖5所示。

圖5 電力網關數據報文格式

數據區的類型域用于表示數據區部分的編碼方式，其值與對應編碼方式如表2 所示。

表2 數據區類型的定義

報文長度域用于記錄數據區長度，單位為字節。

網關編號域通過192 位的對象標識(OID) 編碼，作為網關在云平臺的全局唯一設備標識。

版本域用于記錄數據區的報文格式。

數據區由n條終端設備產生的數據組成，每條設備數據包含數據地址、數據值及時間戳三部分。其中，數據地址由設備全局唯一標識符(Globally Unique Identifier，GUID)及設備模型中的數據編址聯合組成。

校驗碼域使用CRC32 算法保證傳輸過程中消息體數據的完整性。

3.2 數據存儲模塊

不同于云端數據中心，邊緣計算中網關搭載獨立的數據存儲模塊，MQTT 代理的數據作為存儲模塊的輸入源，消息路由配置將網關采集的電力信息、終端設備和其他應用產生的數據存儲到數據庫中。網關應用只能通過MQTT 代理調用數據庫所提供的接口，對特定的數據進行存取操作。關系型數據庫SQLite3可對包括模型、設備、事件在內的各種特殊格式數據進行存儲，并能夠靈活地設計數據表的字段[15]。

終端設備產生的信息在網關中存儲時遵循以下原則：數據按設備分類存儲，依靠設備類型、設備地址、附加信息等來定義唯一設備。網關應用啟動時需要向數據中心注冊設備對應的物模型(Thing Specification Language，TSL)，設備名由設備物模型和GUID 組合而成，是數據中心中設備的唯一標識，也是網關應用訂閱/發布的信息對象及數據庫存儲的表名。

數據存儲訪問架構由三個主要部分組成，如圖6所示。

圖6 數據存儲訪問架構

1）消息處理模塊：接收總線消息、進行分類并將消息轉發至相應的接口模塊進行處理；

2）接口模塊：包括模型處理、設備交互處理、數據交互處理、參數交互處理等，用于分類處理不同的存儲需求；

3）權限及數據管理模塊：用于數據庫權限管理及數據管理。

3.3 docker虛擬化

邊緣計算中，為靈活配置邊緣節點功能，網關通過docker虛擬化技術構建電力行業應用的運行環境，不同的電力應用可安裝在容器內實現所需的功能，以適配各種電力協議需求[16]，且應用之間可通過MQTT實現通信，電力網關包含的應用類型如表3 所示。

表3 網關電力應用

網關容器管理流程如圖7 所示，容器管理模塊收到MQTT 消息后，處理Topic 對應的容器操作命令，如果容器不存在，返回錯誤碼，否則通過MQTT代理將消息發送給對應的容器內部管理進程執行容器命令，若需等待回復的消息，則等待管理進程返回對應消息，并進行回復。模塊進程內部定時循環檢測容器的運行狀態，在CPU、內存或者磁盤空間超過閾值的情況下，上報告警信息，并重啟該容器。

圖7 電力網關容器管理流程

4 實驗測試

電力網關實物如圖8 所示。

圖8 電力網關實物

云平臺通過網關管理終端設備，結果如圖9 所示，網關通過4G 無線網絡連接到云平臺，并上報終端設備規格、編碼、名稱、類型等信息，對電流、電壓等相關數據進行采集、處理和存儲。

圖9 終端設備管理

對網關數據存儲模塊讀寫性能進行批量載入測試，通過對存儲模塊進行設備物模型信息和終端設備信息的批量導入，分別選擇了SQLite3 單行事務，多行事務和prepare 模式的多行事務模式，測試結果如表4 所示，經計算三種模式下存儲模塊每秒執行的事務數量(Transaction Per Second，TPS)分別為60、8 568 和11 600，在實際使用中選擇prepare 模式可以滿足大多數電力物聯的使用需求。

表4 批量載入測試結果

將終端設備分別與網關和云平臺進行MQTT 通信，對如下場景進行模擬測試：在QoS 分別為0、1、2的情況下發送10 000 條消息，消息體大小為100 個字節，對比兩種通信方式的最大發送延時、平均發送延時，結果如表5 和表6 所示。

表5 MQTT消息最大發送時延

表6 MQTT消息平均發送時延

由表5 和表6 結果可知，隨著消息服務質量的提升，兩種通信方式的平均時延和最大時延都會增加，因為MQTT 協議針對不同的服務質量會采用不同的發送策略，質量越高，系統中報文交換的次數就越多，從而使系統的負載增大，進而導致時延增加。在同種QoS 下，終端設備與網關通信平均時延和最大時延均小于與云平臺通信，這得益于網關采用邊緣計算模型，更靠近終端設備，網絡傳輸消耗的時間更短。

5 結束語

隨著電力物聯技術的發展，電力終端設備的不斷增加，傳統的終端設備+云計算模型存在時延較大，占用較大網絡帶寬的問題。

文中設計了一種基于邊緣計算的電力網關方案，實現了網關對電力系統中終端設備的管理、數據的采集和處理，同時數據既可通過遠程通信上傳到云平臺，也可存儲在本地數據中心，從而減輕云平臺的壓力，降低網絡帶寬的消耗，通過虛擬化技術為電力物聯應用搭建穩定的運行環境。經測試，網關在電力系統中程序運行可靠、軟硬件結合良好、數據的存儲效率高。從現場運行情況看，網關滿足了電力系統的運行要求。