基于RK3358 的電力系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)

王坤陽

（佳源科技股份有限公司，江蘇 南京 210012）

0 引 言

現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離不開電力系統(tǒng)的加持。電力系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)機(jī)械、農(nóng)業(yè)排灌、農(nóng)作物脫粒等眾多領(lǐng)域具有廣泛的影響力。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電的價(jià)格明顯低于工商業(yè)用電的價(jià)格，一般工商業(yè)的電費(fèi)均價(jià)在0.600 0 元/kW·h 以上，而農(nóng)業(yè)方面1 ～10 kV 的電費(fèi)均價(jià)只有0.590 0 元/kW·h，10 kV 以上的電費(fèi)電價(jià)更是低于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)排灌和農(nóng)作物脫粒用電在1 ～10 kV 層面的電費(fèi)均價(jià)低至0.439 0 元/kW·h，其中的尖峰電價(jià)為0.602 0 元/kW·h，高峰電價(jià)為0.541 8 元/kW·h，低谷電價(jià)低到0.301 0 元/kW·h。電力系統(tǒng)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的電力支持，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的提升無疑是巨大的。

1 電力系統(tǒng)智能化對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的意義

1.1 有效應(yīng)對農(nóng)村勞動(dòng)力不足

受制于人口老齡化和農(nóng)村空心化，現(xiàn)階段在農(nóng)村生活的人口以高齡老人和留守兒童居多。這對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的勞動(dòng)力是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的勞動(dòng)力會(huì)越來越短缺。電力系統(tǒng)智能化則可以做到有效補(bǔ)位。

1.2 供電更加安全便捷

電力系統(tǒng)智能化可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者提供安全、穩(wěn)定、便捷的智能化電力服務(wù)。

1.3 助力農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化

電力系統(tǒng)智能化配合智慧農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、水肥一體化、植保無人機(jī)、大規(guī)模機(jī)械化生產(chǎn)、智能農(nóng)田排灌系統(tǒng)以及全自動(dòng)收割脫粒烘干機(jī)，可以有效提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，緩解農(nóng)業(yè)用工成本過高和人手不足的問題。

2 電力系統(tǒng)智能化的運(yùn)行框架

2.1 電力系統(tǒng)智能化與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的交互

電力系統(tǒng)智能化在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的運(yùn)行框架如圖1 所示，需要與各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備協(xié)同配合才能實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益。

圖1 電力系統(tǒng)智能化在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的運(yùn)行框架

2.2 電力系統(tǒng)智能化的客戶端數(shù)據(jù)交互

電力系統(tǒng)運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，如設(shè)備運(yùn)行狀況、電價(jià)方案以及線損模式等，因此智能化的電力系統(tǒng)必須保證穩(wěn)定運(yùn)行。電力系統(tǒng)智能化的客戶端交互運(yùn)行如圖2 所示，考慮后期數(shù)據(jù)量比較大，為保證其安全、穩(wěn)定，應(yīng)采用一主多從的方式進(jìn)行部署。當(dāng)一臺(tái)主機(jī)宕機(jī)后，備機(jī)能夠及時(shí)替換，保證電網(wǎng)服務(wù)能持續(xù)運(yùn)行。采用一主多從的模式具備以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，易于擴(kuò)展；二是支持海量數(shù)據(jù)讀寫；三是處理速度快；四是響應(yīng)速度快；五是支持高并發(fā)；六是支持多種語言進(jìn)行開發(fā)；七是支持多種數(shù)據(jù)類型。

圖2 電力系統(tǒng)智能化的客戶端交互運(yùn)行

2.3 電力系統(tǒng)智能化通信過程的主從交互

電力系統(tǒng)智能化通信過程的主從交互如圖3 所示。電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的海量信息需要存儲(chǔ)，智能化電力系統(tǒng)采用MySQL 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行關(guān)系型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。日常業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，可以為用戶交互提供可靠的數(shù)據(jù)保障，采用雙主機(jī)模式，保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步備份，出現(xiàn)宕機(jī)的情況則能夠及時(shí)替換。離散型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)選擇InfluxDB 數(shù)據(jù)庫，用來存儲(chǔ)傳感器等產(chǎn)生的離散型數(shù)據(jù)。

圖3 電力系統(tǒng)智能化通信過程的主從交互

3 RK3358 的介紹

在電力系統(tǒng)智能化的時(shí)代背景下，RK3358 核心板成為保障電力系統(tǒng)與全網(wǎng)線路高效運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵一環(huán)，對電力系統(tǒng)各模塊的密切配合起著非常重要的作用。在智能化電力系統(tǒng)中，RK3358 核心板可以應(yīng)用在各類電表的數(shù)據(jù)采集分析、繼電器保護(hù)、回路巡檢、邊緣計(jì)算以及人工智能（Artificial Intelligence，AI）布署等功能設(shè)計(jì)，幫助電器設(shè)備加速升級。

3.1 數(shù)據(jù)采集分析與控制管理

RK3358 核心板可以用在數(shù)據(jù)采集分析與控制領(lǐng)域，對于電力系統(tǒng)智能化意義重大。通過RS-485、控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）以及以太網(wǎng)等接口接入各類傳感器，借助強(qiáng)大的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）處理能力，對配電變壓器和終端用電數(shù)據(jù)解析計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)的功能有用電監(jiān)控、階梯定價(jià)、負(fù)荷管理以及線損分析，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表、錯(cuò)峰用電、用電檢查、負(fù)荷預(yù)測以及節(jié)約用電成本等目標(biāo)。

3.2 性能穩(wěn)定可靠

RK3358 核心板可以承受-40 ～85 ℃的極端惡劣環(huán)境，用在配電管理系統(tǒng)終端上，面向的器件有集中器、采集器、能源控制器以及融合終端等智能終端，具備高性能、低功耗、溫升低的特點(diǎn)。RK3358 核心板采用28 nm 四核A35 架構(gòu)，芯片的計(jì)算能力可達(dá)10K DMIPS。與40 nm 四核A7 芯片相比，RK3358核心板同等條件下的綜合性能提升40%，功耗降低10%，優(yōu)勢明顯，長時(shí)間工作的升溫幅度較低，具有更高的可靠性[1]。

3.3 安全防護(hù)和回路巡檢

RK3358 核心板在電力系統(tǒng)智能化領(lǐng)域起到安全防護(hù)和回路巡檢的作用。電力系統(tǒng)對于生產(chǎn)、消費(fèi)以及運(yùn)營管理有著極為嚴(yán)格的要求，RK3358 核心板可以有效提升供電設(shè)備和用電設(shè)備的安全系數(shù)。通過傳感器、攝像頭、直流穩(wěn)壓電源等智能硬件設(shè)備采集到環(huán)境數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)溫濕度調(diào)控、人臉識(shí)別、煙霧報(bào)警、火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)、電力系統(tǒng)智能消防等功能[2]。

RK3358 核心板在安全防護(hù)和回路巡檢領(lǐng)域采用先進(jìn)制程，具備高性能、低功耗的特點(diǎn)，可以滿足不同場景下電力系統(tǒng)設(shè)備器件的安全等級需求。它提供高安全系數(shù)的因特網(wǎng)服務(wù)提供商（Internet Service Provider，ISP），支持圖像像素多級降噪，可進(jìn)行黑光全彩拍攝，內(nèi)置獨(dú)立的2T 嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器（Neural-network Process Units，NPU）計(jì)算單元，支持山林防火、電網(wǎng)線路異常檢測等現(xiàn)場應(yīng)用智能算法，在配電房、供電服務(wù)站以及電網(wǎng)監(jiān)測運(yùn)行管理站房等現(xiàn)場可以使用[3]。

3.4 助力邊緣計(jì)算與AI 布署

首先，RK3358 核心板可以助力邊緣計(jì)算與AI布署，電網(wǎng)系統(tǒng)布局規(guī)模龐大的設(shè)備器件，如電表設(shè)備、保護(hù)裝置、采集裝置以及控制設(shè)備等。對于分布式發(fā)電、智慧儲(chǔ)能、用戶電網(wǎng)產(chǎn)生的問題，邊緣計(jì)算與AI 布署滿足“端側(cè)本地化”高效運(yùn)行的需求，大大提高運(yùn)行效率。

其次，RK3358 核心板內(nèi)置獨(dú)立的NPU，具有極高的算力并支持接口擴(kuò)展，便于快速搭建各類應(yīng)用場景的AI 部署，快速處理終端數(shù)據(jù)，有效支持?jǐn)?shù)據(jù)采集分析、數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理等功能，可以緩解本地服務(wù)端面臨的壓力。

最后，RK3358 核心板采用8nm 64 位高性能的CPU，計(jì)算能力最高可達(dá)93K DMIPS，算力支持方面則有6Tops NPU，它支持8K 視頻編解碼、RKNNToolkit 套件、Rock-X AI 開發(fā)組件以及算子（Operator，Op），可快速實(shí)現(xiàn)AI 部署[4]。

3.5 保障終端系統(tǒng)安全

RK3358 核心板能夠提高電力系統(tǒng)終端領(lǐng)域的安全性能。電力系統(tǒng)智能化對于提供安全、穩(wěn)定、可靠的電力系統(tǒng)至關(guān)重要，對于讀取控制、隱私保護(hù)、用戶認(rèn)證、不可抵賴性、數(shù)據(jù)保密性、通信層安全等領(lǐng)域必須保障數(shù)據(jù)安全。除了照顧到數(shù)據(jù)安全以外，軟件層及時(shí)穩(wěn)定也非常重要。對于電力系統(tǒng)的應(yīng)用層軟件，RK3358 核心板也進(jìn)行有效保障，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。一是強(qiáng)大的系統(tǒng)包容性。它支持多種系統(tǒng)的組合形式，不僅可以支持AMP 形式的嵌入式系統(tǒng)，也可以支持全裸機(jī)系統(tǒng)、裸機(jī)系統(tǒng)+RTOS、裸機(jī)系統(tǒng)+Linux 以及裸機(jī)系統(tǒng)+RTOS+Linux 等情況[5]。二是強(qiáng)大的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。它可以實(shí)現(xiàn)微秒級別的定時(shí)器、通用I/O 端口（General Purpose Input /Output Ports，GPIO）中斷、任務(wù)調(diào)度響應(yīng)機(jī)制。三是強(qiáng)大的協(xié)同適配性。它支持多種操作系統(tǒng)（Operating System，OS），如Android、Linux 以及統(tǒng)信、麒麟、翼輝、科東等國產(chǎn)OS，均可適配。四是強(qiáng)大的數(shù)據(jù)安全性。安全性能已達(dá)國密級別，會(huì)定期合入公共漏洞和暴露（Common Vulnerabilities & Exposures，CVE）安全漏洞補(bǔ)丁，支持磁盤加密，保證數(shù)據(jù)不被竊取。實(shí)行固件加密以及防回滾、全鏈路的安全機(jī)制，啟動(dòng)Secure Boot，防止固件被篡改。使用基于TrustZone 的硬件隔離機(jī)制，對開放式可移植可信執(zhí)行環(huán)境（Open Portable Trusted Execution Environment，OPTEE）實(shí)施可信授權(quán)。對于數(shù)據(jù)的訪問、硬件加密模塊，同樣能支持哈希、高級加密標(biāo)準(zhǔn)（Advanced Encryption Standard，AES）、RSA、SM4 等加密算法；對于存儲(chǔ)密鑰等關(guān)鍵敏感信息，支持安全的動(dòng)態(tài)口令（One Time Password，OTP）[6]。

4 結(jié) 論

當(dāng)前，國內(nèi)的電力系統(tǒng)正面臨著機(jī)遇和挑戰(zhàn)，RK3358 核心板將數(shù)字技術(shù)加持到電力系統(tǒng)智能化領(lǐng)域，有助于提高電力系統(tǒng)整體的感知能力、管理水平以及運(yùn)行效率，不斷加強(qiáng)電力強(qiáng)國的智能化建設(shè)。而隨著智能化電力系統(tǒng)越加完善，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也會(huì)從中受益良多，不僅享受較為低廉的電力價(jià)格，而且支持越來越多的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，對于農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的提高、品質(zhì)的優(yōu)化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源的整合、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化布局都會(huì)產(chǎn)生非常積極的作用。