智慧能源网关终端接入研究

罗达，张阳，向运琨

(1·湖南工业大学，湖南 株洲412007；2·国网湖南综合能源服务有限公司，湖南 长沙410007)

0 引言

随着我国城市化进程的加速，能源消耗速度急剧加快[1]。智慧能源网关通过对电力网络数据的集中化和远程化管理，提供所需的数据和应用服务[2－3]。作为构建泛在电力物联网络的核心部件，智慧能源网关实现包括用能数据、网络运行数据、环境数据等在内的电力信息和数据网络的互联、调度和控制[4]。本文深入研究不同用户的能源管理特征，梳理不同客户用电设备监测与分析的典型网络分布结构，明确客户侧用电设备能效监测的安装接入标准，提供典型接口与通信规约标准。基于不同用户的能源管理需求，安装部署相对应的用能计量设备、传感器设备、测控终端设备等。

1 用户侧综合能源需求分析及关键技术

1.1 需求分析

1.1.1 数字化平台需求

数字化平台需求是清洁能源各个行业的需求，随着清洁能源业务不断扩张，系统所需的资源能按需调控，以支持海量终端接入[5]。数字化平台通过大数据分析和AI智能分析，实现数据分析后的优化控制、故障预测等功能。

1.1.2 边缘侧需求

由于系统互联互通，数据AI智能处理化需要一个本地智能自动化的处理，以便提高本地数据处理速度，减少网络上传带宽与流量成本[6]，边缘计算给与智慧能源网关一个靠近数据源头的边缘侧计算平台，保障低时延、高可靠的网关环境。

1.1.3 数据高效采集需求

智慧能源网关的基础就是数据采集，采集终端需要克服各种环境问题[7]，同时系统线上需要大量的专业性配置，高效的数据采集、快速安装部署、终端免配置即插即用是实现智能化网关在能源节能中的前提。

1.1.4 远程运维管理需求

网关管理设备和终端远程运维需要能源管理平台的连接和对远程设备进行监测，信息的交互需要渗透到设备层面[8]，从而实现点对点之间全方位的融合。远程运维管理包括监测、参数配置、重启、更新等。

1.2 关键技术

1.2.1 边缘计算

目前边缘计算已经得到了各行各业的广泛重视，边缘计算常常和物联网联系在一起，在管理来自物联网设备的大量数据方面效率更高、延迟更低、处理速度更快，且可扩展，通过在源位置处理数据[9]，边缘计算在帮助实时应用程序无延迟或无停机运行方面至关重要。

1.2.2 数字孪生技术

数字孪生技术是以数据和模型为驱动，数字孪生结合了几何建模、仿真模拟、数据分析等全方位功能构造出模拟实体运行的虚拟物体[10]，通过这些建模分析进行最佳的决策，同时依赖于数字线程使工业全产业链达到最佳限度的闭环优化。

1.2.3 HPLC(高速电力线载波)

HPLC(高速电力线载波)也称为宽带电力线载波。用电信息采集系统的宽带载波通信网络一般会形成以中央协调器(Central Coordinator，CCO)为中心、以代理协调器(Proxy Coordinator，PCO)为中继代理，连接所有站点多级关联的树形网络[11－12]。

1.2.4 多容器(Docker)技术

Docker技术是一个开源的应用容器引擎，可以根据需要将程序打包移至到一个虚拟容器中，基于Linux系统实现应用容器虚拟化[13]。

2 智能边缘网关硬软件的设计与实现

2.1 硬件层设计

2.1.1 技术要求

智能边缘网关可用于配电站房或台区侧，针对用采、配变、充电桩、分布式储能等营销、运检业务接入场景；也可用于居民家庭或商业用户，针对综合能源服务和新兴业务接入场景。智能边缘网关具备以太网口作为远程通信接口，并可选配RS－485、电力线载波通信接口等本地通信接口，各接口之间相互独立。具备扩展模块用以选配无源节点输入、温度采集、USB等扩展接口等。硬件接口采用模块化设计，可根据需求更换和选择，满足互换性要求。

2.1.2 硬件设计

智能边缘网关的硬件核心部件结构采用华为AR530模块。AR530采用模块化设计，配置主控芯片，由存储单元、通信模块等构成。通过多容器技术在网关中部署多种APP，与外界接口和计量设备之间互相通信，以满足各式各样的应用场景。整个智能边缘网关硬件结构设计如图1所示。电源整流部分电路将AC 220 V变成DC 12 V。电源降压部分电路将DC 12 V变成DC 3·8 V给各模块供电。

图1 智能边缘网关硬件结构设计图

2.2 软件层设计

2.2.1 技术要求

通信接口:主要包括远程对上通信接口和本地对下通信接口。远程对上通信接口包括以太网口(ETH)，亦可选配4G等扩展通信方式，本地对下通信接口包括USB接口，亦可选配M_BUS、PLC、RS485、Zigbee、LoRa/红外等扩展通信方式。

通信协议:对上采用MQTT、104等协议，对下可适配Modbus、DLT 645等多种通信协议。

2.2.2 功能设计

智能边缘网关的主要功能设计如下:

1)数据采集。智能边缘网关终端包括三种采集方式。一是实时采集，终端直接采集指定采集设备的相应数据项；二是定时自动采集，终端根据主站设置的方案自动采集数据；三是自动补抄，终端对在规定时间内未抄读到数据，有自动补抄功能。

高精度终端采集和快速传输需要数字孪生系统。数字孪生技术为网关云端搭建快速可靠的信息传输网络，保障了采集终端传输到智慧能源网关中的数据信息安全。通过与边缘计算技术的结合保障数据的实时采集传输和更新。大量分布的各类型高精度采集终端需要边缘计算和孪生系统支撑。

电参数主要采集数据分为两类，一是电能表的输出值，二是状态量。

2)数据传输。智慧能源网关终端能够传输特定规约的数据信息到云平台中进行处理，数据可以是多路同时转发、多路不同协议和接口独立转发、多址转发、双通道冗余、本地数据定时分段发送，支持共享传输模式，满足断点续传功能和远程订阅功能。智慧能源网关终端具有断点续传功能，数据即使中断也可恢复连接，可继续上传数据，不丢失。

3)数据储存。智能边缘网关终端具有数据存储功能，数据统一保存在数据中心APP，支持数据的本地存储，可存储所有的采集数据、转发数据、日志信息、联动信息、告警信息，保存支持本地XML文件存储和SQLite数据库存储。

4)数据处理。智能边缘网关终端基于LXC多容器技术通过统一的MQTT消息总线技术，提供标准接口供容器内运行的各类业务相关应用程序(App)调用。实现业务程序和底层硬件、操作系统的解耦合，业务程序可独立于硬件进行部署和迭代开发。支持客户或第三方开发和部署应用。支持C、Java、Python等多种开发语言。

5)应用层协议。智能边缘网关终端支持以下协议:政府部门既定通信协议(如EMS等)、电力部门标准通信协议(如60870－5－101、60870－5－103、60870－5－104、MODBUS－RTU)、物联网通用协议、NETCONF协议，并可根据客户侧实际需求支持定制化协议开发。

6)控制功能。智能边缘网关终端具有控制功能。可按照平台设定的固定策略定时执行控制指令，可实时接收平台控制命令并下发执行。

7)自检功能。终端对接入的采集终端等设备通讯进行检查，能够识别通讯中断、报文异常、采集终端数据等异常，并生成事件上传到上级控制中心。

8)对时功能。能接受上级控制中心的授时信号；支持SNTP对时方式；具备守时功能；能正确处理闰秒时间。

9)安全功能。智慧能源网关满足相关网络安全的要求，具有通信故障报警、记录及恢复功能，同时具备双向加密传输功能、白名单识别认证、网络防火墙功能。

10)联动功能。智慧能源网关终端具有联动功能。可按照配置的联动规则联动相关的设备。支持策略更新，更新方式应包括但不限于接收上级控制中心下发的更新策略。

3 用户侧用能设备终端接入标准研究

3.1 轻量级转换器

轻量级转换器实现RS485转HPLC通讯，内置采用HPLC小型化尾端模块，基于IPv6，支持终端即插即用，网随电通，实现通信网络的免布线部署。

轻量级转换器的内置尾端通过电力传输数据，部署效率高、成本低，把通信频段转化HPLC所需的700～12 000 kHz，满足所有应用场景中对带宽、通信距离和可靠性需求。

3.2 能效终端

能效终端在电力系统中具有体积小、安装方便等优点。带有RS485通信接口，可选用MODBUSRTU或DL/T645协议。

轻量级转换器接线如图2所示，A、B、C互感器的电流信号线分别接IA(进)、IA*(出)，IB(进)、IB*(出)，IC(进)、IC*(出)；A、B、C三相的电压信号线分别接到UA、UB、UC端子；N线接到UN端子。

图2 轻量级转换器接线说明组图

3.3 即插即用接口

综合能源服务的项目开局，涉及到终端设备安装、通信网络部署、本地系统配置、云端系统配置等环节。智慧用能物联网解决方案建议通过终端免配置即插即用实现终端设备的快速上线:在系统配置中，需要关联HPLC模块IP地址和终端物理安装位置(回路名称)。当终端设备上电后，HPLC模块根据EUI－64规范由MAC地址自动生成IPv6地址。

3.4用户侧用能监测设备接入规范研究

1)能效终端接入调试规范。客户侧用电采控终端安装必须垂直牢固，用电采控终端倾斜度不大于10°。

2)智能边缘网关接入调试规范。智能边缘网关的机箱外壳应有足够的强度，户外终端外壳的防护性能应符合GB/T 4208规定的IP51级要求[11]。

3)轻量级转换器接入调试规范。轻量级转换器安装于配电网络低压侧(400 V)配电房进出线柜、楼层配电箱、动力配电箱，或其他供电网络辐射到的电源末梢智能终端处。如图3所示，其通信为CCO上电后全网检测，然后确定PCO和STA，然后查看STA的报文，通过CSMA载波检测多址的方式进行传输管理和控制。

图3 轻量级转换器HPLC网络架构

4 用户侧用能设备终端接入系统测试与分析

4.1 系统测试拓扑

本项目工程应用于长沙市某商业楼宇。通过接入智慧用能平台对用户侧用能设备接入终端系统进行了测试。智慧用能平台满足数字平台需求和远程运维管理需求为一体，为实时数据分析和处理提供了良好的平台。图4为系统测试拓扑图。

图4 系统测试拓扑图

4.2 系统功能测试

4.2.1 智能边缘网关与RS485电力终端通信测试

在测试中，电力终端通过RS485接入轻量级转换器，轻量级转换器通过电力线接入云边路由器。并且云边路由器内安装容器。网关容器内安装APP且运行正常。经过测试，网关在线工作正常。采集终端数据见表1。

表1 采集终端数据

4.2.2 无线通讯长时间运行稳定性测试

在测试中，用户侧用能设备通过智能边缘网关接入平台上线管理。开启无线通讯，打开日志记录，记录运行情况，观察7×24 h。测试结果显示无线通讯运行稳定正常。

4.2.3 HPLC网络测试

在测试中，通过接入用户侧用能设备对HPLC网络进行测试。智能网关与容器已部署且处于启动状态。测试结果显示网络管理一切正常。尾端在线测试情况显示尾端在线，表示HPLC网络测试成功。

5 总结

文章围绕边缘计算网关的业务终端要求，提出了智慧能源网关软硬件设计、面向云边协同的终端接入系统实现方案，并对相关产品进行了试用测试。试验结果表明，所述边缘计算网关的终端接入系统方案，能够解决公网数据通信所面临的经济性、稳定性和安全性问题，能够保证网关系统的运行稳健性，可有效应用于配电物联网解决方案中。