智能终端融合技术分析

于 泳，谷呈星，于振超，朱德良，吴国强，刘 冰，陈凤娟，梁志娟

（中电装备山东电子有限公司，济南 250101）

自2015 年以来，我国加快了建设能源互联网[1]的步伐。处于电力系统末端的配电网是能源互联网的基石。随着分布式能源的发展和电动汽车的普及，用户和电网之间的联系越来越密切。根据国家能源局的统计，2022 年4 月，我国可再生能源新增装机为2 541 万kW，其中，水电新增343 万kW、风电新增790 万kW、光伏发电新增1 321 万kW、生物质发电新增87 万kW。不稳定的新能源并网以及越来越多的智能化需求对低压配电网的可靠性和适应性提出了更高的要求[2]。传统的低压配电网会给主站系统、通信系统和升级与维护带来巨大的压力。高度智能化、信息化的低压配电网才能提升电网管理效率和电能利用效率[3]，才能适应快速变化的服务需求，解决传统低压配电网面临的问题。

目前的低压台区为了保障安全、可靠及有序的供电，安装了不同种类的终端，比如用电信息采集类、负荷监测类、用电保护类和配网精益运维类等[4]。在台区内存在设备安装凌乱、种类繁多和产品厂家繁杂的问题。而且，各类设备的硬件独立、软件固化。比如，采集类终端仅支持基本电量采集，未预留采集、通信接口，无法兼顾电容器投切控制、设备状态监测等精益化管理需求。当有新的需求出现时需要安装新的设备，这会给设备运维、设备管控和建设成本带来巨大的压力。精益管理水平不断提高的低压配电网会加快配电台区智能化的建设，业务拓展性和灵活性差的模式已经不适合新需求爆发式增长的能源互联网时代。此外，各地区的需求有差异化。拿低压问题来讲，东部地域的低电压问题主要是用电高峰期的间断性低电压，中部地区的低电压问题主要是电网建设进度落后于用电发展速度，西部地域相对落后，低压问题比较严重。

为了解决上述问题，采用“硬件平台化、功能软件化、结构模块化、软硬件解耦和通信协议自适配”的设计思路设计的智能融合终端应运而生[5]，其最早源于2014 年国网营销部的模组化终端预研项目，是低压配电物联网的关键设备，符合新一代配电物联网“全面感知、广泛互联、边缘计算、数据融合和智能应用”的思想[6]。

1 低压台区的架构及智能终端的优势

数字化低压配电台区的架构如图1 所示，数字化低压配电台区在配变侧、低压侧、用户侧分别部署了各类低压感知设备。其中，智能融合终端是低压配电台区的核心，是集状态感知、数据采集、配变监测、边缘物联和本地化分析决策等功能于一体的智能化终端设备，是构建低压配电物联网的基础。数字化低压配电台区既可以采集低压电气数据、电能数据等信息，也可以检测配电变压器、低压分支箱等设备。智能终端对下可以通过HPLC 或RS485 的通信手段集抄电表信息。对上可以通过4G 或5G 的方式与主站进行交互，包括下发主站命令和主动向主站汇报。

图1 低压配电台区的架构

智能融合终端强大的采集能力和边缘计算能力可以打通“电力服务的最后一公里”，将智能台区融合终端安装在公变或专变台区，可实现客户侧和配电侧计量与感知设备的灵活接入，具有数据采集、智能费控、时钟同步、精准计量、有序充电、用能管理、回路状态巡检、户变关系识别和停电事件上报等功能。智能融合终端的灵活性和可扩展性对建设新型电力系统具有重要意义[7]。

与现有的终端相比，采用硬件模块化，软件容器化、结构模块化和通信协议自适配思路设计的智能融合终端具有巨大优势。在理解了用户需求并做分析之后，将终端分解成多个独立、通用的功能模块。这种模块化的设计有以下优点，第一，可扩展性强，升级方便。比如，将上下行通信的功能做在一个可更换的通信模组中，通过升级和更换通信模组的方式就能完成对通信需求的扩展，这有利于适应快速发展的通信技术。第二，灵活强。可以按各地区的实际需求安装相应的模组，能解决部分地区存在的功能与需求不匹配的问题。此外，不同的模组组合可以形成不同功能的终端，能满足市场对终端多样化的需求。第三，安全性强，能实现业务隔离。采用了基于容器技术的，统一操作系统的软件框架方案，能按照业务功能将软件划分为多个业务APP，通过容器技术将业务软件与操作系统隔离，不仅可以实现配电业务APP 和用采业务APP 隔离，还可以提升系统的安全性。总之，智能融合终端是对于营销和配电都兼容的新的终端设备，能够根据不同实用场景安装不同的APP，具有广泛的市场应用前景。

2 硬件设计

在硬件设计上采用了分布式电源设计、嵌入式系统、大容量存储和多信道兼容互换等先进的技术，智能融合终端的硬件结构如图2 所示，由功能单元和对外接口2 部分组成。在功能单元部分，整体电源由AC/DC单元提供，共有2 部分。其中一部分直接给交采板计量单元供电，另一部分通过电源管理单元输出5 V 及3.3 V 的电压给核心板、AI 人工智能主板及模块供电。AI 人工智能主板负责控制通信模块、存储模块和扩展模块等所有的模块。包括点阵液晶、百兆以太网、ESAM、USBHUB、蓝牙模块、功能模组和USB 调试口等，其中遥信跟RS485 模块采用隔离DC/DC 方案设计，主板与交采板之间通过串口进行通信。功能模组通过USB 总线安装在智能台区融合终端的本体上，用于扩展本体功能。可以拓展的模块有远程通信模块（如4G/5G 通信模块）、本地通信模块（如HPLC 通信模块、微功率无线通信模块、RS485 通信模块、M-Bus 通信模块和CAN 通信模块等）、控制模块、遥信脉冲采集模块和回路状态巡检模块等。在对外接口部分，智能融合终端对外预留了丰富的接口，有RS485、RS232、以太网和蓝牙等。在通信协议方面，智能台区融合终端的远程通信协议支持DL/T 634.5 101-2009、DL/T 634.5 104-2009 和Q/GDW 11778-2017 等；本地通信协议支持DL/T 698.44-2016、Q/GDW 11612-2018；智能台区融合终端与电能表的数据通信协议支持DL/T 645-1997/2007、Q/GDW 11778-2017 以及其他进口表协议。

图2 智能融合终端的硬件结构

3 软件设计

终端软件架构如图3 所示，分操作系统层和应用层，操作系统层包括操作系统内核、硬件驱动框架、启动程序、系统接口、硬件抽象层和系统组件，操作系统通过系统接口为APP 提供系统调用接口，通过硬件抽象层提供硬件设备访问接口，系统组件与应用层通过数据交互总线通信，数据交互总线采用了容器间IP 化技术与消息队列遥测传输（MQTT）协议，能实现跨容器的消息交互。应用层包括基础APP和业务APP，不同APP 之间通过消息总线完成数据的交互。

图3 终端软件架构

APP 是运行在终端内部，符合边缘计算架构、可快速开发、自由扩展、满足配用电及新业务需求的软件。在不同的容器中安装功能不同的APP，可以够保证某一功能的APP 运行故障时不会影响其他APP 的正常运行。APP 的分类架构如图4 所示。

图4 APP 的分类架构

这种架构避免了多APP 并发访问带来的冲突，同时可以对优先级进行管理。基础APP 包括数据中心、本地通信管理等。基础APP 通过消息总线以消息的方式为其他APP 提供服务。基础APP 与主站系统之间不存在数据交换。采集业务类APP 与主站系统间存在数据交互，遵循一APP 对应一主站原则，不允许一个APP 连接到多个不同的主站。采集业务类APP 的实现方式可以是单一二进制文件（单一进程），或者多二进制文件（多进程），通过多进程协作模式完成某一特定场景业务功能。主站业务类APP 包括但不限于低压集抄、车联网云通信、电动汽车有序用电、企业能效管理、分布式能源管理和台区智能监测等。分析业务类APP包括电能治理分析、物联数据管理等，有边缘计算的功能，可以将台区数据按需分析、计算、整理后上送至配电自动化主站。分析业务类APP 通过数据中心对外提供服务，与主站系统间不存在数据交互。

终端的APP 使用消息总线框架如图5 所示，有采集类APP、安全类APP、管理类APP 和通信类APP，APP 之间的交互全部通过消息总线进行，消息驱动支持IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）、传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP）和MQTT 协议等多种模式，可根据系统资源及运行环境灵活使用其中一种或多种，APP 只要符合消息驱动规范，就能接入系统。服务提供方定义消息接口，服务使用方根据定义的消息接口访问相应的服务。一个APP 既可以是服务提供方，同时也可以是某些服务的使用方，同时具有 服务器与客户机多重角色。

图5 APP 使用消息总线框架

4 总结与展望

随着能源互联网的不断发展，国家电网的智能化水平不断提升，作为“电力服务最后一公里”的低压配电网有提升精益化管理水平的需求。本文首先阐述了当前低压配电网的现状，指出了当前的低压台区存在的2 个问题，一是终端的种类繁多、设备厂家繁杂、安装凌乱，缺乏统一的标准，不利于日后的维护和升级。二是当前台区中的终端硬件独立、软件固化，扩展性和灵活性差。不符合新一代配电物联网全状态感知、数据融合和智能应用的发展方向，不能满足需求爆发式增长的物联网时代。然后，阐述了发展智能融合终端的必要性及优势，是集状态感知、数据采集、配变监测、边缘物联和本地化分析决策等功能于一体的智能化终端设备。其可扩展性强和灵活性好的优势对于新型电力系统的建设具有重要意义。最后阐述了智能融合终端的软硬件架构，模块化的硬件设计解决了终端种类繁多以及需求存在地区差异化的问题，采用容器隔离的不同功能的技术保证了电网运行的可靠性。在未来，随着智能融合终端的广泛应用，台区内可以实现收集负荷数据和智能调控客户侧的设备，比如充电桩、储能、屋顶光伏等。可以通过云平台的智能调控策略，实现电网供能能力与用户用能需求的平衡，创建电动汽车有序充放电、用户侧需求管理的新业态、新模式。能引导用户低谷用电、高峰放电（V2G），提高客户侧深度参与电网调节的能力，促进清洁能源消纳，提升电网的运行效率和用户的用电经济性，助力国家绿色发展的目标。