边缘计算智能终端在电力物联网中的应用

电力物联网边缘计算智能终端组成形式与功能配置

摘要

智能终端是电力物联网（PIOT）中的关键设备，在精确感知电力设备状态和实时调节用户用电行为的过程中发挥着核心作用。作为去中心化计算架构，边缘计算在提升PIOT的数据处理能力和运行可靠性方面具有重要作用。本文通过研究输电、配电和用电领域中智能终端的形式，阐述基于边缘计算的PIOT运行过程，提出智能终端的基本配置、具体功能及实现原理。结合电力系统的运行特性和实际需求，对智能终端的信息感知能力和在线控制能力的应用进行分析。

1. 引言

随着可再生能源在总发电量中所占比例的不断提高，电力系统的运行特性和构成发生了显著变化，实现对电力设备运行状态的实时监控以及对电力用户用电行为的在线控制变得愈发必要。
2019年，国家电网有限公司提出建设泛在电力物联网[1]的理念，旨在通过部署智能终端，实现对电气量、状态量和物理量的精准感知，提升电力系统电力数据的在线传输能力和实时调节控制能力。
边缘计算是云服务功能的下行链路和万物互联服务功能的上行链路[2]，是物联网（IOT）建设的重要理论基础。作为一种去中心化计算架构，它将应用、数据和服务的计算从中心节点转移到网络逻辑的边缘节点进行处理，可大幅提高数据处理效率[3]。
边缘计算在电力系统中已有一些初步的应用和假设。在供需领域，家庭能源网关、非侵入式负荷监测系统和有序用电管理系统对边缘计算具有明显的需求[4]。可基于欧洲某协会提出的边缘计算框架设计自动需求响应边缘计算（ADR‐EC）节点分层架构模型[5]电信标准化。在用户侧智能电力系统中应用边缘计算协同架构，可解决多台高功率负载同时工作导致的负载过载问题[6]。基于边缘计算的主动配电网信息物理系统在实时服务、数据优化、应用智能化、安全与隐私保护等关键指标方面具有显著优势[7]。
通过研究电力物联网的运行原理及智能终端组网的理论基础，本文构建了不同场景下的构成形式，并设计了终端的功能配置方案。结合电力系统的运行特性和使用需求，对终端在线控制能力和信息感知能力的应用进行了分析。

2. 电力物联网和边缘节点

在基于边缘计算架构的电力物联网（PIOT）中，智能终端作为边缘节点参与物联网的构成。本节将分析基于边缘计算的电力物联网（PIOT）的工作原理，并阐明智能终端在电力物联网（PIOT）中的作用与意义。
PIOT 是一种具有全面状态感知、高效信息处理、便捷灵活应用的智能服务系统[8]。该系统需要利用边缘计算技术构建分布式开放平台，以提升系统的数据处理与控制能力。基于边缘计算的 PIOT 在靠近数据源或设备侧构建集网络、计算、存储与应用于一体的开放平台，就近为电力用户和电网调控提供服务。边缘节点是指位于数据生成源头与云中心之间，具备计算资源和网络资源的任何设备[9]，承担边缘计算架构下的计算任务，并作为传输与组网的基础。
在 PIOT 中，采用智能终端作为边缘节点，实现更低延迟和更高带宽，以满足电力系统供需平衡的实时性要求。基于边缘计算的 PIOT 运行过程如图1所示。

基于边缘计算架构的PIOT将充分释放无处不在的潜在电力，降低供电成本，并为生产者和消费者之间的电力共享提供条件。边缘计算技术将与物联网、云计算、大数据、人工智能等技术相结合，成为实现智能电网以及能源生产和消费革命性发展的依托和支持。

3. 智能终端的组成形式

本节将结合不同应用场景下的边缘计算网络结构，分析PIOT终端的配置及工作模式。

3.1. 输电与变电领域

PIOT技术在输电领域的应用主要体现在输电线路状态监控[10]和线路安全维护与控制工作[11]。
为满足输电线路终端设备通信网络的带宽、延迟、可靠性和安全要求，可采用基于级联拓扑无线Mesh与光纤复合架空地线光传输的耦合网络。实时监控功能对网络的容错能力提出了更高要求。为解决这些问题，可采用扁平化通信网络结构以及有线/无线双通道异构组网技术。
PIOT主要应用于电力变换领域的智能变电站，旨在实现对变电站设备状态的精确实时监控，并解决故障诊断功能不足的问题[12]‐[14]。变电站设备温度监测终端设备的主要功能是基于视觉传感器、处理器和传输系统构建智能视觉物联网，以精确且实时地检测和定位变电站设备的温度异常区域。当发生异常运行或故障时，变电站故障诊断与安全运行的监控终端可通过边缘计算终端对原始数据进行处理，从而降低传输带宽和处理成本。

3.2. 配电领域

物联网技术在配电领域的应用包括对配电设备及其运行状态的监控、故障定位和资产管理，这需要利用现代通信手段和物联网技术对配电网进行智能化升级[15]‐[16]。主动配电网的终端设备主要包括数据传输单元(DTU)、配电变压器监测终端单元(TTU)、馈线终端单元(FTU)等，用于实现对电气量、开关位置、异常信号等参数的监控与采集，确定故障位置并切除故障区段，为恢复供电提供负荷重新分配的基础信息，并显著减少故障识别与处理过程中的数据量。
通过射频识别技术(RFID)实现配电网的资产管理。利用非接触式读写特性，在设备集中区域放置RFID读取器，定期检查该区域内的固定资产。

3.3. 用电智能化

物联网技术在居民用电领域中的应用主要涉及低压抄表、用电安全、智能家居、智能充电等[17]‐[18]。电力服务系统是用户侧电力物联网建设的重要组成部分。该系统中的边缘计算终端主要设置在用户的智能电表上，用于计算用户采集的用电数据。对于配备户用光伏发电装置的居民智能用电系统，边缘计算节点设置在光伏逆变器和智能电表等平台终端，在分布式方式下对采集的数据进行本地计算。
基于边缘计算的居民用户侧智能用电系统架构建立在用电信息采集系统、非侵入式负荷监测系统和光伏发电系统等多种终端之上。用户侧的系统数据通过互联网或局域网（LAN）上传至相应的云平台。

4. 智能终端功能配置

电力系统中物联网的智能终端采用开放技术架构，设备的功能由数据分析层和优化决策层中安装的软件定义。本节将结合电力系统的实际需求以及传统终端的优缺点，提出智能终端的基本配置原则，并进行具体的配置设计。

4.1. 基本配置原则

电力系统的自动化终端需要灵活支持和实现双向交互与协调控制[19]。结合这一需求，智能终端的配置应具备三个基本特征：硬件平台、软件应用功能化和终端标准化[20]‐[21]。
PIOT中的智能终端应封装数据采集接口、通信接口和控制接口，并基于虚拟容器技术设计硬件平台。该硬件平台可根据不同业务需求调整主控模块，通过软件定义方式实现业务功能，提升应用功能之间的独立性。应基于移动互联网理念建立应用功能应用市场，以体现低压等级和分布式架构条件下易于维护、经济便捷的优势。PIOT的智能终端应具备终端间的互联互通、互操作通信和互操作能力，有必要对硬件接口、操作系统、通信标准、数据存储等功能进行规范化设计。
现阶段，采用操作系统和容器化虚拟化技术的PIOT智能终端通常需要至少600兆赫兹的CPU频率和超过1吉字节的存储空间。

4.2. 具体功能配置

4.2.1. 网络硬件

考虑到终端设备在用户信息采集、在线优化与控制系统中的支撑作用，有必要使PIOT终端兼容多种远程网络接口，至少包括：RJ‐45接口，为基础设施完善的城区普通用户提供稳定且经济的网络连接架构；光纤分布式数据接口，适用于多网络环境，在物联网建设中具有重要应用价值；RS‐485接口，实现电网中智能仪表的互联互通和低损耗数据传输。

4.2.2. 局域网兼容性

为了适应不同形式的局域网组网对PIOT构成可能产生的兼容性影响，智能终端应具备多种网络可选接入功能[22]。无线局域网的兼容功能应在双模应用的无线通信模块中体现。应采用通用分组无线服务（GPRS）模式以确保终端数据交换的实时性，而窄带物联网（NB‐IoT）模式则扩展参与数据交换的终端数量，并确保局域网的组网能力。智能终端对有线局域网的兼容性应体现在多网络接口的硬件设计以及不同拓扑类型的灵活组合上。

4.2.3. 信号输入输出接口

在智能终端中，终端与外部设备的功能接口已集成到标准I/O接口中，因此PIOT终端应具备对应的接口配置。最常用的标准串行通信接口是RS‐232C和RS‐422/422，它们在传输速度和连续传输距离上有所不同。

4.2.4. 本地程序设置

为了提升PIOT系统抵御风险的能力，终端配置中应提供一些现场程序设置功能，如系统运行状态查询和故障报警功能、异常用电行为和设备控制预警功能、手动本地控制以及电能信息临时存储功能，以提高系统在网络中断和传输延迟等异常工况下的可靠性。

5. 智能终端应用分析

PIOT的重要功能之一是完成对电力设备和用电过程的智能感知与在线调节管理[23]，这对网络传输的实时性和可靠性以及分布式终端的集成能力提出了极高的要求[24]。本节将结合几种可能的应用场景，说明终端功能配置、信息感知与在线调控之间的关系。
在工业企业及其生产现场，用户通过给定的实时电价[25]调整可移动负荷，这要求终端具备良好的网络硬件基础，并能兼容传感器信号，同时需设计相应的紧急情况程序准备。
居民和普通城市用户主要通过响应电价信息的变化来调整电力设备状态，以优化用电行为[26]，这要求终端具备相应的网络硬件条件和灵活的局域网组合能力，并能及时处理多样化的输入输出信号。
虚拟电厂可能出现在包含大量需求侧资源和分布式能源的PIOT[27]中，要求终端具备信息实时交互和良好的分布式性能，以满足在线计算和调控的需求。
通过对上述几个应用场景的分析，PIOT终端的功能配置基本满足使用需求，更好地适应了用电行为和用电设备在线优化调控的要求。

6. 结论与未来工作

本文阐述了基于边缘计算的PIOT运行过程，通过研究电力系统中终端的工作模式和组成形式，确定了智能终端的基本配置原则和具体功能配置。结合电网的运行特性和未来发展需求，分析了智能终端的信息感知能力和在线控制能力。
值得继续研究智能终端在PIOT中需求侧资源调度及设备协同控制方面的辅助作用。为了提高电力资源配置效率并降低成本，有必要对接入PIOT的需求侧资源和电力设备进行实时控制与调度。需要研究如何提升智能终端在实时性和可控性方面的技术设计。