基于边缘计算的电力智能网关模型开发框架.pdf

基于边缘计算的电力智能网关模型开发框架邵向阳,尹剑仑,孟令浩,党珊珊,杨政欣(许继集团,河南 许昌 ;哈工大机器人(合肥)国际创新研究院,安徽 合肥 )摘要:网关作为智能电气装备的核心部件,承担着电力信息和数据的互联、调度和控制.结合配电智能网关联动控制、策略控制和数据处理等需求,设计了基于边缘计算的电力智能网关模型(简称网关模型).网关模型的数据处理部分灵活性强,只需调用或修改相应的协议接口和配置即可实现智能网关的自动化构建,满足不同协议构建需求.网关模型架构、功能设计和系统实现表明了基于该模型构建的新网关具有低难度、高效和低错误复现率的特点.关键词:网关模型;数据处理;灵活性强;自动化构建;高效中图分类号:T N D O I:/j c n k i d g j s D e v e l o p m e n tF r a m e w o r kf o rP o w e r I n t e l l i g e n tG a t e w a yM o d e lB a s e do nE d g eC o m p u t i n gS HA OX i a n g y a n g,Y I NJ i a n l u n,ME N GL i n g h a o,D AN GS h a n s h a n,YAN GZ h e n g x i n(X u j iG r o u p,X u c h a n g ,C h i n a;R o b o t i c s(H e f e i)I n t e r n a t i o n a l I n n o v a t i o nR e s e a r c hI n s t i t u t e,H a r b i nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,H e f e i ,C h i n a)A b s t r a c t:A s t h ec o r ec o m p o n e n to f i n t e l l i g e n te l e c t r i c a l e q u i p m e n t,t h eg a t e w a yi sr e s p o n s i b l ef o rt h e i n t e r c o n n e c t i o n,s c h e d u l i n ga n dc o n t r o l o f p o w e r i n f o r m a t i o na n dd a t a I n t h i sp a p e r,ap o w e r i n t e l l i g e n t g a t e w a ym o d e l(r e f e r r e d t oa s t h eg a t e w a ym o d e l)b a s e do ne d g e c o m p u t i n g i s d e s i g n e d i nc o m b i n a t i o nw i t h t h e r e q u i r e m e n t s o f p o w e r d i s t r i b u t i o n i n t e l l i g e n tg a t e w a y l i n k a g ec o n t r o l,p o l i c yc o n t r o l a n dd a t ap r o c e s s i n g T h ed a t ap r o c e s s i n gp a r t o f t h em o d e l i sh i g h l y f l e x i b l e,a n di to n l yn e e d s t oc a l l o rm o d i f yt h ec o r r e s p o n d i n gp r o t o c o l i n t e r f a c ea n dc o n f i g u r a t i o nt or e a l i z e t h ea u t o m a t i cc o n s t r u c t i o no f t h e i n t e l l i g e n tg a t e w a yt om e e tt h ec o n s t r u c t i o nr e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n tp r o t o c o l s T h ea r c h i t e c t u r e,f u n c t i o n a ld e s i g n,a n ds y s t e mi m p l e m e n t a t i o no f t h eg a t e w a ym o d e l i n d i c a t e t h a t t h en e wg a t e w a yc o n s t r u c t e db a s e do n t h i sm o d e l h a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f l o wd i f f i c u l t y,e f f i c i e n c y,a n d l o we r r o r r e c u r r e n c er a t e K e yw o r d s:g a t e w a ym o d e l;d a t ap r o c e s s i n g;h i g h l yf l e x i b l e;a u t o m a t e dc o n s t r u c t i o n;h i g he f f i c i e n c y收稿日期:作者简介:邵向阳(),硕士,研究方向为电子信息.引言近年来,配电物联网引入边缘计算层,强调在靠近传感器或数据源头的网络边缘侧实现数据分析、处理与存储,能够降低云计算中心的计算负载,减缓网络带宽的压力,提高数据的处理效率,实现实时、快速、高效的用户响应 .随着电力物联网的快速推进,适应智能电力装备特征的边缘计算框架逐渐成为其中的关键技术.目前,电力装备有限公司存在感知信息不共享、难共享共用和智能管控等难题,因此迫切需要应用互联网思维和高 效 能 边 缘 计 算 等 技 术 手 段 建 设 智 慧 物 联 体系.本文主要结合配电物联业务,针对开发新网关时编码需要的构建文件内容庞大,涉及细节多,导致开发效率低下且容易产生人为错误的问题,设计了一个智能网关模型框架.模型构建总体设计 网关交互模型在物联终端架构中,边缘计算网关属于边缘计算层设备,物联终端引入边缘计算层旨在对源头数据的网络边缘侧实现数据分析、处理与存储.本文设计了一个适用于物联终端的边缘计算模型,其在物联终端的信息交互流程如图所示.图网关交互模型图()设备层:多个硬件设备的集合,如温湿度传感器、电工技术电力设备智能变送器、烟雾传感器和电表等设备.()接入A p p:可以有多个,按照不同协议和业务对设备层进行数据读取.()数据中心:计算设备GU I D(设备在数据中心的唯一编码,防止来自不同微应用的设备出现地址冲突),依据协议格式将模型名称、设备端口、设备地址和自定义描述四个信 息 发 给 数 据 中 心,数 据 中 心 通 过 算 法 计 算 出GU I D;存储定值(设备的固有参数,如死区阈值等),程序运行时,数据中心先将定值发送给接入A p p进行定值设置;存储接入A p p从设备层读取的遥控、遥测、遥信等数据,以便主站和网关模型查询数据.()网关模型:作为主站和设备之间信息传送的桥梁,将数据中心或接入A p p的数据经过处理后,以串口、以太网或者MQ T T的通信方式上送主站.()主站:用于展示数据的手段(W e b、手机A p p等).网关模型架构本文设计的网关模型是设备层与主站交互的中间模块,在物联终端中的作用至关重要.设计了一个通用性强的网关模型,便于工程开发,其模型架构图如图所示.图网关模型架构图该模型可分为两部分:一部分是注册,包括图中的注册、通信初始化、定值初始化、MQ T T初始化和A p p注册;另一部分是业务分析,包括定时任务和数据处理模块.下面依次介绍网关模型中各模块的工作机制.()注册:获取网关模型名称;加载网关模型的配置信息;创建链表等.()通信初始化:网关模型的通信模式有串口、以太网和MQ T T三种,该模块用于创建并打开这几种通信模式.()定值初始化:该模块对网关模型的固有参数进行设置.()MQ T T初始化:进行主题订阅与发布等.()A p p注册:指接入A p p注册模块的信息注册,包括项内容:获取接入A p p的版本信息;获取数据中心的A p p列表;获取已配置的A p p信息;对比A p p列表中的信息和已配置的A p p信息,删除没有运行的A p p,设置在运行的A p p信息;初始化定值,即对设备进行定值设置操作,如对时等;获取A p p的GU I D.()定时任务:网关模型定时做的任务,如定时处理MQ T T转存报文,检查有无遥控需要回复,检查有无联动控制需要回复,检查有无遥调需要回复,以及定时发布实时数据等.除此之外,该模块还设置了重发机制,若数据中心在上述注册步骤中没有回复,则重复发送,如果重发次未回复,就认为数据中心模块没有启动.()数据处理:该模块包含接收数据和处理数据两部分.该模块接收数据中心或接入A p p发来的报文,然后运用多线程技术调用相应的协议接口进行报文解析处理后转发给主站;同理,该模块也可以接收来自主站的命令,然后调用相应的协议接口进行反向解析,再重组报文转发给数据中心或接入A p p.功能设计网关模型可以同时有多个,它们互不干扰,方便不同业务管理,提高安全性与稳定性.网关模型满足以下功能需求:基础通信协议选择,满足串口、以太网和MQ T T三种通信模式;报文设计,报文不仅要满足通信模式的数据传输格式,还要满足设备层的信息格式;数据传输策略,满足功能业务中的实时数据传输、周期数据传输、突变数据传输;数据处理结构,满足对各种协议通配功能和非通配功能的解析与反解析.基础通信协议选择网关模型与主站之间的通信模式有MQ T T、串口和以太网三种,三种模式可以互补使用,没有网关通信I P时可使用 串 口 通 信 获 取;接 入A p p与 网 关 模 型 之 间 采 用T C P/I P的 通 信 模 式;数 据 中 心 与 接 入A p p之 间 通 过MQ T Tb r o k e r服务器进行数据交互.报文设计网关模型采用MQ T T、串口和以太网三种通信模式.MQ T T通信模式采用MQ T T协议进行通信,数据传输形式是J S ON格式字符串;串口通信模式采用R S 和R S 协议,数据传输形式是 进制字符串;以太网通信模式采用T C P/I P协议,数据传输形式是 进制字符串;设备层则按照各自的协议标准组成 进制字符串报文,再进行数据传输.数据传输策略数据传输格式有两种:一种是基于MQ T T传输的报文采用J S ON格式;另一种是基于串口或以太网传输的报文采用 进制格式.()实时传输策略:主要针对遥测、遥控、遥调等实时数据的操作,终端将数据实时传输给主站或主站发送命令给终端.()周期传输策略:网关以大于m i n的时间周期,将指定数据进行采样并主动上传主站.()突变传输策略:若某个数据本次获取值高于前一电力设备电工技术 次获取值的,则判定该值为突变数据.数据突变后会主动上送主站.数据处理结构图为数据处理模块的结构图.数据处理模块可以针对不同协议进行解析和反解析,每个协议对应一个解析接口和一个反解析接口,新增协议时只需添加新增协议的解析接口和反解析接口.每个协议的解析接口和反解析接口都包含通配功能的解析和反解析方法以及非通配功能的解析和反解析方法,而添加通配功能时只需进行配置,添加非通配功能时需要在对应协议的非通用接口中增加该功能的解析和反解析方法.开发新网关时,针对功能开发,通配功能只需添加配置,非通配功能需在接口处增加功能模块即可实现网关自动化构建.其中的通配功能指报文格式符合标准协议格式的功能;非通配功能指报文格式不符合标准协议格式的扩展功能.图数据处理模块结构图系统实现 方案概述网关的系统采用模块实现,数据采集、转发、缓存、处理等业务由一系列独立的模块协作完成.这些模块可独立配置运行,若一个模块出现问题,而其他模块不受影响,则可重复使用.模块技术能够有效提高业务的系统稳定性,提升工程化部署效率.如果要开发新网关,只需在图的数据处理模块增加或修改协议处理功能,即可大力提高开发效率,降低错误率.实际应用 产品展示基于上述网关模型和系统实现的网关产品,已在多个工程项目上实现应用.图是基于该网关模型的I P C U 边缘物联终端.图I P C U 物联终端 结果展示将网关模型应用于I P C U 边缘物联终端,主站从I P C U 边缘物联终端获取的数据如图所示.图网关的上传数据展示在I P C U 边缘物联终端项目中,通过接入A p p接入温湿度传感器、断路器等终端节点的原始数据,然后以报文格式将原始数据交付给网关模型,网关模型依照规约进行解析后上传给主站展示;网关部署了异常检测边缘计算,通过比较本次和前次数据将突变数据上送主站并将突变标志置;通过死区边缘计算模型计算数据是否进入死区,在数据进入死区后将死区标志置,并上送主站.结语本文围绕边缘计算网关业务提出了通用型网关模型,重点分析了该模型的交互流程和结构框架,在此基础上借助物联终端设备对网关模型进行了验证,并对物联终端进行了试用测试.测试结果表明,所述边缘计算网关模型具有可行性,达到通用、高效开发和低错误率的要求,具有实际应用价值.参考文献 施巍松,孙辉,曹杰,等边缘计算:万物互联时代新型计算模型J计算机研究与发展,():罗鸿轩,肖勇,杨劲锋,等基于边缘计算与M a p R e d u c e的智能量测终端数据处理方法J智慧电力,():谢玮,夏水斌,何行,等基于边缘计算的电力末端融合系统的优化J电测与仪表,():刘亮,李卉边缘计算网关的功能设计与系统实现J电测与仪表,():崔恒志,蒋承伶,缪巍巍,等基于边缘计算的电力智慧物联系统设计与实现J电力信息与通信技术,():电工技术电力设备