基于物联网平台的低压配电台区数据采集方案

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配电台区是连接配电网和电力用户的关键环节，智能电网建设需要推进低压配电台区数据的采集。为了解决配电台区点多面广、终端数量多、通信困难等问题，广东电网有限责任公司电力调度控制中心的研究人员王海柱、赵瑞锋、郭文鑫、刘洋，在2021年第3期《电气技术》上撰文，提出了基于物联网平台进行低压配电数据采集的方案，分别介绍了方案中的几项关键技术，包括总体架构、边缘计算智能终端、消息队列遥测传输协议（MQTT）、典型通信过程、统一模型及主站与物联网平台间的接口。

方案以边缘计算智能配变终端（TTU）为网关，通过电力线通信（PLC）、短距无线通信、红外通信、射频等通信方式接入台区智能电表、无功补偿装置及各种传感器，基于物联网平台实现配电台区终端设备的数据灵活实时接入。

建设智能电网，其中关键一环是智能配电台区的建设，配电网通过低压配电台区连接终端电力用户，亟需提升配电台区的精细化及智能化管理水平，保证低压电网供电质量及其可靠、安全运行，满足经济发展的需求。

目前，配电台区建设及运行现状仍存在以下问题：

1）配电网点多线长面广，大部分处于盲调状态。

2）目前，通过不断增加相对独立的信息化小系统来满足业务需求的方式导致资源浪费和业务割裂。

3）伴随着电网规模的不断扩充，采集信息的逐步完善，低压配网监视推进，当前采用的主备服务集中式处理模式在海量终端接入、数据处理速度、存储能力、分析效率方面存在明显的瓶颈，维护和扩展困难。

物联网技术可以通过泛在的感知技术帮助电力系统实现对低压配电台区海量信息的感知和决策，将配电台区建设成配电末端数据交互中心，通过对配电台区各种配电终端的全信息采集实现对低压配电网的全景感知，从而消除配电运维盲区，实现全流程管控、全专业支撑的配电台区新管理模式；实现对台区管辖内用户进行就地管理，缩短用户故障时间，提高配电末端的运维水平。

随着物联网技术的发展，国内外厂家相继推出了智能物联网平台，包括中国移动、腾讯、阿里和华为都有物联网实际成功应用案例。其中华为发布了基于物联网平台的配用电解决方案及Hi-Grid套件，把边缘计算、物联网（Internet of Things, IoT）、云端管理结合起来，实现了从主站、网络、终端的一体化解决方案。

基于物联网平台的低压配电台区数据采集方案可以很好地推进低压配电网的数据采集。

1  配电物联网总体架构

为迎接新能源革命的机遇和挑战，电力企业纷纷向综合能源服务企业转型，寻求应用最新的互联网理念和“云大物移智”最新技术来对能源管理进行技术改造，对目前管控能力相对薄弱的配电网进行互联网技术升级改造是提升智能电网建设、管理、运维水平的一个切入点。

业界提出的配电物联网（distributed-Internet of Things, D-IoT）理念将最新物联网技术应用于传统电网，通过各种通信技术，如电力线通信（power line communication, PLC）、红外通信、5G、LoRa、窄带物联网（narrow band-Internet of Things, NB-IoT）、ZigBee等，接入海量配网终端，能实时全息感知电力生产、传输、消费各环节，在全面感知、数据融合的基础上提升设备间互联、互通、互操作能力。

配电物联网具有终端即插即用、设备广泛互联、状态全面感知、云计算协同、应用随需定制和资源高效利用等特征，配电物联网技术的推出可以提高供电可靠性、降低运维成本、调整能源结构和提升用户体验，协助电力用户节能减耗，自主进行能效管理。

配电物联网总体架构如图1所示。分为3个层次，上层是云，云化的主站；下一层是边，即边缘计算，将云计算等向边缘延伸；最后为终端，各类型的智能终端，实现配电网的感知，整体构建云边端的配电物联网架构[9]。配电物联网本质就是将信息化和工业化进行深度的融合，通过信息化力量将原有配电网的生产力进一步的释放，实现质的飞跃。

图1  配电物联网总体架构

2  边缘计算智能终端

现阶段配电物联网的设计思路是基于“硬件平台化、软件APP化”，采用开放式硬件平台和操作系统，达到软硬件解耦，以不同的APP应用软件来扩展终端功能。新型智能配变终端（distribution transformer supervisory terminal unit, TTU）作为配电物联网边缘计算网关，面向的不仅仅是配电变压器，还面向整个配电台区、电压侧设备，以及信息通信整体管理，并融入了边缘计算。

边缘计算充分发挥了云计算的资源整合高通用性以及边缘侧迅速可靠地响应用户需求，其架构的优势在于云端协同和本地计算，在靠近终端用户的边缘侧，开发灵活高效的数据应用软件APP，例如分布式电源并网、拓扑识别、负荷预测、线损分析、故障研判、风险预警、电动汽车充放电等边缘计算应用，体现配电物联网应用价值。

配电物联网通信拓扑示意图如图2所示，智能终端网关同时负责进行协议转换，接入各种配电端设备，目前配电网领域设备应用的厂家非常多，通过智能配电终端建立协议库的方式，最大限度利用已有设备达到互联互通的目的，不用对原有的设备进行大范围的改造。

图2  配电物联网通信拓扑示意图

3  MQTT物联网通信协议

消息队列遥测传输（message queuing telemetry transport, MQTT）协议是IBM在1999年发布的一个即时通信协议，更为简约、轻量、易于使用，适合于受限环境下的消息分发，也是为物联网场景（带宽低、网络延迟、不稳定通信）而设计的轻量级发布/订阅消息传输协议，使用TCP/IP连接，最大优点在于可以为计算能力有限、低带宽的远程设备提供可靠的传输。

MQTT协议通过客户端和服务器端完成通信，分为发布者（Publisher）、代理（Broker）、订阅者（Subscriber）三种身份，其中消息代理是MQTT服务器，消息的发布者和订阅者都属于客户端且发布者同时也可以是订阅者。发布者和订阅者并不需要知道对方是否存在，只需要通过IP和端口连接到Broker，Broker能够根据不同的话题过滤和分发消息，实现消息的发布和订阅。

MQTT对信息传输提供三种服务质量（Qos）等级，最多一次（Qos0），消息可能丢失；至少一次（Qos1）保证消息到达，但是可能重复；以及只有一次（Qos2）保证消息只到达一次。

端设备可以直接经MQTT协议与物联网平台通信，也可经本地组网通过边缘计算智能终端再经MQTT协议与物联网平台通信。

配电物联网MQTT协议通过定义不同的主题（Topic）来实现不同的用途，单个主题可以包含多个层级，用斜杠字符分隔不同层级，例如边缘计算终端通过主题/v1/devices/{gatewayId}/topo/add来添加端设备。

4  典型通信过程

4.1  设备即插即用流程

边缘计算智能终端的注册由主站应用发起，通过调用设备注册接口完成设备在平台侧的注册。终端即插即用注册通信过程如图3所示。

1）主站应用通过扫码等方式获得设备档案和SN号。

2）主站应用下方智能终端的档案信息给物联网平台。

3）物联网平台返回deviceId后，主站侧提示注册成功，并建立SN码、deviceId和主站mRid关联关系。

4）主站侧导入台区模型文件。

5）边缘计算智能终端上电后通过MQTT协议请求连接物联网平台，物联网平台匹配注册信息通过后，返回登录通过信息给终端。

图3  终端即插即用注册通信过程

4.2  数据订阅流程

主站应用可通过下发命令单次获取设备数据，一般通过数据订阅的方式注册主站回调通知地址，当物联网平台中设备数据变化后，物联网平台会主动通知主站应用变化数据。

1）主站应用调用subscribe API订阅设备数据变更通知，当设备数据变化时平台会推送给应用。

2）边缘计算智能终端通过MQTT PUBLISH消息主动上报数据消息给物联网平台。

3）物联网平台接收到设备数据变化后，调用主站注册的通知回调地址callbackUrl将信息通知主站。

5  统一模型

物联网平台接入设备需要编写设备的Profile文件，该文件用来描述设备能力、服务及如何控制设备。设备能力包括设备类型、厂商、型号、协议类型名称及提供的服务类型。服务描述可理解为物理设备的功能模块或者虚拟设备提供的服务，包括命令和属性。

图4  数据订阅通信过程

需要将Profile文件按IEC61968/IEC61970转换为电力系统基于XML的模型文件，抽象分类为basic（基本信息，包括制造厂商、设备型号等），config（参数配置，包括通信参数、保护参数等），topology（拓扑，包括电网一次拓扑信息等），capability（按设备能力抽象分类，包括analog模拟量，discrete状态量，accumulator累积量，command命令等）。

6  主站与物联网平台间RESTful接口

物联网平台提供了丰富的RESTful API接口给主站应用，通过这些接口，实现对设备的管理（包括设备的增、删、查、改）、数据上报、命令下发等业务场景。

REST（representational state transfer）是一种面向资源的轻量级Web Service架构，其API具有三个特点：①通过统一资源标识符（URI）定位和识别资源；②通过HTTP协议中定义的方法（PUT, GET, POST, DELETE）对资源进行操作；③状态无关性。

例如主站注册网关设备的API接口：

调用方法：POST

请求接口：

https://server:port/iocm/app/reg/v1.2.0/devices?appId={appId}

app_key:{appId}

Authorization:Bearer {accessToken}

Content-Type:application/json

{

"verifyCode":"****************",

"nodeId":"****************",

"timeout":300

}

响应：

Status Code: 200 OK

Content-Type:application/json

{

"deviceId":"*******",

"verifyCode":"*******",

"timeout":300,

"psk":"******"

}

7  结论

本文介绍了一种低压配电台区的数据采集方案，以边缘计算智能终端TTU为网关，通过PLC、短距无线通信、红外通信、射频等通信方式接入台区智能电表、无功补偿装置及各种传感器，基于物联网平台实现配电台区终端设备的数据灵活实时接入，设备间互联互通，并为其他应用平台提供数据共享融合接口，运用本方案能够解决配电侧设备种类多、通信环境复杂、数据采集困难的问题。

方案作为按能源物联网边缘计算+云计算架构来重新设计的新一代配用电主站系统物联网接入模块，结合广东电网智能电网示范区建设，部署在省局和相应的地调侧，接入部分试点配置智能TTU的智能台区、独立的企业级物联网设备及智能配电房物联网设备。

能够实时全面监测台区的运行状态，进行实时大数据分析，获取台区的三相负荷不平衡率、负载率及可靠性统计分析等，实现低压配电台区的高度智能、高度监测及控制，可大大提高管理效率，加强为电力客户服务的能力。

本文编自2021年第3期《电气技术》，论文标题为“基于物联网平台的低压配电台区数据采集方案”，作者为王海柱、赵瑞锋 等。