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★浙江大學 李健 

★浙江工業(yè)大學 張蔚，宋驍 

★湖北工業(yè)大學 張力 

★浙江工業(yè)大學 史秀紡 

★浙江大學 孟文超 

1　目標和概述 

隨著電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的不斷推進，配電網(wǎng)設(shè)備（如 中置柜、環(huán)網(wǎng)柜、低壓柜、變壓器等）也在不斷向集約 化、智能化的方向發(fā)展，并可以實現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)互 通、實時監(jiān)測和控制設(shè)備狀態(tài)等功能，以及對設(shè)備進行 預(yù)測性維護和故障診斷。電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可以提 高配電網(wǎng)的管理效率、減少能源消耗和降低故障率，從 而為用戶提供可靠、便捷、高效、智慧的新型供電服 務(wù)。

 目前配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)主要基于云計算框架，然而， 隨著大量供用電設(shè)備、電氣量傳感器、狀態(tài)量傳感器的 接入，以及各種工業(yè)自動機器裝置的投入使用，配電物 聯(lián)網(wǎng)中將產(chǎn)生大量的多維異構(gòu)數(shù)據(jù)，這會給云端系統(tǒng)的 通信信道及存儲計算系統(tǒng)帶來巨大的壓力。由于配電物 聯(lián)網(wǎng)中涉及到的設(shè)備和系統(tǒng)數(shù)量巨大、數(shù)據(jù)流量龐大、 實時性要求高等特點，因此需要一種高效、可靠、低延 遲的計算模式來支持配電物聯(lián)網(wǎng)的運行和管理。作為物 聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域新興的分布式技術(shù)，邊緣計算提供了全新的解 決方案來應(yīng)對上述問題。邊緣計算技術(shù)可以將計算和存 儲任務(wù)從云計算中心轉(zhuǎn)移到更靠近數(shù)據(jù)源的邊緣設(shè)備中 進行處理，降低數(shù)據(jù)傳輸延遲，提高數(shù)據(jù)處理速度和實 時性。因此，我們提出一種面向配電網(wǎng)的邊緣計算解決 方案，主要為實現(xiàn)如下目標：

 （1）資產(chǎn)管理：面向配網(wǎng)設(shè)備管理，研究云、 管、邊泛在協(xié)作的通信、感知、推理一體化體系架構(gòu)， 建立配網(wǎng)設(shè)備現(xiàn)場通感一體化的性能評估模型，構(gòu)建面 向全局優(yōu)化的配網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)評估診斷系統(tǒng)。 

（2）能效管理：構(gòu)建配網(wǎng)負荷多源、強耦合數(shù)據(jù) 采集、清洗與匯聚的專用數(shù)據(jù)處理框架，進一步通過研 究電網(wǎng)質(zhì)量優(yōu)化與分布式能源調(diào)度，構(gòu)建配電網(wǎng)能效管 理系統(tǒng)。 

（3）邊緣網(wǎng)關(guān)：基于RISC-V指令集，研制集感 知-控制-優(yōu)化一體化的自主可控邊緣網(wǎng)關(guān)裝置，為資產(chǎn) 管理、能效管理提供邊緣計算平臺，提高配電網(wǎng)設(shè)備全 息感知能力及海量數(shù)據(jù)接入能力。

 2　方案介紹 

2.1　系統(tǒng)架構(gòu) 

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖 

該方案基于云計算平臺的基礎(chǔ)服務(wù)，通過邊緣側(cè) 接入算力，構(gòu)建云邊一體化能源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，如圖 1所示。其云端包括數(shù)據(jù)存儲、專家?guī)臁⑾到y(tǒng)應(yīng)用三部 分，將采集層和邊緣層發(fā)送的數(shù)據(jù)進行清洗與分析，生 成智能報表和診斷報告；其邊緣側(cè)包括邊緣計算、云邊 協(xié)同、數(shù)據(jù)處理三部分，云、邊海量數(shù)據(jù)即時交互、相 互配合，實現(xiàn)硬件資源最大化利用，高效完成集中運 維、分散控制。

 2.2　硬件平臺

 （1）數(shù)據(jù)采集層 

數(shù)據(jù)采集層主要負責配網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的采集， 包括圖像信息、溫度、氣體密度、壓力、三相電流、電 壓、閉合接點狀態(tài)等。 

（2）設(shè)備接入層 

該裝置支持以太網(wǎng)口、光耦輸出、閉合點檢測、繼 電器輸出、USB-SLAVE接口、3路RS485等多路接口； 支持Zigbee3.0、Wi-Fi、TCP/UDP、Modbus、IIC等 多種協(xié)議；支持配套的7寸IPS電容觸摸屏，操作人員可 一鍵配置電力柜數(shù)量、柜型、地址等參數(shù)，實現(xiàn)本地可 視化；裝置元器件100%國產(chǎn)化，采用的嵌入式系統(tǒng)為 國產(chǎn)開源系統(tǒng)RT-Thread，整體成本低廉，性價比高； 具有一定的可重構(gòu)性，數(shù)據(jù)采集裝置的接口和協(xié)議都可 以進行定制和配置，以適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)采集場景。數(shù)據(jù) 采集裝置的一個應(yīng)用實例如圖2所示。

 圖2 數(shù)據(jù)采集裝置在環(huán)網(wǎng)柜上的應(yīng)用場景

 （3）邊緣網(wǎng)關(guān)層 

邊緣網(wǎng)關(guān)層負責數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)清洗、負荷預(yù)測、 故障定位等多種任務(wù)。為了保證處理效率，本方案針對 網(wǎng)關(guān)層處理器進行了專用設(shè)計，相比于復(fù)雜指令集架 構(gòu)，RISC-V的精簡指令集結(jié)構(gòu)有著硬件結(jié)構(gòu)簡單、功耗低的優(yōu)點。

 本方案設(shè)計了一個可被計算內(nèi)核調(diào)用的深度神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)加速引擎，可高速執(zhí)行深度學習相關(guān)的人工智能算 法，如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)挖掘等，具 有100G FLOPS以上的算力，比普通處理器的計算速度 高出3到5個數(shù)量級。

 針對電力波形質(zhì)量分析的需求，本方案設(shè)計了一個 諧波檢測專用模塊，同樣可被計算內(nèi)核調(diào)用，快速地完 成傅里葉變換、采樣序列加窗、數(shù)字濾波等操作。

 擴展指令集與DNN模塊、諧波檢測模塊一起組成 了并行計算集群，集群內(nèi)有高帶寬的互聯(lián)總線和多級緩 存結(jié)構(gòu)，可在集群內(nèi)進行大規(guī)模的數(shù)據(jù)計算和交換。

 計算集群和主控模組間也有高速的DMA和硬件同 步模塊，可高效地完成數(shù)據(jù)與信號交互，從而使控制部 分和計算部分能夠有機的結(jié)合，使整個處理器兼顧通用 性和計算專用性，在覆蓋配電房基礎(chǔ)應(yīng)用的同時，能夠 擁有大數(shù)據(jù)的處理能力和高階人工智能算法的執(zhí)行能 力。芯片內(nèi)部架構(gòu)如圖3所示。 

圖3 芯片架構(gòu)

 2.3　軟件平臺 

電力運維管理平臺邊緣計算融合創(chuàng)新方案以邊緣 計算平臺為核心，通過5G專網(wǎng)實現(xiàn)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通 信，利用邊緣計算網(wǎng)關(guān)與邊緣計算電力運維管理平臺構(gòu) 建企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)中心。現(xiàn)場業(yè)務(wù)以邊緣計算網(wǎng)關(guān)為橋 梁，聯(lián)通現(xiàn)場設(shè)備與邊緣計算平臺內(nèi)的應(yīng)用。邊緣計算 平臺部署在公司總部數(shù)據(jù)中心，通過專線與運營商網(wǎng)絡(luò) 相連，在邊緣計算平臺上部署整套系統(tǒng)以實現(xiàn)5G數(shù)據(jù)的本地化處理與云端處理的融合。目前可實現(xiàn)以下4大 功能：

 （1）數(shù)據(jù)融合管理：針對公司所有運營項目中配 電設(shè)備上采集到的數(shù)據(jù)，通過5G網(wǎng)絡(luò)上傳到公司云服 務(wù)器和數(shù)據(jù)中心，并實施管理員權(quán)限、數(shù)字化連接和可 視化平臺的統(tǒng)一管理，在公司總部數(shù)據(jù)中心即可總覽所 有裝設(shè)本系統(tǒng)的項目詳細信息、設(shè)備工作情況。 

（2）設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)測：通過在項目中的機柜設(shè) 備上面部署數(shù)據(jù)傳感器、數(shù)字化儀表和采集器，可以采 集機柜上面設(shè)備運行期間的模擬量、開關(guān)量等數(shù)據(jù)詳 情，并經(jīng)過網(wǎng)關(guān)通過5G網(wǎng)絡(luò)實時上傳給公司云端。在 公司云端的Web界面可以實時查看每一個項目中每一組 柜子的電路圖、開合閘詳情以及采集器過去的具體數(shù)據(jù) 信息，并向企業(yè)提供多維度靈活的分析報表。設(shè)備狀態(tài) 實時監(jiān)測界面如圖4所示。

 圖4 設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)測界面 

（3）設(shè)備狀態(tài)檢測：通過Echarts的可視化方式 對云端數(shù)據(jù)進行Web端顯示和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，以環(huán)網(wǎng)柜上 采集器獲取并上傳的實時云端數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，建立以 Web端顯示為核心的數(shù)據(jù)管理可視化平臺，實現(xiàn)設(shè)備狀 態(tài)實時監(jiān)測、設(shè)備健康評估、項目故障總覽等功能。設(shè) 備狀態(tài)檢測界面如圖5所示。其中設(shè)備的健康評估算法 依據(jù)《配網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)評價導(dǎo)則》選取了開關(guān)柜中局部放 電值，超聲波頻率值，內(nèi)部氣壓，分合閘時間，儲能電 機電流，分合閘電流，各觸頭溫度，絕緣電阻，環(huán)境濕 度，負載率，運行年限等參數(shù)。并使用基于信息融合的 狀態(tài)估計方法，在數(shù)據(jù)層、特征層、決策層進行融合， 使各個評價方法可以揚長補短，加強了算法的魯棒性和 有效性。同時也提供更加全面和準確的開關(guān)柜狀態(tài)信 息，從而可以優(yōu)化運行管理策略，提高運行效率，促進 智能化管理和控制的發(fā)展。 

圖5 設(shè)備狀態(tài)檢測界面 

（4）設(shè)備故障總覽：針對公司裝設(shè)本運維管理平 臺的所有項目，進行配電設(shè)備的實時診斷和故障報警信 息的實時顯示，并對所有故障報警信息進行統(tǒng)計分析， 從而提供針對性的處理方法。故障總覽界面如圖6所示。

 圖6 故障總覽界面

 3　代表性及推廣價值 

本方案通過設(shè)計數(shù)據(jù)采集裝置、邊緣計算網(wǎng)關(guān)、云 平臺監(jiān)測軟件，實現(xiàn)了云、邊、端的的有效協(xié)同，擁有數(shù) 據(jù)采集、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)匯聚到數(shù)據(jù)管理的全生命周期管 理能力。該方案可以推廣到各種電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，如 智慧社區(qū)、智慧樓宇、智慧電廠等，為電力行業(yè)提供全方 位的數(shù)據(jù)管理和智能化服務(wù)。例如，在智慧電廠領(lǐng)域，該 方案可以實現(xiàn)對電力設(shè)備的實時監(jiān)測和控制，優(yōu)化電力生 產(chǎn)流程，提高電力生產(chǎn)效率和質(zhì)量；在智慧樓宇領(lǐng)域，該 方案可以實現(xiàn)對建筑能耗的實時監(jiān)測和控制，實現(xiàn)節(jié)能減 排的目標。該方案的應(yīng)用將為電力行業(yè)帶來更加高效、可 靠和安全的服務(wù)，推動電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，具有廣泛的應(yīng) 用價值和重要的經(jīng)濟和社會價值。

摘自《自動化博覽》2023年第2期暨《邊緣計算2023專輯》