适用于配电物联网的低压智能终端自适应接入方法

0 引言

近年来，国家电网有限公司高度重视配电网发展，逐年加大配电网建设改造投入力度，在满足社会用电需求［1］、解决配电网薄弱环节［2］、提升供电可靠性水平［3］以及保障大规模分布式电源接入［4］等方面成效显著。然而，在能源革命与数字革命融合发展趋势日益明显的形势下，配电网发展面临着前所未有的挑战:一是社会服务需求不断变化，例如储能、电动汽车以及新型交互式用能设备持续接入、客户多元化用能需求快速增长等；二是行业痛点、难点问题需要解决，例如测量覆盖率不足、设备标准化程度不高、业务需求响应不及时以及一线运维人力资源与配电网增速不匹配等。为此，配电网需要引入“云大物移智”等新技术与新理念，从本质上进一步提升配电网建设运维管理水平，推动业务模式、服务模式和管理模式不断创新。

配电物联网应运而生，其本质是配电网技术与物联网技术深度融合产生的一种新型配电网络形态［5］，实现对内支撑电网运行、客户服务、企业运营等业务，对外支撑资源商业运营、综合能源服务、虚拟电厂等业务。其中，统一感知终端建模与接入标准、源端自适应接入是实现配电物联网对内与对外应用目标的基础条件。

当前，虽然已有文献针对中压智能终端自适应接入问题，从终端结构设计［6］、建模方法［7-9］、数据与模型映射［10-11］、发现/注册机理［12］等方面进行了部分研究并取得一定成效，但是，随着配电物联网持续深化建设，低压配电网将面临海量低压智能终端的接入，针对低压智能终端自适应接入问题却尚未开展深入探索。与中压配电网不同，一方面由于前期低压配电网建设缺乏高度重视，以致出现通信协议不统一、设备标准化程度低、终端安装调试工作量大等诸多问题，直接造成终端接入困难；另一方面，低压智能终端种类数量更多、性能配置偏低，同时，在接入架构方面与中压智能终端存在着本质区别，因此，中压智能终端的建模方法和接入流程不再适用于低压智能终端。当前需要研究并解决低压智能终端自适应接入问题。

为实现低压智能终端自适应接入，文中建立基于新型架构的设备信息模型与信息交互模型，提出低压智能终端的自适应接入方法，最后通过搭建测试环境进行实验并结合工程试点建设应用效果，论证文中所提方法的有效性与可行性。

1 配电物联网

配电物联网是泛在电力物联网在配电领域的应用体现［13］，在遵循泛在电力物联网的“感知层、网络层、平台层、应用层”技术架构基础上，参考工业互联网“云”“边”“端”和通信网络架构体系，提出并构建了由“云”“管”“边”“端”组成的配电物联网系统架构。

1）“云”是云主站平台，采用云计算、大数据、人工智能等技术，实现主站全面云化和微服务化，满足海量末端设备即插即用、应用快速上线、多平台数据有效融合等业务需求，支撑电网中低压统一模型管理、数据云同步、应用程序（APP）管理等功能。

2）“管”是为“云”“边”“端”数据提供数据传输的通道，用于完成电网海量信息的高效传输，可划分为远程通信网和本地通信网2 个部分。其中，远程通信网为云主站与边缘计算节点之间提供数据通信通道，本地通信网为边缘计算节点与终端单元之间提供数据通信通道。

3）“边”是数据汇聚、计算和应用集成的开放式平台和容器。对下，“边”与“端”通过数据交换完成“端边”协同，实现数据全采集、全感知、全掌控；对上，“边”与“云”实时全双工交互关键运行数据完成“边云”协同，发挥云计算和边缘计算的专长，实现合理分工。

4）“端”是配电物联网架构中的感知层和执行层。负责向“边”或“云”提供配电网的运行状态、设备状态、环境状态以及其他辅助信息等基础数据，执行决策命令或就地控制功能。

2 信息建模

配电物联网模型由信息模型和信息交互模型2 个部分组成。前者用于描述“云”“边”“端”所能提供的服务能力，后者用于描述“云”“边”“端”之间根据需求所交互的具体内容与方式。

2.1 信息模型

相比中压智能终端，低压智能终端受传输速率、电池电量和无线带宽等因素限制，且其功能较为简单，若与中压智能终端同样都采用IEC 61850 标准进行建模，将导致模型文本信息冗余，影响信息传输的实时性。同时，实际工程中，IEC 61850 标准与IEC 61968 标准之间的映射工作量庞大，虽然部分文献针对该问题在理论上进行了一些研究［14-15］，但实际工程中尚未得到妥善解决，不利于低压智能终端自适应接入。因此，文中参考IEC 61850 标准、IEC 61970 标准、IEC 61968 标准和物联网信息模型标准等，精简模型层级，配合新型架构下的云主站系统建设，进行信息建模，主要包含以下3 个步骤。

步骤1:参考IEC 61850 标准的设备信息模型框架，根据配电物联网的具体实际业务需求，制定适用于配电物联网的设备信息模型框架。

适用于配电物联网的设备信息模型框架由基本信息、参数配置信息、拓扑信息以及服务能力信息组成。基本信息包含ID 信息、设备名称、制造厂商名称、软硬件版本和生产日期；参数配置信息包括通信参数配置信息和保护参数配置信息；拓扑信息包括低压一次设备拓扑信息，采用扩展分相拓扑建模方式；服务能力信息包括模拟量、离散量、累积量和命令等。

步骤2:在模型框架基础上，根据设备的功能需求，对设备进行功能分解与抽象建模。

步骤3:参考基于IEC 61968 标准的公共信息模型（CIM）语义描述方法，采用具备自描述能力的高效编码方式，例如:可扩展标记语言（XML）或JSON（Javascript object notation）语言，进行对象的实例化。

2.2 信息交互模型

在配电物联网系统架构中，信息交互模型主要包含“端边”交互模型与“边云”交互模型，特殊情况下也存在“端云”交互模型，该模型本质上与前2 种类似，此处不再赘述。

2.2.1 “端边”交互模型

“端边”交互模型主要包括基础数据、“端”的配置参数、实时/准实时数据和历史数据这4 类。其中，基础数据包括基本信息（厂家、类型、型号、ID等）、资产信息和其他描述等；“端”的配置参数包括保护功能配置、通信功能配置和其他配置等；实时/准实时数据包括遥测、遥控、遥信、遥调、累积值、波形、采样和事件等；历史数据包括遥测、遥控、遥信、遥调、累计值、波形、采样、事件和文件等。

2.2.2 “边云”交互模型

“边云”交互模型主要包括边缘计算结果、间接采集数据、拓扑模型和自身数据这4 类。其中，边缘计算结果是通过边缘计算APP 计算分析所生成的数据；间接采集类数据即“端边”交互数据；拓扑模型由“边云”协同生成；自身数据主要包括基础数据、“边”的配置参数、实时/准实时数据和历史数据等。

2.2.3 模型映射

“边云”和“端边”之间根据配电物联网实际业务需求，将所需交互的数据模型进行封装打包，形成模型子集，将其映射至具体的通信协议上。其中，通信协议的选取应遵循以下原则。

1）业务深度与高效适配。将通信协议技术与配电业务流程深度适配与协同，实现设备的标准化接入，配电网络各节点间采用统一的消息交互流程，实现业务高效运行。

2）设备物联网化和即插即用。“边云”通信和“端边”通信采用业界成熟的物联网协议标准，将成熟的物联网技术引入电力行业，有利于设备向物联网化演进，支撑各类设备便捷接入配电物联网。

3）消息传输灵活且安全可靠。根据配电业务数据模型需求，以面向对象的自描述方式，克服现有电力通信协议扩展性差、表达能力弱、互联互通性差等缺点，采用统一的信息模型架构和可靠协议机制，提供实时、稳定、高效、安全、面向对象的消息机制，实现信息的灵活描述和可靠安全传输。

因此，文中通过对现有电力通信协议与物联网通信协议进行比较（如附录A 表A1 所示），同时，考虑到对于具有边缘计算能力和较为充足内存空间的“边”层设备而言，“端”层设备大多属于资源受限型设备，其内存空间与计算能力相对有限，在“端边”之间采用受限应用协议（CoAP），“边云”之间采用消息队列遥测传输（MQTT）协议。

3 低压智能终端自适应接入实现流程

当前低压智能终端缺乏自适应接入维护体系，同时，考虑到与中压智能终端接入架构方面存在差异，所以无法完全采用中压智能终端自适应接入维护体系。因此，文中从首次接入、功能升级和因故退出等方面描述低压智能终端的自适应接入实现流程，力图建立一套完整的适用于低压智能终端的自适应接入维护体系。

3.1 终端首次接入

低压配电网状态全面感知作为配电物联网的基础应用场景之一，需新增大量低压智能终端，以获取基础数据。规范统一低压智能终端首次接入方式是必需的，接入方式如图1 所示，具体步骤如下。

图1 终端首次接入示意图
Fig.1 Schematic diagram of terminal first access process

步骤1:将低压智能终端信息模型标准模板库导入到物联网平台（对应图1 中的①）。

步骤2:通过扫码、导入等方式获取低压智能终端设备（对应图1 中的②），并将该设备通过云主站应用下发到物联网平台（对应图1 中的③）。

步骤3:低压智能终端进行现场安装并上电，根据其所记录的边缘计算节点IP 地址和端口号等信息，通过发现/注册机制完成向边缘计算节点的注册（对应图1 中的④）。

步骤4:边缘计算节点将该设备的身份上传给物联网平台并与其在云主站应用获取到的进行比对（对应图1 中的⑤）。

步骤5:若比对成功，则云主站即插即用服务首先调用该类设备信息模型模板，选择订阅所需服务，生成配置信息并进行备份（对应图1 中的⑥），并通知其他相关应用服务（对应图1 中的⑦）。然后，将其下发给边缘计算节点（对应图1 中的⑧），边缘计算节点即插即用APP 通知其他相关业务APP（对应图1 中的⑨），并将配置信息转发给低压智能终端（对应图1 中的⑩），低压智能终端即插即用单元根据配置信息调整业务数据转发表（对应图1 中的⑪），与边缘计算节点开始进行正常的业务数据交互（对应图1 中的⑫）；若比对失败，则发出“注册失败”提示信息。

3.2 功能升级

在正常通信过程中，往往根据实际业务变化的需求对相关的低压智能终端进行功能升级，具体步骤如下。

步骤1:边缘计算节点首先从物联网平台文件服务器中获取实例化的模型升级文件并由其即插即用APP 向低压智能终端即插即用单元广播发送升级文件传输请求信息（无须应答），低压智能终端即插即用单元打开文件传输通道，等待接收升级文件分片数据。

步骤2:边缘计算节点即插即用APP 通过文件传输通道给低压智能终端即插即用单元广播发送升级文件分片。

步骤3:等所有文件分片都传输完成后，边缘计算节点即插即用APP 轮询本地网络中低压智能终端接收到的分片情况。

步骤4:低压智能终端即插即用单元向边缘计算节点即插即用APP 回复具体未接收到的文件分片信息。

步骤5:边缘计算节点即插即用APP 根据接收到的信息给低压智能终端即插即用单元单播重传未接收到的分片内容，直到所有分片内容传输完成。

步骤6:当网络中所有节点分片都传输完成后，边缘计算节点即插即用APP 广播发送开始升级消息（无须应答），低压智能终端接收到该消息后开始升级重启。

低压智能终端升级完成后，边缘计算节点与云主站均要更新配置信息，并分别由其对应的即插即用APP 与即插即用服务通知相关高级业务应用。

3.3 因故退出

终端退出存在2 种原因:一种是终端本体故障（通信模块除外），另一种是通信链路断开。

1）终端本体故障（通信模块除外）

当低压智能终端本体发生除通信模块以外的故障时，终端即插即用单元感知到低压智能终端下线，立即向边缘计算节点即插即用APP 发送设备下线消息，消息内容包含设备基本信息。边缘计算节点即插即用APP 接收到设备下线请求消息后，向低压智能终端即插即用单元发送设备下线应答消息，消息包含系统时间。

2）通信链路断开

当边缘计算节点与低压智能终端之间的通信链路断开时，由于具有心跳报文机制，边缘计算节点与低压智能终端的通信协议栈将会在一定时间内感知到网络断开，分别通知边缘计算节点即插即用APP与低压智能终端即插即用单元离网。该场景中，边缘计算节点即插即用APP 和低压智能终端即插即用单元无需进行信息交互。低压智能终端下线后，边缘计算节点与云主站均将主动更新配置信息，并分别由其对应的即插即用APP 与即插即用服务通知相关高级业务应用。

同理，当边缘计算节点与云主站之间的通信链路断开时，其原理与上述情形类似。

4 测试及应用

4.1 实验测试

1）实验环境

为验证文中所提低压智能终端自适应接入方法的可行性，搭建了实验平台环境进行测试（实验环境如附录B 图B1 所示）。实验平台环境为:1 台具备“硬件平台化+软件APP 化”特点的智能配变终端，具有多种高级APP，主要包括即插即用、故障定位、线损分析、拓扑分析等；6 台自主研发的低压故障智能传感器，装置包括了3 个采集器和1 个主机，主机将所采集获取的线路故障信息上传到智能配变终端中用于故障定位，同时支持低压拓扑识别功能；1 台自主研发的云主站管理系统控制样机，用于统计终端种类数量并展示其接入退出等状态。本地通信方式采用宽带载波通信，通信协议为CoAP，远程通信方式采用无线4G 公网，通信协议为MQTT 协议。

2）实验过程与结果

首次注册:现场接线安装完成之后，运维工程师向物联网平台导入所有设备的模型文件，通过手持终端在云主站完成所有低压设备ID 的录入，并与设备自动上传至物联网平台的ID 验证比对，完成注册。云主站即插即用服务依据设备基本信息，调用低压故障智能传感器模型文件模板，选择订阅自身服务，生成配置信息并下发给低压故障智能传感器。6 台低压故障智能传感器平均接入时间由2.2 h缩短至12 min，接入效率提高约90%。

功能升级:在6 台低压故障智能传感器首次接入后，开展功能升级测试。运维工程师将升级的模型文件导入物联网平台，实例化设备名称、数据模型等信息。云主站即插即用服务调用物联网平台内实例化后的模型文件，重新选择订阅所需服务，生成新的配置文件并按照文中3.2 节所述步骤下发给低压故障智能传感器，开始进行同步升级。6 台低压故障智能传感器平均升级时间由0.6 h 缩短至6 min，效率提高约83%。

因故退出:实验测试模拟了2 种低压故障智能传感器离线场景。一种是由智能配变终端与云主站通信连接断开导致的低压故障智能传感器远程离线，另一种是由低压故障智能传感器与智能配变终端通信连接断开导致的本地离线。在前一种情形中云主站管理系统可在30 s 内及时发现并发出提示信息，在后一种情形中云主站管理系统可在60 s 内及时发现并发出提示信息。

4.2 工程应用

根据文中所设计的总体方案及上述测试结果，在山东、江苏、浙江、上海等地的配电物联网示范区进行了测试。以江苏苏州同里为例，涉及架空型线路与电缆型线路。架空型线路低压故障智能传感器部署情况如附录C 图C1 所示，电缆型线路低压故障智能传感器部署情况如附录C 图C2 所示。

在2 种线路场景中，对低压故障智能传感器进行功能升级，表现形式基本相同，而在首次接入方面略有差异，具体差异如下。在架空型线路上现场安装低压故障智能传感器时，为确保人身安全，需进行短时停电，在每次安装一个低压故障智能传感器前，首先通过扫码方式将其ID 信息上传至云主站，依此类推，直至完成所有装置安装工作。恢复送电后各个装置按照3.1 节所设计的流程自动以宽带载波通信方式通过发现/注册机制接入智能配变终端，智能配变终端以无线4G 公网通信方式将新上线装置信息主动上传至云主站，按照流程完成首次接入。在电缆型线路上现场安装低压故障智能传感器时，支持不停电安装，在每次安装一个低压故障智能传感器前，首先通过扫码方式将其身份信息上传至云主站，每完成一个装置的接线，该装置按照3.1 节所设计流程自动以宽带载波通信方式通过自发现/自注册机制接入智能配变终端，智能配变终端以无线4G公网通信方式将新上线装置信息主动上传至云主站，按照流程完成首次接入。

应用结果表明在现场低压故障智能传感器首次接入、功能升级和因故退出方面，由于受制于现场通信条件，所以时间略高于文中实验测试结果。

5 结语

针对未来配电物联网面临海量低压智能终端的接入导致安装调试运维工作量增加的问题，文中从3 个方面描述了适用于配电物联网的低压智能终端自适应接入方法。首先，考虑到健全的配电物联网模型体系是实现设备广泛互联、自适应接入的基础，文中提出借鉴物联网模型、IEC 61850 和IEC 61968等标准，建立一套适用于配电物联网的模型体系；其次，为促使低压配电网通信协议标准化，实现数据模型高效传输，文中通过对比分析并提出应用MQTT和CoAP 等物联网通信协议；最后，为实现海量低压智能终端即插即用，从低压智能终端首次接入、功能升级以及因故退出等方面论述了自适应接入实现流程。实验测试结果与当前工程应用情况表明所提方法能够有效地减轻运维人员的工作量，实现终端快速接入，缓解配电网增速与一线运维资源不匹配的矛盾。

虽然本文所提方法通过实验测试，并进行了小规模的工程试点应用，但是能否在配电领域大规模推广应用还需考虑到以下方面。

1）与传统电力模型体系不同，文中所提出的配电物联网模型体系是首次将电力模型与物联网模型融合的产物，仍需要经过时间与实践检验。

2）与中压智能终端相比，低压智能终端自适应接入涉及本地通信与远程通信，同时比较依赖于边缘计算装置与物联网平台，因而低压智能终端实现自适应接入的前提条件需要确保2 层通信环节、新型边缘计算装置以及物联网平台的可靠性。