李學(xué)齡,崔 焱,柴雁欣
(南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司平臺(tái)安全分公司,廣東 廣州 510663)
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,電力數(shù)據(jù)的規(guī)模急劇增加。電力行業(yè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。電力行業(yè)的發(fā)展依賴于高效的電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的主要?jiǎng)?chuàng)新應(yīng)用對(duì)象[1],可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將電網(wǎng)中的各種設(shè)備連接起來,從而形成智能電網(wǎng)。傳統(tǒng)的電力信息采集主要依靠人工來完成,存在工作效率低的問題,且會(huì)導(dǎo)致勞動(dòng)力的浪費(fèi)[2]。智能電網(wǎng)在信息化建設(shè)中,大量運(yùn)用了智能化終端對(duì)電力數(shù)據(jù)進(jìn)行信息采集和處理。整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)用了傳感器、智能電表的終端設(shè)備以及服務(wù)管理平臺(tái),促進(jìn)形成電網(wǎng)一體化。邊緣計(jì)算可以彌補(bǔ)電力數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)的不足,減少終端時(shí)延,同時(shí)提高服務(wù)工作的負(fù)載。電力數(shù)據(jù)是電力產(chǎn)業(yè)的寶貴信息,在向智慧電網(wǎng)發(fā)展轉(zhuǎn)變的過程中,電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大,電力負(fù)荷數(shù)據(jù)爆炸性增長(zhǎng)[3]。利用邊緣計(jì)算技術(shù)對(duì)電力共享服務(wù)進(jìn)行有效的業(yè)務(wù)場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)是十分重要的。以美國(guó)的麻省理工學(xué)院的Auto-ID實(shí)驗(yàn)室為例[4]。該實(shí)驗(yàn)室提出的Networked Auto-ID體系結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)[5]。同時(shí),美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)提出的Physical-net體系也對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生實(shí)際的進(jìn)步意義[6]。除此之外,歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織提出的機(jī)器到機(jī)器(machine-to-machine,M2M)架構(gòu)與歐盟第七框架計(jì)劃(7th framework programme,F(xiàn)P7)提出的物聯(lián)網(wǎng)-A架構(gòu)是眾多歐盟國(guó)家主導(dǎo)的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)[7],在歐盟國(guó)家的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究和應(yīng)用中占有十分重要的戰(zhàn)略地位。
本文通過基于邊緣計(jì)算的電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決異常用戶檢測(cè)、能效管理等行業(yè)痛點(diǎn),具有較高的實(shí)際價(jià)值。
共享服務(wù)管理模式是現(xiàn)代管理模式的一次深度變革。該模式是在提供服務(wù)時(shí),共享組織成員和技術(shù)等服務(wù)資源。共享服務(wù)最早應(yīng)用于事務(wù)型的常規(guī)工作,后來逐漸發(fā)展到各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域。共享服務(wù)具有規(guī)模性、統(tǒng)一性、服務(wù)性和專業(yè)性等特點(diǎn)。規(guī)模性表示通過對(duì)分散的服務(wù)單元進(jìn)行整合從而形成規(guī)模效應(yīng),以更好地完成任務(wù)。統(tǒng)一性是指將業(yè)務(wù)流程標(biāo)準(zhǔn)化,建立統(tǒng)一的操作模式,執(zhí)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。共享服務(wù)管理平臺(tái)擁有專業(yè)化的知識(shí)和人員,能為業(yè)務(wù)提供專業(yè)化的共享服務(wù)。其高度依賴于組織,受到組織的統(tǒng)一管控和規(guī)劃管理。綜上可知,共享服務(wù)管理平臺(tái)通過內(nèi)部資源整合減少冗余,提供支持性服務(wù),以降低服務(wù)成本。作為一個(gè)獨(dú)立的組織單元,其超越了集權(quán)化組織的特點(diǎn),能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來收益,實(shí)現(xiàn)降本增效;同時(shí),可以加速企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程,為企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型賦能,增強(qiáng)企業(yè)靈活性。
電網(wǎng)共享服務(wù)依賴于新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),而邊緣計(jì)算是目前效率較高的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之一。邊緣計(jì)算是指在網(wǎng)絡(luò)的邊緣側(cè)緊鄰人、物或者數(shù)據(jù)端,對(duì)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用等核心功能加以融合的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[8]。其優(yōu)勢(shì)是將計(jì)算資源和計(jì)算能力應(yīng)用到數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè),將智能服務(wù)直接提供給用戶。上述功能可以滿足用戶對(duì)海量數(shù)據(jù)的低時(shí)延、大數(shù)據(jù)量需求?;爻替溌坟?fù)載在邊緣計(jì)算的功能下得到有效減少。該鏈路是指數(shù)據(jù)源到數(shù)據(jù)云中心的通路。邊緣計(jì)算正是該鏈路可用的計(jì)算資源[9]。邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)既具備傳統(tǒng)集中式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì),包含了資源的高聚合性、管理的簡(jiǎn)單性、低網(wǎng)絡(luò)依賴性和高可擴(kuò)展性,又避免了傳統(tǒng)集中式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的劣勢(shì),對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的利用率達(dá)到最優(yōu)。邊緣計(jì)算體系框架包含應(yīng)用域、數(shù)據(jù)域、網(wǎng)絡(luò)域和設(shè)備域。這些功能域共同組成了邊緣計(jì)算的整體框架分層結(jié)構(gòu)。
邊緣計(jì)算體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 邊緣計(jì)算體系結(jié)構(gòu)
設(shè)備域、網(wǎng)絡(luò)域和數(shù)據(jù)域共同與應(yīng)用域接口進(jìn)行聯(lián)系。應(yīng)用域的運(yùn)營(yíng)主要是依靠對(duì)業(yè)務(wù)的全周期管理來完成的。應(yīng)用的可視化呈現(xiàn)是應(yīng)用域的最終結(jié)果[10]。而數(shù)據(jù)域在邊緣計(jì)算中承擔(dān)數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)隱私的作用,并且為數(shù)據(jù)的聚合與互操作提供支撐[11],對(duì)電力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算。網(wǎng)絡(luò)域能實(shí)現(xiàn)海量的連接與自動(dòng)化運(yùn)維,承擔(dān)著數(shù)據(jù)傳輸與網(wǎng)絡(luò)安全的重要作用,是整個(gè)體系的重要環(huán)節(jié)。設(shè)備域處于架構(gòu)的底層,管理電網(wǎng)傳感器、電表、監(jiān)控終端等設(shè)備,能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)智能應(yīng)用提供有力的支撐。
隨著電力行業(yè)的變革,對(duì)電力通信數(shù)據(jù)的有效信息提取也是十分有價(jià)值的,流量負(fù)載的分配依賴于流量負(fù)載模型。流量負(fù)載模型用于計(jì)算終端節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包的工作量情況,對(duì)于通信數(shù)據(jù)量的監(jiān)控起到關(guān)鍵作用,并且流量負(fù)載的計(jì)算也相對(duì)復(fù)雜。
為了獲取終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)率,需運(yùn)用香農(nóng)-哈利特(Shannon-Hartley)定理[12]。此定理給出了通信信息傳送速率的上限和信通信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)及帶寬的關(guān)系,可以解釋現(xiàn)代各種無線制式由于帶寬不同,所支持的單載波最大吞吐量的不同。對(duì)本文而言,終端j與該邊緣計(jì)算終端節(jié)點(diǎn)i進(jìn)行關(guān)聯(lián),終端節(jié)點(diǎn)i的數(shù)據(jù)率ri可以表示為SNR 的對(duì)數(shù)函數(shù),如式(1)和式(2)所示。
ri=wilog2(1+γi)
(1)
式中:ri為數(shù)據(jù)率;γi為SNR;wi為信號(hào)的頻帶寬度。
(2)
式中:Pi為節(jié)點(diǎn)i的傳輸功率;gi為對(duì)邊緣計(jì)算終端節(jié)點(diǎn)i的信道增益;σ2為噪聲功率。
終端j的k類業(yè)務(wù)數(shù)包以遵循泊松分布的平均到達(dá)率λjk生成。到達(dá)函數(shù)為Pjk。k類業(yè)務(wù)在邊緣計(jì)算終端節(jié)點(diǎn)i處的到達(dá)率如式(3)所示。
(3)
式中:λjk為平均到達(dá)率,滿足泊松分布;xijk為到達(dá)函數(shù)的權(quán)重。
k類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包中的每類平均包大小sk遵循指數(shù)分布。邊緣計(jì)算終端節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的服務(wù)時(shí)間也同樣遵循指數(shù)分布。P為服務(wù)時(shí)間。因此,邊緣計(jì)算終端節(jié)點(diǎn)i處接收數(shù)據(jù)包每個(gè)時(shí)刻的流量負(fù)載率如式(4)所示。
(4)
式中:ρi為流量負(fù)載率,取值范圍是[0,1);ri為數(shù)據(jù)率;sk為每類平均數(shù)據(jù)包的大小;Pjk為到達(dá)函數(shù)。
由于下行鏈路數(shù)量不是很多,相比而言其時(shí)延過小,可以忽略不計(jì)。在僅考慮上行鏈路傳播時(shí)延的情況下,邊緣計(jì)算終端節(jié)點(diǎn)i相關(guān)聯(lián)的終端j的平均傳輸延遲如式(5)所示。
(5)
式中:lij為終端j到節(jié)點(diǎn)i的平均傳輸距離;ω為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度;ψjk為在終端j處發(fā)送k類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的平均發(fā)送時(shí)延;φik為節(jié)點(diǎn)i處的k類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包排隊(duì)的平均等待時(shí)間。
共享服務(wù)管理平臺(tái)可以分成三層。上層為數(shù)據(jù)訪問接口層,包括各類接口訪問函數(shù)和Web 訪問接口等,用于服務(wù)的展現(xiàn)。中間層為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)的核心層,包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和系統(tǒng)管理等。其中,系統(tǒng)管理部分包括共享服務(wù)與共享數(shù)據(jù)庫等。底層是數(shù)據(jù)采集層,管理對(duì)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的讀寫更新,提供通過文件傳輸協(xié)議(file transfer protocol,F(xiàn)TP)和網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(network file system,NFS)兩種方式供其他系統(tǒng)調(diào)用。共享服務(wù)管理平臺(tái)框架如圖2所示。
圖2 共享服務(wù)管理平臺(tái)框架圖
云邊交互框架包含共享服務(wù)管理平臺(tái)、邊緣計(jì)算設(shè)備以及配電云主站等。云邊交互框架由于緊鄰數(shù)據(jù)源,可以高效地提供計(jì)算、存儲(chǔ)等服務(wù),以期實(shí)現(xiàn)服務(wù)能力的最大化。邊緣物聯(lián)代理是布署在現(xiàn)場(chǎng)、具備邊緣計(jì)算能力的智能設(shè)備。其核心是邊緣計(jì)算框架。邊緣計(jì)算框架是運(yùn)行于硬件設(shè)備上的基礎(chǔ)框架軟件,為各類邊緣應(yīng)用(application,APP)提供一整套的應(yīng)用開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境[13]。邊緣計(jì)算框架是打造邊緣生態(tài)、連通電力上下游企業(yè)的關(guān)鍵。統(tǒng)一云邊交互協(xié)議基于物聯(lián)網(wǎng)通用的消息隊(duì)列傳輸(message queuing telemetry transport,MQTT)協(xié)議,可以實(shí)現(xiàn)“設(shè)備自己說話”、與平臺(tái)的智能交互、設(shè)備的即插即用以及數(shù)據(jù)的跨專業(yè)共享。云邊交互框架如圖3所示。
圖3 云邊交互框架圖
用戶可以在應(yīng)用商店下載相關(guān)業(yè)務(wù)APP,通過與邊緣設(shè)備中的邊緣計(jì)算框架交互,利用MQTT與物聯(lián)管理平臺(tái)智能交互。而用電信息采集則通過代理性狀態(tài)轉(zhuǎn)移(repressentation state transiton,REST)應(yīng)用程序接口(application programming interface,API)與物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)智能實(shí)現(xiàn)相互聯(lián)動(dòng)。此外,配電云主站與企業(yè)中臺(tái)、企業(yè)中臺(tái)與物聯(lián)管理平臺(tái)間可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)。在總公司統(tǒng)一組織下,各大廠商共同制定統(tǒng)一云邊協(xié)議國(guó)網(wǎng)企標(biāo),并在物聯(lián)管理平臺(tái)中全面遵循、應(yīng)用該協(xié)議,可以實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)、不同品牌的邊緣設(shè)備接入平臺(tái)統(tǒng)一納管。在邊緣計(jì)算框架的支撐下,鏈路各節(jié)點(diǎn)間通信方式的統(tǒng)一化,構(gòu)成全鏈路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。
應(yīng)用開發(fā)是基于自描述的語法格式。在應(yīng)用開發(fā)中需要對(duì)設(shè)備所需的全部信息進(jìn)行描述。而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)接口是指物聯(lián)終端接收控制命令,并作出相應(yīng)動(dòng)作的描述。接口需要符合一定的格式。在應(yīng)用開發(fā)中,首先要對(duì)設(shè)計(jì)的物理模型接口進(jìn)行定義。接口定義如表1所示。
表1 接口定義
Tab.1 Interface definition
參數(shù)描述必選接口名稱支持中文、大小寫 字母、數(shù)字、短劃線和下劃線是接口標(biāo)識(shí)唯一標(biāo)識(shí)符,同一電力物聯(lián)終端下服務(wù)標(biāo)識(shí)不能重復(fù)是調(diào)用方式異步、同步是輸入?yún)?shù)設(shè)置該接口的輸入?yún)?shù)否輸出參數(shù)設(shè)置該接口的輸出參數(shù)否描述對(duì)屬性的描述,長(zhǎng)度限制為100 B否擴(kuò)展描述支持通信協(xié)議到標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)模型的映射關(guān)系是
基于事件觸發(fā)設(shè)備控制的邊緣計(jì)算流程如圖4所示。
圖4 基于事件觸發(fā)設(shè)備控制的邊緣計(jì)算流程
本文設(shè)計(jì)了基于事件觸發(fā)設(shè)備控制操作的邊緣計(jì)算方式。該方式依靠規(guī)則引擎的判斷,使APP根據(jù)命令完成觸發(fā)功能,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)具體電網(wǎng)設(shè)備的控制,完成預(yù)定的功能。
在應(yīng)用層,服務(wù)管理平臺(tái)借助遠(yuǎn)程通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)關(guān)的連接與交互,再通過網(wǎng)關(guān)與終端采集設(shè)備完成雙控制與采集行為。依照要求對(duì)不同的APP進(jìn)行加載,以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能。
APP采集的數(shù)據(jù)通過規(guī)則引擎比對(duì)后,當(dāng)達(dá)到條件就會(huì)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)功能。規(guī)則引擎依照服務(wù)分發(fā)指示啟動(dòng)命令服務(wù)。命令服務(wù)依靠將要執(zhí)行的函數(shù)調(diào)用后臺(tái)接口對(duì)臺(tái)變APP進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理。交互協(xié)議中設(shè)備升級(jí)的消息格式如表2所示。
表2 交互協(xié)議中設(shè)備升級(jí)的消息格式
測(cè)試過程包括數(shù)據(jù)通信過程、數(shù)據(jù)采集與處理、遙控觸發(fā)等環(huán)節(jié)。對(duì)于管理平臺(tái),首先檢查相關(guān)的測(cè)試功能,確認(rèn)功能無誤后對(duì)網(wǎng)關(guān)端口進(jìn)行配置。配置客戶端ID和網(wǎng)關(guān)連接地址。測(cè)試參數(shù)如下:額定電壓為AC 220 V/DC 12 V;頻率為50 Hz;啟動(dòng)電流為1級(jí);功耗小于20 W;接口為RS-485。
終端設(shè)備的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。
圖5 終端設(shè)備的統(tǒng)計(jì)結(jié)果
由于電網(wǎng)企業(yè)信息系統(tǒng)的安全等級(jí)具有嚴(yán)格的劃分,管理信息系統(tǒng)(management information system,MIS)和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition,SCADA)處于兩個(gè)安全級(jí)別不同的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中。SCADA采集的電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)位于獨(dú)立的調(diào)度生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行管理應(yīng)用。根據(jù)電力系統(tǒng)安全防護(hù)的規(guī)定,生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)與其他信息管理系統(tǒng)之間必須在物理層面上進(jìn)行隔離。為了完成SCADA的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)向MIS側(cè)的安全傳輸,該平臺(tái)的數(shù)據(jù)集成方案如圖6所示。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集接口軟件運(yùn)行在數(shù)據(jù)采集工作站上,SCADA的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過內(nèi)部通信協(xié)議傳送給數(shù)據(jù)共享平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)和共享。
圖6 數(shù)據(jù)集成方案圖
共享服務(wù)管理技術(shù)實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)依照上述開發(fā)過程,在實(shí)際應(yīng)用共享服務(wù)管理時(shí),運(yùn)維人員在云主站前端界面點(diǎn)擊下發(fā)一條遙測(cè)或停(復(fù))電指令,鏈路即開始執(zhí)行自檢操作。自檢的反饋結(jié)果會(huì)即時(shí)在日志中記錄。
日志系統(tǒng)不僅會(huì)完整記錄每臺(tái)設(shè)備執(zhí)行的每次歷史操作與其操作結(jié)果,而且會(huì)展示每次監(jiān)測(cè)鏈路間的詳細(xì)通信情況,并直觀顯示異常節(jié)點(diǎn)。共享服務(wù)管理平臺(tái)也會(huì)顯示自檢成功頁面。此外,在共享服務(wù)管理中還加入故障智能分析功能。當(dāng)反饋結(jié)果為失敗、鏈路不通暢時(shí),系統(tǒng)即可針對(duì)斷點(diǎn)所在位置智能分析本次自檢失敗原因。共享服務(wù)管理平臺(tái)會(huì)顯示自檢失敗原因的分析界面。相比人工排錯(cuò),該平臺(tái)大大降低了運(yùn)維成本。通過對(duì)業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行管理,實(shí)現(xiàn)了共享服務(wù)的目的。
共享服務(wù)管理平臺(tái)可依托豐富的歷史數(shù)據(jù),分析豐富的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和各種數(shù)據(jù),并通過接口的方式滿足不同用戶的需求。通過需求分析處理等業(yè)務(wù)的共享,能使問題與需求分析處理的流程規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。同時(shí),一支熟悉電網(wǎng)業(yè)務(wù)的共享服務(wù)團(tuán)隊(duì)能保障需求表達(dá)和問題溝通過程順暢,適應(yīng)多樣化、復(fù)雜化的用戶需求,提升處理速度與質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)用戶需求的快速、準(zhǔn)確響應(yīng)。此外,通過將分散的信息化業(yè)務(wù)集中處理并由一支專業(yè)的團(tuán)隊(duì)按統(tǒng)一的流程和標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,減少了因各地分散處理業(yè)務(wù)所導(dǎo)致信息安全受威脅的狀況。
本文對(duì)共享服務(wù)的功能進(jìn)行了分析。首先,基于國(guó)內(nèi)外共享服務(wù)的研究現(xiàn)狀,對(duì)共享服務(wù)中的關(guān)鍵技術(shù)——邊緣計(jì)算展開分析,闡述了基于邊緣計(jì)算的電力物聯(lián)網(wǎng)框架,并對(duì)其中的流量負(fù)載模型進(jìn)行重點(diǎn)分析和構(gòu)建。然后,基于邊緣計(jì)算技術(shù),開展對(duì)整個(gè)管理平臺(tái)的架構(gòu)設(shè)計(jì),并對(duì)其中的重點(diǎn)功能模塊進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。最后,對(duì)實(shí)現(xiàn)的共享服務(wù)管理平臺(tái)進(jìn)行遙測(cè)觸發(fā)驗(yàn)證,說明該平臺(tái)具有對(duì)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的管理和自檢功能。在未來的研究中,提高邊緣計(jì)算的快速算法能力是研究重點(diǎn)和方向。