★浙江大學(xué) 李健 

★浙江工業(yè)大學(xué) 張蔚，宋驍 

★湖北工業(yè)大學(xué) 張力 

★浙江工業(yè)大學(xué) 史秀紡 

★浙江大學(xué) 孟文超 

1　目標(biāo)和概述 

隨著電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，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(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)互 通、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備狀態(tài)等功能，以及對(duì)設(shè)備進(jìn)行 預(yù)測(cè)性維護(hù)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(hù)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(jì)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(dòng)機(jī)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(huì)給云端系統(tǒng)的 通信信道及存儲(chǔ)計(jì)算系統(tǒng)帶來(lái)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(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)，因此需要一種高效、可靠、低延 遲的計(jì)算模式來(lái)支持配電物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)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(jì)算提供了全新的解 決方案來(lái)應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題。邊緣計(jì)算技術(shù)可以將計(jì)算和存 儲(chǔ)任務(wù)從云計(jì)算中心轉(zhuǎn)移到更靠近數(shù)據(jù)源的邊緣設(shè)備中 進(jìn)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(shí) 時(shí)性。因此，我們提出一種面向配電網(wǎng)的邊緣計(jì)算解決 方案，主要為實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)：

 （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(chǎng)通感一體化的性能評(píng)估模型，構(gòu)建面 向全局優(yōu)化的配網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估診斷系統(tǒng)。 

（2）能效管理：構(gòu)建配網(wǎng)負(fù)荷多源、強(qiáng)耦合數(shù)據(jù) 采集、清洗與匯聚的專(zhuān)用數(shù)據(jù)處理框架，進(jìn)一步通過(guò)研 究電網(wǎng)質(zhì)量?jī)?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(jì)算平臺(tái)，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(jì)算平臺(tái)的基礎(chǔ)服務(wù)，通過(guò)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(chǔ)、專(zhuān)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(jìn)行清洗與分析，生 成智能報(bào)表和診斷報(bào)告；其邊緣側(cè)包括邊緣計(jì)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(shí)交互、相 互配合，實(shí)現(xiàn)硬件資源最大化利用，高效完成集中運(yùn) 維、分散控制。

 2.2　硬件平臺(tái)

 （1）數(shù)據(jù)采集層 

數(shù)據(jù)采集層主要負(fù)責(zé)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(diǎn)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(diǎn)檢測(cè)、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(shí)現(xiàn)本地可 視化；裝置元器件100%國(guó)產(chǎn)化，采用的嵌入式系統(tǒng)為 國(guó)產(chǎn)開(kāi)源系統(tǒng)RT-Thread，整體成本低廉，性?xún)r(jià)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(jìn)行定制和配置，以適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)采集場(chǎng)景。數(shù)據(jù) 采集裝置的一個(gè)應(yīng)用實(shí)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(chǎng)景

 （3）邊緣網(wǎng)關(guān)層 

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

 本方案設(shè)計(jì)了一個(gè)可被計(jì)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(xué)習(xí)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(jì)算速度 高出3到5個(gè)數(shù)量級(jí)。

 針對(duì)電力波形質(zhì)量分析的需求，本方案設(shè)計(jì)了一個(gè) 諧波檢測(cè)專(zhuān)用模塊，同樣可被計(jì)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(kuò)展指令集與DNN模塊、諧波檢測(cè)模塊一起組成 了并行計(jì)算集群，集群內(nèi)有高帶寬的互聯(lián)總線(xiàn)和多級(jí)緩 存結(jié)構(gòu)，可在集群內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)據(jù)計(jì)算和交換。

 計(jì)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(hào)交互，從而使控制部 分和計(jì)算部分能夠有機(jī)的結(jié)合，使整個(gè)處理器兼顧通用 性和計(jì)算專(zhuān)用性，在覆蓋配電房基礎(chǔ)應(yīng)用的同時(shí)，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(tái) 

電力運(yùn)維管理平臺(tái)邊緣計(jì)算融合創(chuàng)新方案以邊緣 計(jì)算平臺(tái)為核心，通過(guò)5G專(zhuān)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通 信，利用邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)與邊緣計(jì)算電力運(yùn)維管理平臺(tái)構(gòu) 建企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)中心。現(xiàn)場(chǎng)業(yè)務(wù)以邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)為橋 梁，聯(lián)通現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與邊緣計(jì)算平臺(tái)內(nèi)的應(yīng)用。邊緣計(jì)算 平臺(tái)部署在公司總部數(shù)據(jù)中心，通過(guò)專(zhuān)線(xiàn)與運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò) 相連，在邊緣計(jì)算平臺(tái)上部署整套系統(tǒng)以實(shí)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(shí)現(xiàn)以下4大 功能：

 （1）數(shù)據(jù)融合管理：針對(duì)公司所有運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目中配 電設(shè)備上采集到的數(shù)據(jù)，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)上傳到公司云服 務(wù)器和數(shù)據(jù)中心，并實(shí)施管理員權(quán)限、數(shù)字化連接和可 視化平臺(tái)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(xiàng)目詳細(xì)信息、設(shè)備工作情況。 

（2）設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：通過(guò)在項(xiàng)目中的機(jī)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(jī)柜上面設(shè)備運(yùn)行期間的模擬量、開(kāi)關(guān)量等數(shù)據(jù)詳 情，并經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳給公司云端。在 公司云端的Web界面可以實(shí)時(shí)查看每一個(gè)項(xiàng)目中每一組 柜子的電路圖、開(kāi)合閘詳情以及采集器過(guò)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(bào)表。設(shè)備狀態(tài) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面如圖4所示。

 圖4 設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面 

（3）設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)：通過(guò)Echarts的可視化方式 對(duì)云端數(shù)據(jù)進(jìn)行Web端顯示和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，以環(huán)網(wǎng)柜上 采集器獲取并上傳的實(shí)時(shí)云端數(shù)據(jù)庫(kù)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(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀 態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、設(shè)備健康評(píng)估、項(xiàng)目故障總覽等功能。設(shè) 備狀態(tài)檢測(cè)界面如圖5所示。其中設(shè)備的健康評(píng)估算法 依據(jù)《配網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》選取了開(kāi)關(guān)柜中局部放 電值，超聲波頻率值，內(nèi)部氣壓，分合閘時(shí)間，儲(chǔ)能電 機(jī)電流，分合閘電流，各觸頭溫度，絕緣電阻，環(huán)境濕 度，負(fù)載率，運(yùn)行年限等參數(shù)。并使用基于信息融合的 狀態(tài)估計(jì)方法，在數(shù)據(jù)層、特征層、決策層進(jìn)行融合， 使各個(gè)評(píng)價(jià)方法可以揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短，加強(qiáng)了算法的魯棒性和 有效性。同時(shí)也提供更加全面和準(zhǔn)確的開(kāi)關(guān)柜狀態(tài)信 息，從而可以?xún)?yōu)化運(yùn)行管理策略，提高運(yùn)行效率，促進(jìn) 智能化管理和控制的發(fā)展。 

圖5 設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)界面 

（4）設(shè)備故障總覽：針對(duì)公司裝設(shè)本運(yùn)維管理平 臺(tái)的所有項(xiàng)目，進(jìn)行配電設(shè)備的實(shí)時(shí)診斷和故障報(bào)警信 息的實(shí)時(shí)顯示，并對(duì)所有故障報(bào)警信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， 從而提供針對(duì)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(jià)值 

本方案通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集裝置、邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)、云 平臺(tái)監(jiān)測(cè)軟件，實(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)建筑能耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減 排的目標(biāo)。該方案的應(yīng)用將為電力行業(yè)帶來(lái)更加高效、可 靠和安全的服務(wù)，推動(dòng)電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，具有廣泛的應(yīng) 用價(jià)值和重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年第2期暨《邊緣計(jì)算2023專(zhuān)輯》