張曉瑞,紀陵,范仲鳴
(南京國電南自自動化有限公司,南京 211153)
近些年,國家明確提出傳統(tǒng)能源體系要向低碳、清潔轉(zhuǎn)變[1]。電網(wǎng)在這一轉(zhuǎn)變中需要完成的使命是開發(fā)新一代或新型電力系統(tǒng),同時從傳統(tǒng)電網(wǎng)轉(zhuǎn)型發(fā)展為能源互聯(lián)網(wǎng)[2]。目前的配電物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)變成能源生產(chǎn)和消費的重要節(jié)點,既承擔能源生產(chǎn),也承擔能源消費,承載著能量的雙向流動;同時,它直接面向客戶,影響客戶體驗。新時期的配電網(wǎng)不僅要具備傳統(tǒng)配電網(wǎng)的可靠性要求,而且還要適應能源互聯(lián)網(wǎng)帶來的一系列沖擊。
我國配電網(wǎng)發(fā)展速度較快、設備廠家較多、技術規(guī)范不統(tǒng)一、人力資源不足、設備老化嚴重、運維成本加大,傳統(tǒng)的配電運維主站顯得力不從心,如何針對當前的配電網(wǎng)進行信息化、精益化管理,是新時期的特殊挑戰(zhàn)[3-4]?;谖覈潆娋W(wǎng)的現(xiàn)狀和能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的需求,為構建新一代配電物聯(lián)網(wǎng)提供配電設備運維能力、保障用電可靠性是一個值得研究的課題。
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的成熟,云平臺、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能計算等技術的普及與應用成為我國配電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一個契機。國家電網(wǎng)公司現(xiàn)有約220萬座變配電所、約600 萬個配電臺區(qū)及無數(shù)低壓側(cè)設備正在數(shù)字智能化改造[5],大量傳感器、高清智能攝像頭、機器人等設備已經(jīng)得到應用,智能告警、環(huán)境監(jiān)測、消防安防、態(tài)勢感知、三維仿真、自動巡視、圖像異常分析、設備狀態(tài)評估與研判等高級應用都將陸續(xù)展開[6-7]。針對需要技術手段來應對人力資源不足、配電網(wǎng)可靠性得不到保障、能源互聯(lián)網(wǎng)對配電網(wǎng)的沖擊等問題,本文提出一種云邊融合、邊緣自治的新型配電物聯(lián)運維體系架構方案,采用“云端集中決策+邊緣智能計算+云邊統(tǒng)一運維”的云邊融合體系架構,具有靈活、高效、開放、智能、彈性的特點。
配電物聯(lián)運維平臺為滿足邊緣端多種設備的接入并適應各種物理連接的復雜性、滿足多能采集系統(tǒng)的通信要求,需要在滿足性能要求后,簡化設計流程。
多種能源類型設備采集數(shù)據(jù)、云端海量實時數(shù)據(jù)的接入已經(jīng)成為配電物聯(lián)運維平臺面臨的關鍵挑戰(zhàn)[8],將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到集中式云平臺進行計算和存儲會導致數(shù)據(jù)擁塞、高延時和服務質(zhì)量降低,針對這一問題,多能系統(tǒng)邊緣端數(shù)據(jù)計算成為目前的主要選擇[9-10]。為緩解數(shù)據(jù)中心處理壓力、消除計算與通信的瓶頸、提升系統(tǒng)服務質(zhì)量,基于“將計算交付到數(shù)據(jù)感知源,就近提供智能服務”的設計思想[11-12]提出配電物聯(lián)云邊融合體系結(jié)構如圖1 所示,圖中VPN為虛擬專用網(wǎng)絡。
圖1 配電物聯(lián)云邊融合體系結(jié)構Fig.1 Power distribution IoT cloud-edge collaborative system structure
由圖1可見,以配電臺區(qū)為中心部署智能網(wǎng)關,并在智能網(wǎng)關中引入邊緣計算側(cè),輻射附近開閉所、臺架變壓器。智能網(wǎng)關間通過交換機互聯(lián),可實現(xiàn)計算能力互補。智能網(wǎng)關作為服務器端接受云化主站的通信連接請求,建立連接后主動向云化主站注冊,并提供本地模型文件供云化主站調(diào)用。
云邊融合注重“云邊一體”設計,基于適用多種場景的通信鏈路和協(xié)議,實現(xiàn)云邊間的協(xié)同、泛接入、彈性定制和就地決策,滿足海量接入和邊端區(qū)域自治計算的需求[13]。依賴云平臺的全局、多維特性,實現(xiàn)邊緣節(jié)點的策略協(xié)同、運維管控、能力增強等,滿足業(yè)務高效實時的就地決策,優(yōu)化上傳數(shù)據(jù),提高本地智能,保障接入安全[14]。發(fā)揮邊緣節(jié)點的適配作用,對下推動設備即插即用,通過自發(fā)現(xiàn)自注冊方式實現(xiàn)終端設備到智能網(wǎng)關的自注冊功能。
配電物聯(lián)網(wǎng)體系的建設不能一蹴而就,需要優(yōu)先進行云端平臺與邊端智能網(wǎng)關的建設,通過一定的規(guī)范或檢測推進端側(cè)協(xié)議及模型規(guī)范的定義[15]。
配電物聯(lián)網(wǎng)是能源革命下傳統(tǒng)電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展所產(chǎn)生的一種新型電力網(wǎng)絡運行形態(tài)?;谥悄茈娋W(wǎng)分布式智能體系的理念,將以自動化為代表的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系和以互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息體系進行融合,通過將物聯(lián)網(wǎng)技術在配電網(wǎng)中的深度應用,構建以全面感知為基礎、以軟件定義為手段的高度靈活與智能的配電系統(tǒng)運管體系架構[16],從本質(zhì)上支撐配電網(wǎng)在精益管理、科學決策等方面的發(fā)展需求,同時兼容以市場為主體的綜合能源快速發(fā)展,通過政策和技術帶動配電網(wǎng)相關產(chǎn)業(yè)的升級和轉(zhuǎn)型。
邊緣節(jié)點以配電臺區(qū)為中心,根據(jù)實際數(shù)據(jù)與計算能力部署智能網(wǎng)關,充分利用區(qū)域配電網(wǎng)彈性和物聯(lián)網(wǎng)技術打通邊緣節(jié)點智能網(wǎng)關組網(wǎng)構建分布式區(qū)域能源邊緣計算中心,實現(xiàn)區(qū)域能源邊端自治,為用戶提供準確的發(fā)電、儲能、用電等一體化服務。智能網(wǎng)關內(nèi)部采用容器化技術,由數(shù)據(jù)總線、計算中心、數(shù)據(jù)中心和綜合應用APP 組成。以APP為單位方便云端對邊端的管理及服務調(diào)用。端側(cè)設備自動向智能網(wǎng)關注冊,實現(xiàn)即插即用,電氣信號在有條件的情況下進行有線直連,在邊緣網(wǎng)關側(cè)完成模型統(tǒng)一與協(xié)議轉(zhuǎn)化工作,統(tǒng)一對上提供數(shù)據(jù)服務和接收云端下發(fā)的命令信息。
云端系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)中心、大數(shù)據(jù)智能分析中心、業(yè)務微服務中心組成,如圖2 所示。圖中GateWay 為微服務網(wǎng)關,DEMS 為專用配置管理軟件,SSO 為單點登錄。由圖2 可見,物聯(lián)網(wǎng)中心負責配電設備接入模型管理、基礎組件管理、網(wǎng)關管理與協(xié)議組件管理、規(guī)則引擎管理、遠程調(diào)用接口服務及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口服務;大數(shù)據(jù)智能分析中心包含3 個模塊,負責以設備為中心的數(shù)字孿生模型管理模塊(包括元模型建模、設備模型動態(tài)建模、場景模型建模和3D 可視化模型配置),數(shù)據(jù)融合與清洗模塊負責設備運行數(shù)據(jù)的存儲、清洗、批流計算和面向業(yè)務主題的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲,人工智能模塊負責設備的畫像、圖像異常挖掘分析、設備運維輔助決策、用戶用能評估與優(yōu)化調(diào)度潛力分析等;業(yè)務微服務中心負責業(yè)務微應用的統(tǒng)一管理與安全鑒權,保障應用系統(tǒng)的安全性,并輔助系統(tǒng)廠商快速集成部署。
圖2 配電物聯(lián)運維系統(tǒng)架構Fig.2 Operation and maintenance of the power distribution IoT system
配電物聯(lián)運維系統(tǒng)總體遵循電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡安全防護的有關規(guī)定,遵循“安全分區(qū)、網(wǎng)絡專用、橫向隔離、縱向認證”的基本原則。對有實時控制類需求或與調(diào)度交互的業(yè)務系統(tǒng)部署安全Ⅰ區(qū),對于有輔助設備控制類業(yè)務系統(tǒng)部署安全Ⅱ區(qū),對于只有監(jiān)測或運維管理類的業(yè)務系統(tǒng)可部署在安全Ⅲ區(qū)或Ⅳ區(qū)。
目前,配電物聯(lián)運維系統(tǒng)部署安全問題主要集中在以下2個方面。
(1)邊端安全。邊端智能網(wǎng)關對下滿足配電臺區(qū)內(nèi)安全規(guī)范及互聯(lián)網(wǎng)無線接入安全規(guī)范要求,同時網(wǎng)關裝置具備網(wǎng)口及VPN 撥號上網(wǎng)能力,通過三大運營商構建基于虛擬撥號專用網(wǎng)絡/專用網(wǎng)絡接入(VPDN/APN)的專用電力通信網(wǎng)絡,端對端加密采用國密算法保障縱向認證能力。
(2)云端安全。云端安全一直是安全防護中的重點,隨著云安全技術的發(fā)展和公共基礎云設施的完善,國家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司都在建設自己的私有云平臺。在新能源領域,大型集團及工業(yè)園區(qū)用戶陸續(xù)也采用公用云模式。
通常云端安全可分為以下4個方面。
(1)邊界安全。云端出入口采用云防火墻(云web 防火墻)及加密認證機制,并檢測防御入侵、流量入侵、分布式拒絕服務攻擊(dDoS)等風險,保障數(shù)據(jù)的安全傳輸,實現(xiàn)系統(tǒng)邊界安全。
(2)云上安全。利用隔離技術,根據(jù)業(yè)務功能及安全級別構建隔離區(qū),引入隔離區(qū)(Demilitarized Zone,DMZ)、數(shù)據(jù)安全接入?yún)^(qū)、生產(chǎn)控制區(qū)及安全運營區(qū)等進行分區(qū)管理,可通過網(wǎng)絡隔離技術實現(xiàn)。云服務器(Elastic Compute Service,ECS)主機根據(jù)安全級別劃分不同的虛擬私有云(Virtual Private Cloud,VPC)網(wǎng)絡,VPC 網(wǎng)絡之間通過嚴格的安全組規(guī)則進行控制,并通過監(jiān)測組件實時監(jiān)控網(wǎng)絡流量保障云上本體安全性。如果采用運營商云,需充分調(diào)研是否滿足云上安全防護要求。
(3)備用安全??刹捎迷贫嗷罴夹g、云上跨區(qū)節(jié)點部署系統(tǒng)及數(shù)據(jù)通道智能切換功能,實現(xiàn)系統(tǒng)異域互備。
(4)本質(zhì)安全。系統(tǒng)本身具備一定安全能力,包括容錯、自恢復、應用程序接口(Application Programming Interface,API)級訪問控制、統(tǒng)一身份認證、審計管理、實時告警及防滲透過濾等。
云計算與邊緣計算各有所長,前者擅長全局性、非實時、長周期的大數(shù)據(jù)處理與分析,能夠在長周期維護、業(yè)務決策支撐等領域發(fā)揮優(yōu)勢[17];而后者更適用局部性、實時性、短周期數(shù)據(jù)的處理與分析,能更好地支撐本地業(yè)務的實時智能化決策與執(zhí)行[18-20]。因此,邊緣計算與云計算之間不是替代關系,而是互補協(xié)同關系。
新形勢下配電網(wǎng)變得更龐大復雜,新增設備數(shù)量呈現(xiàn)快速增長趨勢,傳統(tǒng)的配電運維主站變得力不從心。新型智能化設備的加入打破了傳統(tǒng)運維模式,在智能化替代人工的大潮下需要打破傳統(tǒng)觀念采用新的運維方式[11]。如圖3 所示,邊端人工智能要充分發(fā)揮感知、思考、決策的能力,利用云邊融合,配合云端算法訓練共同完成自主巡航任務[21]。
圖3 配電物聯(lián)運維系統(tǒng)架構與數(shù)據(jù)流設計Fig.3 Architecture and data flow of the power distribution IoT operation and maintenance system
把海量的設備對象通過區(qū)域自治的方式管理起來,把原先只能在主站側(cè)完成的感知與動作轉(zhuǎn)變?yōu)樵谶吘墏?cè)和主站側(cè)共同完成,主站側(cè)只負責指揮決策,以便減輕主站側(cè)壓力并降低主子站通信流量。自管理的核心放在邊緣網(wǎng)關側(cè)。云邊協(xié)同技術,既能通過邊緣智能網(wǎng)關減輕海量終端直接接入云端的負擔,又能通過就地自治決策及時響應終端的需求,非常適用于海量分布式資源接入電網(wǎng)的應用場景,同時符合配電網(wǎng)支撐海量新能源智能設備接入的理念[22]。
設備數(shù)量多、類型雜、生產(chǎn)廠家多、協(xié)議多導致數(shù)據(jù)采集、匯總及上送變得困難。隨著配電網(wǎng)末端新能源設備的不斷接入,傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)給運維人員帶來了很大的壓力。運維的核心變成了解決人力不足問題,在當前體系結(jié)構越來越消耗人力的情況下就需要轉(zhuǎn)變系統(tǒng)體系結(jié)構,采用少配置、少維護的方式降低系統(tǒng)對人力的依賴。在統(tǒng)一模型、統(tǒng)一規(guī)約、統(tǒng)一數(shù)據(jù)上送格式的基礎上,還要滿足統(tǒng)一管理,統(tǒng)一通過自動化技術達到一種即插即用的效果。
如圖4 所示,邊緣智能網(wǎng)關機在對上和對下2個方向均采用即插即用技術,提高邊緣智能網(wǎng)關和海量終端的接入效率,降低運維的難度和對人力的消耗。一方面,邊緣智能網(wǎng)關上線后自動連接網(wǎng)絡,主動向主站上報注冊信息,云端主站自動發(fā)現(xiàn)、識別、鑒權受理、協(xié)議適配、指令下裝,實現(xiàn)邊緣智能網(wǎng)關在主站側(cè)的即插即用。另一方面,低壓末端海量異構終端可安全無縫接入邊緣智能網(wǎng)關機,自動接入,根據(jù)接入端口及服務標識識別,通過相應的通信協(xié)議APP 自動進行協(xié)議適配,實現(xiàn)終端在邊緣智能網(wǎng)關側(cè)的即插即用。
圖4 即插即用架構Fig 4 Plug and play architecture
邊緣智能網(wǎng)關部署即插即用服務,和云端的即插即用服務配合,當邊緣網(wǎng)關上線后向云端發(fā)起注冊交互請求,云端檢查是否已注冊網(wǎng)關設備、智能網(wǎng)關設備信息是否合法,自動實現(xiàn)注冊、認證全過程[23]。
低壓末端智能設備通過就地通信板卡用統(tǒng)一的設備發(fā)現(xiàn)協(xié)議自動向邊緣智能網(wǎng)關注冊,同時邊緣智能網(wǎng)關機設備發(fā)現(xiàn)APP 模塊也支持通過輪詢方式發(fā)現(xiàn)低壓末端智能設備。完成注冊的智能設備自動完成數(shù)據(jù)采集模型的更新,同時通知邊緣網(wǎng)關即插即用服務模塊,通過規(guī)范化的協(xié)議把設備信息發(fā)送到云端主站側(cè)。云端主站側(cè)審核設備信息,滿足入網(wǎng)條件則自動注冊到云端設備采集模型中。低壓末端智能設備完成注冊后,自動上報設備狀態(tài)及告警信息。整個過程類似智能家居入網(wǎng)過程。
低壓末端智能設備數(shù)量太多,協(xié)議不標準、廠家研發(fā)實力也參差不齊。除了通過檢測手段統(tǒng)一入網(wǎng)標準外,還應通過容器化手段隔離設備在部署上線過程中對其他在運行設備的影響。容器內(nèi)部的存儲、內(nèi)存使用、數(shù)據(jù)采集等功能不對容器外部資源產(chǎn)生影響。利用容器化運行的隔離特性實現(xiàn)不同類型、不同廠家設備的接入、退出和更新管理等功能[24]。采集設備的功能和機制更加靈活可靠,可實現(xiàn)新功能的無縫更新和功能無感回退。
即插即用技術不僅提供了多源設備數(shù)據(jù)采集多樣化隔離部署手段,同時提供了高效便捷的自動化運維方法,解決了不同類型和廠家邊緣智能設備巨量接入后的運維問題,降低了人力資源投入。
運維的核心是設備,以物理設備為中心的數(shù)字孿生體技術成為當前最流行的技術。設備數(shù)字孿生體可以在虛擬世界中還原真實的場景,如配電室。在配電室場景中所有設備的態(tài)勢感知與邊緣自治都可以基于數(shù)字孿生體進行展現(xiàn),同時可以基于數(shù)字孿生體進行一些更高級的應用。不同設備的區(qū)域、所屬、所檢測設備、量測、基礎屬性、物理部件、智能算法等都不盡相同,隨著智能設備類型越來越多,已上線的系統(tǒng)很難兼容處理新增設備,并將新增設備統(tǒng)一納入邊緣自治框架中[25]。配電運維領域相比物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),其設備關系更加復雜。傳統(tǒng)的物理模型無法解決一次電器設備數(shù)字孿生體的構建,可以把設備模型劃分為接入模型和數(shù)字孿生體模型。接入模型主要負責量測數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)的上行和指令數(shù)據(jù)的下行[26]。通過平臺接入側(cè)即插即用服務實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入,經(jīng)平臺的數(shù)據(jù)處理給數(shù)字孿生體使用。數(shù)字孿生體模型是電網(wǎng)模型與業(yè)務應用模型的融合體,接入模型是數(shù)字孿生模型的一部分。面對復雜的物理模型描述,同時考慮系統(tǒng)在構建后新設備上線對接入模型與數(shù)字孿生體模型統(tǒng)一動態(tài)靈活構建需求,可采用元數(shù)據(jù)設備建模方式描述設備模型,以面向?qū)ο蟮姆绞綐嫿ㄔO備接入模型與數(shù)字孿生體模型,通過對象實體和屬性實體的方式構建設備模型和面向數(shù)字孿生體的業(yè)務模型,即功能模型[27]。
所有的模型都通過元對象+元屬性對象構建[28-29],就像計算機世界都是由0 和1 組成的一樣。通過定義一套元數(shù)據(jù)定義規(guī)則就可以通過元數(shù)據(jù)定義出元模型和元屬性,進而通過元模型和元屬性定義出任意設備模型和業(yè)務模型,實例化設備模型得到設備實例,業(yè)務模型變?yōu)橄⒘魍ǖ妮d體格式[30],達到物理世界中萬物皆可建模、任何時候都可構建的效果來壯大配電系統(tǒng)應對新能源或萬物互聯(lián)的數(shù)字化革命沖擊。
智能網(wǎng)關集成控制、管理、計算和通信等功能,遵循“硬件平臺化和軟件APP 化”的設計理念[31],將軟件與硬件解耦,以標準化、模塊化的硬件設計與軟件APP 方式,針對不同的應用場景配置相應的功能,滿足業(yè)務的靈活、快速發(fā)展需求。
云邊一體化運維如圖5所示。部署云邊一體化運維平臺,開發(fā)云端APP 商店,以APP 軟件功能包為單位,實現(xiàn)云端對邊緣智能網(wǎng)關節(jié)點進行遠程集中式操作、升級、配置、消缺的自動化運維技術,解決海量邊緣智能網(wǎng)關節(jié)點管理困難、效率低下、運維工作量大的問題。
圖5 云邊一體化運維示意Fig.5 Cloud-edge collaborative operation and maintenance
系統(tǒng)廠家作為軟件系統(tǒng)研發(fā)方,把高級應用APP提交到云端一體化運維平臺。管理員對系統(tǒng)廠家提交的APP 進行虛擬環(huán)境驗證,包括版本、參數(shù)及其運行情況,審核通過后打上版本標簽進行歸檔。運維人員根據(jù)現(xiàn)場情況對云上APP 應用與智能網(wǎng)關側(cè)APP 應用進行升級,升級后APP 應用自動發(fā)送運行狀態(tài)信息上報給云端監(jiān)控。采用自動化運維技術,在云端對邊緣智能網(wǎng)關進行統(tǒng)一管理,靈活擴展業(yè)務功能。云邊一體化運維功能包括:(1)邊緣網(wǎng)關節(jié)點管理,創(chuàng)建、修改和刪除設備等;(2)容器管理,安裝、卸載、啟用、停止和修改容器內(nèi)容等;(3)應用管理,安裝、卸載、更新、狀態(tài)上報與查詢等;(4)操作系統(tǒng)、容器、APP軟件版本全生命周期統(tǒng)一管理等。
本文提出了一種云邊融合、邊緣自治的新一代配電物聯(lián)運維體系架構,采用“云端集中決策+邊緣智能計算+云端統(tǒng)一運維”的云邊融合體系架構重構靈活、高效、開放、智能、彈性、安全的新一代配電物聯(lián)運維系統(tǒng)。
(1)通過“云邊”一體設計,基于適用于多種業(yè)務場景的通信鏈路和協(xié)議,實現(xiàn)云邊間的協(xié)同、泛接入、彈性定制和就地決策,滿足海量數(shù)據(jù)接入的需求。
(2)依賴云平臺的全局、多維等特性及本文提到的安全防護策略,實現(xiàn)邊緣節(jié)點的策略協(xié)同、運維管控、能力增強,滿足業(yè)務高效實時的就地決策,優(yōu)化上傳數(shù)據(jù),提高本地智能,保障接入安全。
(3)發(fā)揮邊緣節(jié)點的適配作用,對下推動即插即用,通過自發(fā)現(xiàn)自注冊方式實現(xiàn)終端設備到智能網(wǎng)關的自注冊,減少大量繁瑣的設備接入工作。
(4)云端系統(tǒng)基于元數(shù)據(jù)建模與數(shù)據(jù)孿生技術,實現(xiàn)電力設備統(tǒng)一建模、實體關聯(lián)關系靈活配置、3D 模型標準統(tǒng)一的目的,讓操控類、運行監(jiān)視類、統(tǒng)合分析類、設備畫像類等高級應用基于統(tǒng)一的平臺靈活研發(fā),達到平臺+應用分離的效果。
(5)部署云邊統(tǒng)一運維平臺,開發(fā)云端APP 商店,以APP 軟件功能包為單位,實現(xiàn)云端對邊緣智能網(wǎng)關節(jié)點進行遠程集中式操作、升級、配置、消缺的自動化運維技術,解決海量邊緣智能網(wǎng)關節(jié)點管理困難、效率低下、運維工作量大等問題。目前,人工智能算法方面并不太成熟,面向配電網(wǎng)領域的圖像分析與模型算法自學習能力較弱[30],邊緣側(cè)、主站側(cè)的模型訓練與協(xié)同仍需要加大研究,但這種云邊協(xié)同、邊緣自治的理念應滲透進整個系統(tǒng)構建中,這才是配電運維物聯(lián)系統(tǒng)的關鍵所在,通過一系列技術手段實現(xiàn)系統(tǒng)智慧化運作,解決在人力資源不足的情況下配電網(wǎng)的運行維護問題。同時,這也是新一代配電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一部分,為綜合能源基礎平臺的建設提供參考。