胡鋼　高旋　徐成澤　陳志列

摘? 要：隨著用電量不斷增大，以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)飛速發(fā)展，以數(shù)字化、智能化方式提升配電網(wǎng)效率及能力受到關(guān)注。文章通過分析云邊協(xié)同架構(gòu)，設(shè)計(jì)邊云協(xié)同配電網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用總體架構(gòu)；結(jié)合電力行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景特性，進(jìn)行配電網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)軟硬件設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)配電網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)的電磁兼容性進(jìn)行了分析，提出多級(jí)分壓瞬態(tài)電壓抑制劑技術(shù)及端口防護(hù)設(shè)計(jì)措施；研發(fā)了一款配電智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、環(huán)境安防監(jiān)控等，提高配電網(wǎng)智能化管理水平。最后，對(duì)網(wǎng)關(guān)電磁兼容性及可靠性開展了測(cè)試驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：智能網(wǎng)關(guān)；邊云協(xié)同；軟硬件設(shè)計(jì)；電磁兼容設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391.4；TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2023）19-0051-05

Design of Intelligent Gateway of Power Distribution Network Based on

Edge Cloud Collaboration

HU Gang1，2 GAO Xuan1，2， XU Chengze1，2， CHEN Zhilie1，2

（1.Guangdong Province Industrial Edge Intelligent Innovation Center， Shenzhen? 518057， China;

2.EVOC Intelligent Technology Co.， Ltd.， Shenzhen? 518107， China）

Abstract： With the continuous increase of power consumption and the rapid development of Industrial Internet， cloud computing， Big Data and other technologies， the efficiency and energy efficiency of the power distribution network in the digital and intelligent way have received attention.? The overall architecture of the intelligent gateway application of the power distribution network based on cloud edge collaboration is designed by analyzing the edge cloud collaborative structure. Combined with the characteristics of application scenarios in the power industry， this paper designs the software and hardware of the power distribution network intelligent gateway， focuses on the analysis of the electromagnetic compatibility of the power distribution network intelligent gateway， and proposes the multi-level partial voltage transient voltage inhibitor technology and port protection design measures. A power distribution intelligent gateway device has been developed to realize equipment status monitoring， environmental security monitoring and other functions， and improve the intelligent management level of power distribution network. Finally， The electromagnetic compatibility and reliability of the gateway have been tested and verified.

Keywords： intelligent gateway; edge cloud collaboration; software and hardware design; EMC design

0? 引? 言

隨著用電需求連年走高，用電場(chǎng)景由過去單一的電力供應(yīng)方式逐漸向多元化的服務(wù)方式轉(zhuǎn)變。數(shù)字技術(shù)是傳統(tǒng)電網(wǎng)賦能提升的重要手段，用來提升電網(wǎng)資源優(yōu)化配置效率和智能互動(dòng)水平[1-3]。作為電網(wǎng)的重要組成部分，配電網(wǎng)直接面對(duì)的是廣大用戶。需要不斷提升基礎(chǔ)設(shè)施質(zhì)量，提高配電網(wǎng)供電能力。配電網(wǎng)的綠色安全、泛在互聯(lián)和智能開放能力通過數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方式提升變得尤為重要[4-6]。

傳統(tǒng)云計(jì)算模型通過網(wǎng)絡(luò)將所有數(shù)據(jù)上傳到云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，利用云計(jì)算中心超強(qiáng)的算力，將計(jì)算需求的應(yīng)用集中起來解決。然而，在萬物互聯(lián)時(shí)代，設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量持續(xù)激增，導(dǎo)致云計(jì)算逐漸遭遇瓶頸的是網(wǎng)絡(luò)帶寬和時(shí)延。保證全場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)覆蓋的高昂成本也迫使企業(yè)下放一部分計(jì)算到邊緣，因此，利用邊緣設(shè)備計(jì)算和數(shù)據(jù)分析處理，在網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備上執(zhí)行原云計(jì)算的計(jì)算任務(wù)，降低云服務(wù)器的計(jì)算負(fù)荷，緩解網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力，提高數(shù)據(jù)處理效率[7-10]。

1? 邊云協(xié)同配電網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)整體設(shè)計(jì)

邊云協(xié)同配電網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)整體方案如圖1所示，包括智能網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)和邊云數(shù)據(jù)處理，智能配變終端、智能開關(guān)等感知設(shè)備部署在配電網(wǎng)低壓側(cè)，在用戶端進(jìn)行智能終端、智能電表等感知設(shè)備的設(shè)置[11]?；谂潆娮儔浩鞯葘?shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，實(shí)現(xiàn)邊云協(xié)同配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)、故障判斷等。與配電自動(dòng)化相比，基于電力物聯(lián)網(wǎng)的云邊協(xié)同配電網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)建設(shè)，更重視與用戶的交互[12-14]，在用戶端使用智能終端全面感知電網(wǎng)狀態(tài)，打通與用戶交互的數(shù)據(jù)壁壘，推動(dòng)配電網(wǎng)高級(jí)應(yīng)用。

1.1? 硬件設(shè)計(jì)

主頻700 MHz，支持4GLTE和LORA無線通信，支持三相載波HPLC接口，4個(gè)千兆R(shí)J45網(wǎng)絡(luò)接口，4個(gè)RS485三線制串口，2個(gè)RS485/RS232可調(diào)三線制串口。

采用SD5115T芯片設(shè)計(jì)核心板，核心板提供了GPIO管腳專門用來復(fù)位擴(kuò)展單片機(jī)，ARM雙核CortexA9，ZSP處理器鑲嵌在芯片中。xPON接入支持GPON/EPON/GE三模自適應(yīng)，遵從GPON標(biāo)準(zhǔn)G.984，G.983，以及802.3—2005、CTC的EPON設(shè)備技術(shù)要求。

配備PLC載波模塊，采用OFDM調(diào)制載波頻率2～12 MHz（支持自適應(yīng)調(diào)節(jié)），物理層。物理層峰值速率為14 Mbit/s，應(yīng)用層為2.8 Mbit。遵從Home-Plug國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。如圖2所示。

核心板支持?jǐn)U展RS485/RS232/RS422接口、CAN接口、DIO接口和AIO接口，USB提供兩個(gè)通道：管理通道和業(yè)務(wù)通道，管理通道采用標(biāo)準(zhǔn)的ModBusRTU協(xié)議。用于獲取擴(kuò)展單片機(jī)軟件版本、擴(kuò)展接口信息，升級(jí)擴(kuò)展單片機(jī)軟件，以及配置擴(kuò)展接口屬性（如串口速率、CAN速率等）等，核心板作為ModBusRTU協(xié)議的主要裝置。擴(kuò)展單片機(jī)作為ModBus RTU協(xié)議的從設(shè)備；業(yè)務(wù)通道使用私有協(xié)議。用于傳輸串口、CAN、DIO和AIO業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。擴(kuò)展單片機(jī)插入或者上電后，核心板通過管理通道自動(dòng)獲取擴(kuò)展單片機(jī)的接口信息，根據(jù)接口信息在Linux上創(chuàng)建不同的設(shè)備。

1.2? 電磁兼容設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)需滿足電力行業(yè)電磁兼容需求，需要對(duì)電源端口、外殼端口、功能接口、輸入端口、輸出端口進(jìn)行EMC防護(hù)設(shè)計(jì)，如圖3至圖5所示，并且針對(duì)I/O接口抗浪涌、耐壓難以兼顧的矛盾，首次采用浮地技術(shù)、多級(jí)分壓瞬態(tài)電壓抑制技術(shù)，提升了復(fù)雜電磁防護(hù)能力。

多級(jí)分壓瞬態(tài)電壓抑制技術(shù)方案采用三級(jí)保護(hù)，利用800 V TSS半導(dǎo)體放電管提高第一級(jí)防護(hù)器件的動(dòng)作電壓（DC 800 V），并控制元件后級(jí)殘壓在1 kV以下范圍；第二級(jí)運(yùn)用250 V 145 mA 5 Ω的PTC熱敏電阻實(shí)現(xiàn)分壓、限流；第三級(jí)封裝15 V雙向TVS管，主要是采用SMBJ15CA SMB實(shí)現(xiàn)；針對(duì)TSS動(dòng)作后的殘壓，開展嵌位共模防護(hù)，使得殘壓為19.6～31.6 V之間，尖峰電壓持續(xù)時(shí)間在0.1 μs左右。使用25 V TSS進(jìn)行差模防護(hù)，能夠達(dá)到10/700 μs波形4 kV的保護(hù)效果。

IO端口（LAN電口、光口）連接器金屬外殼通過EMC彈片與箱體可靠低阻導(dǎo)電搭接；串口塑料端子連接器開孔增加自制屏蔽罩于電路板上，并通過導(dǎo)電泡棉與殼體良好導(dǎo)電接觸；抽拉式電源模塊通過多個(gè)EMC彈片與箱體可靠低阻抗導(dǎo)電接觸；散熱開孔為6 mm以下小孔，良好導(dǎo)電的嵌入式折邊搭接，保證屏蔽性能。具體內(nèi)容如下：

1）LAN EMC防護(hù)，次級(jí)ESD保護(hù)器件兼差模浪涌保護(hù)。采用集成網(wǎng)絡(luò)變壓器。LED燈信號(hào)采用RC濾波（R=150 Ω，C=0.01 μF）。

2）USB接口，增加ESD防護(hù)，USB接口電源腳串入保險(xiǎn)絲。

3）COM口隔離與防浪涌設(shè)計(jì)，如圖5所示。

4）電源模塊采用定制模塊，信號(hào)地與機(jī)殼地（包括螺絲孔）分開，用高壓電容（耐壓≥1 000 V）作高頻連接（每個(gè)端口兩邊各1 pcs（相鄰端口可共用），每個(gè)螺絲孔各1 pcs），機(jī)殼地與內(nèi)部信號(hào)間表層airgap≥30 mil，內(nèi)層airgap≥10 mil，滿足介質(zhì)強(qiáng)度≥707 VDC（AC500 V）。

1.3? 軟件設(shè)計(jì)

配電采集終端需要與站點(diǎn)單元和上層服務(wù)器進(jìn)行通信。一方面，向站點(diǎn)單元的釆集終端發(fā)送命令或接收采集終端上傳的數(shù)據(jù)幀；另一方面，接收對(duì)上的服務(wù)器命令，將通信數(shù)據(jù)封裝數(shù)據(jù)包，并上傳。同時(shí)，采集終端要有便捷可視化的人機(jī)界面，展示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，配置系統(tǒng)參數(shù)，通信鏈路狀態(tài)等。利用邊緣計(jì)算的協(xié)同處理技術(shù)支持實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，采用面向服務(wù)的技術(shù)架構(gòu)，分層分布式構(gòu)建服務(wù)組件，如圖6所示。

軟件主要包括界面狀態(tài)可視化顯示、數(shù)據(jù)分析處理、參數(shù)配置設(shè)定，通過數(shù)據(jù)分析處理開展解析終端，并上傳數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頓重封裝和存儲(chǔ)，軟件支持接收采集終端上傳的數(shù)據(jù)幀、接收服務(wù)器命令、可視化人機(jī)界面顯示系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)、自動(dòng)配置系統(tǒng)參數(shù)、通信鏈路狀態(tài)等功能。配網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)的主要協(xié)議包括電力設(shè)備感知層到下層傳輸協(xié)議和配網(wǎng)智能采集終端到服務(wù)器端的上層傳輸協(xié)議，管理通道使用標(biāo)準(zhǔn)的ModBus RTU協(xié)議進(jìn)行通信，核心板作為ModBusRTU協(xié)議的主要裝置。擴(kuò)展單片機(jī)作為ModBus RTU協(xié)議的從設(shè)備，設(shè)備信息請(qǐng)求使用ModBus RTU協(xié)議的讀取保持寄存器功能，業(yè)務(wù)通道使用類似ModBus RTU協(xié)議數(shù)據(jù)格式進(jìn)行封裝的私有協(xié)議。

配網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)作為Modbus主設(shè)備，底層電力設(shè)備為從設(shè)備。配電智能網(wǎng)關(guān)與底層電力設(shè)備的通信，首先配網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)將需要通信的電力設(shè)備的地址放入Modbus包中，其次，與設(shè)備地址一樣的電力設(shè)備利用數(shù)據(jù)地址進(jìn)行查詢，查找所需電氣設(shè)備對(duì)應(yīng)寄存器的內(nèi)容，獲得系統(tǒng)配置的數(shù)據(jù)。當(dāng)電力設(shè)備響應(yīng)時(shí)，將該數(shù)據(jù)地址放入應(yīng)答幀中，從而讓配網(wǎng)智能采集終端獲悉是電力設(shè)備發(fā)出的響應(yīng)[15]。

由于MQTT具備兼容強(qiáng)弱不一樣的物聯(lián)設(shè)備計(jì)算性能，系統(tǒng)資源占用較小等優(yōu)勢(shì)，大多數(shù)云平臺(tái)采用MQTT協(xié)議。MQTT協(xié)議的實(shí)現(xiàn)需要?jiǎng)?chuàng)建客戶端和服務(wù)器，協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖7所示。其中，服務(wù)器位于中間，是消息代理的角色；客戶端位于兩邊，一邊是作為發(fā)布者，一邊是作為訂閱者，完成發(fā)布消息和訂閱消息的功能。

整個(gè)系統(tǒng)使用MQTT協(xié)議作為消息總線，按照以下原則進(jìn)行部署：在容器中部署MQTTBroker；ESDK（二次開發(fā)）部署在容器中，作為MQTT客戶端，連接同容器中的MQTBroker。為容器內(nèi)APP提供高級(jí)應(yīng)用開放接口；APP部署在容器中，作為MQTT客戶端，通過MQTBroker與ESDK進(jìn)行通信。

2? 測(cè)試分析

2.1? 電磁兼容性

本文在完成配電智能網(wǎng)關(guān)基礎(chǔ)軟硬件功能測(cè)試基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)配電智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行電磁兼容性能試驗(yàn)，包括30～1 000 MHz輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)、1 GHz以上輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)射頻試驗(yàn)，符合GB/T 9254—2008相關(guān)無線電騷擾限值和測(cè)量方法，測(cè)試環(huán)境設(shè)備的連接如圖8所示。

2.1.1? 30～1 000 MHz輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試

如表1所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合GB /T 9254—2008輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)（30～1 000 MHz）A級(jí)限值要求。

2.1.2? 1 G以上輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)射頻測(cè)試

在測(cè)量過程中，對(duì)天線高度（1～4 m）、天線極化方向（H/V）及天線相對(duì)于EUT的方位（在0～360°旋轉(zhuǎn)EUT）進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而得到不同頻率上的最大騷擾場(chǎng)強(qiáng)指示值，如圖9所示，由測(cè)試曲線可知，個(gè)頻段峰值均未超出限定最高值，符合GB/T 9254—2008輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)（1 GHz以上）A級(jí)限值要求。

2.2? 可靠性

將智能網(wǎng)關(guān)放入高低溫環(huán)境中進(jìn)行高低溫測(cè)試，測(cè)試其溫度范圍-5 ℃～50 ℃，同時(shí)開展沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)、IP防護(hù)等級(jí)的測(cè)試，試驗(yàn)完成后網(wǎng)關(guān)外觀、結(jié)構(gòu)、功能均保持正常，符合應(yīng)用場(chǎng)景使用需求。

3? 結(jié)? 論

基于邊云協(xié)同架構(gòu)設(shè)計(jì)了一款面向配電網(wǎng)的智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備，電磁兼容性符合GB/T 9254—2008相關(guān)要求，可靠性強(qiáng)，適用于電力應(yīng)用場(chǎng)景，能夠?qū)崿F(xiàn)配電房終端設(shè)備快速接入、屏蔽終端設(shè)備差異性，支持獲取設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、環(huán)境安防監(jiān)控、低壓電氣量監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)，提高了配電網(wǎng)智能化管理水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳德闊.配電網(wǎng)“十四五”規(guī)劃與發(fā)展思考研究 [J].智能建筑與工程機(jī)械，2019，1（7）：108-109.

[2] 林加生.提高配電網(wǎng)電壓質(zhì)量及供電可靠性的策略分析 [J].新型工業(yè)化，2020，10（7）：40-41+44.

[3] 彭程程，俞林浩，潘偉良.基于容器化的電力物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算設(shè)備 [J].新型工業(yè)化，2020，10（6）：20-22.

[4] 丁向群，鄭瀟.智能配電網(wǎng)現(xiàn)狀與應(yīng)用分析 [J].科技風(fēng)，2018（21）：176.

[5] 王雪濤.配電網(wǎng)管理現(xiàn)狀及對(duì)策的研究 [J].價(jià)值工程，2021（1）：101-102.

[6] 孟亮.借助《中國(guó)制造2025》發(fā)展電力裝備生產(chǎn) [J].新商務(wù)周刊，2017（18）：149.

[7] 馬松，王庚.5G邊云協(xié)同實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算架構(gòu)的研究 [J].電信科學(xué)，2019，35（S2）：15-22.

[8] 楊小蓮，卞蓓蕾，張燁華，等.新型配電系統(tǒng)智能終端分布式控制通信方案 [J].全球能源互聯(lián)網(wǎng)，2022，5（3）：282-289.

[9] SHI W S，CAO J，ZHANG Q，et al. Edge Computing： Vision and Challenges [J].IEEE Internet of Things Journal，2016，3（5）：637-646.

[10] SIEGEL B. Industrial Anomaly Detection： A Comparison of Unsupervised Neural Network Architectures [J].IEEE Sensors Letters，2020，4（8）：7501104.

[11] 謝人超，廉曉飛，賈慶民，等.移動(dòng)邊緣計(jì)算卸載技術(shù)綜述 [J].通信學(xué)報(bào)，2018，39（11）：138-155.

[12] NAN Y C，LI W，BAO W，et al. Adaptive Energy-Aware Computation Offloading for Cloud of Things Systems [J].IEEE Access，2017，5：23947-23957.

[13] 劉偉堯，馬廷博.我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展探析 [J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（20）：69-70.

[14] 趙澤予，鮑玉川，鄧科，等.多源儀器數(shù)據(jù)采集與管理的智能終端系統(tǒng)技術(shù) [J].電氣自動(dòng)化，2022，44（2）：57-60+64.

[15] 唐秋杭，李濤，陳華東.基于載波通信的電力終端數(shù)據(jù)采集檢測(cè)技術(shù)研究 [J].電網(wǎng)與清潔能源，2022，38（3）：74-79.

作者簡(jiǎn)介：胡鋼（1989—），男，漢族，山西臨汾人，中級(jí)工程師，碩士研究生，研究方向：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。

收稿日期：2023-02-24