朱斌庚 陳曉曼
收稿日期:2023-04-27
DOI:10.19850/j.cnki.2096-4706.2023.22.038
摘? 要:針對目前電能質(zhì)量采集器協(xié)議不統(tǒng)一、交互數(shù)據(jù)量大,采用傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)傳輸電能質(zhì)量數(shù)據(jù)時,常造成云平臺負荷大、數(shù)據(jù)上云效率低、連接超時頻發(fā)等問題,研制基于Modbus協(xié)議的邊緣計算電能質(zhì)量網(wǎng)關(guān),并提出基于該網(wǎng)關(guān)的電能質(zhì)量壓縮數(shù)據(jù)幀傳輸方案和基于采集請求的TCP保活連接方法。測試表明:該邊緣計算電能質(zhì)量網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)上云效率高、與云端平臺連接工作穩(wěn)定,具有推廣價值。
關(guān)鍵詞:Modbus;電能質(zhì)量;邊緣計算;預(yù)警提示
中圖分類號:TM73? 文獻標(biāo)識碼:A? 文章編號:2096-4706(2023)22-0174-05
Design of Power Quality Gateway of Edge Computing Based on Modbus Protocol
ZHU Bingeng1, CHEN Xiaoman2
(1.Guangzhou Xinyi Information Technology Co., Ltd., Guangzhou? 510630, China;
2.School of Electrical Engineering, Guangzhou Railway Polytechnic, Guangzhou? 511300, China)
Abstract: Focusing on the current inconsistent protocol and large data volume of power quality collectors leads to issues such as high platform load, low data cloud efficiency and frequent connection timeout when using traditional IoT gateways to transmit power quality data, the edge computing power quality gateway based on Modbus protocol is developed. Also, the transmission scheme of power quality compressed data frame and the TCP active connection method based on collection request are proposed. The test shows that the edge computing power quality gateway has high data cloud efficiency and the connection with the cloud platform is stable, which is worth popularizing.
Keywords: Modbus; power quality; edge computing; early warning tip
0? 引? 言
電能是當(dāng)前國民經(jīng)濟發(fā)展的重要能源,而隨著用電環(huán)境日趨復(fù)雜和用電系統(tǒng)負載持續(xù)變化,電能質(zhì)量問題頻發(fā)不斷[1],采用電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備和平臺及時診斷、定位電能質(zhì)量問題成為有效解決手段[2-4]。據(jù)智研咨詢《2023—2029年中國電能質(zhì)量治理行業(yè)分析報告》統(tǒng)計,2019年,我國電能質(zhì)量治理市場規(guī)模達1 206.4億元,其中電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備規(guī)模達244.9億元,配套產(chǎn)業(yè)軟件與服務(wù)達30.2億元。但實際應(yīng)用過程中仍存在不少困難:1)入網(wǎng)設(shè)備劇增導(dǎo)致云端平臺負荷大、數(shù)據(jù)上云效率低[5];2)不同電能質(zhì)量采集器協(xié)議存在差異,導(dǎo)致云平臺數(shù)據(jù)處理流程繁雜;3)網(wǎng)關(guān)與平臺連接穩(wěn)定性差,因網(wǎng)絡(luò)原因斷開后,短期重連效率低,導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸成功率不高。因此,亟須在數(shù)據(jù)上云前采取優(yōu)化措施,以降低云平臺負荷,提高云平臺監(jiān)測效率。
邊緣計算作為在數(shù)據(jù)源頭實現(xiàn)計算服務(wù)的計算模型,是解決以上問題有效方法。本文研制一套基于Modbus協(xié)議的邊緣計算電能質(zhì)量網(wǎng)關(guān)(以下簡稱“網(wǎng)關(guān)”),并提出一種電能質(zhì)量壓縮數(shù)據(jù)幀傳輸方案,以及基于采集請求的TCP?;钸B接方法,對提升電能質(zhì)量數(shù)據(jù)上云效率和連接穩(wěn)定性具有重要意義。
1? Modbus通信協(xié)議和邊緣計算
1.1? Modbus協(xié)議
Modbus協(xié)議是應(yīng)用層報文傳輸協(xié)議,具有實時性好、通信距離長、穩(wěn)定性好等特點,其采用主從通信技術(shù),已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化設(shè)備通信[6]。電能質(zhì)量分析儀普遍支持Modbus協(xié)議,包括基于RS485通信接口的Modbus RTU協(xié)議,以及基于RJ45以太網(wǎng)接口的Modbus TCP/IP協(xié)議[7]。
Modbus RTU數(shù)據(jù)幀由地址域、功能碼、數(shù)據(jù)和差錯校驗構(gòu)成,最大長度為256字節(jié)(Byte),其中地址域占1個字節(jié),功能碼占1個字節(jié),數(shù)據(jù)部分占0~252字節(jié),差錯校驗一般采用CRC校驗,占2個字節(jié)[8],如圖1所示。
Modbus TCP/IP數(shù)據(jù)幀由MBAP報文頭、功能碼和數(shù)據(jù)構(gòu)成,最大長度為260字節(jié),其中MBAP報文頭占用7個字節(jié),功能碼占1個字節(jié),數(shù)據(jù)部分占0~252字節(jié)[9],如圖2所示。
由上可知,Modbus RTU數(shù)據(jù)幀及Modbus TCP/IP數(shù)據(jù)幀最大支持252字節(jié)有效數(shù)據(jù)。
1.2? 邊緣計算
邊緣計算作為在數(shù)據(jù)源頭實現(xiàn)計算服務(wù)的一種計算模型[10],具有本地化、時效性、低耗能的特點:1)本
地化:通過將原本由云端集中的通信、計算、存儲等資源下沉到各邊緣節(jié)點,以降低對網(wǎng)絡(luò)資源的占用[11];2)時效性:可對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理,提高數(shù)據(jù)時效性;3)低能耗:云計算能耗高,邊緣計算可有效分擔(dān)云中心的工作量,降低系統(tǒng)整體能耗[12,13]。因此,邊緣計算對降低云端計算負荷具有重要意義。
2? 邊緣計算電能質(zhì)量網(wǎng)關(guān)整體設(shè)計
2.1? 邊緣計算電能質(zhì)量網(wǎng)關(guān)功能分析
在電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)中,網(wǎng)關(guān)位于電能質(zhì)量采集器與監(jiān)測平臺之間,是連接感知網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的紐帶,保證網(wǎng)絡(luò)連接,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)管理。網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)功能包括:1)接入電能質(zhì)量采集器:作為采集器入網(wǎng)的唯一入口,網(wǎng)關(guān)負責(zé)解析采集器協(xié)議,獲取電能質(zhì)量數(shù)據(jù);2)本地處理電能質(zhì)量數(shù)據(jù):具備一定運算、存儲能力,并對電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進行源頭處理,重新打包數(shù)據(jù),將Modbus數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換為平臺統(tǒng)一數(shù)據(jù)幀;3)傳輸數(shù)據(jù):通過4G、Wi-Fi,或以太網(wǎng)與云端建立和保持數(shù)據(jù)傳輸通道,實現(xiàn)設(shè)備入網(wǎng)、注冊、數(shù)據(jù)交換。
2.2? 邊緣計算電能質(zhì)量網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計
邊緣計算電能質(zhì)量網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)模塊組成如圖3所示,由ESP32控制板、4G通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、OLED顯示屏構(gòu)成。ESP32控制板負責(zé)現(xiàn)場電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集處理,內(nèi)置了雙核32位處理器,處理頻率達240 MHz,且集成Wi-Fi,具有較強運算能力;4G通信模塊負責(zé)將處理后數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫穗娔苜|(zhì)量監(jiān)測平臺,采用CAT.1等級,支持LTE和GSM網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣,滿足電能質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸需求;以太網(wǎng)通信模塊采用支持8路獨立硬件Socket同時通信的以太網(wǎng)模組,能夠?qū)崿F(xiàn)三相電能質(zhì)量波形數(shù)據(jù)同時采集;OLED顯示屏可實時顯示數(shù)據(jù)處理進度和狀態(tài)信息。
3? 邊緣計算電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸關(guān)鍵技術(shù)
3.1? 電能質(zhì)量壓縮數(shù)據(jù)幀傳輸方案
針對數(shù)據(jù)采集器Modbus數(shù)據(jù)幀傳輸次數(shù)多、數(shù)據(jù)幀格式未統(tǒng)一問題,提出電能質(zhì)量壓縮數(shù)據(jù)幀傳輸方案。該方案采用了游程編碼和變換編碼2種壓縮方式,及一種自定義電能質(zhì)量壓縮數(shù)據(jù)幀PQCDF(Power Quality Compressed Data Frame)。1)游程編碼:用于剔除Modbus數(shù)據(jù)幀中冗余信息,包括MBAP報文頭、地址域、功能碼、寄存器地址和校驗位等,屬于無損壓縮[15]。2)變換編碼:在精度要求范圍內(nèi),轉(zhuǎn)換電能質(zhì)量數(shù)據(jù)類型,用更簡短的數(shù)據(jù)類型代替,屬于有損壓縮[16,17]。3)自定義電能質(zhì)量壓縮數(shù)據(jù)幀PQCDF:格式如圖4所示,主要由幀起始、控制字段、序列號、數(shù)據(jù)信息和幀結(jié)束構(gòu)成。幀起始占2個字節(jié),標(biāo)識數(shù)據(jù)幀的開始;控制字段包括1字節(jié)功能碼、2字節(jié)數(shù)據(jù)長度,用于標(biāo)明幀類型和數(shù)據(jù)長度;序列號由2字節(jié)編號和1字節(jié)擴展號構(gòu)成,編號是平臺分配給網(wǎng)關(guān)的唯一識別號,擴展號對應(yīng)Modus數(shù)據(jù)幀的地址域,表示采集器的總線地址。
自定義電能質(zhì)量壓縮數(shù)據(jù)幀PQCDF通過剔除冗余信息、歸類參數(shù)值、變換編碼等措施實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮及傳輸數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化,以兼容不同Modbus數(shù)據(jù)采集器、減少數(shù)據(jù)傳輸量。同時通過增加網(wǎng)關(guān)唯一識別號和功能碼,優(yōu)化數(shù)據(jù)處理流程,減少平臺計算量,達到數(shù)據(jù)壓縮的效果,用數(shù)據(jù)壓縮比(Compression Ratio, CR)來衡量,計算公式如式(1)所示[18]:
(1)
式中DAnew和DAold分別表示壓縮后數(shù)據(jù)量和原始數(shù)據(jù)量。
對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一壓縮之后,數(shù)據(jù)按圖5電能質(zhì)量壓縮數(shù)據(jù)幀傳輸方案流程進行傳輸:1)網(wǎng)關(guān)分次從采集器獲取電能質(zhì)量Modbus數(shù)據(jù)幀;2)解析各Modbus數(shù)據(jù)幀,提取電能質(zhì)量參數(shù)值;3)歸類參數(shù)
值,統(tǒng)一數(shù)據(jù)類型;4)變換編碼,縮減占用空間,例如將各次諧波含有率等百分比浮點數(shù)轉(zhuǎn)為整形數(shù);
5)構(gòu)建PQCDF,打包所有參數(shù)值;6)傳輸數(shù)據(jù),網(wǎng)關(guān)收到平臺數(shù)據(jù)請求后,發(fā)送最新完整數(shù)據(jù)幀PQCDF給平臺。
3.2? 基于采集請求的TCP?;钸B接方法
為解決網(wǎng)關(guān)與平臺連接穩(wěn)定性差、數(shù)據(jù)傳輸成功率低等問題[19,20],本文采用基于采集請求的TCP?;畋3址椒āD6為該方法運行示意圖,該方法核心為:1)數(shù)據(jù)采集請求由平臺發(fā)起,網(wǎng)關(guān)響應(yīng),采集周期Tc單位為秒,且Tc ∈ [1,60],允許用戶動態(tài)更改Tc;2)平臺設(shè)置TCP超時時間Tp,若Tp內(nèi)未收到網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù),則斷開連接;3)網(wǎng)關(guān)設(shè)置TCP超時時間Tg,若Tg內(nèi)未收到平臺數(shù)據(jù),則重新建立TCP連接。
3.2.1? 平臺TCP超時時間Tp設(shè)置
雖然TCP超時時間Tp默認可達2個小時,但引起平臺連接超時因素多,除NAT超時為周期性,其他因素均具有隨機性;在異常處理機制下,網(wǎng)關(guān)會發(fā)起新TCP連接,Tp過大會導(dǎo)致無效連接數(shù)量增多,造成平臺端口資源耗盡和服務(wù)器宕機。
考慮到中國移動和中國聯(lián)通的NAT超時時間Tp一般為5分鐘[21],本文設(shè)定Tp = 300秒。
3.2.2? 網(wǎng)關(guān)TCP超時時間Tg設(shè)置
網(wǎng)關(guān)與平臺主動連接流程為:1)網(wǎng)關(guān)主動向平臺發(fā)起建立TCP連接,并完成身份識別認證;2)網(wǎng)關(guān)在完成身份識別認證后,不主動向平臺發(fā)起數(shù)據(jù)交換,僅被動回應(yīng)平臺請求;3)網(wǎng)關(guān)周期性從采集器讀取實時數(shù)據(jù),并進行邊緣計算,構(gòu)建PQCDF,僅在接收到平臺采集請求后,返回最新PQCDF數(shù)據(jù)幀;4)若Tp時間內(nèi),網(wǎng)關(guān)未接收到平臺請求,意味著連接存在異常,平臺中斷連接,網(wǎng)關(guān)需重新發(fā)起建立TCP連接,此時Tg = Tp。
因此,Tc、Tp與Tg滿足以下關(guān)系:
(2)
基于采集請求的TCP?;钸B接方法將NAT超時時間設(shè)為連接超時時間,并將采集請求周期限定在連接超時時間內(nèi),利用采集請求與網(wǎng)關(guān)回應(yīng)實現(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的TCP連接心跳功能;同時以NAT超時時間作為連接異常判定周期,在不占用心跳包傳輸帶寬基礎(chǔ)上,實現(xiàn)TCP保活連接,既提升網(wǎng)關(guān)與平臺傳輸效率,又保證連接穩(wěn)定性。
4? 測試與應(yīng)用
圖7為基于Modbus協(xié)議的邊緣計算電能質(zhì)量網(wǎng)關(guān)實物圖,可兼容Modbus RTU和Modbus TCP/IP協(xié)議電能質(zhì)量采集器。圖8為網(wǎng)關(guān)OLED屏顯示界面,分為狀態(tài)欄和進度欄,用于顯示狀態(tài)信息和處理進度。
根據(jù)平臺要求,采集器記錄一條電能質(zhì)量數(shù)據(jù)需要1 260字節(jié),網(wǎng)關(guān)至少需要從采集器讀取5幀Modbus數(shù)據(jù)。以5幀Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸為例,測試采用電能質(zhì)量壓縮數(shù)據(jù)幀PQCDF格式之后數(shù)據(jù)壓縮情況,如表1所示。
由該表可知,5幀Modbus RTU格式總長DAold1為1 280個字節(jié),采用PQCDF格式壓縮之后數(shù)據(jù)總長DAnew1為961個字節(jié);5幀Modbus TCP/IP格式總長DAold2為1 300個字節(jié),采用PQCDF格式壓縮之后數(shù)據(jù)總長DAnew2為961個字節(jié)。
Modbus RTU格式的數(shù)據(jù)壓縮比CR1為:
(3)
Modbus TCP/IP格式的數(shù)據(jù)壓縮比CR2為:
(4)
因此,在至少需5幀數(shù)據(jù)幀完成一條數(shù)據(jù)記錄傳輸?shù)那闆r下,采用電能質(zhì)量壓縮數(shù)據(jù)幀PQCDF格式可實現(xiàn)較好的數(shù)據(jù)壓縮,網(wǎng)關(guān)與平臺交互次數(shù)由原來多次傳輸降低到單次傳輸,極大提升數(shù)據(jù)上云效率、降低平臺負荷。
為測試網(wǎng)關(guān)與平臺連接穩(wěn)定性,隨機選取10個測試點,連續(xù)24小時測試實際傳輸數(shù)據(jù)量,網(wǎng)關(guān)采集頻率設(shè)定為20秒一次,每個測試點連續(xù)24小時的實際傳輸數(shù)據(jù)如表2所示。
按采樣頻率20秒一次計算,網(wǎng)關(guān)連續(xù)24小時理論采集數(shù)據(jù)量DCth應(yīng)為:
(個)? ? ? ? (5)
網(wǎng)關(guān)連續(xù)24小時實際采集數(shù)據(jù)量為DCrel,則每個測試點數(shù)據(jù)傳輸成功率η如式(6)所示:
(6)
按式(6)計算10個測試點的數(shù)據(jù)傳輸成功率,如表2所示。
由表2可見,10個測試點中,數(shù)據(jù)傳輸成功率為99.1%~99.9%,較傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)與平臺連接穩(wěn)定性顯著提高,網(wǎng)關(guān)達到設(shè)計要求。
5? 結(jié)? 論
基于Modbus協(xié)議的邊緣計算電能質(zhì)量網(wǎng)關(guān),在電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)中,采用邊緣計算對電能質(zhì)量數(shù)據(jù)歸類統(tǒng)一、壓縮、轉(zhuǎn)換、傳輸,具有采集器兼容性高、數(shù)據(jù)壓縮率高、連接穩(wěn)定性強等特點,提高電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)上云效率及系統(tǒng)連接穩(wěn)定性。邊緣計算電能質(zhì)量網(wǎng)關(guān)有效分擔(dān)云中心的工作量,降低電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)整體能耗,對提升電能質(zhì)量治理、節(jié)能減排和設(shè)備運維效率,推動“雙碳”戰(zhàn)略具有現(xiàn)實意義。
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作者簡介:朱斌庚(1987—),男,漢族,江西贛州人,中級工程師,碩士,主要研究方向:電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集。