基于电力物联网的配电房智能网关研制

程 立，陈桂友，丁浩川，刘中泽，胡绍谦

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京211102）

0 引言

目前中低压配电房的运维管理工作较为薄弱，配电房的设备故障和老化导致事故时有发生，比如局部放电导致电缆绝缘降低，水浸导致设备短路，老鼠啃咬导致绝缘破坏等。另外，低压配电房运维人员较少，难以做到高频度巡检，加之缺乏远程监视手段，导致运维效率较低［1］。很多情况下用户投诉时，才能发现和处理故障，费时费力效率较低。因此亟需推进基于电力物联网的配电房的规划与建设，提高配电房的整体运维水平。

2019年国家电网有限公司（以下简称“国网公司”）“两会”做出全面推进“三型两网”建设，加快打造具有全球竞争力的世界一流能源互联网企业的战略部署［2-5］。国网公司制订《配电物联网建设方案》以开展配电物联网顶层设计与关键技术研究，形成相关技术导则［6-8］。2020年在配电物联网示范区建设和台区智能终端建设的基础上，在江苏等地开展智能配电房的系统建设工作。总体规划上按照云管边端的建设思路，传感器、摄像头等构成端设备，物联网关构成边设备，EPON光纤、4G/5G无线和HPLC电力载波等构成管层，物联网管理平台等构成云端设备，系统架构见图1。

图1 智能配电房系统架构Fig.1 Intelligent distribution substation system architecture

从实际需求层面和政策层面，建设基于电力物联网架构的智能配电房十分必要。智能网关作为智能配电房辅助系统的重要节点，向下汇聚环境数据、设备状态、消防系统、安防系统以及视频、智能巡检等信息，借助虚拟化、数据中心及APP部署等技术，完成自动巡检、智能管控、智能联动及缺陷报警等边缘计算［9-11］功能。向上通过标准协议传输给物联网管理平台和可视化平台，实现配电站房的智能巡视、状态评估、远程监控、危险预警和异常告警等智能全面运维。

1 系统架构分析

配电房作为低压集约型应用的典型场景，已经在江苏省、深圳等地试点应用。江苏省相关规范中明确要求智能网关作为边设备，负责对配电房内各功能子模块进行信息存储、信息处理及分析，通过标准协议传输至远方监控平台，同时配置智能联动功能。南网标准设计与典型造价智能配电房部分，明确环境监控、设备状态监测、视频监控和安防监控功能配置，完成传感器数据汇集、处理、远传功能及站内设备的智能联动等功能。站内环境监测与设备监测等多以LoRa［12-14］无线通讯为主，辅以有线RS485方式。智能灯光采用硬结点方式，视频与机器人采用100 M/1 000 M以太网进行数据传输。网关出站采用EPON光纤方式和4G无线方式远传数据。

作为站内整个辅控系统的集中采集与管理装置，智能网关汇聚环境监视、设备监视、安防监视、智能灯光、火灾监测、视频监视及智能巡检等业务，视频业务送至可视化平台，其他业务送至物联网管理平台。智能配电房系统配置见图2。

图2 智能配电房系统配置Fig.2 Intelligent distribution substation system configuration

2 系统架构设计

系统架构应充分考虑软硬件融合的统一设计技术方案。硬件设计上，应充分考虑自主可控的设计框架，处理器优先考虑国产芯片，无线模组应符合国网输变电设备物联网的相关标准。软件设计采用将系统分解为多个子系统的技术方案，各子系统既能作为独立系统运行，又能相互交互协作。在软硬件协作方案基础上，软件可根据硬件作适配性裁减以提升系统整体性能。

2.1 硬件设计原则

硬件设计应充分考虑国产化需求，主要芯片应选取国产自主设计。处理器应具备高集成度，具备CPU/NPU/VPU/GPU等多个处理模块。通讯接口应考虑LoRa、RS232/485，以太网口和4G无线等需求。支持加密功能，支持安全智能TF卡认证、加密芯片硬加密、消息队列遥测传输协议（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT［15-17］））软加密等功能，满足互联网部统一安防的要求。电源设计要考虑主备冗余设计，防止一路电源掉电后引起设备停机。硬件设计应满足以下指标：

1）芯片：采用国产化芯片。支持至少8 G内存，128 G SATA接口，具备视频硬解码和AI识别功能，具备宽温特性。

2）无线：支持LoRa无线通讯。支持470 MHz和2.4 GHz两种工作频段，支持输变电设备物联网无线通讯和组网协议等。

3）加密：采用软硬件加密相结合的方式。支持安全智能TF卡、加密芯片和MQTT加密等，满足互联网部统一的安防要求。

4）外设：支持鼠标、键盘、显示器等。

5）面板：支持电源、运行、故障、通信指示灯等。6）电源：采用双电源设计。支持AC/DC 110/220 V，DC24 V/48 V。

2.2 软件设计原则

软件设计应考虑数据汇聚和业务处理两大功能。数据汇聚包括传感器数据接入、摄像头视频接入以及设备控制等功能，业务处理包括智能联动、智能运维、图像识别［18-20］等功能。通过数据汇聚和业务处理共同完成智能网关的业务功能。软件设计考虑以下功能：

1）通信汇聚：支持动环数据、设备状态、消防及安防等子系统的数据接入，就地分析并转发至远方主站系统。

2）智能联动：支持温湿度、环境气体等与空调风机联动；支持烟雾火灾与门禁联动；支持安防与灯光、视频联动等场景。

3）智能运维：支持安全帽、绝缘鞋穿戴检测；支持人员倒地识别；支持小动物（异物）入侵检测；支持外来人员入侵检测等运维场景。

4）智能识别：支持屏体压板状态识别；支持屏体指示灯识别；支持红外温度普测；支持设备温度精测；支持设备外观及状态监测；支持仪表读数识别；支持开关分合状态识别；支持设备运行声音监测；支持设备局部放电检测等场景。

2.3 软件实现

智能网关从业务功能映射到软件架构上，总体划分为通信子系统、视频子系统、web子系统和其他子系统等。通信子系统完成传感器接入和数据转发；视频子系统完成视频接入、图像识别；web子系统仅完成就地展示及控制，信息不出站，端口绑定在本地loop ip（127.0.0.1），外部网络无法访问。另外web系统采用了Https的安全加密措施，通过传输加密和身份认证保证传输过程的安全性；APP子系统完成MQTT数据中心搭建，支撑APP远程运维；开入开出子系统完成开入开出功能；面板灯子系统完成LED灯的显示。软件系统架构见图3。

图3 智能网关软件架构Fig.3 Intelligent gateway software architecture

为了保证网络系统的安全性，根据网络防护的相关规定，出站有线网络架设了防火墙和纵向加密装置，无线部分采用硬件加密与软件加密相结合的方式。除了网络系统上加以防护，网关本体采用加密和身份认证与外部交互，关闭诸如ftp/telnet等不安全端口，增加协议栈健壮性，防护了DOS攻击、FUZZ攻击、重放攻击等网络攻击。

软件架构按照通信子系统、视频子系统、web子系统、开入开出子系统和面板灯子系统等分解如表1所示。

表1 软件子系统分解Table 1 Software subsystem decomposition

2.3.1 通讯子系统

采用实时库、历史库和规约插件库的系统设计思路。实时库负责传感器数据的实时采集、历史库负责数据的历史存储和检索，规约插件负责向下传感器数据的接入和向上主站的数据转发工作。北向通道负责与主站物联网管理平台通信，南向通道负责接入各类传感器等信息。

北向通道：与物联网管理平台通讯，采用MQTT通讯协议。MQTT采用发布/订阅机制进行信息交互，该机制能够提供一对多消息分发。在信息交互过程中，MQTT将参与主体划分为发布者、代理和订阅者。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息的代理是服务器端。整个交互机制如图4所示。

图4 智能网关发布订阅机制Fig.4 Intelligent gateway publish subscribe mechanism

南向通道：负责与传感器通信，采用RS232/RS485及LoRa等方式。无线通信协议符合国网公司的输变电设备物联网微功率无线网通信协议。智能网关收集到传感器信息后，通过MQTT发布给物联网管理平台。

2.3.2 视频子系统

采用实时库、历史库和前置库的系统设计思路。实时库负责图像识别结果的存储，历史库负责图像视频的历史存储和检索，前置库负责各类摄像头的协议接入工作。各个功能要点如下：

1）视频实时库：实现IPC、NVR配置、视频识别结果等信息存储，可进行IPC控制命令转发。

2）视频历史库：实现图像及视频存储等功能。

3）视频前置库：实现《GB/T 28181公共安全视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求》、ONVIF等标准协议接入功能。

4）视频转发：实现《Q/GDW1517.1电网视频监控系统及接口》B接口的视频转发等业务。

5）图像识别：根据联动点与IPC预置位等信息，自动进行图像识别。

2.3.3 web子系统

主要由web服务器、fastCGI、前端框架、后端服务及转码服务构成。lightHttpd支持web服务，fastCGI完成web服务器请求解析并转发给后端服务进程，后端服务进程封装应用请求结果返回给fastCGI，进一步通过lightHttpd转发给web浏览器。各功能要点如下：

1）前端框架：采用web菜单固化方式，显示配置菜单、实时量菜单、视频菜单、历史菜单及综合展示菜单等。

2）web服务lightHttpd：采用开源web架构lightHttpd，轻量化配置，资源占用小。

3）FastCGI：实现与lightHttpd的信息交互，将web请求解析后转发给后端服务，同时接收后端服务的JSON报文并封装为http格式后转发给lightHttpd。

4）后端服务：后端服务向通信实时库注册，读取测点/事件等信息，控制摄像头；后端服务向视频实时库注册，读取视频流等。与FastCGI通过JSON格式交互。

2.3.4 APP子系统

考虑APP远程运维需求，部署docker子系统，实现远程部署和运维。内部通过内嵌MQTT数据中心交互，外部通过主站MQTT数据中心交互。智能联动模块可通过APP方式部署于容器内部。

2.3.5 开入开出子系统

IO子系统完成开入开出管理需求，采用预配置方式固化开入开出参数。

2.3.6 面板灯子系统

负责面板LED状态显示，可用来显示装置运行、LoRa通信、4G等通信状态。

各子系统交互如下：

1）视频子系统与通信子系统：通过“视频交互进程”交互，视频子系统为监视方向，通信子系统为控制方向。视频子系统将识别结果、告警等信息转化为通信子系统的“视频虚装置”入库，通信子系统可向“视频子系统”发起IPC控制命令。

2）web子系统与通信子系统：通过“后端服务”交互，“后端服务”解析web子系统的请求命令，转发给通信子系统的实时库和历史库，通信子系统完成数据封装后返回给“后端服务”。

3）web子系统与视频子系统：通过“转码服务”进程交互，“转码服务”转发web页面视频播放指令给视频子系统，视频子系统通过rtsp协议回复给“转码服务”，“转码服务”将rtsp转码为rtmp给web页面。

4）其他：智能联动模块通过通信实时库完成数据读取和联动控制，联动信息包括硬结点输出、软报文控制和IPC控制等。

3 工程验证

为了验证智能物联网关的研发思路，选取了湖北某地的智能配电房项目。该配电房项目建筑面积为60 m2，一次配置为10 kV线路两进四出，两台10 kV/400 V的配电变压器，容量为630 kVA。为实现智能配电房的建设目标，该配电房配置了动环监视及设备监视等传感器，配置了枪型和球型摄像机，还配置了智能门锁、空调风机等联动设备，整个配置清单如表2。智能网关汇聚动环设备数据及视频图像信息后，除了本地进行图像识别和智能联动等高级应用功能外，还分别上送到物联网管理平台和可视化平台。该项目自投运以来，为用户提供了详实的动环和设备监测数据、视频和图像数据。通过对配电房进行数据监测、图像识别和智能联动等功能实施，使得运行人员可以足不出户全面掌握配电房的运行工况，减少巡检次数，降低维护成本，提高配电房的智能运维水平。

表2 配电房配置清单Table 2 Distribution substation configuration list

4 结束语

本文针对传统配电房管理和运维水平较为薄弱的问题与不足，设计并进行了基于电力物联网的智能物联网关的研制工作。智能网关利用了物联网的无线传输技术，结合图像识别技术，形成集动环监测、设备监测、视频采集、图像识别、APP部署等为一体的智能网关系统。该系统能让运维人员全景掌握配电房的运行工况，减少巡检次数，降低维护成本，深度挖掘数据价值，提高配电房的整体运维水平。本文提及的智能网关技术方案，不仅适用于配电房，还可广泛应用于输变电、换流站，智能楼宇等系统，可以极大地提高系统的运维管理水平。