1、电子设计工程Electronic Design Engineering第31卷Vol.31第15期No.152023年8月Aug.2023收稿日期：2022-03-30稿件编号：202203234作者简介：雷 霏（1993），男，湖北赤壁人，硕士研究生。研究方向：物联网技术。在电力技术、物联网技术迅猛发展的形势下，各层级电网公司都将把重点移到电力与物联网相融合的技术领域。电力物联网的高接入、高并发、高交互的问题依旧是炙手可热的话题。现有的电力终端设备系统中，还存在很多关于接入兼容性不全面、扩容性不高、海量数据并发的问题。针对上述问题，各类厂商和设备供应商都研究了不同类别的终端系统设备，文献1中
2、采用的是以DSP(Digital Signal Process)为主体，快速、高性能的计算芯片，在采集台区电能原始信息的同时也开始在感知层进行谐波检测。但在电网庞大终端数量的情况下，构建组网模式的成本急剧上升。文献2利用光纤通信的方式实现了电力终端通信，这种方案使用频分复用技术实现了精确数据通信，但缺乏无线通信的多样性，无法满足电网终端数量大、种类基于智能电网终端系统的设计与实现雷 霏1，吴军平2，何天宜3（1.武汉邮电科学研究院，湖北 武汉 430074；2.烽火通信科技股份有限公司，湖北 武汉 430074；3.武汉大学，湖北 武汉 430074）摘要：随着能源行业的迅猛发展，数字化的电网
3、转型不断加深，物联网技术被逐渐引入电力行业。伴随着电力业务的高接入、高并发、高交互要求越来越严格，采取分布式的终端系统需求越来越大。针对上述问题，该文基于云、管、边、端4个层面需求分析的方法，并通过各类接口设计、业务应用与 I/O接口资源的聚合和断电业务保护关键技术 3个方面的软件设计，得出一套可满足高接入、高并发、高交互要求的终端系统。关键词：电力物联网终端；断电保护；系统设计；I/O接口中图分类号：TN876.3文献标识码：A文章编号：1674-6236（2023）15-0107-05DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2023.15.022Design and im
4、plementation of terminal system based on smart power gridLEI Fei1，WU Junping2，HE Tianyi3（1.Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications，Wuhan 430074，China；2.FiberhomeCommunication Technology Co.，Ltd.，Wuhan 430074，China；3.Wuhan University，Wuhan 430074，China）Abstract:With the rapid develop
5、ment of the energy industry and the deepening of digital gridtransformation，IoT technology is gradually introduced into the power industry.With the increasinglystringent requirements for high access，high concurrency，and high interaction of power services，thedemand for distributed terminal systems is
6、 increasing.In response to the above problems，this paper isbased on the method of demand analysis at the four levels of cloud，pipe，margin and terminal，andthrough the software design of three aspects:various interface design，aggregation of businessapplications and I/O interface resources，and key tech
7、nologies for poweroff business protection，andobtain a set of terminal systems that can meet the requirements of high access，high concurrency，andhigh interaction.Keywords:power IoT terminal；poweroff protection；systematic design；I/O interface-107电子设计工程 2023年第15期多的需求。在安全方面，文献3-5各自采用不同的协议安全，结合终端系统的独立性，在
8、物联网生态中可以保证用户的网络安全，不仅是在智能家居网关和医疗预警领域有所应用，更能在工业、石油、电力等领域移植运用，文献6在安全通信的过程中通过加密算法实现数据加密，提高了接入的安全性和可靠性。1终端系统框架设计该文终端设备结构主要分为两部分，第一部分是交采底板 MCU(Microcontroller Unit)的计量，用于采集各类型数据例如温度、湿度和电压值等业务原始数据。第二部分是主控板的物联终端系统，用于处理 MCU 传来的各类数据并与数据中心平台进行通信。该文从物联网架构入手，引出电力智能融合终端的需求分析，从云、管、边、端来整体概括电力物联网的整个框架，结合实际应用场景来分析终端的
9、需求依据。电力智能融合终端上的应用程序提供了运行环境，边缘物联代理支持各类采集终端和汇聚终端的即插、即连、即用的接入需求，用以实现感知层终端与物联管理平台之间的互联、边缘计算、电力信息采集、台区识别等功能，适配各类电力物联应用场景需求。电力智能融合终端本体由硬件层、软件层两层架构组成。硬件层由主控板、电源交采底板等构成，软件层由驱动程序、系统内核、应用 APP等组成。电力智能融合终端支持配电、交采系统的接入及各类通信接口和协议。其中，主控板本地通信支持 HPLC(High PowerLine Carrier)、RS485 等多种通信方式与感知单元进行数据交互，MCU交采底板支持各种串行通信接口
10、如 SPI(Serial Peripheral Interface)，而接入通信接口南向常用采集协议如 Modbus-RTU、DLT645、1376.1、1376.2 等规约，北向主站接入主要通过 5G、LTE、以太网口等方式，通过支持不同的下行通信方式，提供与子设备自定义数据的传输方式。在设计该电力智能融合终端时，依托物联网框架进行从上至下的设计框架。如图 1 所示，电力智能融合终端接入侧为场景示意图的端侧，其中包含配电设备、传感设备、用户设备和营销设备等，需要通过南向设备 RS485、HPLC、交采等接口接入对应的电力智能融合终端。图1云、管、边、端组网场景-108接入特性业务场景如图2所
11、示。图2接入特性业务场景图从图 2 可以看出电力物联的基本业务应用场景，电力智能融合终端整机输入三项电源，下挂电能表、断路器、温湿度计等终端，具备状态感知、数据采集和分析能力，并通过公共无线网络上报配电、营销主站或物联网平台。从接入特性业务应用而言，终端接入特性应用主要用于电力边缘物联代理终端的上联主站接入和下联终端接入、本地维护接入以及安全接入等方面。2终端各类接口设计2.1北向接口设计在交采底板向主控板传输的北向接口中采用SPI协议，SPI接口具有主从设备的特性。同时，SPI还可用作总线型通信模式，满足对外通信时，可以在SoC内部以RAM、DMA、寄存器模式与不同设备进行通信，大大提升了通
12、信速率7。此外，北向接口还包括以太网、5G/LTE 无线公网或专网接口等远程通信功能，其中，主要通过 5G模块来实现，5G 模块通过内置 USB 与主控板相连，通过无线方式与主站进行通信。5G 通信技术帮助智能电网进行用户的相关信息采集，表现形式是低压用电，这种技术可以对智能电网中的电力运行实时监控，对用户使用电力运行的平稳性进行分析8。另外，以太网口作为连接主站的辅助通信方式。文献9指出5G能够提供更加高效灵活的接入方案，相比传统光纤专线方式可有效节省部署成本，有助于提高智能电网的继电保护水平。2.2南向接口设计南向接口采用主流的 Modbus 协议接口。文献10指出Modbus生成的报文可
13、以保留原有数据集的攻击特征,并可以有效地提高入侵检测系统的检测精度。这个协议利用其高传输速率实现对各节点组的控制,同时对超多节点设备同时进行监控，提高了超多节点设备场景的监控效率11。并且在物理层中，Modbus技术支持基于 RS232、RS485的标准总线物理通信介质，以及以太网的通信链路支持12。南向接口还包括 RS232串口、RS485串口、电力线载波通信/微功率无线、北斗/GPS 双模、开入接口（4路）、PT100（2路三线制）、电源交采板等，用于用户采集和配电设备的信息采集，包括电表、断路器、交采、温度传感器、DI、本地时钟位置等各类信息采集和控制的业务应用等。选用电力线载波通信即H
14、PLC作为采集通信最为合适，具有提高采集的实时性、稳定性和可靠性等优点13。基于HPLC技术可实现模块互联互通、高频数据采集、停电主动上报、相位拓扑识别、台区自动识别等功能，上报准确率可达到100%14。2.3本地维护接口设计本地接口包括以太网接口、蓝牙等，其中以太网接口用于本地设备的升级维护，而蓝牙用于本地运维设备，可以对电力智能融合终端进行设备运维和信息采集等。蓝牙具有方便快捷、灵活安全、成本低、功耗低等特点15。因此，蓝牙技术运用在物联终端设备上是非常合适的，保持了低功耗和通信的有效性。2.4安全接入接口设计通过安全模组电力智能融合终端的应用，保障主站、物联终端和南向接入设备的安全接入和
15、数据安全；在主控板中运用容器技术实现分治的思想，保证其每一个程序都是一个独立运行的环境。容器技术为终端设备及每个应用程序提供软件服务，它不仅用于数据处理和存储管理还可以通过分布式服务器与物联网服务保持一致。多容器技术用来扩展物联网系统的能力，采用这种方法可以增加连接设备的数量、提高网络效率，以更好地进行计算、控制和数据存储16。3业务应用与I/O接口衔接的设计基于容器技术划归业务的不同类别，分别设置雷 霏，等基于智能电网终端系统的设计与实现-109电子设计工程 2023年第15期不同业务类型归属不同的容器，其中有各类传输协议服务的类型、电力专业特有的算法业务、物联网的协议栈类型业务、底层驱动I
16、/O的接口类型和数据处理的业务类型等。这些不同容器的相互通信，使得终端设备系统的联动性优异。该终端系统设计了一个公共接口comm_intf，有利于实现物理 I/O 口与其他业务互通互控。comm_intf是一个庞大的接口融合进程，其下面有若干个子线程独立运行，如 HPLC 模块接口通信的线程、串口通信的线程、WiFi接口的线程、北斗定位业务接口的线程以及 lora 和 ZigBee 的线程等。进程内通信通过消息队列互通消息。在外挂传感器时，采用 Modbus协议与主机进行通信，协议栈类型的容器通过 MQTT 传输协议下发任务与comm_intf通信。当消息存入消息队列时，带有标记的消息优先取出，并传入相对应的线程中，执行对物理I/O口的控制。同时，在数据处理完毕后通过 MQTT 服务将数据上传至IoT数据云平台。也可以通过远程操控，使用 IoT数据云平台下发控制指令一层一层地传递到某个物联终端设备的物理 I/O 接口。具体基于容器技术的应用程序框架图如图3所示。图3基于容器技术的应用程序框架图4断电业务保护关键技术4.1技术总揽与介绍在面对复杂的室外环境和恶劣的天气时，供电是否稳定是一