随着电网规模进一步增长，国有企业转型、电力市场化改革进一步深入，大规模新能源消纳、新兴市场主体逐步接入电力系统，调控对象将爆炸性增长，系统朝开放、共享、智能互动的方向转变，为系统的运行控制带来挑战，面向有限主站和厂站一体化运行设计的OS2系统在架构上遇到了一定瓶颈。为应对大规模分布式电源、储能等各类高不确定性新兴市场主体参与电网运行带来的开放共享、智能互动、复杂多变的发展需求，进一步拓展系统架构和平台的生态属性，南方电网近年来开展云边融合智能运行平台的研究与建设[1]。
与此同时，“云大物移智”等IT技术的成熟，为IT与传统能源技术的融合提供了土壤，为系统运行领域大规模应用IT新技术带来机遇。[2][3]例如文献[4]研究了针对一种“边”作用的5G物联边缘网关，并应用于配电房，取得了良好效果；文献[5]研究了边缘缓存在需求响应业务中的应用，设计了基于边缘缓存的需求响应通信网络架构，并针对信息分发效率问题提出了一种多跳范围下的边缘协同缓存算法；文献[6]通过物联网技术，利用PLC、工业物联 网关、云端服务器完成设备运行信息采集和监测，更加可视化地对数据实时监控。文献[7]将边缘计算和微服务技术相结合，开发了面向云制造的智能边缘网关，通过边缘网关访问分布式制造资源，同时实现云边协同。边缘端不同类型的边缘节点作为调度云平台与边缘节点两级融合的重要部分，有必要对其数据采集接入场景进行分析。
1 边缘设备接入电力监控系统存在的问题
当前广泛运用的调控一体化系统是针对有限数量的主、厂站传统模式架构来规划设计的，面对将以爆发性趋势增长的新兴主体，在系统承载能力、数据通道、网络安全防护水平、终端接入效率及成本等多个方面均存在一定的局限性。
针对海量新兴主体数据采集，若采用传统厂站数据接入监控主站方式，一方面接入方式复杂、调试周期长，将耗费大量人力物力资源；另一方面，对于多点分散的分布式主体，建立整套采集传输设备及通道，资金投入多，经济性不高。
目前，能源监视平台接入新兴主体采用传统接入方式。边缘终端数据通过专线接入临近变电站远动设备，由远动将终端数据转发至主站，在主站端手动配置终端模型，由此来实现配网运行数据的采集。模型搭建难度大，接入流程复杂，调试进度较缓慢；此外，专线接入方式仅适宜终端与转发设备距离较近的场景下，随着可参与响应的分布式负荷不断增加，仅靠有线电力通信无法在满足通信可靠性与实时性前提下为数量众多且分散的分布式负荷实现精确的需求响应，因此不具备通用适宜性，可实施性低、推广性不高。
虽然边缘计算将云计算功能扩展到了网络边缘,更加接近終端用户且地理位置分散，可以支持低时延、位置感知、高移动性的应用服务。但是,边缘计算单元通常没有充足的计算资源和存储资源来满足海量数据的计算和存储，并且由于边缘节点的低功耗、异构性和功能薄弱单等约束，服务的质量与可靠性还会受到影响[8]。因此，研究快捷的边缘网关多类型数据采集传输方法，实现边缘网关与监控系统的协同交互是十分必要的，通过边缘网关的即插即用、自动建模，简化接入过程，快速完成网关接入及自动配置，实现终端、网关、平台的协同交互。
2 边缘网关分类及应用场景
云边融合智能平台中，边缘网关及边缘集群组成两级融合架构中的“边缘端”，实现海量新兴并网主体及传统厂站的数据采集、监视控制、应用分析等需求。
边缘网关面向新型电力系统业务场景，部署在变电站、配电站所/台区/杆塔、分布式新能源等新兴市场主体的并网点位置，边缘集群部署在各级调度主站。边缘网关负责采集本地电网运行数据，上送边缘集群，并实现电网运行方式切换、调频调峰等指令操，支撑调度运行和市场运营，以适应新型电力系统发展。
根据数据传输类型、应用场景及功能性能差异，将边缘网关分为I型、II型、III型等3类设备。I型边缘网关为部署在变电站的智能远动机，用于厂站信号的采集与传输；II型边缘网关具备交直流模拟量测量及开关量输入输出功能，一般应用于分布式新能源、储能、电动汽车充电设施等场合，用于实现多点分散的新兴主体本地电气量采集和命令处理，其中应用于多点、中小容量分布式资源的II型边缘网关一般具备远程遥控功能；III型边缘网关为部署在接入对象监控系统的物理服务器，从本地或平台采集数据，一般应用于综合能源园区、虚拟电厂等场合，用于已具备监视信息集成功能的集中型新兴主体的信息传递。如下图所示：
图1 边缘网关类型及应用场景
3 边缘网关数据采集传输方式
3.1 边缘网关南北向数据采集传输
根据总体规划，主要由II型、III型边缘网关来完成种类繁多、接入条件不同的新兴市场主体数据的采集传输，基于本文研究主题，后文若无特殊说明，边缘网关均指II型、III型。
边缘网关采用标准化协议实现对下接入各类配电终端，对上采用统一标准接入边缘集群。对下为南向接入，边缘网关支持标准协议仓库中的104规约、Modbus、MQTT多种等通用协议，支持串口、工业总线、以太网、NBIOT、WIFI、蓝牙等多类型串口，可根据现场实际情况灵活选择，实现对分布式光伏、分布式储能、充电桩等新兴主体的信息采集与传输，实现南向设备多样化无缝接入及控制命令的下发。
图2 边缘网关南北向数据采集传输
为建立高质量、低带宽需求的数据交换模式，采用具有轻量级、配置灵活、应用广泛的消息队列遥测传输(MQTT)协议，实现多源异构数据交换、设备状态的远程监测及用户服务订阅等功能[9]。信息采集后，边缘网关将由不同类型协议采集得到的数据转换为统一的遵循配电物联网MQTT通讯协议的标准化聚合模型，灵活应对规约各异的情况。在边缘网关上设置数据中心，实现各应用全景数据的记录，应用与数据中心之间通过消息进行数据交互，以保证各个应用之间的数据解耦。消息交换采用MQTT消息总线实现，MQTT消息总线按主题进行消息订阅发布，如图4所示。
图3 数据接口架构图
对上为北向上送边缘集群，通过标准协议实现交互协议的统一标准化。边缘网关与边缘集群的通信协议APDU（应用协议数据单元）采用“协议头部+ASDU（应用服务数据单元）+签名”结构，每个APDU带1个ASDU。ASDU分为鉴权认证ASDU和数据ASDU，数据ASDU包含管理通道ASDU和业务通道ASDU，鉴权认证ASDU采用二进制格式，数据ASDU采用JSON字符串格式。数据签名字段采用国密SM2算法，长度64字节，签名内容范围为协议头部和ASDU全部内容。模型转换后，经由实时安全的通信机制，通过以太网、光纤、GPRS、4G、5G等通信接口，将数据传输至边缘集群，实现北向接口的标准化、安全可靠接入。
图4 边缘网关与边缘集群交互应用协议数据单元
3.2 边缘网关即插即用
将光伏站、储能站、充电站、风电站和配网等领域的设备离线模型导入到边缘网关设备模型表，建立MQTT厂站信息模型库，边缘网关上电后，自动发现并接入、注册子设备，模型服务根据设备模型自动创建子设备的采集模型。边缘网关作为服务器端接受边缘集群的通信连接，主动建立连接后并向边缘集群注册，提供本地模型文件供边缘集群召唤，接受边缘集群下发的数据订阅命令，自动完成本地配置，并按订阅命令要求发布数据。边缘网关上送新型主体状态及测点数据至边缘集群，实现边缘网关的即插即用。
图5 边缘网关即插即用流程图
3.3 容器化
容器技术是一种轻量级的计算虚拟化技术，它在操作系统级别进行虚拟化，所有容器共享操作系统内核，因此具有更低的资源需求和启停时间．因为边缘计算的资源限制性，使得容器技术在边缘计算中得到了广泛的应用。[10]
边缘网关采用四层式容器化应用管理，分别为设备容器层、数据容器层、算法容器层、管理容器层，建立不同来源、不同模型的数据采集体系，实现业务应用的灵活部署，边缘设备的无缝接入。
设备容器层实现南向多类型设备的数据采集，数据容器层实现多源数据类型的分类服务或同类数据服务的快速拓展，算法容器层实现多源数据的就地数据过滤，以及各类就地应用控制功能，管理容器层实现与其它容器的交互，是多源信息采集管理的决策中心，实现智能边缘计算网关的灵活部署。
3.4 边缘网关接入通道
（1）若边缘网关部署在电力专用光纤覆盖的地方，通常采用电力专用光纤经有线安全接入区接入边缘集群。
（2）若边缘网关部署在电力专用光纤未覆盖的地方，通常采用电信运营商网络通道或不低于双路4G/5G无线公网经无线安全接入区接入边缘集群。
（3）若边缘网关部署在电力专用光纤未覆盖、无线公网信号弱的地方，可采用KA卫星、北斗等方式经无线安全接入区接入边缘集群。
4应用实例
结合贵安新区新兴主体建设情况，某公司通过自有集中监控系统收集其业务范围内智能充电桩数据，为应对电力系统的数字化转型，我局采用III型边缘网关开展了试点应用，将贵安新区内充电桩数据通过标准模型和通信协议接入了能源互联网智能应用平台。
边缘网关与充电桩集中监控系统通过mysql数据库文件实现南向数据采集，在满足网络安全要求的情况下，通过无线安全接入区，边缘网关每24小时向能源互联网平台发送E文件，完成数据的上送。能源互联网平台根据充电桩运行状态及数据，结合平台数据预测功能，完成新区内充电桩负荷预测。
通过该边缘网关的场景应用，积累了数据采集传输、通道调试、网络安全防护等各方面的经验，将支撑后续多类型新兴主体的接入，有效应对新型电力系统带来的转变，间接提高电网运行水平和驾驭电网的能力，提高电网可观可测水平，有效减少电力市场新主体对电网整体运行的冲击，更好地保障电网安全稳定运行。
5总结
目前，边缘网关正式进入规范性设计、开发与研制阶段，随着其云边协同、分布式能源监视等多场景应用，形成的多主体协同优化调度技术、多能源互联柔性调度技术等成果，将逐步完成云边融合体系架构的整体搭建，满足海量节点接入、边缘自治决策及云边协作的需求，满足新型电力系统建设、可观可测可控、电力市场化改革等政策需要，推进新能源和可再生能源发电与其他电源、电网的有效衔接，支撑综合能源多网协同，实现能源电力系统高效运行。
参考文献
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