2024面向配用电设施运维的工业互联网边云协同架构

目前 范 规范性引用文 术语和定 缩略 配用电设施运维工业互联网设计通 配用电设施运维系统工业互联网架构设 配用电网边缘服务器架 配用电设施运维系统组网架 配用电网中心云平台架 面向配用电设施运维的工业互联网边云协同架构本文件确立了面向配用电设施运维的工业互联网边云协同架构，规定了架构设计、边缘计算服务器架构、组网架构、中心平台架构等设计要求。本文件适用于指导配用电设施运维的边云协同系统开发、建设与运维。下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T11457-2006软件工程术语下列术语和定义适用于本文件。SaaSoperationandmaintenanceofpowerdistributionfacilitiesbasedonsoftwareasaservice基于配用电设施运维的工业互联网平台，把应用软件统一部署在云基础设施上，用户可根据实际需求选用的一种服务。中心云平台centralcloud提供计算、存储、网络等服务，作为边云协同架构组成部分的云平台。边缘计算服务器edge部署在运维的配用电设施装备上，作为边云协同架构组成部分的边缘计算服务器，执行智能化控制、计算、存储、网络通信等功能的软硬件设备。下列缩略语适用于本文件5G第五代移动通信(FifthGeneration)API应用程序接口(ApplicationProgrammingInterface)APN接入点名称（AccessPointName）DAS配电网自动化系统（DistributionAutomationSystem）GIS地理信息系统（GeographicalInformationSystem）GNSS全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatelliteSystem)GPRS通用无线分组业务（GeneralPacketRadioService）IaaS基础设施即服务（InfrastructureasaService)LoRa远距离无线电(LongRangeRadio)LPWAN低功耗广域网（LowPowerWideAreaNetwork）NB-IoT窄带-物联网(NarrowBandInternetofThings)OS操作系统(OperatingSystem)PaaS平台即服务（PlatformasaService)PCI-E计算机扩展总线(PeripheralComponentInterconnectExpress)PTP精确时间协议(PrecisionTimeProtocol)QoS服务质量(QualityofService)SaaS软件即服务(Softwareasaservice)SDx软件定义X（SoftwareDefinedX）VPN虚拟专用网络（VirtualPrivateNetwork）WAPI无线局域网（WirelessLANAuthenticationandPrivacyInfrastructure）WI-FI无线局域网(WirelessFidelity)配用电设施运维工业互联网在进行架构设计时，应符合以下原则：为保障配用电设施运维安全生产环境，应尽可能采用无人操作和有人值守相结合的业务模式；应遵循边云协同的架构体系，采用边缘服务器、中心平台边云双层架构模式，增强配用电边缘设备的感知、计算和控制能力，提升智能电网设备智能化水平；应根据配用电设施运维的不同场景，灵活选用有线通信、无线通信等多种技术，满足配用电设备通信联网需求。边云协同架构设计要求边缘计算服务器设计要求面向不同的配用电设施运维应用场景，边缘计算服务器架构设计符合以下要求：故障定位与隔离场景：边缘服务器的硬件设备和软件系统不与配用电设备集成，作为独立的设备形态出现，用于执行各类配用电装备状态以及电流电压等信息的实时感知和智能化控制等;机器视觉场景：边缘服务器层硬件设备和软件系统不与配用电设备集成，作为独立的设备形态出现，机器视觉可实现配用电设施现场各种侵入式活动的识别和预警，还可实现对设施的物理状态（如发热、倾斜、燃烧等）的识别和上报等;其它场景：边缘服务器层在部署时可与原有的各种配用电监控（如三相不平衡控制）等系统进行集成，定时采集一些数据传输至中心平台层，完成设备状态感知和异常预警等功能。中心平台设计要求中心平台作为独立的设施载体，可基于自建机房、数据中心或云服务等方式部署中心软件平台，还应配备显示大屏、各类专用通信或者操作装备等，采取有人值守作业，负责执行面向整个（一般以供电所为最小单位）辖区的全局性、实时和非实时、长周期的数据采集、处理和分析功能，进而实现长周期维护、业务决策支撑、各类应用服务等。智能化设备改造设计要求总体要求面向上述场景的配用电设施运维的工业互联网在设计时，可按需进行各类智能化设备改造，以实现各类设备的智能化联网。配用电设备改造设计要求面向不同的配用电设施的运维管理，对设备改造的要求如下：故障定位与隔离场景：故障定位与隔离边缘计算服务器的安装（包括供电等）需要对现有供电设施（如环网柜等)做相应的改造；故障定位与隔离需要与配网自动化系统产生交互，配网自动化系统相关功能需要做相应的升级改造；故障定位与隔离需要有线或无线高速网络的支持，现场需要新增高速光纤网的铺设，或实现5G覆盖功能;机器视觉场景：对配用电设施和设备没有升级改造要求，机器视觉边缘计算服务器在完成场景识别后通过满足电网公司安全认证的物联网卡把相关结果传回主站系统;中心平台改造设计要求本文件主要针对贵州电网下属供电所配用电设施运维管理的应用场景，中心平台将按电网统一要求的标准部署运行在电网公司内网，通过企业私有云的方式提供服务。供电所辖区的边缘计算服务器通过智能网关接入不同的电网内部安全区域，针对电网内部软件系统开发相关接口实现对接，整合到电网内部各系统（如电力物联网、配网自动化等系统基于安全原则，从而实现通过电网内部相关系统改造，实现对边缘计算服务器的反馈控制指令下发，完成边云协同闭环操作。配用电网监控系统组网设计要求本文件也适用于电改后自主发电购电供电的企业，为保障配用电设施运维管理安全可靠，企业应综合考虑企业规模、成本和业务需求，选择不同网络制式、不同模式的组网方案。配用电设施监控的组网的设计应考虑露天工作环境，同时应具备较强的防水、防尘、防震能力。应结合实际场景和业务需求，选择合适的组网方案，实现网络本地分流、本地管理和本地应用。同时，经过网络安全隔离后，网络可与公网连接，与国家监管部门、行业组织等进行数据应用交互。专网应部署网管平台，针对网络中的设备的运行状态、性能、告警等信息进行查询，支持设备的配置、重启等基本操作与维护。配用电监控系统组网分为无线组网和有线组网两部分内容,具体见6.1.3.2和6.1.3.3无线组网无线组网主要是指无线接入部分，分为室外组网和室内组网，设计要求如下：在室外组网场景中，针对配电网设备变压器、高压柜、低压柜、环网柜、母线桥、直流屏、模拟屏、架空线路、电缆、杆塔、配电变压器、隔离开关、无功补偿器及一些附属设施等装备，应采用无线组网的方式，实现配用电装备的远程无线感知、接入和协同作业;室内无线组网场景主要体现值守调度区域，通过移动通信等设备的无线入网，实现人员便捷、灵活地远程通信和调度服务功能。有线组网有线组网应基于电网公司现有光纤网络，提供使配用电设施中各种有线和无线设备相互连接的服务。应综合考虑供电辖区内配用电设备构成和规模等要素，进行母线拓扑、环状拓扑、星状拓扑、网状拓扑、传输环网等不同拓扑结构的有线网络部署。边云协同架构配用电设施设备监控工业互联网边云协同架构见图1，由配用电运维管理中心SaaS平台（自建云服务中心平台或电网内部云服务平台）,配用电设备监控边缘计算服务器,无线（括5G）和有线组网，配用电设施和设备及感知和接入网关等构成。各部分规定如下：配用电运维管理中心SaaS平台(简称“中心云平台”)：配用电运维管理中心SaaS平台作为独立的实体，功能包括对辖区内所有配用电设施设备的监控和管理，可根据自身情况自建云服务中心平台或采用电网内部统一云服务平台;电力边缘计算服务器：电力边缘计算服务器通常是单独部署，就地解决计算量大的问题（如故障定位和隔离、机器视觉识别等，实现及时响应本地需求，并在出现异常情况时向中心平台发送接管请求，由远程人工操作替代当前自动操作。边缘计算服务器需要采用“接入网关”接入相关传无线（包括5G）和有线组网：无线（包括5G）和有线组网是指通过依托（运营商提供或自建的）无线和有线网络系统，实现各类配用电设备边缘计算服务器之间和与中心平台之间的数据通信，把经过边缘计算处理后的各类设备数据、传感器数据、视频监控信息等数据回传至中心平台，中心平台再把确定的操作任务等指令数据实时传输给边缘计算服务器;智能网关:智能网关是电网指定的符合其安全标准的接入网关，属于专用网关，其内部架构属于电网机密，这里不做公开描述。对于非电网企业，智能网关不是必选项，不用智能网关不会影响整个系统的正常运行。智能网关的使用是为了满足电网安全规范的要求，通过它可以安全的实现边缘服务器与中心云平台的数据互传。非南方电网系统应用，智能网关为非必选部件;接入网关：接入网关包括不通过边缘计算服务器的所有其它传感器数据的接入。接入网关可以是一个或多个集中器、无线基站（如LoRa）或加密网关（如满足南方电网安全规范要求，边缘网关通过网络联接、协议转换等功能联接物理和数字世界，提供轻量化的网络联接管理。根据通用性、传输载体的不同，接入网关有不同的分类，具体说明如下：①按照通用性进行分类：边缘网关按照通用性与否，分为通用通信网关和专用通信网关两种。边缘网关可以是一个独立安装的硬件，也可以是一个内置的执行协议转换的软件。通用通信网关是指采用GPRSNB-IoT、4G/5GLoRa、H.265等基于统一标准化协议的通信模组，其设备和运维成本均比较低，可以是多模制式。专用通信网关是指针对电网特定要求（如满足电网安全规范的网关）设计具备特殊通信能力专用模组。②按照传输载体进行分类：边缘网关按照传输载体不同，可分为有线网关和无线模组。通信网关通过采用光纤、电力线等传输载体，实现配用电设施设备之间的网络联接。无线模组是指通过电磁波传输的方式，实现配用电设施设备与基站之间、设施设备之间自组网的无线通信连接;配用电设施和设备及感知：配用电设施和设备主要包括变压器、高压柜、低压柜、环网柜、母线桥、直流屏、模拟屏、架空线路、电缆、杆塔、配电变压器、隔离开关、无功补偿器及一些附属设施等，有些设备可直接连接到边缘计算服务器提供如电压电流等相关数据。其它的设施和设备需要通过传感器感知后通过接入网关连接到边缘计算服务器提供数据。a）存储配用电设施设备的各种操作日志数据；c)实时监测配用电设施设备的状态，进行异常情况预警。配用电设施设备工业互联网边缘服务器及用例架构见图2，由电力边缘服务器（软硬件、工业总线、基准时钟和智能网关等部件构成。电力边缘计算服务器架构由边缘服务器硬件（含（实时）操作系统、存储设备等构成一台通用服务器，服务器上运行软件定义（SoftwareDefinedX）的各种功能模块，包括和外界通讯的软件网关，各种算法（如故障定位和隔离算法、机器视觉识别算法等）软件，在统一精准时钟下，通过智能网关、接入网关、工业总线等与外部通讯。各部分功能说明如下：边缘计算服务器硬件：指部署在各种配用电场景的、用于感知和执行各类智能化操作以及与其相关的智能计算、处理、存储等的硬件，类似于一台常规计算机服务器硬件，上面运行操作系统（如东土科技道OS边缘计算算法库：各种边缘计算算法从中心云平台下沉的边缘计算服务器，实现现场环境快高安全性的要求，降低子系统到中心云平台的数据流量，同时满足配用电设施设备监控的个性化功能需求;边缘计算网关：边缘计算网关类似于接入网关，它可以是一个集中器，一个协议转换器或一个运行于边缘服务器的软件定义的网关，负责处理面向多种通讯协议的边缘服务器上行与中心云平台和下行与传感器、执行器以及边缘服务器之间的通讯和数据传输;工业总线:指解决各类工业设备的传感器、控制器、执行机构、动力装置、计算存储硬件等的控制信息传递以及数字通信等的专用工业互联网数据总线（如东土科技的AUTBUS，可分为实时控制总线和非实时数据传输总线等，本工业总线主要用于边缘服务器之间的实时通讯;时钟基准模块:是一个产生精准时间信号的组件，可提供包含频率、周期、抖动、漂移等参考指标，用以实现工业设备各类采集信号、控制信号、执行信号的同步管理。边缘计算服务器构成配用电设施设备工业互联网边缘服务器架构见图3，由电力边缘服务器，工业总线，基准时钟等部件构成。边缘计算服务器硬件配用电边缘计算服务器硬件可采用通用型计算机或服务器硬件架构，通过PCI-E扩展槽，按照功能和应用场景，搭建满足不同要求的边缘计算服务器，规范如下。作系统（如东土科技的道OS等和实时数据库等软件，无需配置GPU，但需要支撑多种通讯协议的模块，通过PCI-E插槽按需配置;机器视觉场景：部署于本场景的边缘计算服务器可采用通用性服务器架构，配置普通操作系统如Linux，由于本服务器不做AI识别样本训练，也无需配置GPU，只需要支撑视频通讯协议的模块，通过PCI-E插槽按需配置;其它场景：其它场景的边缘计算服务器可采用通用性计算机架构，配置普通操作系统如Linux，对处理器性能要求不高的应用，可配置低端CPU，形成类似一个具备较强计算能力的智能网关，如果需要支撑多种通讯协议的模块，通过PCI-E插槽按需配置。边缘计算服务器软件考虑到配用电监控业务的具体情况，本文件采用软件定义（SDx边缘服务器的思路，采用通用性服务器软件基础架构。按照功能划分可分为基础软件层和应用软件层两部分内容，规定如下：基础软件层：基础软件层包括通用的操作系统和底层，是用于支持进行计算和操作的基础软件，提供通用性服务器的标准化系统功能以及功能接口，供上层应用调用;应用软件层：应用软件层包括面向各种业务应用的软件，通过软件定义的方式实现一些硬件功能。针对配用电监控应用，主要包括面向业务应用的各种算法库和面向通讯和数据传输的协议库（软件边缘网关。边缘计算算法库故障定位与隔离场景：基于传感器采集的电流电压等数据和配用电网拓扑结构计算确定故障点，发送数据和指令到中心云平台，接受中心云平台下发的指令执行操作。机器视觉场景：部署基于PyTorch或TensorFlow深度学习算法的软件，实现对特定模型场景的识别，发送结果数据到中心云平台，接受中心云平台下发的指令执行操作。其它场景：基于传感器采集的数据，发送数据和指令到中心云平台，接受中心云平台下发的指令执行操作。以上规范只对算法做功能性的定义，不对算法细节做明确的规划，便于系统的开放性和未来的扩展性。边缘计算网关配用电边缘计算网关包括硬件-插拔式边缘网关和软件-软件边缘网关两部分，按照功能和应用场景，规范如下。故障定位与隔离场景：有三种网络连接的要求：①传感器采集的电流电压等数据通过可插拔的现场总线网关传送到边缘服务器；②通过工业总线或5G网络实现边缘服务器之间的通讯和数据传输，支撑边缘服务器之间的协同计算；③通过5G或4GAPN接入物理网卡发送数据和指令到中心云平台，同时也接收从中心云平台下发的指令执行操作。机器视觉场景：有两种网络连接要求：①通过有线或无线端口接入视频信号，边缘网关包括硬件接口和协议解析软件（如GB/T28281，H.265等协议，实现对特定模型场景的识别；②发送识别结果数据到中心云平台，接收中心云平台下发的指令执行操作。其它场景：一般有两种网络连接要求：①汇集传感器采集的数据到边缘计算服务器；②发送处理后数据和指令到中心云平台，接收中心云平台下发的指令执行操作。配用电网工业总线配用电网故障定位和隔离边缘计算系统采用了AUTBUS工业总线协议实现（AUTBUS工业总线是东土科技的推出的全IP工业网络国际标准。AUTBUS工业总线的框架和协议设计不在本文件研制范畴内。时钟基准模块通过采用北斗GNSS授时、IEEE1588精准时钟协议PTP等软硬件相结合的时钟同步技术，为配用电网边缘计算软硬件和工业总线数据传输等提供同步时钟信号。配用电网设施监控涉及多种有线和无线网络系统，包括已广泛使用的电网公司自建光纤网、租用运营商的宽带网和无线GPRS/4G网等。新兴的低功耗广域（LPWAN）网（主要是LoRa和NB-IoT）和5G网络越来越多的被应用到电力行业，还有边缘计算采用的工业互联网工业总线。本文件对上述网络技术在配用点设施运维管理应用场景的组网架构做了如下规范。配用电设施运维管理系统网络从上至下包括用户访问网络，边缘服务器通讯网络，其它传感设备接入网络，外网数据接入网络，内网数据通讯网络等，具体见图4。用户访问网络:用户访问应设置内网访问权限，南方电网用户要严格按照南方电网系统规范实施，对于非南方电网体系用户，也应根据其规范在内网访问时以便降低网络安全风险。本系统外网访问的情况可通过VPN实现或封装API实现;边缘服务器通讯网络:针对边缘计算网关，具体参见7.2.3，不同的场景，边缘计算服务器南向面向配用电设施的通讯需支持工业总线、光纤、5G、4G、现场总线等。北向面向中心云平台的通讯可以是光纤网、以太网、4G、5G等。南方电网还需通过专用的智能网关才能接入中心云平台;其它传感设备接入网络：在没有采用边缘服务器以外的其它场景，南向面向所有传感器的数据通讯通过不同的接入网关接入中心云平台，南方电网还要求层层加密强化网络安全。针对不同应用网络通讯技术，接入网关多种组合：①采用LoRa技术的情况，接入网关包括传输链路上的N-serverLoRa基站、LoRa终端等部件；②采用4G/GPRS/NB-IoT的情况，接入网关包括物理网卡和终端、运营商基站、运营商宽带连接的闭环；③WiFi/WAPI/有线以太网的情况，接入网关WiFi/WAPI基站和协议解析软件网关。北向面向中心云平台的通讯可以是光纤网、以太网、4G（电力物理网卡）等。南方电网需要通过专用的智能网关才能接入中心云平台;外网数据接入网络：对