“输配电观察”软件定义智能终端特征及应用探讨

引言

智能终端是一类嵌入式计算机系统设备，主要由运算器、控制部、存储器、输入设备和输出设备 5大部件组成。高性能、高集成度、低功耗是智能终端的显著特征。

近年来，智能终端已融入电 、交通、医疗等各个行业各个领域，随着物联 、人工智能、新一代信息通信等技术与终端的高度融合，培育出巨大的新市场。根据全球移动通信系统协会 (GSMA)预测，至 2025 年，全球工业物联 连接的终端数达到 140 亿，占全球连接数量的一半以上，年均增长率达 21%。在电 业务领域，智能终端是电力物联 的基础层和数据枢纽，正从单一产品向种类多样、边缘智能、自主可控方向发展。预计2020 年至 2025 年，电 行业终端市场容量总计约 3175 亿元，年均市场容量约 529 亿元，其中配用电领域占比 79%。

国家电 公司设备部于 2017 年 4 月制定《智能配变终端技术发展路线》，提出面向中低压配电 应用，研制满足低压配电 精益化管理需求的智能配变终端，提升终端的数据处理、存储容量、实现功能灵活扩展。中国电科院牵头，南瑞、许继、信产、华为公司等单位联合开展基于“硬件平台化、软件APP 化”设计的软件定义智能终端前瞻技术研究、样机研制。

软件定义终端概念及特征

“软件定义”是指通过虚拟化将软件和硬件分离出来，将服务器、存储和 络三大计算资源池化，最终实现将这些池化的虚拟化资源进行按需分割和重新组合，从 SDN（软件定义 络）开始，逐步扩展到软件定义存储、软件定义数据中心、软件定义 IT基础架构等诸多领域，软件定义终端指终端自身功能能够以 APP 形式自由组合实现不同功能。

软件定义配电终端应该具备硬件平台化、软件APP 化以及高度标准化三个基本特征：

（1）硬件平台化

传统配电 中的终端设备数量众多，厂家众多，安装后现场难以维护；业务功能和通信功能集成，功能单一不可扩展，造成硬件资源的浪费更是资金的浪费、经过对比分析，会发现这些装置都包括遥信、遥测、遥控和主控模块以及对外的通讯接口，功能在主控模块中实现，其他模块的功能基本相同、终端应采用平台化的设计理念，将数据采集接口、通信接口和控制接口封装，基于虚拟容器技术创新设计硬件平台，该硬件平台可根据具体应用需求，对多回路交直流采集模块、有 ( 无 ) 线多种通信模块以及各类传感器模块实现自由拼装组合与灵活扩展，支持不同厂商产品之间的硬件互换，还可根据不同业务需求进行主控模块的伸缩。

（2）软件 APP 化

传统终端设备普遍采用面向过程的整体化软件架构设计方案，各业务单元软件模块耦合性大，随着接入智能终端的业务模块越来越多，智能终端的软件复杂度也呈指数级增长、新增业务功能处理复杂性高，且业务软件的开发只能由终端硬件厂商进行开发，难以满足业务灵活调整、快速安装部署的需求、以 APP 软件定义方式实现业务功能，通过模块化的软件功能组合，提高功能 APP 之间的独立性；建立基于移动互联 思路的 APP 应用市场，发挥应用开发商的群体智慧，开发种类繁多的功能 APP，协助实现各种数据采集、监测等工作。

（3）高度标准化

配电设备分布广泛、数量众多，并且电压等级越低，该特性越明确。因此配电终端本身需要低成本、易安装、免维护，只能依靠终端的标准化来保障、随着配电物联 需求的提出，智能终端在原有低成本、易安装、免维护的基础上，还增加了端与端之间的互联、互通、互操作的需求，这对终端标准化提出了更高的要求，在原有配电终端统一外观尺寸、型式结构、接口定义等侧重硬件标准化的基础上，还需要对终端的软件管理、通信规约、信息模型、数据存储等内容进行彻底标准化。

智能终端的软硬件架构

（一）典型硬件结构

终端按照芯片自主可控、标准化设计的原则，核心部件实现可置换、可升级、可扩展。数据采集模块通过并行总线接入主控板，通信模块通过串行总线或以太 接入主控板。

图1 智能终端硬件架构

（二）典型软件结构

终端软件按照自主研发、安全可控、硬件解耦的原则，实现多业务的灵活集成。

图2 智能终端软件架构

台区融合型终端

基于软件定义的技术理念，自 2019 年起台区智能融合终端、能源控制器相关技术已有较大进步，并开展示范应用。从高度标准化角度，亟需制定相关标准规范，推进相关技术和设备的应用，支撑电能信息采集、台区智能监控、源 荷储协同等业务及系统进一步健康有序建设及发展。中国电科院牵头规划标准体系并编制形成台区融合终端本体、功能模块、操作系统、微应用、试验检测 5 部分组成的台区融合终端技术标准体系，共计 13 项标准。弥合原分专业信息采集终端的技术分歧点，实现了标准统一。下面从微应用划分、数据中心、硬件抽象层设计介绍标准体系中主要差异。

图3 台区智能融合终端技术标准体系

（一）微应用划分

台区融合型终端微应用系列标准中从数据流方向对微应用进行分类，包括基础 APP、采集业务类APP、分析业务类 APP 和主站业务类 APP。

基础 APP 对公共硬件接口资源以及共享数据管理进行管理，避免多 APP 并发访问带来的业务冲突，通过消息总线以消息的方式为其它 APP 提供服务。包括数据中心、本地通信管理、无线拨 管理、扩展模块管理、串口管理、蓝牙管理、交采计量、遥信脉冲采样、安全管理和安全代理共 10 项，未来将随终端出厂预置。

业务 APP 按照业务属性分为三类：采集业务类、主站业务类和分析业务类。业务 APP 通过数据中心实现数据共享。

采集业务类 APP 主要实现电能表、智能开关、各类传感器等的数据采集，该类 APP 依据下行采集设备的属性又划分为营销类和配电类。

主站业务类 APP 主要与主站系统间建立通信通道进行数据交互时，遵循一 APP 对应一主站原则，不允许一个 APP 连接到多个不同的主站。该 APP 依据主站的属性又划分为营销类、配电类和其它类。

分析业务类 APP 实现边缘计算相关业务，负责对采集数据进行分析，并对外提供公共服务，属于公共服务类业务 APP。

图4 台区智能融合终端APP分类

（二）数据中心

数据中心实现对台区智能融合终端整个系统数据存储管理、数据服务，设置业务数据区和共享数据区，各 APP 通过消息总线与数据中心进行交互。数据中心支持营销、配电 ASN.1 和 JSON 数据交互接口和信息模型。

图5 台区智能融合终端数据中心设计

（三）硬件抽象层

为实现未来操作系统、硬件平台标准开放，统一规范了操作系统的硬件抽象层，通过隐藏不同硬件设备的具体实现细节，为各类应用软件提供标准化硬件驱动接口。

设计原则为设备节点是对设备的抽象，一个设备节点即一个文件，应用程序通过设备节点名称及一组标准化的调用执行访问设备，这些调用独立于任何特定的驱动程序，驱动程序负责将这些标准调用映射到实际硬件的特有操作。

运行机制为分为开放给容器的设备节点和 API接口、其他设备节点和 API 接口。

（1）开放给容器的设备节点和 API 接口映射给对应的基础 APP 和业务 APP 所在的容器，由对应的基础 APP 和业务 APP 来控制操作硬件资源。共享硬件资源由对应的基础 APP 做防冲突设计，独享硬件资源由对应业务 APP 独占；

（2）其他设备节点和 API 接口主要提供给主机下的组件或基础 APP 独占来控制操作硬件资源，系统组件或基础 APP 以消息服务接口的形式提供给业务 APP 必要的信息或交互。

结语

台区侧的软件定义终端已有三年左右实践经验，支撑了配 全面感知、数据和业务应用就地化管控、实现配电台区应用需求的自由、灵活、快速落地。同时新型的台区融合型终端标准体系更加完善，相比之前标准在规范了操作系统设备驱动、APP 分类、数据中心优化进行了重新设计，为将来实用化发展建立技术基础。

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