罗凡 余向前 粱福波 王伟 徐兰兰 潘臻
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摘要：新型数字技术正在深刻改变着能源生产、输送、交易、消费及监管等各个环节，为加速推动能源革命注入新动力。采集物理信息，将物理信息完整、准确、及时的接入数字应用平台并实现对平台指令的响应，是数字技术应用的基础与前提，是数字世界的“基建工程”。本文研究了一种适用于空调、照明、配电设备、光伏、储能、充电桩、能量路由器以及各种工业用电设备、家用电器等多类型能源设备的信息接入系统，为能源物联网的建设提供了切实可行的解决方案，为新型数字技术在能源领域的应用提供了有力支撑。
关键词：能源控制器；数字技术；信息物理系统；通信技术
1、前言
大数据、云计算、物联网、移动互联网、人工智能和区块链等新型数字技术正在深刻改变着能源生产、输送、交易、消费及监管等各个环节，为加速推动能源革命注入新动力。在生产革命方面，通过数字化，实现对可再生能源发电的全息感知、智能分析和精准预测，解决可再生能源高比例并网的难题；在消费革命方面，通过数字化，实现数据的广泛交互、充分共享和价值挖掘，提升终端用能状态全面感知和智慧互动能力，推动各类用能设施高效便捷接入，适应各类客户个性化、多元化、互动化用能需求；在体制革命方面，通过数字化，支撑现代电力市场建设，满足储能、电动汽车、需求侧响应等新兴市场主体高效参与市场交易，推动能源数据信息更加开放，助力透明监管；在技术革命方面，通过数字化，推动能源技术和信息技术融合应用，实现电力数据互联互通和智能分析，提升装备智能化水平，增强设备智能监测、远程运维和实时优化控制能力，推动能源技术创新发展。
本文研究了一种适用于空调、照明、配电设备、光伏、储能、充电桩及各种工业用电机器设备等多类型能源设备的信息接入系统，为能源物联网的建设提供了切实可行的解决方案，为新型数字技术在能源领域的应用提供了有力支撑。
2、能源设备接入要求
以信息接入省级智慧能源平台为例，通过能源控制器实现CPS（信息物理系统）数据接入，通信架构如图1所示。CPS数据流分为采集数据流、控制数据流和档案数据流三类：采集数据流包括用户侧电、水、气、热等能源数据；控制数据流包括用户侧控制策略及配电系统、光伏系统、中央空调系统等用户侧可控设备的遥调、遥控、遥测、遥信；档案数据流包括用户侧各类监控设备的档案数据。
图1 省级平台CPS数据接入通信架构图
本文主要研究能源控制器和能源采集终端接入的解决方案。
3、设备接入解决方案
3.1能源控制器
能源控制器是与CPS或能源采集终端进行数据交互，并进行数据处理、存储，同时能与省级平台进行数据交互的智能装置。能源控制器对上提供4G、5G和专网通信接口，采用IEC104协议、MQTT和698.45协议将CPS或能源采集终端采集的数据上送到省级智慧能源服务平台。对下接口，除提供网络接口和RS485接口外，采用“即插即用”的设计理念，将各种不同类型的硬件接口，设计成不同的扩展模块，并提供统一的总线供扩展接入。扩展接口的类型包括：CanBUs，PROFIBUS，HPLC宽带载波，ZigBee，LORA，IO（包括数字量输入、输出，模拟量输入输出），光纤等。并且能源控制器还提供了对OPC、BACnet、电总协议、IEC61850等规范的支持。整体逻辑框架如下图：
图2 能源控制器逻辑框架图
能源控制器可以实现低速的串行总线、现场总线网络和高速以太网之间的互联，构建出高速、可靠、开放的通信网络；可以运行各种控制策略，实现削峰填谷、需求响应、计划管理等控制策略；可以对现场系统的运行状况进行监控，对上级控制系统起到通讯管理的作用。
作为通信网与现场设备之间的控制设备，承担接口匹配（485、现场总线、LAN网等互相转换）和规约转换、数据监控、策略控制等任务。
3.2能源采集终端接入方式
不同类型能源设备的信息内容、数据形式、通信方式以及通信距离相差甚远，能源采集终端可利用各种通信扩展单元将不用类型能源设备信息统一接入能源控制器，实现不同类型能源设备信息的接入。各种扩展单元如下：
3.2.1HPLC宽带电力载波扩展单元
HPLC宽带电力载波转换模块支持网口、RS485(modbus 协议)串口等多协议数据在任意两芯线，如双绞线、同轴电缆、直流电线、交流电线、平行线、电梯随行电缆等进行高速率远距离传输，点对点最远传输距离可达500米，最大物理层速率达到240Mbps。载波转换模块分为主机和分机，通过设备的主从拨码开关可方便设置。支持一对一和一对多点的网络设备组网，数据加密高速透传。集成高压隔离，防浪涌保护，适用在高压电缆上通信。
HPLC宽带电力载波转换模块可以广泛用于能源采集终端和能源控制器之间的连接，包括电梯网络及电梯多媒体、风能新能源、智能充电桩、智能路灯、可视楼宇对讲、铁道通信监控系统、矿井监控系统、巡检机器人、视频监控等等。
3.2.2光纤扩展单元
光纤转换模块是多功能的支持异步RS-232、RS-485、RS-422通信接口的光纤MODEM，是连接远程终端单元（RTU）到主机（HOST）或分布式数据采集系统（SCADA）控制器的合适选择。支持RS-232、RS-485、RS-422多种异步通信协议，可以同时混合使用两个RS-232、RS-485或RS-422 接口，支持2线（半双工RS-485和4线（全双工）RS-422工作方式。光纤转换模块的RS-485方式支持数据（TXD或SD）发送控制，从而提高了适应各类软件的能力，也简化了控制方式，光纤MODEM支持异步串行口之间的多种光纤连接方式，它支持两个异步串行口的设备通过光纤进行全双工或半双工通信，通信距离最远可达多模4公里、单模20公里，RS-232信号的传输速率最高为115.2KBPS，RS-485/RS-422的信号传输速率最高可达460KBPS，不同电气标准的接口可以混合使用，可以用RS-232的设备去连接RS-485/RS-422的设备，可以代替RS-232到RS-485/422接口转换器或光电隔离器，并提供了EMI/RFT特性。
光纤转换模块可以广泛用于能源采集终端和能源控制器之间的连接，一般在通讯距离超过300m，要求高速可靠连接的场景。例如对充电桩、储能、冷热控制系统等。
3.2.3 IO扩展单元
I/O 模块可分为离散、模拟和特殊模块等多种类型,这些模块都可以安装在带有多个插槽的导轨或者机架上,每个模块插人其中一个插槽。导轨或者机架具有不同规格，插槽数分为4、8、12 不等。I/O模块又分为模拟量输入模块、模拟量输出模块、开关量输入模块、开关量输出模块等。
模拟量输入模块：模拟量输入模块是一款可以采集模拟量（如电压、电流、热电偶、热电阻、温度等数值）通过485总线传输到电脑上的智能模块。其利用RS-485总线作为数据通信线路，提供模拟量转485功能，能够同时将多路模拟量输入至模块，并通过RS-485总线传输至计算机。
模拟量输出模块：模拟量输出模块是指驱动硬件输出和相关数据通路，按照运行方式选择当前的设定值，也可根据需要反向并提供结果给硬件输出或软件输出。
开关量输入模块：开关量输入模块是一款能够将开关量信号采集输入的设备，通常也称为数字量模块。通过RS-485总线将开关量信号采集至计算机，还可以通过RS-485总线进行成对通信，远程获取开关的相关状态。
开关量输出模块：是一款能够将开关量信号控制输出的设备，通常也称为数字量模块。通过RS-485总线将计算机发送相关指令通过模块控制开关的相关状态，还可以通过RS-485总线进行成对通信，远程控制开关的相关状态。典型的I/O扩展模块应用场景如下图：
图3 典型的I/O扩展模块应用场景
3.2.4 CANBus扩展单元
CANBus扩展模块是对提供CAN接口的采集终端的接入支持。 CANBus扩展模块是支持1路以太网接口的高性能CAN-bus总线通讯转换器。转换器支持10M/100M的以太网网络与5Kbps～1Mbps通讯速率的CAN-bus互联互通，进一步扩展了CAN-bus与以太网的应用范围。扩展模块工业级高标准设计；通讯接口和系统之间隔离，具备抗干扰和防浪涌能力，广泛应用于工业控制、数据通讯系统。
3.2.5 ZigBee扩展单元
ZigBee扩展模块集成了符合ZigBee协议标准的射频收发器和微处理器，它具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等特性；可实现一点对多点及多点对多点之间的设备间数据的透明传输；可组成星型和MESH型的网状网络结构。ZigBee扩展模块实现串口RS232/485/422数据的透明传输，除可实现一般的点对点数据通信功能外，还可实现多点之间的网络通讯。
3.2.6 LoRa扩展单元
LoRa扩展模块是一款利用LoRa无线调制技术实现远距离数据传输的网关设备。采用工业级32位专用网络处理器设计，支持LoRaWAN通信规范，具备多频点、多信道的并发处理能力，可满足工业现场复杂的大容量组网要求，主要应用于智能路灯、智慧楼宇、智慧社区、智能消防等多个领域。
3.2.7 PROFIBUS扩展单元
PROFIBUS扩展模块是用于将MODBUS设备连至PROFIBUS总线，支持各种平台，各个通讯口及电源全部使用光电隔离；支持接入各种变频器、电机启动保护装置、智能高低压电器、电量测量装置、各种变送器、智能现场测量设备及仪表等等。
总结
新型数字技术正在深刻改变着能源行业，为加速推动能源革命注入了新动力。采集物理信息，将物理信息完整、准确、及时的接入数字应用平台并实现对平台指令的响应，是数字技术应用的基础与前提，是数字世界的“基建工程”。本文研究了基于能源控制器的多类型能源设备信息接入系统，介绍了一种将能源设备信息化的有效方式，为能源物联网的建设提供了切实可行的解决方案，为新型数字技术在能源领域的应用提供了有力支撑。主要内容如下：
一是对能源控制器的功能进行定义，对逻辑框架进行描述；
二是对能源采集终端各种通信接入方式进行介绍，包括HPLC宽带电力载波、光纤、IO模块、CANbus、ZigBee、LoRa、PROFIBUS等。
参考文献
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