CN112217860A - 一种基于边缘计算技术的智慧能源管理*** - Google Patents

一种基于边缘计算技术的智慧能源管理*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于边缘计算技术的智慧能源管理***，包括能源物联网云计算层，还包括边缘计算层，所述边缘计算层包括：标准协议支撑库：支持配用电终端设备与边缘计算层的双向通讯；故障监控与电能调节模块：通过视频编解码、数据存储、数据映射、自定义运算逻辑和自定义控制逻辑多种策略支持能源领域的设备故障监控和电能调节运算；历史数据库：采集边缘计算层通过视频编解码、自定义运算逻辑和自定义控制逻辑形成的实时数据，形成历史数据库；边缘计算层数据推送模块：负责边缘计算层与能源物联网云计算层的数据交互。本发明解决了现有能源管理***功能单一、***架构不健全的缺陷，可以广泛应用于能源数据处理领域。

Description

一种基于边缘计算技术的智慧能源管理***
技术领域
本发明涉及能源数据处理领域，特别是涉及一种基于边缘计算技术的智慧能源管理***。
背景技术
随着互联网和计算机技术的发展，人们收集、加工和分享数据的能力得到了极大的提升，大数据等数据科学技术可以对海量数据进行分析、挖掘和利用，进而获取相应的价值。同时，为响应国家对节能减排目标的响应，配用电领域的市场化、高效化和绿色化理念应运而生。
现有的能源管理***大多实现了电量数据采集，但仍具有以下不足：
(1)没有充分发掘电量统计历史数据的价值，仅仅将其用于电费计量；
(2)没有关注配用电设备的运维管理；
(3)没有关注电能质量的监测与优化。
且目前的配用电管理***大多采用了云端数据中心计算的架构，有以下缺陷：
(1)云端数据中心的架构具有较高的运营成本，且单点故障对***稳定运行影响较大，用户数据安全性保障较低；
(2)网络延时造成了该架构无法使用在延时性要求较低的业务场景中；
(3)占用网络流量较大。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基于边缘计算技术的智慧能源管理***，旨在解决现有能源管理***功能单一、***架构不健全的不足。
本发明提供的一种基于边缘计算技术的智慧能源管理***，包括能源物联网云计算层，其特征在于：还包括通过端口与能源物联网云计算层端口相连的边缘计算层，所述边缘计算层包括：标准协议支撑库：支持配用电终端设备与边缘计算层的数据双向通讯；故障监控与电能调节模块：通过视频编解码、数据存储、数据映射、自定义运算逻辑和自定义控制逻辑多种策略支持能源领域的设备故障监控和电能调节运算；历史数据库：采集边缘计算层通过视频编解码、自定义运算逻辑和自定义控制逻辑形成的实时数据，形成历史数据库；边缘计算层数据推送模块：负责边缘计算层与能源物联网云计算层的数据交互。
在上述技术方案中，所述能源物联网云计算层包括：数据接收与分布式消息队列模块：支持海量边缘节点的数据并发；客户能源管理模块：支持客户端能源管理的可视化要求。
在上述技术方案中，所述故障监控与电能调节模块包括如下部分：视频编解码单元：将RTSP、RTMP格式的实时视频通讯流的数据进行解码，并重新编码为h264标准的通用视频流；数据存储单元：支持包括视频流数据、实时数据、自定义运算逻辑数据和自定义控制逻辑数据在内的采集数据存储，形成边缘计算层的历史数据库；数据映射单元：按照实时数据、历史数据提供对应的数据映射端口；自定义运算逻辑单元：根据用户需求，自定义运算逻辑，满足云计算和多种应用场景的无缝对接；自定义控制逻辑单元：根据用户需求，自定义控制逻辑，满足云计算和多种应用场景的无缝对接。
在上述技术方案中，所述边缘计算层还包括边缘计算盒、终端感知设备、电动操控装置和电容补偿装置，所述边缘计算层设置于边缘计算盒内；所述终端感知设备实时检测设备的故障状态、并采集包括负载数据和谐波畸变率的电能质量数据；所述自定义运算逻辑单元基于配电设备故障监测模型进行运算，并针对反馈的电能设备的故障状态和故障发生原因数据与配电设备故障检测模型进行比对，通过模型修正算法对配电设备故障检测模型进行修正，所述自定义控制逻辑单元基于自定义运算逻辑单元的运算结果实时检测配电设备的故障状态和故障发生原因，所述自定义控制逻辑单元基于回路控制策略操纵电动操控装置解决电能设备故障；所述自定义运算逻辑单元基于电能质量调控模型进行运算，计算电能质量优化策略，并针对反馈的电能质量数据与电能质量调控模型进行比对，通过电能质量修正算法对电能质量调控模型进行修正，所述自定义控制逻辑单元通过电容补偿装置自动设定电能质量优化设备运行参数，保证电能质量处于好的状态。
在上述技术方案中，所述故障监控与电能调节模块还包括数据清洗与上传单元，所述数据清洗与上传单元对边缘计算层中的终端感知设备采集的海量监测数据进行预清洗和存储，并通过边缘计算层的端口将监测数据上传至能源物联网云计算层和客户终端***。
在上述技术方案中，所述能源物联网云计算层的客户能源管理模块包括：权限服务单元：提供能源物联网云计算层的权限管理和权限分级验证，保障数据的安全性；大数据运算单元：数据上云后，自动存储到相关项目数据库，并通过大数据运算，与设备管理单元相关联；设备管理单元：通过大数据运算，根据数据点位自动识别设备类型并关联设备参数，实现设备信息自动同步；报表管理单元：经过大数据运算和分析的数据按照用户需求生成报表和统计图表。
在上述技术方案中，所述边缘计算层与能源物联网云计算层通过边缘计算盒中的边缘计算层数据推送模块建立数据通讯通道，实现终端感知设备检测数据上传和控制数据下载；所述权限服务单元的权限分级验证服务验证用户对边缘计算盒的访问权限。
在上述技术方案中，所述能源物联网云计算层还包括应用服务模块：允许开发者自定义开发符合自己业务需求的客户终端***，所述客户终端***包括但不限于大屏、Web、App和AR/VR。
在上述技术方案中，所述边缘计算层的标准协议支撑库包括但不限于Modbus、BACnet、ProfiNETA、ONVIF标准协议，所述标准协议支撑库与包括高压柜、变压器、电容补偿柜、低压柜和动力柜在内的配用电设备通讯相连。
在上述技术方案中，所述能源物联网云计算层还包括项目数据库，所述项目数据库：自动存储上云数据，并存储经过大数据运算的设备类型、设备参数以及按照用户需求生成的报表和统计图册，形成项目数据库；所述能源物联网云计算层的应用服务模块包括基于MQTT协议自定义软件实时通讯层、基于HTTP协议与RESTful开发的数据接口，以及基于hls协议开发的web实时视频流；所述边缘计算层数据推送模块包括基于MQTT协议自定义软件实时通讯层和基于HTTP协议开发的数据接口；所述能源物联网云计算层的数据接收与分布式消息队列模块包括基于MQTT协议自定义软件实时通讯层和基于HTTP协议开发的数据接口；所述边缘计算层还包括网关管理模块，所述网关管理模块为用户提供自定义网关管理服务；所述边缘计算层数据推送模块与能源物联网云计算层的数据接收与分布式消息队列模块通过以太网、Wifi、2G、3G、4G或5G相连；所述边缘计算层还包括第三方协议支撑库，所述第三方协议支撑库包括但不限于NETBEUI、CAN、RS485，所述第三方协议支撑库与包括高压柜、变压器、电容补偿柜、低压柜和动力柜在内的配用电设备通讯相连；所述边缘计算层中，所述边缘计算盒支持与终端感知设备、电动操控装置和电容补偿装置建立数据交互连接的通讯协议，读写终端感知设备的运行状态数据，封装单个配用电场景中的复杂网络拓扑，所述终端感知设备包括智能电表、非接触式温度传感器、水浸传感器和视频监控，其中智能电表采集电能质量数据，所述负载数据包括回路电流、电压和功率；非接触式温度传感器通过采集母排温度检测回路短路情况；水浸传感器检测电柜内积水情况；视频监控可监测电动操控装置的松动和失效情况；所述边缘计算层的端口依次通过能源物联网云计算层的端口、应用服务模块与客户终端***通讯相连。
本发明基于边缘计算技术的智慧能源管理***，具有以下有益效果：1、基于边缘计算的能源数据采集与清洗，降低云端中心服务器的带宽及运算压力，避免云端中心服务器宕机造成的损失；
2、基于边缘计算的配电设备运维管理，实现电能质量自动调节；
3、通过数据储存功能，对历史数据查看分析，可对设备/产品概况进行趋势统计，达到数据可视化，以便持续改进。
附图说明
图1为本发明基于边缘计算技术的智慧能源管理***的结构示意图；
图2为本发明基于边缘计算技术的智慧能源管理***中承载边缘计算层的硬件结构示意图；
图3为本发明基于边缘计算技术的智慧能源管理***中自定义运算逻辑单元、自定义控制逻辑单元和清洗与上传单元的工作流程示意图；
图4为本发明基于边缘计算技术的智慧能源管理***中能源物联网云计算层承载权限服务单元的硬件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
参见图1，本发明基于边缘计算技术的智慧能源管理***，包括能源物联网云计算层，还包括通过端口与能源物联网云计算层端口相连的边缘计算层，所述边缘计算层包括：
标准协议支撑库：支持配用电终端设备与边缘计算层的数据双向通讯；
所述边缘计算层的标准协议支撑库包括但不限于Modbus、BACnet、ProfiNETA、ONVIF标准协议，所述标准协议支撑库与包括高压柜、变压器、电容补偿柜、低压柜和动力柜在内的配用电设备通讯相连；
第三方协议支撑库：包括但不限于NETBEUI、CAN、RS485，所述第三方协议支撑库与包括高压柜、变压器、电容补偿柜、低压柜和动力柜在内的配用电设备通讯相连，从而实现与家庭智能设备，工业大型设备以及多元传感设备的接入支持；
故障监控与电能调节模块：通过视频编解码、数据存储、数据映射、自定义运算逻辑和自定义控制逻辑多种策略支持能源领域的设备故障监控和电能调节运算；
所述故障监控与电能调节模块包括如下部分：
视频编解码单元：将RTSP、RTMP格式的实时视频通讯流的数据进行解码，并重新编码为h264标准的通用视频流；
数据存储单元：支持包括视频流数据、实时数据、自定义运算逻辑数据和自定义控制逻辑数据在内的采集数据存储，形成边缘计算层的历史数据库；
数据映射单元：按照实时数据、历史数据提供对应的数据映射端口；
自定义运算逻辑单元：根据用户需求，自定义运算逻辑，满足云计算和多种应用场景的无缝对接；
自定义控制逻辑单元：根据用户需求，自定义控制逻辑，满足云计算和多种应用场景的无缝对接；
历史数据库：采集边缘计算层通过视频编解码、自定义运算逻辑和自定义控制逻辑形成的实时数据，形成历史数据库；
边缘计算层数据推送模块：负责边缘计算层与能源物联网云计算层的数据交互；
所述边缘计算层还包括网关管理模块，所述网关管理模块为用户提供自定义网关管理服务；
所述边缘计算层数据推送模块包括基于MQTT协议自定义软件实时通讯层和基于HTTP协议开发的数据接口。
所述能源物联网云计算层包括：
数据接收与分布式消息队列模块：支持海量边缘节点的数据并发；
所述能源物联网云计算层的数据接收与分布式消息队列模块包括基于MQTT协议自定义软件实时通讯层和基于HTTP协议开发的数据接口；
所述边缘计算层数据推送模块与能源物联网云计算层的数据接收与分布式消息队列模块通过以太网、Wifi、2G、3G、4G或5G相连；
客户能源管理模块：支持客户端能源管理的可视化要求；
所述能源物联网云计算层的客户能源管理模块包括：
权限服务单元：提供能源物联网云计算层的权限管理和权限分级验证，保障数据的安全性；
大数据运算单元：数据上云后，自动存储到相关项目数据库，并通过大数据运算，与设备管理单元相关联；
设备管理单元：通过大数据运算，根据数据点位自动识别设备类型并关联设备参数，实现设备信息自动同步；
报表管理单元：经过大数据运算和分析的数据按照用户需求生成报表和统计图表；
应用服务模块：允许开发者自定义开发符合自己业务需求的客户终端***，所述客户终端***包括但不限于大屏、Web、App和AR/VR；所述边缘计算层的端口依次通过能源物联网云计算层的端口、应用服务模块与客户终端***通讯相连；
所述能源物联网云计算层的应用服务模块包括基于MQTT协议自定义软件实时通讯层、基于HTTP协议与RESTful开发的数据接口，以及基于hls协议开发的web实时视频流；
项目数据库，所述项目数据库：自动存储上云数据，并存储经过大数据运算的设备类型、设备参数以及按照用户需求生成的报表和统计图册，形成项目数据库。
参见图2，所述边缘计算层还包括边缘计算盒、终端感知设备、电动操控装置和电容补偿装置，所述边缘计算层设置于边缘计算盒内；所述终端感知设备实时检测设备的故障状态、并采集包括负载数据和谐波畸变率的电能质量数据；所述边缘计算层中，所述边缘计算盒支持与终端感知设备、电动操控装置和电容补偿装置建立数据交互连接的通讯协议，读写终端感知设备的运行状态数据，封装单个配用电场景中的复杂网络拓扑，所述终端感知设备包括智能电表、非接触式温度传感器、水浸传感器和视频监控，其中智能电表采集电能质量数据，所述负载数据包括回路电流、电压和功率；非接触式温度传感器通过采集母排温度检测回路短路情况；水浸传感器检测电柜内积水情况；视频监控可监测电动操控装置的松动和失效情况。参见图3，所述自定义运算逻辑单元基于配电设备故障监测模型进行运算，并针对反馈的电能设备的故障状态和故障发生原因数据与配电设备故障检测模型进行比对，通过模型修正算法对配电设备故障检测模型进行修正，所述自定义控制逻辑单元基于自定义运算逻辑单元的运算结果实时检测配电设备的故障状态和故障发生原因，所述自定义控制逻辑单元基于回路控制策略操纵电动操控装置解决电能设备故障；所述自定义运算逻辑单元基于电能质量调控模型进行运算，计算电能质量优化策略，并针对反馈的电能质量数据与电能质量调控模型进行比对，通过电能质量修正算法对电能质量调控模型进行修正，所述自定义控制逻辑单元通过电容补偿装置自动设定电能质量优化设备运行参数，保证电能质量处于好的状态。
所述故障监控与电能调节模块还包括数据清洗与上传单元，所述数据清洗与上传单元对边缘计算层中的终端感知设备采集的海量监测数据进行预清洗和存储，并通过边缘计算层的端口将监测数据上传至能源物联网云计算层和客户终端***，有效减少了冗余数据量和运算资源消耗。
参见图4，所述边缘计算层与能源物联网云计算层通过边缘计算盒中的边缘计算层数据推送模块建立数据通讯通道，实现终端感知设备检测数据上传和控制数据下载；所述权限服务单元的权限分级验证服务验证用户对边缘计算盒的访问权限。值得注意的是，无论是能源物联网云计算层，还是权限验证服务都采用负载均衡，可以增大服务器集群的并发量：例如，图中可知，载有权限分级验证功能的服务器与载有能源物联网云计算层的服务器相连，能源物联网云计算层的服务器分别与楼宇边缘网络、校园边缘网络和工厂边缘网络相连，当楼宇运维人员、校园运维人员或工厂运维人员要进入各自负责的边缘网络，需要得到权限分级验证功能服务器的访问授权。
本发明提出一种基于边缘计算的智慧能源管理***，它符合端边云架构，由边缘计算盒、能源物联网云计算层、终端感知设备和控制设备组成。
端边云架构旨在为智慧能源管理***提供更加稳定灵活的网络拓扑结构，方便终端感知设备和控制设备的便捷接入智慧能源管理***，并快速定制业务逻辑。传统配用电设备的数据通讯方式纷繁复杂，且大多无法接入互联网。本发明提出基于边缘计算盒的传统配用电***升级方式，基于传统配用电***现有的框架，无需替换终端感知和控制设备，较好的解决了配用电***物联网化硬件成本高、停工时间长、***过于复杂的问题。
本发明的核心在于边缘计算技术与云计算技术的有机融合，优势互补：下沉传统能源物联网云计算层的计算任务至边缘计算层。在边缘计算层：标准协议支撑库支持传统终端设备数据双向通讯；内部的视频编解码单元、自定义运算逻辑单元等支持能源领域的设备故障监控和电能调节运算；边缘计算层数据推送模块负责边缘计算层与云计算层的数据交互。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于边缘计算技术的智慧能源管理***，包括能源物联网云计算层，其特征在于：还包括通过端口与能源物联网云计算层端口相连的边缘计算层，所述边缘计算层包括：
标准协议支撑库：支持配用电终端设备与边缘计算层的数据双向通讯；
故障监控与电能调节模块：通过视频编解码、数据存储、数据映射、自定义运算逻辑和自定义控制逻辑多种策略支持能源领域的设备故障监控和电能调节运算；
历史数据库：采集边缘计算层通过视频编解码、自定义运算逻辑和自定义控制逻辑形成的实时数据，形成历史数据库；
边缘计算层数据推送模块：负责边缘计算层与能源物联网云计算层的数据交互。
2.根据权利要求1所述的基于边缘计算技术的智慧能源管理***，其特征在于：所述能源物联网云计算层包括：
数据接收与分布式消息队列模块：支持海量边缘节点的数据并发；
客户能源管理模块：支持客户端能源管理的可视化要求。
3.根据权利要求2所述的基于边缘计算技术的智慧能源管理***，其特征在于：所述故障监控与电能调节模块包括如下部分：
视频编解码单元：将RTSP、RTMP格式的实时视频通讯流的数据进行解码，并重新编码为h264标准的通用视频流；
数据存储单元：支持包括视频流数据、实时数据、自定义运算逻辑数据和自定义控制逻辑数据在内的采集数据存储，形成边缘计算层的历史数据库；
数据映射单元：按照实时数据、历史数据提供对应的数据映射端口；
自定义运算逻辑单元：根据用户需求，自定义运算逻辑，满足云计算和多种应用场景的无缝对接；
自定义控制逻辑单元：根据用户需求，自定义控制逻辑，满足云计算和多种应用场景的无缝对接。
4.根据权利要求3所述的基于边缘计算技术的智慧能源管理***，其特征在于：所述边缘计算层还包括边缘计算盒、终端感知设备、电动操控装置和电容补偿装置，所述边缘计算层设置于边缘计算盒内；所述终端感知设备实时检测设备的故障状态、并采集包括负载数据和谐波畸变率的电能质量数据；所述自定义运算逻辑单元基于配电设备故障监测模型进行运算，并针对反馈的电能设备的故障状态和故障发生原因数据与配电设备故障检测模型进行比对，通过模型修正算法对配电设备故障检测模型进行修正，所述自定义控制逻辑单元基于自定义运算逻辑单元的运算结果实时检测配电设备的故障状态和故障发生原因，所述自定义控制逻辑单元基于回路控制策略操纵电动操控装置解决电能设备故障；所述自定义运算逻辑单元基于电能质量调控模型进行运算，计算电能质量优化策略，并针对反馈的电能质量数据与电能质量调控模型进行比对，通过电能质量修正算法对电能质量调控模型进行修正，所述自定义控制逻辑单元通过电容补偿装置自动设定电能质量优化设备运行参数，保证电能质量处于好的状态。
5.根据权利要求4所述的基于边缘计算技术的智慧能源管理***，其特征在于：所述故障监控与电能调节模块还包括数据清洗与上传单元，所述数据清洗与上传单元对边缘计算层中的终端感知设备采集的海量监测数据进行预清洗和存储，并通过边缘计算层的端口将监测数据上传至能源物联网云计算层和客户终端***。
6.根据权利要求5所述的基于边缘计算技术的智慧能源管理***，其特征在于：所述能源物联网云计算层的客户能源管理模块包括：
权限服务单元：提供能源物联网云计算层的权限管理和权限分级验证，保障数据的安全性；
大数据运算单元：数据上云后，自动存储到相关项目数据库，并通过大数据运算，与设备管理单元相关联；
设备管理单元：通过大数据运算，根据数据点位自动识别设备类型并关联设备参数，实现设备信息自动同步；
报表管理单元：经过大数据运算和分析的数据按照用户需求生成报表和统计图表。
7.根据权利要求6所述的基于边缘计算技术的智慧能源管理***，其特征在于：所述边缘计算层与能源物联网云计算层通过边缘计算盒中的边缘计算层数据推送模块建立数据通讯通道，实现终端感知设备检测数据上传和控制数据下载；所述权限服务单元的权限分级验证服务验证用户对边缘计算盒的访问权限。
8.根据权利要求7所述的基于边缘计算技术的智慧能源管理***，其特征在于：所述能源物联网云计算层还包括应用服务模块：允许开发者自定义开发符合自己业务需求的客户终端***，所述客户终端***包括但不限于大屏、Web、App和AR/VR。
9.根据权利要求8所述的基于边缘计算技术的智慧能源管理***，其特征在于：所述边缘计算层的标准协议支撑库包括但不限于Modbus、BACnet、ProfiNETA、ONVIF标准协议，所述标准协议支撑库与包括高压柜、变压器、电容补偿柜、低压柜和动力柜在内的配用电设备通讯相连。
10.根据权利要求9所述的基于边缘计算技术的智慧能源管理***，其特征在于：所述能源物联网云计算层还包括项目数据库，所述项目数据库：自动存储上云数据，并存储经过大数据运算的设备类型、设备参数以及按照用户需求生成的报表和统计图册，形成项目数据库；
所述能源物联网云计算层的应用服务模块包括基于MQTT协议自定义软件实时通讯层、基于HTTP协议与RESTful开发的数据接口，以及基于hls协议开发的web实时视频流；
所述边缘计算层数据推送模块包括基于MQTT协议自定义软件实时通讯层和基于HTTP协议开发的数据接口；
所述能源物联网云计算层的数据接收与分布式消息队列模块包括基于MQTT协议自定义软件实时通讯层和基于HTTP协议开发的数据接口；
所述边缘计算层还包括网关管理模块，所述网关管理模块为用户提供自定义网关管理服务；
所述边缘计算层数据推送模块与能源物联网云计算层的数据接收与分布式消息队列模块通过以太网、Wifi、2G、3G、4G或5G相连；
所述边缘计算层还包括第三方协议支撑库，所述第三方协议支撑库包括但不限于NETBEUI、CAN、RS485，所述第三方协议支撑库与包括高压柜、变压器、电容补偿柜、低压柜和动力柜在内的配用电设备通讯相连；
所述边缘计算层中，所述边缘计算盒支持与终端感知设备、电动操控装置和电容补偿装置建立数据交互连接的通讯协议，读写终端感知设备的运行状态数据，封装单个配用电场景中的复杂网络拓扑，所述终端感知设备包括智能电表、非接触式温度传感器、水浸传感器和视频监控，其中智能电表采集电能质量数据，所述负载数据包括回路电流、电压和功率；非接触式温度传感器通过采集母排温度检测回路短路情况；水浸传感器检测电柜内积水情况；视频监控可监测电动操控装置的松动和失效情况；
所述边缘计算层的端口依次通过能源物联网云计算层的端口、应用服务模块与客户终端***通讯相连。
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