一、前言
　　
　　集成化、模块化的配电解决方案,如智能配电、预制化电力模块等是配电系统发展的必然趋势,它代表了新一代配电和运维向快速部署、智能管理、灵活、高密度、高可靠和更安全等方向的积极演进。
　　
　　智算中心电力模块通过集成传感器(电流、电压、温度、湿度、电能和谐波等),实现对承载电能质量和供电基础设施的立体监控,采集的数据通过网络接口(如Modbus等协议)实现能效分析、健康维护、负荷管理和故障预报警等。
　　
　　至今为止,不论是传统配电还是电力模块,监控管理软件和配电成套硬件均来自不同厂商,特别是依赖第三方动环软件,它是配电系统安全运行的重要组成部分。
　　
　　电力模块使‘模拟配电’走向‘离散配电’,固然仍重硬轻软,没有伴随出现配套或适应当下和未来配电AI的内嵌或装备化的专业软部件。
　　
　　本文先归纳当前配电运维软件系统中存在的问题，因众多因素，它们长期成为行业痛点。经深入分析和研究，我们提出了一种低成本硬件且面向新一代配电智能体支撑模组(IPme®)的解决方案，它融入先进的深度学习，实现采样数据的时戳标识,高效、全双工、高吞吐量的实时数据传输和协同计算，向配电智能管理的标准化迈出关键一步。
　　
　　IPme®是一个具有完全自主知识产权,内嵌在机柜内、用于配电管理的智能黑盒子。这里的IP表示机柜整体是基于网络TCP/IP接口,支持IPv4/v6双协议栈,执行标准的Modbus-RTU来管理本机柜内所联接的电量仪表或采集设备;M是模块化(Module)、Modbus协议、现代管理(Management)和E边缘(Edge)计算。
　　
　　这种新颖的一体化硬软件设计弥补了现代配电系统的(软)短板,第一次以管理标准化形态融合传统测量设备单元,以MIB(管理信息库Management Information Base)形式描述采样数据,使IP机柜成为标准化的(网络被管理)设备。可充分利用成熟和广泛应用的SNMP技术和NMS平台完整接入配电系统,促成管理的标准和统一,实现全时段实时监控和健康运维。
　　
　　二、配电数据采集的主要问题
　　
　　动环或专用一体机如市场上出现的POIPLUS系统中,主机连通配电机柜中的RS485网络等效图如图1所示。
　　
　　工程项目中的仪表池(仪表数据库)支持标准Modbus-RTU或Modbus-TCP,(动环)主机获取采样数据的简化调度过程如图2所示。
　　
　　1.主要存在问题
　　
　　1）采样和通信网络不能随同电力模块也预制;
　　
　　2）RS485总线部署工作量大,有多连接段、连接点、连接电极性等影响开通进程;
　　
　　3）需要逐一进行站地址配置,单一总线的地址不可重复;
　　
　　4）总线上的任何一个节点发生物理故障时瘫痪整条总线(可靠性差);
　　
　　5）轮巡式半双工机制。主机低速率发送Modbus报文,等待从站接收和发回响应数据。一个仪表可能有多组(变量)数据,每次请求一个/响应一个、逐个仪表。轮巡时间长,数值没有时标(时戳:什么时刻的数据);
　　
　　6）轮巡中,必须有单位时长或超时,超时可能是一种故障。一次读取不成功有可能再次尝试,这直接影响后续参量的数据获取;
　　
　　7）每读一组正常的数值跟不读取的效果相同,但末端有数据异常时却不能及时主动发出(实时性差),这是分时系统最大的弊端;
　　
　　8）成套配电系统是一个完整的有机体,采样数据的后分析难以表述机柜接联的电能质量、故障分析和科学健康管理。
　　
　　2.缓解问题的方法
　　
　　1）单一总线上挂接的站点越少越好和升级所有仪表为以太网接口。
　　
　　2）升级网络接口的成本大或不可取,这要求一个原本专业数据业务处理的单元却增添公共网络服务能力。如果使用一种IP代理的方式将最大限度地解决以上问题并重定义传统配电机柜为IP配电机柜。特别提醒,IP配电机柜不是拥有IP联网,更重要的是其机柜健康数据的服务能力。
　　
　　基于IP的现代网络管理是实现实时、双向、可靠和安全的高效管理和业务智能的基础。它表示配电机柜具有IP的接入能力,属于网络第三层(网络层)接口结构。配电机柜内的所有智能电子仪表或终端的各种网络不再需要单独布线,所有配电机柜内的仪表参数均可实现网络远程修改,采样网络也成为预制。
　　
　　传统配电机柜数据是通过RS485接入,需要现场布线、地址分配、联通调试等,属于第二层(链路层)结构。
　　
　　这种区别类似传统配电和预制电力模块,前者需要现场装配,后者整体入住,IPme®网口热插入即进入本机柜实时监测数据的状态,但可连接满足Modbus协议的所有厂商仪表。
　　
　　三、IPme®设计和实现
　　
　　IPme®是智能体支撑模块的一种设计和实现,满足低成本和高性能需求,硬件结构框图如图3所示,虚线为扩展部分。
　　
　　1)采用低功耗32bitARM/MIPS芯片为主CPU,作为核心处理器,在全汇编语言实现和优化的实时操作系统RTOS的支持下运行嵌入式应用代码,充分使用DMA提高性能;
　　
　　2)网络硬件全协议栈芯片,支持IPv4/v6。其中IPv6开启智能设备运维管理的新高度;
　　
　　3)数据存贮,结合内嵌Flash和大容量(SDU盘),记录采样数据;
　　
　　4)多RS485接口,可选EMC芯片,支持Modbus-RTU。单一芯片最多可同时扩展8个485接口;
　　
　　5)可选的温度传感器,可测量电力模组铜排连接处及断路器关键部位的实时温/湿度作为运行状态及温升的辅助参量;
　　
　　6)小容量网络交换模块。连接本地接口数据采样终端,实现以太总线结构,适于快速组网。嵌入式软件基于大量优化的全汇编语言实时操作系统开发并实现以下功能:
　　
　　IPv4/v6双协议栈,具有强势的网络管理能力。
　　
　　TCP|UDP的透明传输:对PDU全端口无过滤存贮转发,这是最基本的工作模式;同时支持多协议管理,具体有ModbusRTUoverTCP/IP或UDP/IP、SNMP和Web等。
　　
　　学习主机的采样行为,自主对IPme®内的所有设备实施毫秒采样和预处理;
　　
　　支持NTP协议,可为采样数据添加时戳:
　　
　　在t0时刻发出读请求,t1时刻收到响应,则该数据的时刻:t0+(t1-t0)/2。
　　
　　各模块全系统实时(毫秒)业务告警,可选的IPme®外壳温/湿度和CPU运行温辅助安全报警事务处理。
　　
　　主动回传有区别的数据(如发现温度有0.2-0.5持续增加时),是一种可变有效的采样频率方法,既保证数据的实时和有效性也不失增加大量有效数据,如长时间采样一个恒定(δ较小)的电压、电流或温度等没有意义。
　　
　　支持SNMP的管理,特别是结构化管理信息(SMI)用于定义量度点表MIB对象的语法和编码规则,这种技术的新应用是第一次使得配电机柜趋向和电信网络设备统一管理;
　　
　　动环系统的Web是基于中心的服务。但如果没有这个中心如服务器宕机或需要快速直接访问目标对象时就需要一种全新的无中心服务(象区块链无中心一样)。这里是基于从单一IP机柜的Web访问开始,通过算法迭代{left:L,right:R}和使用iframe来展现。
　　
　　支持多串口Modbus-RTU和测试业务,确保物理层和数据链路层的独立性;
　　
　　实现仪表厂家的点表归一和标准化。由原本各厂家点表私有定义走向归一、统一和标准(实际是一套虚拟格式),做到和MIB间的无缝互换,而对第三方的动环主机编程则不需要厂家或型号异同而变更,由过去面向具体测量转向面向机柜目标的数据采样;
　　
　　利用以太网的大吞吐量,提供协议数据复用能力;
　　
　　在线机柜的定时数据拍照,替换巡警事件遗漏,消去安全隐患等。
　　
　　IPme®是配电迈向全IP化的重要组件。图4总结了电力模块同时支持多管理系统的示意图。
　　
　　四、结论
　　
　　IPme®的设计和实现使得配电机柜单元的电气数字化测量、大吞吐量有效性数据采集和为大数据应用成为可能,这种硬软件一体化是彻底解决数据中心及智算中心配电效率、部署、可靠性、管理、安全和AI应用的重要基础。
　　
　　借助智能体支撑模组,完成电力模块各配电机柜(如中压柜、变压器、进线柜、联络柜、补偿柜、UPS输入、UPS设备、UPS输出、馈线柜等)的一组健康生命特征,从时间轴、采样序列、前后级系统和容量的多维度来科学评价整体运维效果。实现毫秒级的报警能力更是智算中心基础设施安全的重要保障。
　　
　　增加内置IPme®带来的效果是颠覆性的,它从多维度改变配电系统的设计、建设、运行和维护模式,为构建更高效、更智能、更灵活、更可持续的智算中心基础设施提供重要支撑。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]GB50174-2017《数据中心设计规范》
　　
　　[2]GB/T19582-2008《基于Modbus协议的工业自动化网络规范》
　　
　　[3]ANSI/TIA-942-B:2020《数据中心基础设施标准》
　　
　　[4]数据中心电力模块预制化技术规范团体标准2022-8-31中国电子节能技术协会(CEESTA)
　　
　　[5]T/QGCML2704-2023《低压智能配电管控软件》
　　
　　作者简介
　　
　　吴琪明,大学教授,电气自动化专业,博士,高级工程师,数据中心从业经验30年。
　　
　　编辑：Harris