《电气技术》论文分享｜西安西电开关电气公司张凯、刘雪芬 等：一种基于边缘计算的模块化高压开关监测系统设计

西安西电开关电气有限公司的张凯、刘雪芬、徐朋勃、汪海光在2026年第3期《电气技术》上撰文提出一种基于边缘计算的高压开关监测系统设计方案，详细介绍核心处理模块、背板总线模块和各功能模块的设计。该监测系统采用模块化设计实现各功能模块的解耦与独立运行，运用虚拟化技术达成系统功能及参数的软件定义，并依托边缘计算技术实现现场多源数据的采集与汇聚，可有效降低后台运行压力与系统复杂度。

电力行业是关系国计民生的重要行业，为了保证电力系统的稳定运行，越来越多电力监测系统应用于电网，如气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switchgear, GIS）的形变监测、断路器电寿命在线监测、分闸电压监测。随着高压开关智能化进程中传感器种类日益丰富、数量持续增长，现场部署的在线监测设备种类繁多，接口协议、数据格式各异，导致系统管理复杂度显著增加。

一方面易导致数据链路拥塞，形成信息孤岛，无法充分利用数据的价值；另一方面造成后台系统超载，影响系统整体性能。利用边缘计算技术将部分运算部署到就地设备可以有效解决以上问题，有文献提出一种轻量化的就地局部放电诊断方法，有文献基于边缘计算提出一种输电线路走廊隐患目标检测方法。

目前，市场上主流的监测装置仍然是“单一功能单一设备”的智能电子装置（intelligent electronic device, IED），需要多个单元组装才能实现设备的多项目数据采集和计算。例如，GIS的机械特性、SF6监测、局部放电监测往往需要多个不同功能的IED才能实现较为全面的监测。这种IED组件技术架构落后、体积庞大、成本高昂，数据融合困难，难以进行多项目参数的融合分析与挖掘。

选取工程中常用的机械特性监测、SF6监测、局部放电监测3台IED组成的传统监测架构与边缘计算架构进行性能对比，见表1。

可以看出，边缘计算架构既降低了系统复杂度，又在性能、成本和部署灵活性方面具备优势。因此，本文基于边缘计算设计一种模块化的高压开关监测系统，以实现高灵活性、高扩展性，可软件定义功能与参数，适用于各种工程现场，降低现场系统的复杂度，从而为高压开关现场数据的标准化、规范化管理奠定坚实基础。

表1、图1

1 系统整体设计

本文所设计的监测系统框架如图1所示，主要分为核心处理模块、背板总线模块和功能模块3部分。

核心处理模块是监测系统的主控单元，负责系统的调度与管理，通过背板总线与各个功能模块进行数据交互。功能模块负责各类数据的采集，或向后台输出设备状态信息。背板用于承载各功能模块（插件），并通过总线实现模块间的互联互通。

2 核心处理模块设计

本文系统的核心处理模块采用进阶精简指令集机器（advanced RISC machine, ARM）和现场可编程门阵列（field programmable gate array, FPGA）的多核异构形式进行设计，因此具备强大的系统管理、资源调度、实时数据处理及数据通信能力。核心处理模块架构如图2所示。

ARM端主要负责数据管理、存储及向上位机传输的功能，因此配备第三代双倍速率（double data rate 3, DDR3）内存模块、eMMC FLASH（embedded multimedia card flash）存储单元及可选配的TF/microSD扩展存储。同时，配备用于数据打印及系统调试的标准RS 232接口、用于实现现场传感器互联的RS 485接口及用于与上下级设备互联的网络接口。

FPGA端主要负责核心模块内部的数据互联，并实现基于IRIG-B（inter- range instrumentation group-B）格式的时间码对时功能，所以FPGA端配备内部数据交互的多点低压差分信号（multipoint-low voltage differential signaling, M-LVDS）总线、GTP（gigabit transceiver with low power）总线、触发总线（TrigBus）及系统管理总线（system management bus, SMBus），同时配备有光链路、电气链路的IRIG-B接口和相应的解析模块。

ARM和FPGA之间通过外部接口模块（external interface module, EIM）总线以共享内存的方式实现数据交换。

3 背板总线模块设计

背板总线模块共包含4种总线，分别为TrigBus、SMBus、高速通信总线GTP和数据总线M-LVDS。其中，TrigBus主要用于实现所有的功能模块触发同步，SMBus主要用于交互各功能模块的自身状态（如工作电压、电流、是否在线等）及识别信息，高速通信总线GTP与数据通信总线M-LVDS均为监测系统的数据总线，是可选配置。

在数据量大、吞吐率要求高的应用场景下，可选择高速通信总线GTP，该接口的数据吞吐率能够达到1.25 Gbit/s；在数据量较小、吞吐率要求适中的场景下，可选用数据总线M-LVDS，该数据接口的吞吐率约为100 Mbit/s。

4 功能模块设计

本文系统的功能模块基于“可定义”与“模块化”理念设计，除电源模块外，每一个功能模块都可独立使用和热插拔，可根据工程现场具体需求决定使用的功能模块，能够满足行业绝大部分应用场景需求，有效提升设计生产效率，保障产品质量稳定性，并降低成本。下面介绍几种常用的功能模块设计。

4.1 模拟量采集模块设计

模拟量采集模块主要针对现场电压、电流等模拟量参数进行采集，主要由信号调理部分、数据采集部分和背板总线接口部分组成。其原理框架如图3所示。

图2-图6、表2

信号调理部分的电路主要分为4级。第一级为电压/电流切换控制电路，通过控制输入端采样电阻的接入状态，实现电压信号与电流信号采集模式的切换。本文设计将采样电阻置于运算放大器的反馈环路内，电压/电流切换开关的微小电阻不会影响电流采样的精度。

第二级电路实现采集信号的增益调节，由运算放大器结合反馈电阻网络构成。

第三级电路兼具偏置调节与低通滤波功能。

第四级电路为电压保护电路，通过双向瞬态电压抑制器（transient voltage suppressors, TVS），实现对输入电压进行钳位，保护后级的采集核心不会被损坏。

数据采集部分负责完成信号从模拟域到数字域的转换，选用两片AD7606来实现16通道并行采集，AD7606是一款8通道同步采集输入、真双极性模拟输入的模数转换器（anolog to digital converter, ADC），采集范围可达±10 V，采样分辨率为16 bit，采样率达到200 kS/s，自带二阶抗混叠模拟滤波器和片内电压基准，既支持内部基准作为采集参考，也支持外部输入参考。转换后的数据通过背板总线发送到核心处理模块的FPGA中进行汇总计算。

4.2 开关量输入输出模块设计

开关量输入输出模块主要完成对现场节点信号、位置信号等开关量信号的采集，同时根据当前设备运行状态输出节点信号。

开关量采集的信号获取电路主要基于光耦实现，即通过给节点信号加入一个激励电源，然后接到光耦的前向通道，与光耦前向的发光二极管形成回路，当开关闭合时，发光二极管导通并被点亮，并将光信号传递到后级的光敏三极管上，三极管状态改变。

本文设计中，开关量数据获取电路采用兼容性设计，既支持内部激励方式，又支持外部激励方式，同时还设置门限电压（在达到门限电压之前，信号不能传输到后一级），大大提高了采集的可靠性。

4.3 光纤通信模块设计

光纤通信模块的主要功能是适配现场的各种总线协议，并将其转换为平台内部协议发送给核心处理模块。利用FPGA控制光纤收发器实现FT3协议的通信，也可根据实际需求更换其他通信协议。

4.4 电源模块设计

电源模块为监测系统供电，由2路电源组成，分别为标准的DC 5 V和DC 24 V，其拓扑如图4所示。电源模块输入端口支持AC 220 V和DC 110 V，再通过过电流保护电路、电源滤波电路后，分别提供给5 V及24 V的AC-DC模块。通过电源监控单元，判断电源模块的输出是否符合对平台的供电要求，如果符合，电源监控单元就一方面打开电源开关给平台供电，另一方面点亮相关的电源指示灯。本文系统的功耗分配见表2。

4.5 就地显示交互模块设计

就地显示交互模块用于实现本地操作及显示，其原理框架如图5所示。该模块通过标准串口或网络接口与核心处理模块实现数据交互，并通过触摸方式实现对整个监测系统的操作。

5 软件平台设计

本文系统软件部分采用分层设计，总体架构如图6所示。按功能划分为硬件资源层、系统管理层、平台服务层及业务应用层。

其中，硬件资源层主要包含互联资源、计算资源（通用计算资源、实时计算资源、加速运算资源）及存储资源，是边缘计算终端的基础资源；系统管理层负责基础硬件资源的管理与调度，实现各任务所需资源的优化配置，采用虚拟化技术将硬件资源抽象化、服务化，实现业务层与物理硬件的解耦，提升系统通用性；平台服务层主要负责服务类型的归集与组织，为业务层提供资源；业务应用层则是用户通过定制业务的方式驱动整个系统运作。

5.1 硬件资源层

本文系统利用“ARM+FPGA”多核架构的性能优势，将就地诊断典型算法，如局部放电PRPD（phase resolved partial discharge）图谱识别和机械特性异常监测，部署在边缘侧，省去数据往返云端的网络传输时间，既可节省网络带宽资源，也可实现工程现场ms级的响应。

以机械特性异常监测为例，为了满足快速和低功耗的要求，本文系统选用传统的特征提取和阈值判断算法就地进行检测。传统算法依靠专家知识库，为机械特性曲线的关键特征参数设置正常范围，然后计算待测曲线的特征值是否超过正常阈值，从而判断曲线是否异常。机械特性电流曲线的典型波形及特征量如图7所示。

图7、式1

图8、式2、表4

5.2 软件系统配置文件设计

本文系统的软件平台是基于可扩展标记语言（extensible markup language, XML）文件的高可配置化的软件系统。将整个采集、监测需求的功能抽象、封装成为采集核心，运行时通过解析XML系统配置文件，展开生成对应的模型，运行对应功能模块。

XML格式以结构化的标签语言描述整个系统的数据结构和参数，具备相关专业知识的运维人员无需专用工具，仅使用文本编辑器即可快速掌握整个监测系统的配置全貌。本文系统的配置文件结构如图9所示，文件格式如图10所示。

5.3 虚拟化技术与实时性分析

本文系统采用容器技术（Docker）作为系统功能的软件定义与封装方案。Docker技术是一种基于Linux系统内核的虚拟化技术，通过扩展的LXC（Linux container）机制提供了一种轻量级的虚拟化解决方案。

图9-图10、表5、表6

该技术具有标准化的打包模式，有较强的可移植性，可在主流平台上实现一致的开发、调试和运行环境，灵活适应多样化应用场景。

为评估并保障系统在容器化环境中的实时性能，本文针对最坏情况下的中断延迟进行分析与测试，测试环境见表5。采用行业标准工具cyclictest，分别在容器内部与宿主机环境中进行空载和压力状态下的延迟测试，测试结果见表6。

测试表明，系统延迟主要来源于底层操作系统，容器化技术本身所引入的额外延迟极小。即使在最坏情况的中断延迟条件下，系统仍可满足对电力监测装置实时性能的要求。

6 结论

本文提出的模块化高压开关监测系统通过背板高速总线实现数据的实时高效交互，可以配备不同模块来应对复杂的现场工况，完成对各类传感器接口协议的适配与转换，本地边缘计算后发送给后台。同时，具备本地显示交互功能，方便巡检人员现场查看设备状态。

本文系统可满足电力装备各个领域的不同需求，通过感知、分析、决策与交互功能，实现对设备运行状态的全面感知，可为现场数据标准化、规范化管理提供参考。

本工作成果发表在2026年第3期《电气技术》，论文标题为“ 一种基于边缘计算的模块化高压开关监测系统设计”，作者为：张凯、刘雪芬、徐朋勃、汪海光。