鄧鵬程，謝儉

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司信息通信公司，湖南長(zhǎng)沙410007)

物聯(lián)網(wǎng) (The internet of things)〔1-3〕的概念由美國(guó)麻省理工學(xué)院最早提出，其意為物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過(guò)在各類物體上安裝電子標(biāo)簽(RFID)、傳感器、二維碼等傳感裝置，然后將各類傳感裝置獲取物體的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)信息共享到互聯(lián)網(wǎng)上，從而給物體賦予智能，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的信息溝通與交互。物聯(lián)網(wǎng)并不是全新的技術(shù)，要在現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，規(guī)范和增加感知及信息化處理手段，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)延伸至物體上。電力行業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用較為廣泛的領(lǐng)域之一，例如輸電線路在線監(jiān)測(cè)、智能變電站、智能機(jī)房等，覆蓋了電力生產(chǎn)、輸送、消費(fèi)、管理等環(huán)節(jié)，其產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋芯片、傳感器、終端裝置、信息通信網(wǎng)絡(luò)、軟件應(yīng)用、增值服務(wù)和運(yùn)維等方面，到2015年，電力物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)容量約兩千億元人民幣。需依托電力業(yè)務(wù)需求研發(fā)實(shí)用化、系列化、低成本的電力物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品及系統(tǒng)，拓展物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的行業(yè)應(yīng)用范圍，提高產(chǎn)品市場(chǎng)占有率，并積極開(kāi)拓國(guó)際市場(chǎng)。

文中將電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于湖南電力生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)對(duì)電力設(shè)備狀態(tài)和工作環(huán)境等信息的廣泛感知和采集，拓寬感知信息源的深度和廣度，實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行和所處工作環(huán)境狀況，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)通過(guò)引入云計(jì)算思想，建立基于云計(jì)算的感知設(shè)備節(jié)點(diǎn)感知層統(tǒng)一信息感知模型，減少實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的報(bào)文數(shù)，降低感知節(jié)點(diǎn)的信息采集傳輸功耗，延長(zhǎng)感知設(shè)備的生命周期。

1 電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

電力物聯(lián)網(wǎng)是在電力生產(chǎn)、輸送、消費(fèi)、管理各環(huán)節(jié)廣泛部署具有一定感知能力、計(jì)算能力和執(zhí)行能力的智能裝置，實(shí)現(xiàn)信息安全可靠傳輸、協(xié)同處理、統(tǒng)一服務(wù)及應(yīng)用集成，從而促進(jìn)電網(wǎng)運(yùn)行及企業(yè)管理全過(guò)程的全景全息感知、互聯(lián)互通及無(wú)縫鏈接。電力物聯(lián)網(wǎng)的總體框架包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層〔4-7〕，如圖1所示。

圖1 電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)

1)感知層。通過(guò)在輸電、變電和配電的各個(gè)環(huán)節(jié)中的電力設(shè)備上安裝電子標(biāo)簽 (RFID)、智能傳感器、二維碼、紅外感應(yīng)器和激光掃描儀等信息感知設(shè)備，獲取電力設(shè)備的狀態(tài)信息、位置信息、屬性信息等，將所有變壓器、開(kāi)關(guān)、線路、桿塔、電表、車輛等電力設(shè)備構(gòu)成一個(gè)相互聯(lián)接的大網(wǎng)絡(luò)。感知層需要建立統(tǒng)一的信息感知模型，包括統(tǒng)一標(biāo)識(shí)、統(tǒng)一語(yǔ)義和統(tǒng)一數(shù)據(jù)表達(dá)格式，實(shí)現(xiàn)各類感知設(shè)備的無(wú)縫接入，降低智能感知設(shè)備感知能耗，延長(zhǎng)智能感知設(shè)備的生命周期。

2)網(wǎng)絡(luò)層。通過(guò)建立高性能的監(jiān)測(cè)裝置到通信網(wǎng)絡(luò)的接入通道，完成感知層“統(tǒng)一信息感知模型”到網(wǎng)絡(luò)層“統(tǒng)一通信規(guī)約”的自適應(yīng)映射，兼容各種通信傳輸模式 (如:光纖、電力線載波、無(wú)線通信等)。

3)應(yīng)用層。實(shí)現(xiàn)更深層次的資源共享和應(yīng)用融合，通過(guò)數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)化、接口標(biāo)準(zhǔn)化、服務(wù)組件化等改進(jìn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)、業(yè)務(wù)集中部署，將應(yīng)用系統(tǒng)由部門級(jí)、業(yè)務(wù)級(jí)推向企業(yè)級(jí)轉(zhuǎn)變。

2 感知模型

智能信息感知設(shè)備〔8〕用于采集電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、運(yùn)行環(huán)境參數(shù)和設(shè)備身份識(shí)別信息等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，此類信息感知設(shè)備主要包括RFID電子標(biāo)簽和智能傳感器，它們種類繁多，數(shù)量龐大，不同廠家信息感知模式和數(shù)據(jù)規(guī)范不盡相同。智能感知設(shè)備〔9〕通常采用無(wú)線方式傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)備電池電量、無(wú)線帶寬和傳輸速率受到很大限制。因此需要建立統(tǒng)一的信息感知模型，實(shí)現(xiàn)各類感知設(shè)備的無(wú)縫接入，同時(shí)減少實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的報(bào)文數(shù)，降低感知節(jié)點(diǎn)的信息采集傳輸功耗，延長(zhǎng)感知設(shè)備的生命周期。

文中提出一種基于云計(jì)算的電力物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一信息感知模型，包括靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型2部分，如圖2所示。通過(guò)引入云計(jì)算思想，將統(tǒng)一信息模型中的靜態(tài)部分以表單 (TEDS:Transducer Electronic Data Sheets)的形式存儲(chǔ)在應(yīng)用層云端，靜態(tài)模型中包括智能感知設(shè)備固有屬性參數(shù)、智能感知節(jié)點(diǎn)信息模型匹配機(jī)制等靜態(tài)信息。動(dòng)態(tài)模型主要包括智能感知節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和感知節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)號(hào)，感知節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)號(hào)主要用于自適應(yīng)匹配存放在云端的節(jié)點(diǎn)信息模型，不同的感知節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)應(yīng)用層云端不同靜態(tài)信息模型。在網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)通信過(guò)程中，只需傳輸動(dòng)態(tài)信息部分，減少實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的報(bào)文數(shù)，可降低智能感知設(shè)備能耗，延長(zhǎng)感知設(shè)備生命周期。同時(shí)采用統(tǒng)一標(biāo)識(shí)、統(tǒng)一語(yǔ)義和統(tǒng)一數(shù)據(jù)表達(dá)格式來(lái)定義感知節(jié)點(diǎn)信息模型，各廠家需要參照統(tǒng)一信息感知模型標(biāo)準(zhǔn)來(lái)描述各自感知節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)感知層設(shè)備信息自描述，達(dá)到不同廠商同類型感知設(shè)備的模型統(tǒng)一及無(wú)縫交互。

圖2 基于云計(jì)算的電力物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一信息感知模型

由于感知層的通信資源通常受限，無(wú)法直接使用復(fù)雜的自解析傳感器信息模型，一般地采用統(tǒng)一壓縮格式化數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)一通信規(guī)約傳輸至應(yīng)用層 (如圖3所示)，應(yīng)用層根據(jù)該數(shù)據(jù)提供的地址碼向編碼管理組織索取該傳感器的信息模型，并在匯聚控制器中存儲(chǔ)、初始化該模型，匯聚控制器據(jù)此模型解析生成完整的傳感器信息。應(yīng)用服務(wù)根據(jù)統(tǒng)一信息模型為各類業(yè)務(wù)應(yīng)用提供服務(wù)，對(duì)已安裝的感知設(shè)備信息模型提供模型轉(zhuǎn)換，滿足各業(yè)務(wù)對(duì)統(tǒng)一信息模型的應(yīng)用需求。

圖3 基于云計(jì)算的電力物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一信息感知模型架構(gòu)圖

3 感知模型的實(shí)現(xiàn)

依據(jù)IEC61850-7-4標(biāo)準(zhǔn)中的設(shè)計(jì)原則，將用邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)對(duì)象描述的抽象模型作為整個(gè)設(shè)計(jì)思路的架構(gòu)，重點(diǎn)結(jié)合IEEE1451.4的TEDS(傳感器電子表單)思想，實(shí)現(xiàn)電力物聯(lián)網(wǎng)中感知層設(shè)備的抽象數(shù)據(jù)模型。

依據(jù)IEC61970-301中公用信息模型的基本概念，選用CIM/XML作為感知層抽象模型在匯聚控制器設(shè)備上的一種描述語(yǔ)言，便于與主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

由于傳感器的電池電量、無(wú)線帶寬，傳輸速率等限制。傳感器將盡量少的變化的數(shù)據(jù)傳送出去。TEDS的理念正好可以滿足這樣的要求。TEDS以xml文件的形式存在于應(yīng)用層服務(wù)器中。TEDS不僅可以解析sensor數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以描述傳感器的其它固有參數(shù)屬性。

3.1 傳感器表單設(shè)計(jì)說(shuō)明

傳感器電子表單 (Transducer Electronic Data Sheet)的設(shè)計(jì)思想是將各種傳感器抽象為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型。并依據(jù)傳感器自身資源有限的特點(diǎn)，將傳感器詳細(xì)的模型描述存儲(chǔ)在具有豐富資源的服務(wù)器上。應(yīng)用層收到傳感器發(fā)來(lái)的精簡(jiǎn)TEDS后，根據(jù)ID號(hào)中表單編號(hào)選擇相應(yīng)的詳細(xì)TEDS，并將相關(guān)數(shù)據(jù)填入其中，供其它系統(tǒng)使用。傳感器電子表單分為精簡(jiǎn)TEDS和詳細(xì)TEDS，其中精簡(jiǎn)TEDS如圖4所示。

圖4 精簡(jiǎn)TEDS

詳細(xì)TEDS包括基本TEDS和標(biāo)準(zhǔn)TEDS，其中校準(zhǔn)TEDS和用戶TEDS是可選的元素。從基本TEDS中，可以得到傳感器邏輯節(jié)點(diǎn)類型的相關(guān)信息。標(biāo)準(zhǔn)TEDS主要包含32字節(jié)的精簡(jiǎn)TEDS和傳感器的固有屬性2部分。TEDS的內(nèi)容和數(shù)據(jù)格式符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，而不是針對(duì)某一廠商設(shè)置。傳感器詳細(xì)TEDS的模板統(tǒng)一制定，每種傳感器都會(huì)有統(tǒng)一的傳感器詳細(xì)TEDS模板，可實(shí)現(xiàn)不同傳感器廠商、不同形態(tài)傳感器數(shù)據(jù)模型的統(tǒng)一，并通過(guò)應(yīng)用層云端對(duì)傳感器詳細(xì)TEDS統(tǒng)一管理，傳感器廠商依照該詳細(xì)TEDS內(nèi)容進(jìn)行填寫。

以溫度和濕度傳感器為例闡述電力物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一信息感知模型的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。首先溫度和濕度傳感器采集到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，通過(guò)統(tǒng)一接入網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)诫娏?nèi)網(wǎng)，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中的模型號(hào)字段與靜態(tài)信息模型自動(dòng)匹配獲取傳感器對(duì)應(yīng)的靜態(tài)屬性信息，然后根據(jù)動(dòng)態(tài)信息模型中的數(shù)據(jù)格式解析傳感器實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，最終將傳感器動(dòng)態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)信息合并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)中供其它業(yè)務(wù)系統(tǒng)調(diào)用。

3.2 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息傳輸

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息由溫度、濕度傳感器采集，通過(guò)安全接入網(wǎng)關(guān)接入到電力內(nèi)網(wǎng)。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息的報(bào)文大小決定了傳感器使用壽命，因此實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息的設(shè)計(jì)必須盡可能的壓縮。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息報(bào)文主要包括存放傳感器實(shí)時(shí)采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和感知節(jié)點(diǎn)唯一標(biāo)識(shí)號(hào)。

傳感器感知節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)號(hào)包括廠商代碼、模型號(hào)、版本標(biāo)簽和產(chǎn)品序列號(hào)4個(gè)字段，模型號(hào)用于對(duì)應(yīng)靜態(tài)模型中不同的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)解析模型，此標(biāo)識(shí)號(hào)保證傳感器感知節(jié)點(diǎn)的唯一性。

3.3 靜態(tài)信息模型匹配

引入云計(jì)算思想，將統(tǒng)一信息模型中的靜態(tài)模型部分存儲(chǔ)在應(yīng)用層云端，當(dāng)有不同廠商的傳感器接入到電力現(xiàn)場(chǎng)，須按照靜態(tài)模型格式要求定義傳感器模型號(hào)和靜態(tài)模型表單。

不同的模型號(hào)對(duì)應(yīng)不同的靜態(tài)模型表單，靜態(tài)模型表單中主要存放傳感器節(jié)點(diǎn)固有屬性，這些屬性在短期內(nèi)不會(huì)頻繁更新。當(dāng)傳感器固有屬性需發(fā)生改變時(shí)，則通過(guò)更新靜態(tài)模型表單中屬性名稱和屬性值，而不需要傳感器實(shí)時(shí)采集和傳輸，大大減小了實(shí)時(shí)傳輸報(bào)文長(zhǎng)度，延長(zhǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的使用壽命。

3.4 動(dòng)態(tài)信息模型更新

統(tǒng)一信息模型中的動(dòng)態(tài)部分主要存儲(chǔ)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的報(bào)文格式模板，按照此模板對(duì)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)解析更新，形成與數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)存儲(chǔ)格式一致的數(shù)據(jù)，最終將動(dòng)態(tài)和靜態(tài)信息模型中的數(shù)據(jù)合并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)中供其它業(yè)務(wù)系統(tǒng)調(diào)用。

4 感知模型的應(yīng)用

文中將基于云計(jì)算的電力物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一信息感知模型應(yīng)用到智能信息機(jī)房可視化管理項(xiàng)目中，首先在信息機(jī)房?jī)?nèi)部署溫濕度傳感器、水浸傳感器、門磁傳感器和震動(dòng)傳感器，通過(guò)在傳感器上加載統(tǒng)一信息感知模型，制定滿足信息機(jī)房在線監(jiān)控需求的信息編碼，申請(qǐng)支持統(tǒng)一信息感知模型的傳感器編碼號(hào)段，為每一個(gè)傳感器賦予唯一標(biāo)識(shí)碼，通過(guò)唯一標(biāo)識(shí)碼將感知設(shè)備靜態(tài)屬性信息定義在應(yīng)用層云端，減少了實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的報(bào)文數(shù)，降低了傳感器信息傳輸能耗，延長(zhǎng)了感知傳感器的生命周期。同時(shí)結(jié)合三維可視化技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信息機(jī)房?jī)?nèi)部環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控和可視化管理，降低了人工巡視勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了運(yùn)維管理效率。

5 結(jié)論

電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電力設(shè)備狀態(tài)和工作環(huán)境等信息的廣泛感知和采集，拓寬感知信息源的深度和廣度，實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行和所處工作環(huán)境狀況，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。文中將電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于湖南電力生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)對(duì)電力設(shè)備狀態(tài)和工作環(huán)境等信息的廣泛感知和采集，拓寬感知信息源的深度和廣度，實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行和所處工作環(huán)境狀況，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)通過(guò)引入云計(jì)算思想，建立基于云計(jì)算的感知設(shè)備節(jié)點(diǎn)感知層統(tǒng)一信息感知模型，減少實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的報(bào)文數(shù)，降低感知節(jié)點(diǎn)的信息采集傳輸功耗，延長(zhǎng)感知設(shè)備的生命周期。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果證明了基于云計(jì)算的電力物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一信息感知模型的有效性。本文研究工作沒(méi)有涉及網(wǎng)絡(luò)層傳輸協(xié)議方面內(nèi)容，下一步的研究?jī)?nèi)容集中在建立電力物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一通信規(guī)約方向。

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