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        電力企業(yè)智能設(shè)備數(shù)據(jù)采集協(xié)議研究

        2018-08-20 09:53:36呂啟尤陸庭輝吳毅良
        山東工業(yè)技術(shù) 2018年13期
        關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)采集大數(shù)據(jù)智能化

        呂啟尤 陸庭輝 吳毅良

        摘 要:隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展,越來越多的行業(yè)開始向智能化方向轉(zhuǎn)型,逐步以智能設(shè)備代替人工,來提升了企業(yè)效率,減少人工成本。電力行業(yè)在線路巡檢、變電站巡視、物資倉儲管理、計量抄表和在線監(jiān)測也實現(xiàn)智能化,隨著智能化設(shè)備的投入,設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量與日劇增,為了更好的利用這些數(shù)據(jù),為業(yè)務(wù)提供支撐,本文提出了幾種基于電力企業(yè)智能設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)接入方案,考慮如何將這些智能化設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)接入到數(shù)據(jù)平臺。

        關(guān)鍵詞:智能化;數(shù)據(jù)采集;大數(shù)據(jù)

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.174

        1 緒論

        1.1 背景與意義

        隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、信息技術(shù)的發(fā)展,推動能源向產(chǎn)業(yè)化、智能化、集約化發(fā)展,發(fā)展智能電網(wǎng)已經(jīng)成為保障能源安全、應(yīng)對氣候變化、保護自然環(huán)境、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要共識。尤其近些年智能化設(shè)備在電網(wǎng)中迅速發(fā)展和應(yīng)用,對于智能化設(shè)備的數(shù)據(jù)采集問題越來越引起電力行業(yè)內(nèi)的重視。

        數(shù)據(jù)作為信息的載體,不僅體現(xiàn)事物發(fā)展的現(xiàn)狀,還可以預(yù)測事物的發(fā)展趨勢,提供決策和分析,而數(shù)據(jù)采集則是應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。

        1.2 本文主要工作

        基于電力企業(yè)已有的智能化設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)提出幾種數(shù)據(jù)接入方案,涵蓋大部分智能化設(shè)備數(shù)據(jù)接入,包括結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),說明這幾種方案的優(yōu)勢和不足,為智能化設(shè)備數(shù)據(jù)接入提供理論支撐。

        2 存儲現(xiàn)狀

        實際企業(yè)中智能化設(shè)備的數(shù)據(jù)存在以下兩種形式,一種是只有終端,無前置服務(wù)器的,終端采集之后的數(shù)據(jù)直接存儲于機械硬盤或優(yōu)盤中,數(shù)據(jù)存儲分散,難以管理;另一種是有前置服務(wù)器,數(shù)據(jù)采集之后通過專有網(wǎng)絡(luò)直接存儲于前置服務(wù)器,數(shù)據(jù)相對結(jié)構(gòu)化,便于采集,這里的前置服務(wù)器是廣義上的概念,指在中心數(shù)據(jù)服務(wù)器之外的,起到數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換為平臺或系統(tǒng)合格數(shù)據(jù)的服務(wù)器或設(shè)備。

        3 接入?yún)f(xié)議

        按照網(wǎng)絡(luò)七層協(xié)議定義從上到下依次包括應(yīng)用層、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層,這里實際談到的協(xié)議只考慮應(yīng)用層協(xié)議和傳輸層協(xié)議,針對不同的場景,不同協(xié)議有各自的優(yōu)勢。

        3.1 IEC60870-5-104規(guī)約

        IEC60870-5-104規(guī)約是之前的IEC60870-5-101規(guī)約的網(wǎng)絡(luò)版,101規(guī)約是用于串口數(shù)據(jù)通信的規(guī)約協(xié)議,隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及計算機通信技術(shù)的發(fā)展,以及以太數(shù)據(jù)網(wǎng)在我國電力系統(tǒng)中的普及,在101規(guī)約基礎(chǔ)上發(fā)展出了與TCP/IP提供的網(wǎng)絡(luò)通信方式結(jié)合的104規(guī)約[1]。

        IEC60870-5-104規(guī)約,是基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的遠程通信協(xié)議,不能用串口通信,通信雙方必須分配確定的IP地址,需設(shè)置合理的路由,雙方的IP地址必須進行注冊,特別是服務(wù)端。通信性能較高但缺少自描述,需要提前建立終端單元和主站系統(tǒng)的點表映射關(guān)系來描述采集測點在傳輸數(shù)據(jù)流中的具體位置。這種方式需要主站工程師和終端工程師對數(shù)據(jù)點逐點對試,調(diào)試周期較長。實際應(yīng)用時應(yīng)避免極端現(xiàn)象,一旦網(wǎng)絡(luò)鏈接建立成功,廠站端就發(fā)送數(shù)據(jù),廠站的每發(fā)一條報文,就等待主站確認,需要嚴格遵循超時時間和K\W1的約束,采用變化數(shù)據(jù)主動上送方式。

        IEC60870-5-104的應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元APDU由應(yīng)用規(guī)約控制信息APCI和應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元ASDU組成,并定義了啟動字符、應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元的長度規(guī)范、可傳輸一個完整的應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元。

        下面是104規(guī)約傳送幀結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)示例圖:

        具體信息存儲于信息體中,每個信息體占用兩個字節(jié),高字節(jié)和低字節(jié)。

        3.2 IEC61850規(guī)約

        104規(guī)約傳輸?shù)臄?shù)據(jù)缺少自描述,需建立終端單元管理的數(shù)據(jù)點與主站接收端定義的量測值的對應(yīng)關(guān)系,因此為了進一步提升規(guī)約能力,IEC組織制定了變電站內(nèi)另一套通信標準體系-IEC61850規(guī)約。

        對于該方面標準的研究,歐洲和美國早在20世紀90年代就已經(jīng)開展,并制定了相關(guān)標準。最終在IEEC和IEC的共同協(xié)調(diào)下建立了世界范圍的統(tǒng)一標準-IEC61850,它是以UAC2.0的數(shù)據(jù)模擬和服務(wù)為基礎(chǔ),與IEC標準相結(jié)合產(chǎn)生的成果[2]。

        IEC61850標準具有顯著的幾個特點:

        (1)信息分層。IEC61850標準將變電站的通信體系分為變電站層、間隔層和過程層三個層次,并且定義了層和層之間的通信接口。其中,變電站層的功能分主要指對間隔或站內(nèi)的一次設(shè)備發(fā)生作用的功能以及與接口相關(guān)的,比如與遠程控制中心、主站系統(tǒng)等通信的功能。間隔層的功能主要是對間隔內(nèi)的一次設(shè)備作用的過程。過程層主要完成開關(guān)量控制、模擬量采樣和其他控制命令發(fā)送等功能。

        (2)面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)建模。IEC61850采用了面向?qū)ο蟮慕<夹g(shù),定義了基于客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型[2]。標準定義了變電站通信體系中的各類對象模型,例如變電站、電壓等級、間隔、端點、電接點、智能電子設(shè)備(IED)等等,這些對象模型的數(shù)據(jù)對象是由數(shù)據(jù)屬性構(gòu)成的公用類的命名實例。

        (3)數(shù)據(jù)自描述。IEC61850標準與IEC60870-5-104標準的一個顯著區(qū)別是標準中定義的數(shù)據(jù)格式具有自描述的特定,而這個自描述性是通過SCL來具體實現(xiàn)的。

        SCL是IEC61850標準中規(guī)定的變電站智能電子設(shè)備IED的配置描述語言,稱為變電站配置描述語言,描述了IED的配置和通信系統(tǒng)。在SCL作用域,SCL描述的模型包括:一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、通信系統(tǒng)、應(yīng)用層通信、每個IED、實例的邏輯節(jié)點類定義、描述實例的邏輯節(jié)點之間的關(guān)系、開關(guān)場(功能)部分間的關(guān)系。

        SCL文件擴展名一般為.SCD,SCL文件用特殊方法描述一個完整的模型實例,它所描述的語義能夠由所引用的模型本身完全理解。

        3.3 CIM/E規(guī)約

        CIM/E是一種具備自描述能力而效率更高的新型電力系統(tǒng)模型和數(shù)據(jù)描述語言。不同于IEC61850的基于XML的SCL表達格式,CIM/E所具有的數(shù)據(jù)描述方式處理效率更高效。因此在調(diào)度等系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)交換采用CIM/E格式的文件會使數(shù)據(jù)處理效率更高效。

        3.4 FTP協(xié)議

        FTP協(xié)議屬于TCP/IP協(xié)議體系結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用層協(xié)議。 顧名思義,F(xiàn)TP協(xié)議是用于傳輸文件的協(xié)議,與之對應(yīng)的有HTTP超文本傳輸協(xié)議、SMTP簡單郵件傳輸協(xié)議等[3]。FTP是因特網(wǎng)中最早提供的服務(wù)之一,由于其使用方便、靈活至今仍然是被廣泛應(yīng)用。

        由于FTP使用的是TCP協(xié)議,屏蔽了不同計算機系統(tǒng)的細節(jié),因此適用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的計算機間傳輸文件,它的目的是提高文件的共享性[4]。

        隨著電力行業(yè)自身業(yè)務(wù)能力的成長以及信息化技術(shù)的不斷發(fā)展,電力系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)類型變得越來越多、數(shù)據(jù)復(fù)雜性越來越高、數(shù)據(jù)交互和互操作性變得越來越普遍,尤其是智能化設(shè)備在電力行業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展,在數(shù)據(jù)存儲、交換和轉(zhuǎn)換過程中經(jīng)常會產(chǎn)生大量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)(文件、視頻、圖像等),比如無人機巡檢產(chǎn)生的視頻和圖片、山火監(jiān)測圖片、變電站巡檢機器人拍攝的紅外圖片等,再比如上面CIM/E協(xié)議中的E文件等等,電力企業(yè)應(yīng)用中的很多場景也都是通過搭建FTP服務(wù)器和FTP目錄進行數(shù)據(jù)文件的傳輸和獲取。

        4 應(yīng)用場景分析

        IEC60870-5-104規(guī)約是通信雙方事先約定通信規(guī)則,服務(wù)端根據(jù)客戶端傳送的過來的信息解析信息頭和信息體,性能較高,用于終端和主站之間的通信。

        IEC61850在變電站數(shù)據(jù)接入中通過用SCL描述智能電子設(shè)備的配置,給出被監(jiān)控的目標系統(tǒng)模型和數(shù)據(jù)并通過抽象服務(wù)接口傳遞數(shù)據(jù),用于變電站用于調(diào)度中心以及調(diào)度中心之間通信。

        CIM/E是一種效率更高的新型電力系統(tǒng)模型和數(shù)據(jù)描述語言,描述方式簡單,具有人可讀的特點,用于變電站系統(tǒng)之間的通信。

        FTP可以將一個完整的文件從一個系統(tǒng)復(fù)制到另一個系統(tǒng),客戶端訪問只需要提供賬號即可登錄服務(wù)器,也可以使用匿名FTP方式登錄服務(wù)器,多用于傳輸文本文件和其他二進制文件。

        5 結(jié)語

        隨著智能化設(shè)備的發(fā)展,機器人、無人機、傳感器等智能化設(shè)備在電力行業(yè)應(yīng)用,智能設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)生了質(zhì)的變化,急需針對各類智能化設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)提出一條可行的接入方案,為數(shù)據(jù)接入規(guī)范的制定奠定基礎(chǔ),從而支撐輸電、變電、配電和用電的各項智能化應(yīng)用建設(shè),推動電網(wǎng)向智能、高效、可靠、綠色的方向轉(zhuǎn)變。

        本文分析了目前電網(wǎng)智能化數(shù)據(jù)接入中主要的幾種方法或規(guī)范,從多個緯度進行分析對比,并描述了其各自的應(yīng)用場景和優(yōu)缺點,使用場景變得更加清晰。不同的規(guī)約或協(xié)議由于出現(xiàn)時間上的先后順序,可能接入效率又高有低,比如之后的IEC61850規(guī)約提高了104等點對點規(guī)約的傳輸和解析效率,但由于設(shè)備廠商等其他因素,并不能完全摒棄其中某種協(xié)議方式,實際數(shù)據(jù)接入應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)實際情況選擇最適合的接入方式。通過對比文中各種接入方式,本文能夠為電網(wǎng)應(yīng)用中以后的智能化設(shè)備數(shù)據(jù)接入提供較好的參考價值。

        參考文獻:

        [1]張士勇,陳春等.應(yīng)用101(104)規(guī)約的"電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)"在現(xiàn)場調(diào)試維護中的關(guān)鍵技術(shù)分析[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2011,39(05).

        [2]吳在軍.基于IEC 61850標準的變電站自動化系統(tǒng)研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2003,27(10):61-65.

        [3]謝希仁.計算機網(wǎng)絡(luò)(第四版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

        [4]趙強.基于FTP協(xié)議的文件傳輸服務(wù)器的研究[J].大連海事大學(xué):通信與信息系統(tǒng),2008.

        作者簡介:呂啟尤(1979-),男,廣東鶴山人,碩士,中級工程師,研究方向:數(shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

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