孟 琦,劉宏宇,李 煜,孟 巍
(中國移動通信集團設計院有限公司 黑龍江分公司,黑龍江 哈爾濱 150080)
電力物聯(lián)網(wǎng)是利用泛在網(wǎng)鏈接智能電網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)手段,使電網(wǎng)系統(tǒng)、發(fā)電企業(yè)、用電企業(yè)以及用電個人用戶等可以同時利用電力物聯(lián)網(wǎng)獲得個性化電力服務,既能提高電力企業(yè)的服務質(zhì)量,又能為社會整體經(jīng)濟發(fā)展提供助力。為充分發(fā)揮電力物聯(lián)網(wǎng)的使用價值,需要設計并構(gòu)建信息模型和通信協(xié)議,保障所有接入電力物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器設備能將采集的信息準確反饋到互聯(lián)網(wǎng)中,通過技術(shù)手段提高電網(wǎng)系統(tǒng)的運行質(zhì)量。
物聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎,配合多種類型的信息傳感器、激光掃描器、射頻識別技術(shù)以及全球定位系統(tǒng)等先進設備和技術(shù),打破傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)接入設備的局限性,可將廣義上的所有物品都與互聯(lián)網(wǎng)進行聯(lián)通,通過網(wǎng)絡技術(shù)和移動通信技術(shù)等進行信息交換,實現(xiàn)萬物互聯(lián)[1]。
電力物聯(lián)網(wǎng)是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和概念應用于智能電網(wǎng)中,對電力系統(tǒng)中各項基礎設施進行智能識別、定位、監(jiān)控或管理等,通過提高電力系統(tǒng)的智能化水平,使其穩(wěn)定運行。
5G移動通信技術(shù)是具有低時延、高速率以及大連接等特點的新一代寬帶移動通信技術(shù),是電力物聯(lián)網(wǎng)得以建設的關鍵技術(shù)之一。5G技術(shù)在商用推廣后進一步促進了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,相關數(shù)據(jù)顯示,2018年時國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)設備接入數(shù)量約為2.3×109,而在國家相關政策的扶持和引導下,國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)設備接入數(shù)量呈爆發(fā)式增長態(tài)勢,預計到2022年物聯(lián)網(wǎng)設備接入數(shù)量能達到7.0×109,對推動智能城市的建設具有積極的促進作用。
典型物聯(lián)網(wǎng)利用感知層、網(wǎng)絡層以及應用層實現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接[2]。電力物聯(lián)網(wǎng)也是依托這3個層次結(jié)構(gòu)進行建設,不同層次結(jié)構(gòu)的主要功能如下。
感知層中主要包含通信延伸子層和感知控制子層2個分支,通過安裝在電力系統(tǒng)中的傳感器設備采集電網(wǎng)系統(tǒng)中不同設備設施的運行狀態(tài)、環(huán)境信息以及電量信息等,然后將采集的信息通過通信技術(shù)傳輸?shù)狡渌麑哟沃?,實現(xiàn)信息交換。
網(wǎng)絡層的主要功能是利用通信網(wǎng)絡進行信息傳輸和交換,從而對電網(wǎng)系統(tǒng)的運行進行控制[3]。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴大,電網(wǎng)系統(tǒng)中應用的設備設施更加復雜,在提高電網(wǎng)系統(tǒng)運行效率同時,也加大了電網(wǎng)系統(tǒng)的運行風險,局部發(fā)生的細小干擾或異??赡軙l(fā)大面積連鎖反應。應用網(wǎng)絡層及時掌握電網(wǎng)的全景信息,預測電網(wǎng)運行中可能發(fā)生的故障,故障發(fā)生后應用網(wǎng)絡層控制電網(wǎng)系統(tǒng),及時隔離故障發(fā)生點,避免單個故障點對電網(wǎng)系統(tǒng)整體運行產(chǎn)生影響。
應用層的主要功能是通過云計算平臺、物聯(lián)網(wǎng)中間件以及應用平臺等對電網(wǎng)系統(tǒng)進行控制,為電網(wǎng)系統(tǒng)運營人員提供可視化操作服務[4]。
通過建立電力物聯(lián)網(wǎng)信息模型能完成向電網(wǎng)系統(tǒng)中各項設備設施發(fā)布指令、監(jiān)測電力設備設施運行狀態(tài)、記錄電力設備設施監(jiān)測數(shù)據(jù)以及描述站點信息等操作,為提高電力系統(tǒng)運行的可靠性提供技術(shù)保障[5]。為實現(xiàn)以上操作目標,需要在設計電力物聯(lián)網(wǎng)信息架構(gòu)時,首先明確模型的監(jiān)測對象,并根據(jù)被監(jiān)測對象的屬性采取相應的結(jié)點數(shù)據(jù)分析方法。信息模型需要同時監(jiān)測多個對象才能保證獲取信息的全面性,每個被監(jiān)測對象需要與葉子結(jié)點一一對應。
被監(jiān)測對象的屬性可分為7種,分別是訪問權(quán)限、狀態(tài)、類型、標識符、對象值、名稱以及描述,如圖1所示。其中訪問權(quán)限決定了監(jiān)測中心對被檢測對象數(shù)據(jù)的訪問方式和數(shù)據(jù)訪問范圍,分別有讀寫、只讀、只寫以及不可訪問4種權(quán)限;狀態(tài)反映被監(jiān)測對象當下的狀態(tài),分別有可選、過時以及強制性3種類型;類型是根據(jù)信息模型設計方式進行分類;標識符是輔助信息模型識別被監(jiān)測對象的重要形式,取值范圍區(qū)間為 0~ 255,存在形式為 id1、id2、id3、id4;對象值表示被監(jiān)測對象的屬性值;名稱和描述分別說明被監(jiān)測對象的名稱和作用。
圖1 被監(jiān)測對象屬性描述
在對信息模型進行設計和構(gòu)建的過程中,應考慮電力物聯(lián)網(wǎng)的拓展應用需求??梢詷錉罱Y(jié)構(gòu)為基礎對信息模型中的數(shù)據(jù)進行分類儲存,同時保障信息模型能完整集合所有被監(jiān)測對象的運行數(shù)據(jù),具體設計思路如下[6]。第一,信息模型根節(jié)點設計為虛擬節(jié)點,下設4個分支,分別代表時間記錄、實時數(shù)據(jù)、系統(tǒng)信息以及計量信息,再根據(jù)需要設置相應數(shù)量的子樹對每個分支進行進一步分類,如電表信息子樹和廠站信息子樹等。樹狀結(jié)構(gòu)能保障信息分析結(jié)果的準確性,不同信息數(shù)據(jù)相互獨立,對單個結(jié)點或子樹信息進行更改或刪減等操作不會對其他節(jié)點或子樹信息產(chǎn)生連帶反應。另外,采用樹狀結(jié)構(gòu)建立電力物聯(lián)網(wǎng)信息模型能將各類信息數(shù)據(jù)以標識符的方式進行儲存,不僅能提高信息模型對數(shù)據(jù)信息的識別和處理效率,而且能大幅節(jié)省數(shù)據(jù)儲存空間,提高信息模型的數(shù)據(jù)儲存速度。
統(tǒng)一數(shù)據(jù)表達格式有利于提高信息模型的識別速度和數(shù)據(jù)處理效率,具體可從以下幾方面入手[7]。第一,統(tǒng)一關鍵字表達形式,被監(jiān)測對象的描述內(nèi)容中應包含其全稱、簡稱以及英文描述。第二,以統(tǒng)一形式描述物理設備,描述內(nèi)容應包含物理設備的型號、類型以及相關抽象數(shù)據(jù)等。第三,統(tǒng)一不同結(jié)構(gòu)層次中的描述語言。當前電力物聯(lián)網(wǎng)信息模型中多采用XML技術(shù)標記不同設備的標簽,因此在確定數(shù)據(jù)表達格式時,應優(yōu)先考慮以XML技術(shù)可識別描述語言進行統(tǒng)一。
電力物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的設計需要以《電力系統(tǒng)電能累計量傳輸配套標準》為基礎,同時滿足電力物聯(lián)網(wǎng)運營的通信需求[8]。當前我國電力系統(tǒng)主要以IEC 60870-5-102標準(以下簡稱“102標準”)作為電能累計量傳輸配套標準,在設計電力物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議時,應全面考慮102標準的設計要求。102標準主要用于規(guī)范電能量數(shù)據(jù)傳輸,對電力物聯(lián)網(wǎng)電能量傳輸來說,存在一定的不適性和局限性。例如,102標準中未全面定義電網(wǎng)系統(tǒng)的各類設備設施,除電能量數(shù)據(jù)外,對電網(wǎng)設備設施和傳輸電站管理參數(shù)的定義也不明確,加大了電網(wǎng)系統(tǒng)承載數(shù)據(jù)存在的片面性,無法應用電力物聯(lián)網(wǎng)全面統(tǒng)一管理電網(wǎng)系統(tǒng)中的設備設施數(shù)據(jù)、廠站數(shù)據(jù)以及電表數(shù)據(jù)等。另外,102標準中信息體格式也并不統(tǒng)一,電能量對象的描述內(nèi)容多樣性更強,不僅包含單點信息,還包含信息對象地址和公共實標字段等不同格式的信息。此種情況不僅增加了系統(tǒng)編碼難度,還會為后續(xù)讀碼提供一定阻礙,影響電力物聯(lián)網(wǎng)的反應速度。因此,在設計電力物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議時,需要全面考慮102標準中存在的片面性問題,結(jié)合電力行業(yè)的發(fā)展和電力設備設施的更新?lián)Q代形勢,對相關設備和電站信息進行動態(tài)化補充和擴展。根據(jù)不同設備設施的管理需求在信息模型中建設相應的分析系統(tǒng),使用統(tǒng)一規(guī)格和標準的數(shù)據(jù)單元定義方式。
物聯(lián)網(wǎng)各層次都需要有多重通信協(xié)議的支持,才能確保各層次功能的實現(xiàn),各層次中常見通信協(xié)議梳理情況如圖2所示。以協(xié)議模式為基礎對協(xié)議字段進行制定和調(diào)整,確保通信協(xié)議中包含數(shù)據(jù)單元標識符和信息對象綁定表[9]。數(shù)據(jù)單元標識符可以沿用102標準中的格式,信息對象綁定表則需單獨確定。
圖2 物聯(lián)網(wǎng)常見通信協(xié)議
信息編碼規(guī)則也是電力物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議設計中需要考慮的重要問題。根據(jù)PIOTP協(xié)議要求,可采用ASN.1的形式進行報文編碼[10]。具體是以數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度域以及數(shù)據(jù)域字段3個字段體現(xiàn)編碼的基本類型和構(gòu)造類型。ASN.1常用數(shù)據(jù)類型如表1所示。
表1 ASN.1常用數(shù)據(jù)類型
電力物聯(lián)網(wǎng)利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動通信技術(shù)以及人工智能技術(shù)等將電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進行關聯(lián),實現(xiàn)人機交互,為多產(chǎn)業(yè)提供更加智能化的電力服務,提高電力系統(tǒng)的服務價值。但電力物聯(lián)網(wǎng)的應用必須得到信息模型和通信協(xié)議的支持,才能保障電力數(shù)據(jù)的傳輸和管理效率。通過研究與分析發(fā)現(xiàn),電力物聯(lián)網(wǎng)信息模型的設計需要以監(jiān)測對象為基礎,解決信息模型中數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一問題,并對模型結(jié)構(gòu)進行適當拓展。通信協(xié)議需要在相關標準的要求下,確定物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議字段組成和數(shù)據(jù)信息編碼規(guī)則。只有科學把握不同設計階段中的核心內(nèi)容,才能為電力物聯(lián)網(wǎng)的建設提供支持和保障。