電力物聯網統一信息感知模型研究

鄧鵬程，謝儉

(國網湖南省電力公司信息通信公司，湖南長沙410007)

物聯網 (The internet of things)〔1-3〕的概念由美國麻省理工學院最早提出，其意為物物相連的互聯網。物聯網技術通過在各類物體上安裝電子標簽(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態和靜態信息共享到互聯網上，從而給物體賦予智能，實現人與物、物與物的信息溝通與交互。物聯網并不是全新的技術，要在現有互聯網系統基礎上，規范和增加感知及信息化處理手段，將互聯網技術延伸至物體上。電力行業是物聯網技術應用較為廣泛的領域之一，例如輸電線路在線監測、智能變電站、智能機房等，覆蓋了電力生產、輸送、消費、管理等環節，其產業鏈涵蓋芯片、傳感器、終端裝置、信息通信網絡、軟件應用、增值服務和運維等方面，到2015年，電力物聯網市場容量約兩千億元人民幣。需依托電力業務需求研發實用化、系列化、低成本的電力物聯網產品及系統，拓展物聯網產品的行業應用范圍，提高產品市場占有率，并積極開拓國際市場。

文中將電力物聯網技術應用于湖南電力生產現場，通過對電力設備狀態和工作環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，實時跟蹤電網設備運行和所處工作環境狀況，保證電網安全穩定運行。同時通過引入云計算思想，建立基于云計算的感知設備節點感知層統一信息感知模型，減少實時傳輸數據的報文數，降低感知節點的信息采集傳輸功耗，延長感知設備的生命周期。

1 電力物聯網技術

電力物聯網是在電力生產、輸送、消費、管理各環節廣泛部署具有一定感知能力、計算能力和執行能力的智能裝置，實現信息安全可靠傳輸、協同處理、統一服務及應用集成，從而促進電網運行及企業管理全過程的全景全息感知、互聯互通及無縫鏈接。電力物聯網的總體框架包括應用層、網絡層和感知層〔4-7〕，如圖1所示。

圖1 電力物聯網技術架構

1)感知層。通過在輸電、變電和配電的各個環節中的電力設備上安裝電子標簽 (RFID)、智能傳感器、二維碼、紅外感應器和激光掃描儀等信息感知設備，獲取電力設備的狀態信息、位置信息、屬性信息等，將所有變壓器、開關、線路、桿塔、電表、車輛等電力設備構成一個相互聯接的大網絡。感知層需要建立統一的信息感知模型，包括統一標識、統一語義和統一數據表達格式，實現各類感知設備的無縫接入，降低智能感知設備感知能耗，延長智能感知設備的生命周期。

2)網絡層。通過建立高性能的監測裝置到通信網絡的接入通道，完成感知層“統一信息感知模型”到網絡層“統一通信規約”的自適應映射，兼容各種通信傳輸模式 (如:光纖、電力線載波、無線通信等)。

3)應用層。實現更深層次的資源共享和應用融合，通過數據模型標準化、接口標準化、服務組件化等改進實現數據集中存儲、業務集中部署，將應用系統由部門級、業務級推向企業級轉變。

2 感知模型

智能信息感知設備〔8〕用于采集電網設備運行狀態參數、運行環境參數和設備身份識別信息等實時數據，此類信息感知設備主要包括RFID電子標簽和智能傳感器，它們種類繁多，數量龐大，不同廠家信息感知模式和數據規范不盡相同。智能感知設備〔9〕通常采用無線方式傳輸數據，設備電池電量、無線帶寬和傳輸速率受到很大限制。因此需要建立統一的信息感知模型，實現各類感知設備的無縫接入，同時減少實時傳輸數據的報文數，降低感知節點的信息采集傳輸功耗，延長感知設備的生命周期。

文中提出一種基于云計算的電力物聯網統一信息感知模型，包括靜態模型和動態模型2部分，如圖2所示。通過引入云計算思想，將統一信息模型中的靜態部分以表單 (TEDS:Transducer Electronic Data Sheets)的形式存儲在應用層云端，靜態模型中包括智能感知設備固有屬性參數、智能感知節點信息模型匹配機制等靜態信息。動態模型主要包括智能感知節點實時動態數據和感知節點標識號，感知節點標識號主要用于自適應匹配存放在云端的節點信息模型，不同的感知節點對應應用層云端不同靜態信息模型。在網絡層數據通信過程中，只需傳輸動態信息部分，減少實時傳輸數據的報文數，可降低智能感知設備能耗，延長感知設備生命周期。同時采用統一標識、統一語義和統一數據表達格式來定義感知節點信息模型，各廠家需要參照統一信息感知模型標準來描述各自感知節點，實現感知層設備信息自描述，達到不同廠商同類型感知設備的模型統一及無縫交互。

圖2 基于云計算的電力物聯網統一信息感知模型

由于感知層的通信資源通常受限，無法直接使用復雜的自解析傳感器信息模型，一般地采用統一壓縮格式化數據，該數據經統一通信規約傳輸至應用層 (如圖3所示)，應用層根據該數據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、初始化該模型，匯聚控制器據此模型解析生成完整的傳感器信息。應用服務根據統一信息模型為各類業務應用提供服務，對已安裝的感知設備信息模型提供模型轉換，滿足各業務對統一信息模型的應用需求。

圖3 基于云計算的電力物聯網統一信息感知模型架構圖

3 感知模型的實現

依據IEC61850-7-4標準中的設計原則，將用邏輯設備、邏輯節點、數據對象描述的抽象模型作為整個設計思路的架構，重點結合IEEE1451.4的TEDS(傳感器電子表單)思想，實現電力物聯網中感知層設備的抽象數據模型。

依據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備上的一種描述語言，便于與主站進行數據交換。

由于傳感器的電池電量、無線帶寬，傳輸速率等限制。傳感器將盡量少的變化的數據傳送出去。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用層服務器中。TEDS不僅可以解析sensor數據，同時也可以描述傳感器的其它固有參數屬性。

3.1 傳感器表單設計說明

傳感器電子表單 (Transducer Electronic Data Sheet)的設計思想是將各種傳感器抽象為統一的數據模型。并依據傳感器自身資源有限的特點，將傳感器詳細的模型描述存儲在具有豐富資源的服務器上。應用層收到傳感器發來的精簡TEDS后，根據ID號中表單編號選擇相應的詳細TEDS，并將相關數據填入其中，供其它系統使用。傳感器電子表單分為精簡TEDS和詳細TEDS，其中精簡TEDS如圖4所示。

圖4 精簡TEDS

詳細TEDS包括基本TEDS和標準TEDS，其中校準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點類型的相關信息。標準TEDS主要包含32字節的精簡TEDS和傳感器的固有屬性2部分。TEDS的內容和數據格式符合相關標準，而不是針對某一廠商設置。傳感器詳細TEDS的模板統一制定，每種傳感器都會有統一的傳感器詳細TEDS模板，可實現不同傳感器廠商、不同形態傳感器數據模型的統一，并通過應用層云端對傳感器詳細TEDS統一管理，傳感器廠商依照該詳細TEDS內容進行填寫。

以溫度和濕度傳感器為例闡述電力物聯網統一信息感知模型的實現過程。首先溫度和濕度傳感器采集到實時動態信息，通過統一接入網關將數據信息傳輸到電力內網，將實時數據中的模型號字段與靜態信息模型自動匹配獲取傳感器對應的靜態屬性信息，然后根據動態信息模型中的數據格式解析傳感器實時動態數據，最終將傳感器動態和靜態數據信息合并存儲到數據服務系統中供其它業務系統調用。

3.2 實時動態信息傳輸

實時動態信息由溫度、濕度傳感器采集，通過安全接入網關接入到電力內網。實時動態信息的報文大小決定了傳感器使用壽命，因此實時動態信息的設計必須盡可能的壓縮。實時動態信息報文主要包括存放傳感器實時采集的動態數據和感知節點唯一標識號。

傳感器感知節點標識號包括廠商代碼、模型號、版本標簽和產品序列號4個字段，模型號用于對應靜態模型中不同的傳感器節點數據解析模型，此標識號保證傳感器感知節點的唯一性。

3.3 靜態信息模型匹配

引入云計算思想，將統一信息模型中的靜態模型部分存儲在應用層云端，當有不同廠商的傳感器接入到電力現場，須按照靜態模型格式要求定義傳感器模型號和靜態模型表單。

不同的模型號對應不同的靜態模型表單，靜態模型表單中主要存放傳感器節點固有屬性，這些屬性在短期內不會頻繁更新。當傳感器固有屬性需發生改變時，則通過更新靜態模型表單中屬性名稱和屬性值，而不需要傳感器實時采集和傳輸，大大減小了實時傳輸報文長度，延長傳感器節點的使用壽命。

3.4 動態信息模型更新

統一信息模型中的動態部分主要存儲傳感器節點實時采集數據的報文格式模板，按照此模板對實時采集數據解析更新，形成與數據服務系統存儲格式一致的數據，最終將動態和靜態信息模型中的數據合并存儲到數據服務系統中供其它業務系統調用。

4 感知模型的應用

文中將基于云計算的電力物聯網統一信息感知模型應用到智能信息機房可視化管理項目中，首先在信息機房內部署溫濕度傳感器、水浸傳感器、門磁傳感器和震動傳感器，通過在傳感器上加載統一信息感知模型，制定滿足信息機房在線監控需求的信息編碼，申請支持統一信息感知模型的傳感器編碼號段，為每一個傳感器賦予唯一標識碼，通過唯一標識碼將感知設備靜態屬性信息定義在應用層云端，減少了實時傳輸數據的報文數，降低了傳感器信息傳輸能耗，延長了感知傳感器的生命周期。同時結合三維可視化技術和無線傳感器網絡技術，實現了對信息機房內部環境和設備運行狀態實時在線監控和可視化管理，降低了人工巡視勞動強度，提高了運維管理效率。

5 結論

電力物聯網技術通過對現場電力設備狀態和工作環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，實時跟蹤電網設備運行和所處工作環境狀況，保證電網安全穩定運行。文中將電力物聯網技術應用于湖南電力生產現場，通過對電力設備狀態和工作環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，實時跟蹤電網設備運行和所處工作環境狀況，保證電網安全穩定運行。同時通過引入云計算思想，建立基于云計算的感知設備節點感知層統一信息感知模型，減少實時傳輸數據的報文數，降低感知節點的信息采集傳輸功耗，延長感知設備的生命周期。實際應用結果證明了基于云計算的電力物聯網統一信息感知模型的有效性。本文研究工作沒有涉及網絡層傳輸協議方面內容，下一步的研究內容集中在建立電力物聯網統一通信規約方向。

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