電力企業智能設備數據采集協議研究

呂啟尤 陸庭輝 吳毅良

摘 要：隨著互聯網技術發展，越來越多的行業開始向智能化方向轉型，逐步以智能設備代替人工，來提升了企業效率，減少人工成本。電力行業在線路巡檢、變電站巡視、物資倉儲管理、計量抄表和在線監測也實現智能化，隨著智能化設備的投入，設備產生的數據量與日劇增，為了更好的利用這些數據，為業務提供支撐，本文提出了幾種基于電力企業智能設備產生的數據接入方案，考慮如何將這些智能化設備產生的數據接入到數據平臺。

關鍵詞：智能化；數據采集；大數據

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

1 緒論

1.1 背景與意義

隨著互聯網、大數據、信息技術的發展，推動能源向產業化、智能化、集約化發展，發展智能電網已經成為保障能源安全、應對氣候變化、保護自然環境、實現可持續發展的重要共識。尤其近些年智能化設備在電網中迅速發展和應用，對于智能化設備的數據采集問題越來越引起電力行業內的重視。

數據作為信息的載體，不僅體現事物發展的現狀，還可以預測事物的發展趨勢，提供決策和分析，而數據采集則是應用的前提和基礎。

1.2 本文主要工作

基于電力企業已有的智能化設備產生的數據提出幾種數據接入方案，涵蓋大部分智能化設備數據接入，包括結構化和非結構化數據，說明這幾種方案的優勢和不足，為智能化設備數據接入提供理論支撐。

2 存儲現狀

實際企業中智能化設備的數據存在以下兩種形式，一種是只有終端，無前置服務器的，終端采集之后的數據直接存儲于機械硬盤或優盤中，數據存儲分散，難以管理；另一種是有前置服務器，數據采集之后通過專有網絡直接存儲于前置服務器，數據相對結構化，便于采集，這里的前置服務器是廣義上的概念，指在中心數據服務器之外的，起到數據采集和轉換為平臺或系統合格數據的服務器或設備。

3 接入協議

按照網絡七層協議定義從上到下依次包括應用層、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層，這里實際談到的協議只考慮應用層協議和傳輸層協議，針對不同的場景，不同協議有各自的優勢。

3.1 IEC60870-5-104規約

IEC60870-5-104規約是之前的IEC60870-5-101規約的網絡版，101規約是用于串口數據通信的規約協議，隨著網絡技術及計算機通信技術的發展，以及以太數據網在我國電力系統中的普及，在101規約基礎上發展出了與TCP/IP提供的網絡通信方式結合的104規約[1]。

IEC60870-5-104規約，是基于TCP/IP網絡的遠程通信協議，不能用串口通信，通信雙方必須分配確定的IP地址，需設置合理的路由，雙方的IP地址必須進行注冊，特別是服務端。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的點表映射關系來描述采集測點在傳輸數據流中的具體位置。這種方式需要主站工程師和終端工程師對數據點逐點對試，調試周期較長。實際應用時應避免極端現象，一旦網絡鏈接建立成功，廠站端就發送數據，廠站的每發一條報文，就等待主站確認，需要嚴格遵循超時時間和K＼W1的約束，采用變化數據主動上送方式。

IEC60870-5-104的應用規約數據單元APDU由應用規約控制信息APCI和應用服務數據單元ASDU組成，并定義了啟動字符、應用服務數據單元的長度規范、可傳輸一個完整的應用規約數據單元。

下面是104規約傳送幀結構的一種結構示例圖：

具體信息存儲于信息體中，每個信息體占用兩個字節，高字節和低字節。

3.2 IEC61850規約

104規約傳輸的數據缺少自描述，需建立終端單元管理的數據點與主站接收端定義的量測值的對應關系，因此為了進一步提升規約能力，IEC組織制定了變電站內另一套通信標準體系-IEC61850規約。

對于該方面標準的研究，歐洲和美國早在20世紀90年代就已經開展，并制定了相關標準。最終在IEEC和IEC的共同協調下建立了世界范圍的統一標準-IEC61850，它是以UAC2.0的數據模擬和服務為基礎，與IEC標準相結合產生的成果[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的一次設備發生作用的功能以及與接口相關的，比如與遠程控制中心、主站系統等通信的功能。間隔層的功能主要是對間隔內的一次設備作用的過程。過程層主要完成開關量控制、模擬量采樣和其他控制命令發送等功能。

（2）面向對象的數據建模。IEC61850采用了面向對象的建模技術，定義了基于客戶機/服務器結構數據模型[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、智能電子設備（IED）等等，這些對象模型的數據對象是由數據屬性構成的公用類的命名實例。

（3）數據自描述。IEC61850標準與IEC60870-5-104標準的一個顯著區別是標準中定義的數據格式具有自描述的特定，而這個自描述性是通過SCL來具體實現的。

SCL是IEC61850標準中規定的變電站智能電子設備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。在SCL作用域，SCL描述的模型包括：一次系統結構、通信系統、應用層通信、每個IED、實例的邏輯節點類定義、描述實例的邏輯節點之間的關系、開關場（功能）部分間的關系。

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模型和數據描述語言。不同于IEC61850的基于XML的SCL表達格式，CIM/E所具有的數據描述方式處理效率更高效。因此在調度等系統之間進行數據交換采用CIM/E格式的文件會使數據處理效率更高效。

3.4 FTP協議

FTP協議屬于TCP/IP協議體系結構中的應用層協議。 顧名思義，FTP協議是用于傳輸文件的協議，與之對應的有HTTP超文本傳輸協議、SMTP簡單郵件傳輸協議等[3]。FTP是因特網中最早提供的服務之一，由于其使用方便、靈活至今仍然是被廣泛應用。

由于FTP使用的是TCP協議，屏蔽了不同計算機系統的細節，因此適用于異構網絡中的計算機間傳輸文件，它的目的是提高文件的共享性[4]。

隨著電力行業自身業務能力的成長以及信息化技術的不斷發展，電力系統中的數據類型變得越來越多、數據復雜性越來越高、數據交互和互操作性變得越來越普遍，尤其是智能化設備在電力行業中的應用和發展，在數據存儲、交換和轉換過程中經常會產生大量的非結構化數據（文件、視頻、圖像等），比如無人機巡檢產生的視頻和圖片、山火監測圖片、變電站巡檢機器人拍攝的紅外圖片等，再比如上面CIM/E協議中的E文件等等，電力企業應用中的很多場景也都是通過搭建FTP服務器和FTP目錄進行數據文件的傳輸和獲取。

4 應用場景分析

IEC60870-5-104規約是通信雙方事先約定通信規則，服務端根據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在變電站數據接入中通過用SCL描述智能電子設備的配置，給出被監控的目標系統模型和數據并通過抽象服務接口傳遞數據，用于變電站用于調度中心以及調度中心之間通信。

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

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

5 結語

隨著智能化設備的發展，機器人、無人機、傳感器等智能化設備在電力行業應用，智能設備產生的數據發生了質的變化，急需針對各類智能化設備產生的數據提出一條可行的接入方案，為數據接入規范的制定奠定基礎，從而支撐輸電、變電、配電和用電的各項智能化應用建設，推動電網向智能、高效、可靠、綠色的方向轉變。

本文分析了目前電網智能化數據接入中主要的幾種方法或規范，從多個緯度進行分析對比，并描述了其各自的應用場景和優缺點，使用場景變得更加清晰。不同的規約或協議由于出現時間上的先后順序，可能接入效率又高有低，比如之后的IEC61850規約提高了104等點對點規約的傳輸和解析效率，但由于設備廠商等其他因素，并不能完全摒棄其中某種協議方式，實際數據接入應用中應該根據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，本文能夠為電網應用中以后的智能化設備數據接入提供較好的參考價值。

參考文獻：

[1]張士勇，陳春等.應用101（104）規約的"電網調度自動化系統"在現場調試維護中的關鍵技術分析[J].電力系統保護與控制，2011，39（05）.

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

[3]謝希仁.計算機網絡（第四版）[M].北京：電子工業出版社，2003.

[4]趙強.基于FTP協議的文件傳輸服務器的研究[J].大連海事大學：通信與信息系統，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：數據分析、大數據、云計算、物聯網技術。