電力物聯網信息模型及通信協議的設計與實現

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）

0 引 言

電力物聯網是利用泛在網鏈接智能電網和互聯網的技術手段，使電網系統、發電企業、用電企業以及用電個人用戶等可以同時利用電力物聯網獲得個性化電力服務，既能提高電力企業的服務質量，又能為社會整體經濟發展提供助力。為充分發揮電力物聯網的使用價值，需要設計并構建信息模型和通信協議，保障所有接入電力物聯網中的傳感器設備能將采集的信息準確反饋到互聯網中，通過技術手段提高電網系統的運行質量。

1 電力物聯網的信息概念和架構模式

物聯網是以互聯網為基礎，配合多種類型的信息傳感器、激光掃描器、射頻識別技術以及全球定位系統等先進設備和技術，打破傳統互聯網接入設備的局限性，可將廣義上的所有物品都與互聯網進行聯通，通過網絡技術和移動通信技術等進行信息交換，實現萬物互聯[1]。

電力物聯網是將物聯網技術和概念應用于智能電網中，對電力系統中各項基礎設施進行智能識別、定位、監控或管理等，通過提高電力系統的智能化水平，使其穩定運行。

5G移動通信技術是具有低時延、高速率以及大連接等特點的新一代寬帶移動通信技術，是電力物聯網得以建設的關鍵技術之一。5G技術在商用推廣后進一步促進了物聯網的發展，相關數據顯示，2018年時國內物聯網設備接入數量約為2.3×109，而在國家相關政策的扶持和引導下，國內物聯網設備接入數量呈爆發式增長態勢，預計到2022年物聯網設備接入數量能達到7.0×109，對推動智能城市的建設具有積極的促進作用。

典型物聯網利用感知層、網絡層以及應用層實現物與物、物與人的泛在連接[2]。電力物聯網也是依托這3個層次結構進行建設，不同層次結構的主要功能如下。

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中的傳感器設備采集電網系統中不同設備設施的運行狀態、環境信息以及電量信息等，然后將采集的信息通過通信技術傳輸到其他層次中，實現信息交換。

網絡層的主要功能是利用通信網絡進行信息傳輸和交換，從而對電網系統的運行進行控制[3]。隨著電力系統規模的擴大，電網系統中應用的設備設施更加復雜，在提高電網系統運行效率同時，也加大了電網系統的運行風險，局部發生的細小干擾或異常可能會引發大面積連鎖反應。應用網絡層及時掌握電網的全景信息，預測電網運行中可能發生的故障，故障發生后應用網絡層控制電網系統，及時隔離故障發生點，避免單個故障點對電網系統整體運行產生影響。

應用層的主要功能是通過云計算平臺、物聯網中間件以及應用平臺等對電網系統進行控制，為電網系統運營人員提供可視化操作服務[4]。

2 電力物聯網信息模型設計

2.1 明確模型監測對象

通過建立電力物聯網信息模型能完成向電網系統中各項設備設施發布指令、監測電力設備設施運行狀態、記錄電力設備設施監測數據以及描述站點信息等操作，為提高電力系統運行的可靠性提供技術保障[5]。為實現以上操作目標，需要在設計電力物聯網信息架構時，首先明確模型的監測對象，并根據被監測對象的屬性采取相應的結點數據分析方法。信息模型需要同時監測多個對象才能保證獲取信息的全面性，每個被監測對象需要與葉子結點一一對應。

被監測對象的屬性可分為7種，分別是訪問權限、狀態、類型、標識符、對象值、名稱以及描述，如圖1所示。其中訪問權限決定了監測中心對被檢測對象數據的訪問方式和數據訪問范圍，分別有讀寫、只讀、只寫以及不可訪問4種權限；狀態反映被監測對象當下的狀態，分別有可選、過時以及強制性3種類型；類型是根據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測對象的重要形式，取值范圍區間為 0～ 255，存在形式為 id1、id2、id3、id4；對象值表示被監測對象的屬性值；名稱和描述分別說明被監測對象的名稱和作用。

圖1 被監測對象屬性描述

2.2 考慮信息模型結構的拓展問題

在對信息模型進行設計和構建的過程中，應考慮電力物聯網的拓展應用需求。可以樹狀結構為基礎對信息模型中的數據進行分類儲存，同時保障信息模型能完整集合所有被監測對象的運行數據，具體設計思路如下[6]。第一，信息模型根節點設計為虛擬節點，下設4個分支，分別代表時間記錄、實時數據、系統信息以及計量信息，再根據需要設置相應數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。樹狀結構能保障信息分析結果的準確性，不同信息數據相互獨立，對單個結點或子樹信息進行更改或刪減等操作不會對其他節點或子樹信息產生連帶反應。另外，采用樹狀結構建立電力物聯網信息模型能將各類信息數據以標識符的方式進行儲存，不僅能提高信息模型對數據信息的識別和處理效率，而且能大幅節省數據儲存空間，提高信息模型的數據儲存速度。

2.3 統一數據表達格式

統一數據表達格式有利于提高信息模型的識別速度和數據處理效率，具體可從以下幾方面入手[7]。第一，統一關鍵字表達形式，被監測對象的描述內容中應包含其全稱、簡稱以及英文描述。第二，以統一形式描述物理設備，描述內容應包含物理設備的型號、類型以及相關抽象數據等。第三，統一不同結構層次中的描述語言。當前電力物聯網信息模型中多采用XML技術標記不同設備的標簽，因此在確定數據表達格式時，應優先考慮以XML技術可識別描述語言進行統一。

3 電力物聯網通信協議的設計

3.1 遵循電能累積量傳輸配套標準

電力物聯網通信協議的設計需要以《電力系統電能累計量傳輸配套標準》為基礎，同時滿足電力物聯網運營的通信需求[8]。當前我國電力系統主要以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，在設計電力物聯網通信協議時，應全面考慮102標準的設計要求。102標準主要用于規范電能量數據傳輸，對電力物聯網電能量傳輸來說，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系統的各類設備設施，除電能量數據外，對電網設備設施和傳輸電站管理參數的定義也不明確，加大了電網系統承載數據存在的片面性，無法應用電力物聯網全面統一管理電網系統中的設備設施數據、廠站數據以及電表數據等。另外，102標準中信息體格式也并不統一，電能量對象的描述內容多樣性更強，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編碼難度，還會為后續讀碼提供一定阻礙，影響電力物聯網的反應速度。因此，在設計電力物聯網通信協議時，需要全面考慮102標準中存在的片面性問題，結合電力行業的發展和電力設備設施的更新換代形勢，對相關設備和電站信息進行動態化補充和擴展。根據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，使用統一規格和標準的數據單元定義方式。

3.2 確定物聯網通信協議的字段組成

物聯網各層次都需要有多重通信協議的支持，才能確保各層次功能的實現，各層次中常見通信協議梳理情況如圖2所示。以協議模式為基礎對協議字段進行制定和調整，確保通信協議中包含數據單元標識符和信息對象綁定表[9]。數據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 物聯網常見通信協議

3.3 考慮數據信息的編碼規則

信息編碼規則也是電力物聯網通信協議設計中需要考慮的重要問題。根據PIOTP協議要求，可采用ASN.1的形式進行報文編碼[10]。具體是以數據類型、數據長度域以及數據域字段3個字段體現編碼的基本類型和構造類型。ASN.1常用數據類型如表1所示。

表1 ASN.1常用數據類型

4 結 論

電力物聯網利用互聯網技術、移動通信技術以及人工智能技術等將電力系統的各個環節進行關聯，實現人機交互，為多產業提供更加智能化的電力服務，提高電力系統的服務價值。但電力物聯網的應用必須得到信息模型和通信協議的支持，才能保障電力數據的傳輸和管理效率。通過研究與分析發現，電力物聯網信息模型的設計需要以監測對象為基礎，解決信息模型中數據格式不統一問題，并對模型結構進行適當拓展。通信協議需要在相關標準的要求下，確定物聯網通信協議字段組成和數據信息編碼規則。只有科學把握不同設計階段中的核心內容，才能為電力物聯網的建設提供支持和保障。