電力物聯網信息管理與傳輸的研究

電力物聯網信息管理與傳輸的研究

0電力物聯網remote物聯網的英文名稱為“物聯網”（簡稱nic）。一般來說，物聯網是“物聯網的實體”。通過傳感器設備，所有物體都可以連接到互聯網，進行信息交換和通信，并通過智能識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理進行通信。2005年，國際電信聯盟公共部門發(fā)布了《2005年itu互聯網報告》（itu）。根據報告，2005年溝通的時代已經到來。世界上的所有物體都可以通過網絡積極交換，從車輪到刷子、從房子到毛巾的東西。高頻識別技術（rfid）、傳感器技術、納米技術和智能嵌入技術等得到了廣泛應用。電力物聯網是實現電力系統(tǒng)信息交換和通信的一種網絡.在一個電力物聯網系統(tǒng)中,有兩種站點,一種是監(jiān)測中心(MonitoringCenter),另一種是監(jiān)測站(MonitoringStation).遠動終端RTU(RemoteTerminalUnit)工作在監(jiān)測站,主要用于對監(jiān)測數據進行采集,并把數據以規(guī)定格式通過串口發(fā)送至監(jiān)測中心.監(jiān)測中心從各監(jiān)測站收集監(jiān)測數據,并對數據進行加工處理.電力物聯網實現的關鍵技術之一是監(jiān)測信息的組織與存儲問題.解決數據存儲與管理問題的數據庫理論和技術發(fā)展極為迅速,應用也非常廣泛.以關系型為代表的三種經典(層次、網狀和關系型)數據庫在商務和管理等事務型的應用領域中取得了很大成功.但是關系型數據庫系統(tǒng)占用內存大,數據存取速度較慢.而電力物聯網系統(tǒng)不僅要維護和存儲大量的實時數據,而且對數據及其處理具有嚴格的時限性.在數據通信方面,目前電力系統(tǒng)已頒布了一系列的電力通信協議,如IEC60870-5、IEC60870-6等.但隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展,這些協議已不能完全滿足實際應用的需要.1監(jiān)測信息庫的設計在電力物聯網系統(tǒng)中,監(jiān)測中心與遠動終端之間傳送的信息包括控制指令、監(jiān)測數據、設備狀態(tài)、站點描述信息等.本文設計了監(jiān)測信息庫MNIB(MonitoringInformationBase)來對信息進行有效的組織和存儲.1.1主體屬性st標監(jiān)測信息庫(MNIB)由若干個監(jiān)測對象組成,MNIB中每一個葉子結點都是一個監(jiān)測對象.監(jiān)測對象是監(jiān)測信息庫的基本單元,它有7個屬性,如圖1所示.標識符(ID)屬性是一個監(jiān)測對象惟一區(qū)別于其他監(jiān)測對象的標志.在監(jiān)測信息庫中采用“id1,id2,id3,id4”的形式對其進行表示,id1,id2,id3,id4分別占一個字節(jié)長度,取值范圍分別為0～255.類型(Type)屬性定義了監(jiān)測對象的數據類型.表1中列出了部分ASN.1語法標記中常用的數據類型.訪問權限(Access)屬性定義了監(jiān)測中心以何種方式訪問監(jiān)測對象,它包括4種訪問方式:只讀(read-only),只寫(write-only),讀寫(read-write)和不可訪問方式(not-accessible).只讀方式表示監(jiān)測中心只能讀取該監(jiān)測對象值;只寫方式表示監(jiān)測中心只能寫該監(jiān)測對象值;讀寫方式表示監(jiān)測中心既可以讀取,又可以寫入該監(jiān)測對象值;不可訪問方式表示監(jiān)測中心不能訪問該監(jiān)測對象.當訪問權限屬性值為不可訪問方式時,監(jiān)測中心不能對MNIB中的數據做任何操作.該屬性的定義可以防止外界對MNIB中的數據進行非法的篡改.狀態(tài)(Status)屬性定義了監(jiān)測對象在RTU設備中實現的當前狀態(tài),它包括3種狀態(tài):強制性的(mandatory),可選的(optional)和過時的(obsolete).強制性狀態(tài)表示每一個RTU上都必須包含該監(jiān)測對象;可選狀態(tài)表示該監(jiān)測對象可有選擇性地在某些RTU上實現;過時狀態(tài)表示該監(jiān)測對象在RTU中已沒有使用,可被其他監(jiān)測對象所取代.該屬性的定義可提醒管理員對監(jiān)測信息庫進行及時的更新,以保證監(jiān)測信息庫的時效性.對象值(Value)屬性定義監(jiān)測對象的值,當監(jiān)測中心請求該監(jiān)測對象時,它將作為響應報文的一部分返回給監(jiān)測中心.名稱(Name)屬性定義監(jiān)測對象的文本名字.描述(Description)屬性是對監(jiān)測對象的具體作用的文本說明.例如,監(jiān)測對象staName代表某監(jiān)測站名稱,該監(jiān)測對象可定義如下:object:staName{};Type:OCTETSTRING;Access:read-only;Status:mandatory;Value:Baqiaozhan;Description:thenameofstation.其中staName為監(jiān)測對象名稱,{}為對象標識符,該對象值數據類型為字符串類型,監(jiān)測中心只可以讀它的值,每一個RTU上都必須包含該對象.1.2監(jiān)測對象的信息監(jiān)測信息庫(MNIB)是監(jiān)測站所有監(jiān)測對象的集合.MNIB采用樹狀結構對數據進行分類存儲,它具有從根開始的嚴格分層化結構,由一個虛擬根節(jié)點和若干個分支及葉子結點構成,如圖2所示.MNIB樹根節(jié)點是一個虛擬節(jié)點,沒有實際對應的名字和編碼.根節(jié)點下有4個分支,分別是系統(tǒng)信息、實時數據、事件記錄和計量信息.系統(tǒng)信息分支下設有廠站信息、RTU信息和電表信息3個子樹.廠站信息子樹共有5個葉子,分別是廠站編號、廠站名稱、廠站位置、聯系人和廠站電話.RTU信息子樹有6個葉子:RTU編號、RTU型號、出產廠、出產時間、執(zhí)行協議和電表數目.電表信息子樹包括電表編號、電表型號、出產廠和出產時間4個葉子結點.每一個葉子結點都是一個監(jiān)測對象.廠站信息子樹包含的監(jiān)測對象配置信息如表2所示.MNIB樹中所有節(jié)點采用層次型的對象命名規(guī)則,連接樹根節(jié)點至監(jiān)測對象所在節(jié)點路徑上的所有節(jié)點標識,便構成了該監(jiān)測對象的對象標識符.對象標識符采用一個4字節(jié)的整數序列表示,中間以“.”號間隔而成.如表2中廠站編號的對象標識符為.采用樹狀結構的MNIB信息模型具有易于管理和擴充的優(yōu)點,對任意子樹或節(jié)點的增、刪、改操作都不會對其他子樹或節(jié)點產生影響.另外,在RTU內部進行數據存儲時,都是采用數字形式的對象標識符.數字形式存儲具有消耗內存資源小,存儲速度快的優(yōu)點.1.3數據存儲及運行環(huán)境的確定定義一個結構體objVariable,用來存儲監(jiān)測對象的內容.該結構體中共有7個元素:ID、Access、Status、objType、objValue、objName和objDescr分別對應監(jiān)測對象的7個屬性標識符、訪問權限、狀態(tài)、類型、對象值、名稱和描述.其中ID是一個4個字節(jié)大小的數組,用來存儲標識符的id1～id4.對象值、名稱和描述3個屬性都是該對象的文字說明,因此分別使用一個25字節(jié)的字符數組來表示.數組在內存中有固定的地址分配,便于操作且訪問速度快.MNIB監(jiān)測對象數據保存在配置文件“OBJ.CFG”中,運行時占用內存大小為21KB.2應用層通信協議為了使設計的協議能滿足實際應用的需要,本文在遵循IEC60870-5-102電力系統(tǒng)電能累計量傳輸配套標準(102標準)的基礎上,制定了專用的應用層通信協議PIOTP(PowerInternet-of-ThingsProtocol).2.11服務數據單元信息體的統(tǒng)一102標準是專門針對電能量數據傳輸而設計的,在實際應用中,還存在以下問題:(1)102標準只定義了電能量數據,沒有定義傳輸電站和電網設備的管理參數(如廠站信息,RTU設備參數,電表信息等),所能承載的信息種類有限.(2)102標準應用服務數據單元(見表3)定義的信息體格式不統(tǒng)一.比如,電能量對象較之單點信息等其他信息對象,增加了信息對象地址、電能量對象保護校驗和公共時標字段.格式不一增加了編碼的難度,降低了編碼后報文的可讀性.針對102標準存在的問題,本文擴充了信息種類(主要是電站和電網設備信息),并將這部分信息歸入了MNIB的系統(tǒng)信息分支下.在應用服務數據單元信息體部分,將信息體統(tǒng)一為信息對象綁定表格式.2.2信息對象掛鉤表PIOTP協議主要由2個字段組成,分別是數據單元標識符和信息對象綁定表(見表4).數據單元標識符沿用了102標準的格式.信息對象綁定表為PIOTP協議的信息體部分.數據單元標識符由6個字段組成,每個字段長度為一個字節(jié).類型標識(TypeIdentification)用于定義信息對象綁定表的類型.PIOTP協議中信息對象綁定表的類型標識為115.可變結構限定詞(VariableStructureQualifier)定義信息對象綁定表中監(jiān)測對象的數目,其有效值為7位,最高位恒為0,取值范圍為0～127,即信息對象綁定表最多能承載127個監(jiān)測對象.傳送原因(CauseOfTransmission)指導應用程序如何去處理應用服務數據單元,它包括2個值:傳送原因為5,表示監(jiān)測中心請求監(jiān)測對像信息或遠動終端響應監(jiān)測中心的請求;傳送原因為13,表示遠動終端沒有監(jiān)測中心所請求的信息對象.記錄應用服務數據單元公共地址定義為遠動終端的標識地址,報文中,地址低字節(jié)在前,高字節(jié)在后.記錄地址(RecordAddress)用于標識信息對象的類型.因為類型標識字段已對信息對象類型作出了甄別,所以PIOTP協議中該字段使用缺省值0.信息對象綁定表是由監(jiān)測對象的對象標識符(ID)和值組成的序列,其長度可根據監(jiān)測對象數目的不同而靈活變化,格式如圖4所示.2.3基于t征的tvi編碼PIOTP報文編碼采用ASN.1基本編碼規(guī)則(BER).BER采用TLV方式對數據編碼,對于每個所傳送的值,無論是基本類型還是構造類型,都是由TLV3個字段組成.TLV分別指數據類型(TYPE),數據長度域(LENGTH)和數據域(VALUE)字段.其中,數據域可以多重嵌套其他數據元素TLV字段,BER編碼的具體格式如圖5所示.對信息對象綁定表進行TLV編碼時,遵循如下原則:(1)整個信息對象綁定表為Sequence(30)類型;(2)每個信息對象ID+Value組合也為Sequence(30)類型;(3)Value無值時為NULL類型.例如:監(jiān)測中心請求對象標識符為{}的監(jiān)測對象值,對請求報文應編碼為:300A30080604010200000500.其中第一個30表示整個信息對象綁定表為Sequence類型,0A表示后續(xù)報文長度為10個字節(jié).第二個30表示后續(xù)報文也是一個Sequence類型,08表示報文的長度為8個字節(jié).060401010200是對象標識符的編碼.06表示對象標識符為OBJECTIDENTIFIER類型,04表示對象標識符長度為4個字節(jié),01010200為對象標識符值.05表示對象值類型為NULL類型,00表示長度為0,即該字節(jié)后無內容.因為是請求報文,所以Value字段無內容.3實驗結果的描述實驗使用一臺IntelCore2DuoCPU,2G內存,操作系統(tǒng)為MicrosoftWindowsXP的PC來模擬監(jiān)測中心.監(jiān)測中心軟件采用VisualC#語言,在VisualS2005平臺上編寫和運行.遠方終端使用HT2000eRTU,該RTU是一款多CPU的嵌入式設備.監(jiān)測中心與RTU通過串口進行通信.RTU軟件采用TurboC2.0集成開發(fā)環(huán)境開發(fā),在DOS平臺上運行.軟件運行時占用內存大小為421KB.圖6是監(jiān)測中心與RTU通信的界面.其中TxD表示監(jiān)測中心發(fā)至遠動終端的請求報文,RxD表示遠動終端發(fā)至監(jiān)測中心的響應報文.截取一段報文如下:→TxD:98151598530100730105000000300A300806040101020005005216←RxD:981F1F9828010073010500000030143012060401010200040A42617169616F7A68616E4216報文序列中加下劃線部分為應用層PIOTP協議報文.在TxD報文中,730105000000為PIOTP協議的對象標識符字段值.其中73表示信息對象綁定表類型為115,01表示請求的監(jiān)測對象數目為1個.05表示該報文為監(jiān)測中心發(fā)出的請求報文.0000為遠動終端的標識地址.00為缺省記錄地址.300A30080604010102000500為信息對象綁定表的編碼,指出了該報文的作用是請求對象標識符為{}的監(jiān)測對象(在圖2的MNIB中表示監(jiān)測對象“廠站名稱”)的值.這部分內容含義在2.3節(jié)中已有詳細說明.在RxD報文中,對象標識符字段值與請求報文一樣,但是這里的傳送原因值05表示的是響應請求,即該報文為響應報文.信息對象綁定表部分內容0500被替換為:040A42617169616F7A68616E.這部分內容即為監(jiān)測對象的值.其中04表示對象值為字符串,0A表示對象值長度為10個字節(jié),42617169616F7A68616E為對象值內容.經計算,該段內容表示字符串“Baqiaozhan”,這與MNIB信息庫中設置的“廠站名稱”監(jiān)測對象的值相一致.實驗結果表明,監(jiān)測中心與RTU完成了信息交換與通訊,通信成功,實驗達到了預期的目標.4實驗研究的結論電力物聯網是未來電網建設的方向,目前,我國在這一方面的研究還處于初級階段.本文針對電