电力物联网统一信息感知模型研究

邓鹏程，谢俭

(国网湖南省电力公司信息通信公司，湖南长沙410007)

物联网 (The internet of things)〔1-3〕的概念由美国麻省理工学院最早提出，其意为物物相连的互联网。物联网技术通过在各类物体上安装电子标签(RFID)、传感器、二维码等传感装置，然后将各类传感装置获取物体的动态和静态信息共享到互联网上，从而给物体赋予智能，实现人与物、物与物的信息沟通与交互。物联网并不是全新的技术，要在现有互联网系统基础上，规范和增加感知及信息化处理手段，将互联网技术延伸至物体上。电力行业是物联网技术应用较为广泛的领域之一，例如输电线路在线监测、智能变电站、智能机房等，覆盖了电力生产、输送、消费、管理等环节，其产业链涵盖芯片、传感器、终端装置、信息通信网络、软件应用、增值服务和运维等方面，到2015年，电力物联网市场容量约两千亿元人民币。需依托电力业务需求研发实用化、系列化、低成本的电力物联网产品及系统，拓展物联网产品的行业应用范围，提高产品市场占有率，并积极开拓国际市场。

文中将电力物联网技术应用于湖南电力生产现场，通过对电力设备状态和工作环境等信息的广泛感知和采集，拓宽感知信息源的深度和广度，实时跟踪电网设备运行和所处工作环境状况，保证电网安全稳定运行。同时通过引入云计算思想，建立基于云计算的感知设备节点感知层统一信息感知模型，减少实时传输数据的报文数，降低感知节点的信息采集传输功耗，延长感知设备的生命周期。

1 电力物联网技术

电力物联网是在电力生产、输送、消费、管理各环节广泛部署具有一定感知能力、计算能力和执行能力的智能装置，实现信息安全可靠传输、协同处理、统一服务及应用集成，从而促进电网运行及企业管理全过程的全景全息感知、互联互通及无缝链接。电力物联网的总体框架包括应用层、网络层和感知层〔4-7〕，如图1所示。

图1 电力物联网技术架构

1)感知层。通过在输电、变电和配电的各个环节中的电力设备上安装电子标签 (RFID)、智能传感器、二维码、红外感应器和激光扫描仪等信息感知设备，获取电力设备的状态信息、位置信息、属性信息等，将所有变压器、开关、线路、杆塔、电表、车辆等电力设备构成一个相互联接的大网络。感知层需要建立统一的信息感知模型，包括统一标识、统一语义和统一数据表达格式，实现各类感知设备的无缝接入，降低智能感知设备感知能耗，延长智能感知设备的生命周期。

2)网络层。通过建立高性能的监测装置到通信网络的接入通道，完成感知层“统一信息感知模型”到网络层“统一通信规约”的自适应映射，兼容各种通信传输模式 (如:光纤、电力线载波、无线通信等)。

3)应用层。实现更深层次的资源共享和应用融合，通过数据模型标准化、接口标准化、服务组件化等改进实现数据集中存储、业务集中部署，将应用系统由部门级、业务级推向企业级转变。

2 感知模型

智能信息感知设备〔8〕用于采集电网设备运行状态参数、运行环境参数和设备身份识别信息等实时数据，此类信息感知设备主要包括RFID电子标签和智能传感器，它们种类繁多，数量庞大，不同厂家信息感知模式和数据规范不尽相同。智能感知设备〔9〕通常采用无线方式传输数据，设备电池电量、无线带宽和传输速率受到很大限制。因此需要建立统一的信息感知模型，实现各类感知设备的无缝接入，同时减少实时传输数据的报文数，降低感知节点的信息采集传输功耗，延长感知设备的生命周期。

文中提出一种基于云计算的电力物联网统一信息感知模型，包括静态模型和动态模型2部分，如图2所示。通过引入云计算思想，将统一信息模型中的静态部分以表单 (TEDS:Transducer Electronic Data Sheets)的形式存储在应用层云端，静态模型中包括智能感知设备固有属性参数、智能感知节点信息模型匹配机制等静态信息。动态模型主要包括智能感知节点实时动态数据和感知节点标识号，感知节点标识号主要用于自适应匹配存放在云端的节点信息模型，不同的感知节点对应应用层云端不同静态信息模型。在网络层数据通信过程中，只需传输动态信息部分，减少实时传输数据的报文数，可降低智能感知设备能耗，延长感知设备生命周期。同时采用统一标识、统一语义和统一数据表达格式来定义感知节点信息模型，各厂家需要参照统一信息感知模型标准来描述各自感知节点，实现感知层设备信息自描述，达到不同厂商同类型感知设备的模型统一及无缝交互。

图2 基于云计算的电力物联网统一信息感知模型

由于感知层的通信资源通常受限，无法直接使用复杂的自解析传感器信息模型，一般地采用统一压缩格式化数据，该数据经统一通信规约传输至应用层 (如图3所示)，应用层根据该数据提供的地址码向编码管理组织索取该传感器的信息模型，并在汇聚控制器中存储、初始化该模型，汇聚控制器据此模型解析生成完整的传感器信息。应用服务根据统一信息模型为各类业务应用提供服务，对已安装的感知设备信息模型提供模型转换，满足各业务对统一信息模型的应用需求。

图3 基于云计算的电力物联网统一信息感知模型架构图

3 感知模型的实现

依据IEC61850-7-4标准中的设计原则，将用逻辑设备、逻辑节点、数据对象描述的抽象模型作为整个设计思路的架构，重点结合IEEE1451.4的TEDS(传感器电子表单)思想，实现电力物联网中感知层设备的抽象数据模型。

依据IEC61970-301中公用信息模型的基本概念，选用CIM/XML作为感知层抽象模型在汇聚控制器设备上的一种描述语言，便于与主站进行数据交换。

由于传感器的电池电量、无线带宽，传输速率等限制。传感器将尽量少的变化的数据传送出去。TEDS的理念正好可以满足这样的要求。TEDS以xml文件的形式存在于应用层服务器中。TEDS不仅可以解析sensor数据，同时也可以描述传感器的其它固有参数属性。

3.1 传感器表单设计说明

传感器电子表单 (Transducer Electronic Data Sheet)的设计思想是将各种传感器抽象为统一的数据模型。并依据传感器自身资源有限的特点，将传感器详细的模型描述存储在具有丰富资源的服务器上。应用层收到传感器发来的精简TEDS后，根据ID号中表单编号选择相应的详细TEDS，并将相关数据填入其中，供其它系统使用。传感器电子表单分为精简TEDS和详细TEDS，其中精简TEDS如图4所示。

图4 精简TEDS

详细TEDS包括基本TEDS和标准TEDS，其中校准TEDS和用户TEDS是可选的元素。从基本TEDS中，可以得到传感器逻辑节点类型的相关信息。标准TEDS主要包含32字节的精简TEDS和传感器的固有属性2部分。TEDS的内容和数据格式符合相关标准，而不是针对某一厂商设置。传感器详细TEDS的模板统一制定，每种传感器都会有统一的传感器详细TEDS模板，可实现不同传感器厂商、不同形态传感器数据模型的统一，并通过应用层云端对传感器详细TEDS统一管理，传感器厂商依照该详细TEDS内容进行填写。

以温度和湿度传感器为例阐述电力物联网统一信息感知模型的实现过程。首先温度和湿度传感器采集到实时动态信息，通过统一接入网关将数据信息传输到电力内网，将实时数据中的模型号字段与静态信息模型自动匹配获取传感器对应的静态属性信息，然后根据动态信息模型中的数据格式解析传感器实时动态数据，最终将传感器动态和静态数据信息合并存储到数据服务系统中供其它业务系统调用。

3.2 实时动态信息传输

实时动态信息由温度、湿度传感器采集，通过安全接入网关接入到电力内网。实时动态信息的报文大小决定了传感器使用寿命，因此实时动态信息的设计必须尽可能的压缩。实时动态信息报文主要包括存放传感器实时采集的动态数据和感知节点唯一标识号。

传感器感知节点标识号包括厂商代码、模型号、版本标签和产品序列号4个字段，模型号用于对应静态模型中不同的传感器节点数据解析模型，此标识号保证传感器感知节点的唯一性。

3.3 静态信息模型匹配

引入云计算思想，将统一信息模型中的静态模型部分存储在应用层云端，当有不同厂商的传感器接入到电力现场，须按照静态模型格式要求定义传感器模型号和静态模型表单。

不同的模型号对应不同的静态模型表单，静态模型表单中主要存放传感器节点固有属性，这些属性在短期内不会频繁更新。当传感器固有属性需发生改变时，则通过更新静态模型表单中属性名称和属性值，而不需要传感器实时采集和传输，大大减小了实时传输报文长度，延长传感器节点的使用寿命。

3.4 动态信息模型更新

统一信息模型中的动态部分主要存储传感器节点实时采集数据的报文格式模板，按照此模板对实时采集数据解析更新，形成与数据服务系统存储格式一致的数据，最终将动态和静态信息模型中的数据合并存储到数据服务系统中供其它业务系统调用。

4 感知模型的应用

文中将基于云计算的电力物联网统一信息感知模型应用到智能信息机房可视化管理项目中，首先在信息机房内部署温湿度传感器、水浸传感器、门磁传感器和震动传感器，通过在传感器上加载统一信息感知模型，制定满足信息机房在线监控需求的信息编码，申请支持统一信息感知模型的传感器编码号段，为每一个传感器赋予唯一标识码，通过唯一标识码将感知设备静态属性信息定义在应用层云端，减少了实时传输数据的报文数，降低了传感器信息传输能耗，延长了感知传感器的生命周期。同时结合三维可视化技术和无线传感器网络技术，实现了对信息机房内部环境和设备运行状态实时在线监控和可视化管理，降低了人工巡视劳动强度，提高了运维管理效率。

5 结论

电力物联网技术通过对现场电力设备状态和工作环境等信息的广泛感知和采集，拓宽感知信息源的深度和广度，实时跟踪电网设备运行和所处工作环境状况，保证电网安全稳定运行。文中将电力物联网技术应用于湖南电力生产现场，通过对电力设备状态和工作环境等信息的广泛感知和采集，拓宽感知信息源的深度和广度，实时跟踪电网设备运行和所处工作环境状况，保证电网安全稳定运行。同时通过引入云计算思想，建立基于云计算的感知设备节点感知层统一信息感知模型，减少实时传输数据的报文数，降低感知节点的信息采集传输功耗，延长感知设备的生命周期。实际应用结果证明了基于云计算的电力物联网统一信息感知模型的有效性。本文研究工作没有涉及网络层传输协议方面内容，下一步的研究内容集中在建立电力物联网统一通信规约方向。

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