电力物联网信息模型及通信协议的设计与实现

孟 琦，刘宏宇，李 煜，孟 巍

（中国移动通信集团设计院有限公司 黑龙江分公司，黑龙江 哈尔滨 150080）

0 引 言

电力物联网是利用泛在网链接智能电网和互联网的技术手段，使电网系统、发电企业、用电企业以及用电个人用户等可以同时利用电力物联网获得个性化电力服务，既能提高电力企业的服务质量，又能为社会整体经济发展提供助力。为充分发挥电力物联网的使用价值，需要设计并构建信息模型和通信协议，保障所有接入电力物联网中的传感器设备能将采集的信息准确反馈到互联网中，通过技术手段提高电网系统的运行质量。

1 电力物联网的信息概念和架构模式

物联网是以互联网为基础，配合多种类型的信息传感器、激光扫描器、射频识别技术以及全球定位系统等先进设备和技术，打破传统互联网接入设备的局限性，可将广义上的所有物品都与互联网进行联通，通过网络技术和移动通信技术等进行信息交换，实现万物互联[1]。

电力物联网是将物联网技术和概念应用于智能电网中，对电力系统中各项基础设施进行智能识别、定位、监控或管理等，通过提高电力系统的智能化水平，使其稳定运行。

5G移动通信技术是具有低时延、高速率以及大连接等特点的新一代宽带移动通信技术，是电力物联网得以建设的关键技术之一。5G技术在商用推广后进一步促进了物联网的发展，相关数据显示，2018年时国内物联网设备接入数量约为2.3×109，而在国家相关政策的扶持和引导下，国内物联网设备接入数量呈爆发式增长态势，预计到2022年物联网设备接入数量能达到7.0×109，对推动智能城市的建设具有积极的促进作用。

典型物联网利用感知层、网络层以及应用层实现物与物、物与人的泛在连接[2]。电力物联网也是依托这3个层次结构进行建设，不同层次结构的主要功能如下。

感知层中主要包含通信延伸子层和感知控制子层2个分支，通过安装在电力系统中的传感器设备采集电网系统中不同设备设施的运行状态、环境信息以及电量信息等，然后将采集的信息通过通信技术传输到其他层次中，实现信息交换。

网络层的主要功能是利用通信网络进行信息传输和交换，从而对电网系统的运行进行控制[3]。随着电力系统规模的扩大，电网系统中应用的设备设施更加复杂，在提高电网系统运行效率同时，也加大了电网系统的运行风险，局部发生的细小干扰或异常可能会引发大面积连锁反应。应用网络层及时掌握电网的全景信息，预测电网运行中可能发生的故障，故障发生后应用网络层控制电网系统，及时隔离故障发生点，避免单个故障点对电网系统整体运行产生影响。

应用层的主要功能是通过云计算平台、物联网中间件以及应用平台等对电网系统进行控制，为电网系统运营人员提供可视化操作服务[4]。

2 电力物联网信息模型设计

2.1 明确模型监测对象

通过建立电力物联网信息模型能完成向电网系统中各项设备设施发布指令、监测电力设备设施运行状态、记录电力设备设施监测数据以及描述站点信息等操作，为提高电力系统运行的可靠性提供技术保障[5]。为实现以上操作目标，需要在设计电力物联网信息架构时，首先明确模型的监测对象，并根据被监测对象的属性采取相应的结点数据分析方法。信息模型需要同时监测多个对象才能保证获取信息的全面性，每个被监测对象需要与叶子结点一一对应。

被监测对象的属性可分为7种，分别是访问权限、状态、类型、标识符、对象值、名称以及描述，如图1所示。其中访问权限决定了监测中心对被检测对象数据的访问方式和数据访问范围，分别有读写、只读、只写以及不可访问4种权限；状态反映被监测对象当下的状态，分别有可选、过时以及强制性3种类型；类型是根据信息模型设计方式进行分类；标识符是辅助信息模型识别被监测对象的重要形式，取值范围区间为 0～ 255，存在形式为 id1、id2、id3、id4；对象值表示被监测对象的属性值；名称和描述分别说明被监测对象的名称和作用。

图1 被监测对象属性描述

2.2 考虑信息模型结构的拓展问题

在对信息模型进行设计和构建的过程中，应考虑电力物联网的拓展应用需求。可以树状结构为基础对信息模型中的数据进行分类储存，同时保障信息模型能完整集合所有被监测对象的运行数据，具体设计思路如下[6]。第一，信息模型根节点设计为虚拟节点，下设4个分支，分别代表时间记录、实时数据、系统信息以及计量信息，再根据需要设置相应数量的子树对每个分支进行进一步分类，如电表信息子树和厂站信息子树等。树状结构能保障信息分析结果的准确性，不同信息数据相互独立，对单个结点或子树信息进行更改或删减等操作不会对其他节点或子树信息产生连带反应。另外，采用树状结构建立电力物联网信息模型能将各类信息数据以标识符的方式进行储存，不仅能提高信息模型对数据信息的识别和处理效率，而且能大幅节省数据储存空间，提高信息模型的数据储存速度。

2.3 统一数据表达格式

统一数据表达格式有利于提高信息模型的识别速度和数据处理效率，具体可从以下几方面入手[7]。第一，统一关键字表达形式，被监测对象的描述内容中应包含其全称、简称以及英文描述。第二，以统一形式描述物理设备，描述内容应包含物理设备的型号、类型以及相关抽象数据等。第三，统一不同结构层次中的描述语言。当前电力物联网信息模型中多采用XML技术标记不同设备的标签，因此在确定数据表达格式时，应优先考虑以XML技术可识别描述语言进行统一。

3 电力物联网通信协议的设计

3.1 遵循电能累积量传输配套标准

电力物联网通信协议的设计需要以《电力系统电能累计量传输配套标准》为基础，同时满足电力物联网运营的通信需求[8]。当前我国电力系统主要以IEC 60870-5-102标准（以下简称“102标准”）作为电能累计量传输配套标准，在设计电力物联网通信协议时，应全面考虑102标准的设计要求。102标准主要用于规范电能量数据传输，对电力物联网电能量传输来说，存在一定的不适性和局限性。例如，102标准中未全面定义电网系统的各类设备设施，除电能量数据外，对电网设备设施和传输电站管理参数的定义也不明确，加大了电网系统承载数据存在的片面性，无法应用电力物联网全面统一管理电网系统中的设备设施数据、厂站数据以及电表数据等。另外，102标准中信息体格式也并不统一，电能量对象的描述内容多样性更强，不仅包含单点信息，还包含信息对象地址和公共实标字段等不同格式的信息。此种情况不仅增加了系统编码难度，还会为后续读码提供一定阻碍，影响电力物联网的反应速度。因此，在设计电力物联网通信协议时，需要全面考虑102标准中存在的片面性问题，结合电力行业的发展和电力设备设施的更新换代形势，对相关设备和电站信息进行动态化补充和扩展。根据不同设备设施的管理需求在信息模型中建设相应的分析系统，使用统一规格和标准的数据单元定义方式。

3.2 确定物联网通信协议的字段组成

物联网各层次都需要有多重通信协议的支持，才能确保各层次功能的实现，各层次中常见通信协议梳理情况如图2所示。以协议模式为基础对协议字段进行制定和调整，确保通信协议中包含数据单元标识符和信息对象绑定表[9]。数据单元标识符可以沿用102标准中的格式，信息对象绑定表则需单独确定。

图2 物联网常见通信协议

3.3 考虑数据信息的编码规则

信息编码规则也是电力物联网通信协议设计中需要考虑的重要问题。根据PIOTP协议要求，可采用ASN.1的形式进行报文编码[10]。具体是以数据类型、数据长度域以及数据域字段3个字段体现编码的基本类型和构造类型。ASN.1常用数据类型如表1所示。

表1 ASN.1常用数据类型

4 结 论

电力物联网利用互联网技术、移动通信技术以及人工智能技术等将电力系统的各个环节进行关联，实现人机交互，为多产业提供更加智能化的电力服务，提高电力系统的服务价值。但电力物联网的应用必须得到信息模型和通信协议的支持，才能保障电力数据的传输和管理效率。通过研究与分析发现，电力物联网信息模型的设计需要以监测对象为基础，解决信息模型中数据格式不统一问题，并对模型结构进行适当拓展。通信协议需要在相关标准的要求下，确定物联网通信协议字段组成和数据信息编码规则。只有科学把握不同设计阶段中的核心内容，才能为电力物联网的建设提供支持和保障。