電力企業(yè)智能設(shè)備數(shù)據(jù)采集協(xié)議研究

呂啟尤 陸庭輝 吳毅良

摘 要：隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，越來越多的行業(yè)開始向智能化方向轉(zhuǎn)型，逐步以智能設(shè)備代替人工，來提升了企業(yè)效率，減少人工成本。電力行業(yè)在線路巡檢、變電站巡視、物資倉儲(chǔ)管理、計(jì)量抄表和在線監(jiān)測(cè)也實(shí)現(xiàn)智能化，隨著智能化設(shè)備的投入，設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量與日劇增，為了更好的利用這些數(shù)據(jù)，為業(yè)務(wù)提供支撐，本文提出了幾種基于電力企業(yè)智能設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)接入方案，考慮如何將這些智能化設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)接入到數(shù)據(jù)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：智能化；數(shù)據(jù)采集；大數(shù)據(jù)

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(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、信息技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)能源向產(chǎn)業(yè)化、智能化、集約化發(fā)展，發(fā)展智能電網(wǎng)已經(jīng)成為保障能源安全、應(yīng)對(duì)氣候變化、保護(hù)自然環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要共識(shí)。尤其近些年智能化設(shè)備在電網(wǎng)中迅速發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)于智能化設(shè)備的數(shù)據(jù)采集問題越來越引起電力行業(yè)內(nèi)的重視。

數(shù)據(jù)作為信息的載體，不僅體現(xiàn)事物發(fā)展的現(xiàn)狀，還可以預(yù)測(cè)事物的發(fā)展趨勢(shì)，提供決策和分析，而數(shù)據(jù)采集則是應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。

1.2 本文主要工作

基于電力企業(yè)已有的智能化設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)提出幾種數(shù)據(jù)接入方案，涵蓋大部分智能化設(shè)備數(shù)據(jù)接入，包括結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，說明這幾種方案的優(yōu)勢(shì)和不足，為智能化設(shè)備數(shù)據(jù)接入提供理論支撐。

2 存儲(chǔ)現(xiàn)狀

實(shí)際企業(yè)中智能化設(shè)備的數(shù)據(jù)存在以下兩種形式，一種是只有終端，無前置服務(wù)器的，終端采集之后的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)于機(jī)械硬盤或優(yōu)盤中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分散，難以管理；另一種是有前置服務(wù)器，數(shù)據(jù)采集之后通過專有網(wǎng)絡(luò)直接存儲(chǔ)于前置服務(wù)器，數(shù)據(jù)相對(duì)結(jié)構(gòu)化，便于采集，這里的前置服務(wù)器是廣義上的概念，指在中心數(shù)據(jù)服務(wù)器之外的，起到數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換為平臺(tái)或系統(tǒng)合格數(shù)據(jù)的服務(wù)器或設(shè)備。

3 接入?yún)f(xié)議

按照網(wǎng)絡(luò)七層協(xié)議定義從上到下依次包括應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層，這里實(shí)際談到的協(xié)議只考慮應(yīng)用層協(xié)議和傳輸層協(xié)議，針對(duì)不同的場(chǎng)景，不同協(xié)議有各自的優(yōu)勢(shì)。

3.1 IEC60870-5-104規(guī)約

IEC60870-5-104規(guī)約是之前的IEC60870-5-101規(guī)約的網(wǎng)絡(luò)版，101規(guī)約是用于串口數(shù)據(jù)通信的規(guī)約協(xié)議，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的發(fā)展，以及以太數(shù)據(jù)網(wǎng)在我國(guó)電力系統(tǒng)中的普及，在101規(guī)約基礎(chǔ)上發(fā)展出了與TCP/IP提供的網(wǎng)絡(luò)通信方式結(jié)合的104規(guī)約[1]。

IEC60870-5-104規(guī)約，是基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程通信協(xié)議，不能用串口通信，通信雙方必須分配確定的IP地址，需設(shè)置合理的路由，雙方的IP地址必須進(jìn)行注冊(cè)，特別是服務(wù)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(tǒng)的點(diǎn)表映射關(guān)系來描述采集測(cè)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)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(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)逐點(diǎn)對(duì)試，調(diào)試周期較長(zhǎng)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)避免極端現(xiàn)象，一旦網(wǎng)絡(luò)鏈接建立成功，廠站端就發(fā)送數(shù)據(jù)，廠站的每發(fā)一條報(bào)文，就等待主站確認(rèn)，需要嚴(yán)格遵循超時(shí)時(shí)間和K＼W1的約束，采用變化數(shù)據(jù)主動(dòng)上送方式。

IEC60870-5-104的應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元APDU由應(yīng)用規(guī)約控制信息APCI和應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元ASDU組成，并定義了啟動(dòng)字符、應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元的長(zhǎng)度規(guī)范、可傳輸一個(gè)完整的應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元。

下面是104規(guī)約傳送幀結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)示例圖：

具體信息存儲(chǔ)于信息體中，每個(gè)信息體占用兩個(gè)字節(jié)，高字節(jié)和低字節(jié)。

3.2 IEC61850規(guī)約

104規(guī)約傳輸?shù)臄?shù)據(jù)缺少自描述，需建立終端單元管理的數(shù)據(jù)點(diǎn)與主站接收端定義的量測(cè)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此為了進(jìn)一步提升規(guī)約能力，IEC組織制定了變電站內(nèi)另一套通信標(biāo)準(zhǔn)體系-IEC61850規(guī)約。

對(duì)于該方面標(biāo)準(zhǔn)的研究，歐洲和美國(guó)早在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)開展，并制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。最終在IEEC和IEC的共同協(xié)調(diào)下建立了世界范圍的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)-IEC61850，它是以UAC2.0的數(shù)據(jù)模擬和服務(wù)為基礎(chǔ)，與IEC標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合產(chǎn)生的成果[2]。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)具有顯著的幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）信息分層。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將變電站的通信體系分為變電站層、間隔層和過程層三個(gè)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(duì)間隔或站內(nèi)的一次設(shè)備發(fā)生作用的功能以及與接口相關(guān)的，比如與遠(yuǎn)程控制中心、主站系統(tǒng)等通信的功能。間隔層的功能主要是對(duì)間隔內(nèi)的一次設(shè)備作用的過程。過程層主要完成開關(guān)量控制、模擬量采樣和其他控制命令發(fā)送等功能。

（2）面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)建模。IEC61850采用了面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，定義了基于客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型[2]。標(biāo)準(zhǔn)定義了變電站通信體系中的各類對(duì)象模型，例如變電站、電壓等級(jí)、間隔、端點(diǎn)、電接點(diǎn)、智能電子設(shè)備（IED）等等，這些對(duì)象模型的數(shù)據(jù)對(duì)象是由數(shù)據(jù)屬性構(gòu)成的公用類的命名實(shí)例。

（3）數(shù)據(jù)自描述。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)與IEC60870-5-104標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)顯著區(qū)別是標(biāo)準(zhǔn)中定義的數(shù)據(jù)格式具有自描述的特定，而這個(gè)自描述性是通過SCL來具體實(shí)現(xiàn)的。

SCL是IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的變電站智能電子設(shè)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(tǒng)。在SCL作用域，SCL描述的模型包括：一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、通信系統(tǒng)、應(yīng)用層通信、每個(gè)IED、實(shí)例的邏輯節(jié)點(diǎn)類定義、描述實(shí)例的邏輯節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系、開關(guān)場(chǎng)（功能）部分間的關(guān)系。

SCL文件擴(kuò)展名一般為.SCD，SCL文件用特殊方法描述一個(gè)完整的模型實(shí)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(guī)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(tǒng)模型和數(shù)據(jù)描述語言。不同于IEC61850的基于XML的SCL表達(dá)格式，CIM/E所具有的數(shù)據(jù)描述方式處理效率更高效。因此在調(diào)度等系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換采用CIM/E格式的文件會(huì)使數(shù)據(jù)處理效率更高效。

3.4 FTP協(xié)議

FTP協(xié)議屬于TCP/IP協(xié)議體系結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用層協(xié)議。 顧名思義，F(xiàn)TP協(xié)議是用于傳輸文件的協(xié)議，與之對(duì)應(yīng)的有HTTP超文本傳輸協(xié)議、SMTP簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議等[3]。FTP是因特網(wǎng)中最早提供的服務(wù)之一，由于其使用方便、靈活至今仍然是被廣泛應(yīng)用。

由于FTP使用的是TCP協(xié)議，屏蔽了不同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，因此適用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)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(yè)自身業(yè)務(wù)能力的成長(zhǎng)以及信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)類型變得越來越多、數(shù)據(jù)復(fù)雜性越來越高、數(shù)據(jù)交互和互操作性變得越來越普遍，尤其是智能化設(shè)備在電力行業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、交換和轉(zhuǎn)換過程中經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生大量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（文件、視頻、圖像等），比如無人機(jī)巡檢產(chǎn)生的視頻和圖片、山火監(jiān)測(cè)圖片、變電站巡檢機(jī)器人拍攝的紅外圖片等，再比如上面CIM/E協(xié)議中的E文件等等，電力企業(yè)應(yīng)用中的很多場(chǎng)景也都是通過搭建FTP服務(wù)器和FTP目錄進(jìn)行數(shù)據(jù)文件的傳輸和獲取。

4 應(yīng)用場(chǎng)景分析

IEC60870-5-104規(guī)約是通信雙方事先約定通信規(guī)則，服務(wù)端根據(jù)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(shù)據(jù)接入中通過用SCL描述智能電子設(shè)備的配置，給出被監(jiān)控的目標(biāo)系統(tǒng)模型和數(shù)據(jù)并通過抽象服務(wù)接口傳遞數(shù)據(jù)，用于變電站用于調(diào)度中心以及調(diào)度中心之間通信。

CIM/E是一種效率更高的新型電力系統(tǒng)模型和數(shù)據(jù)描述語言，描述方式簡(jiǎn)單，具有人可讀的特點(diǎn)，用于變電站系統(tǒng)之間的通信。

FTP可以將一個(gè)完整的文件從一個(gè)系統(tǒng)復(fù)制到另一個(gè)系統(tǒng)，客戶端訪問只需要提供賬號(hào)即可登錄服務(wù)器，也可以使用匿名FTP方式登錄服務(wù)器，多用于傳輸文本文件和其他二進(jìn)制文件。

5 結(jié)語

隨著智能化設(shè)備的發(fā)展，機(jī)器人、無人機(jī)、傳感器等智能化設(shè)備在電力行業(yè)應(yīng)用，智能設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)生了質(zhì)的變化，急需針對(duì)各類智能化設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)提出一條可行的接入方案，為數(shù)據(jù)接入規(guī)范的制定奠定基礎(chǔ)，從而支撐輸電、變電、配電和用電的各項(xiàng)智能化應(yīng)用建設(shè)，推動(dòng)電網(wǎng)向智能、高效、可靠、綠色的方向轉(zhuǎn)變。

本文分析了目前電網(wǎng)智能化數(shù)據(jù)接入中主要的幾種方法或規(guī)范，從多個(gè)緯度進(jìn)行分析對(duì)比，并描述了其各自的應(yīng)用場(chǎng)景和優(yōu)缺點(diǎn)，使用場(chǎng)景變得更加清晰。不同的規(guī)約或協(xié)議由于出現(xiàn)時(shí)間上的先后順序，可能接入效率又高有低，比如之后的IEC61850規(guī)約提高了104等點(diǎn)對(duì)點(diǎn)規(guī)約的傳輸和解析效率，但由于設(shè)備廠商等其他因素，并不能完全摒棄其中某種協(xié)議方式，實(shí)際數(shù)據(jù)接入應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況選擇最適合的接入方式。通過對(duì)比文中各種接入方式，本文能夠?yàn)殡娋W(wǎng)應(yīng)用中以后的智能化設(shè)備數(shù)據(jù)接入提供較好的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]張士勇，陳春等.應(yīng)用101（104）規(guī)約的"電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)"在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試維護(hù)中的關(guān)鍵技術(shù)分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（05）.

[2]吳在軍.基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2003，27（10）：61-65.

[3]謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第四版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[4]趙強(qiáng).基于FTP協(xié)議的文件傳輸服務(wù)器的研究[J].大連海事大學(xué)：通信與信息系統(tǒng)，2008.

作者簡(jiǎn)介：呂啟尤（1979-），男，廣東鶴山人，碩士，中級(jí)工程師，研究方向：數(shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。