基于電力系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成及其協(xié)議融合

引言

物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings,IoT)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用涉及多個方面,從發(fā)電環(huán)節(jié)、輸電環(huán)節(jié)、變電環(huán)節(jié)、配電環(huán)節(jié)、調(diào)度環(huán)節(jié)到用電環(huán)節(jié),均有不同形式的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

對于電力系統(tǒng)而言,由于系統(tǒng)規(guī)模龐大,所涉及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備種類與工作模式眾多,所應(yīng)用到的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議也因此而種類繁多,因此應(yīng)用于電力系統(tǒng)管理與監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將會面臨對不同物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進行控制并實現(xiàn)信息傳遞,以及多種不同物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的融合問題。

1電力系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用分析

1.1電力系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)的基本構(gòu)成

物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)可分為三個基本層次,分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。在每一個基本層次中,均有適用于不同設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議,用以提供對相應(yīng)設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)支持。應(yīng)用于電力系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),可以據(jù)圖1所示的基本結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計。

如圖所示,在系統(tǒng)的底層,將應(yīng)用到多種不同的硬件設(shè)備,每個不同的硬件設(shè)備可能涉及不同的空中接口協(xié)議和數(shù)據(jù)采集方法[1],如UHFRFID所使用的EPCG1oba1GEN2、電表設(shè)備所使用的NB-IoT等。

底層設(shè)備通過種類繁多的數(shù)據(jù)提取方式獲取數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)絡(luò)層,網(wǎng)絡(luò)層通過各種不同的接入方式與后臺進行連接,實現(xiàn)對各種應(yīng)用程序的支持。

1.2電力系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及其工作協(xié)議

電力系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)從源頭的生產(chǎn)到終端用戶的收費,所涉及的業(yè)務(wù)流程主要包括發(fā)電、輸電、變電、配電、調(diào)度、用電等環(huán)節(jié)。

各環(huán)節(jié)所涉及的主要物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用如表1所示。

電力系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可根據(jù)其工作模式及功能劃分為以下4個大類:RFID設(shè)備、各類傳感器、監(jiān)控攝像頭和遠程抄表系統(tǒng)。其中RFID設(shè)備以HF頻段和UHF頻段為主,RFID閱讀器與標簽之間使用特定的空中接口協(xié)議,如Iso15693或EPCGEN2,RFID閱讀器完成前端的RFID標簽信息采集之后,可通過有線或無線的方式將相關(guān)信息送至后臺。

典型的有線方式包括UsART串口、Ethernet網(wǎng)絡(luò)接口,典型的無線方式包括wi-Fi、藍牙、4G等。

物聯(lián)網(wǎng)中傳感器的特點是數(shù)量眾多、功耗低、分布分散,因此對于物聯(lián)網(wǎng)傳感器而言,多采用BLE或ZigBee的方式實現(xiàn)局部組網(wǎng),然后通過組網(wǎng)中的節(jié)點取回各傳感器的數(shù)據(jù),再集中送回后臺。

監(jiān)控攝像頭的特點是數(shù)據(jù)量大,對數(shù)據(jù)傳輸速率要求高,因此多采用有線或4G等支持大速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒▽崿F(xiàn)數(shù)據(jù)向后臺的傳送。

遠程抄表系統(tǒng)是NB-IoT的典型應(yīng)用,業(yè)界已有成功的應(yīng)用案例。

1.3電力系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層各協(xié)議對比

針對不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場合和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用設(shè)備狀況,當前廣泛采用的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議主要包括CoAP(ConstrainedApp1icationProtoco1,受限應(yīng)用協(xié)議)[2]、MoTT(MessageoueuingTe1emetryTransport,消息隊列遙測傳輸)[3]、DDs(DataDistributionserviceforRea1-Timesystems,面向?qū)崟r系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布服務(wù))、AMoP(AdvancedMessageoueuingProtoco1,先進消息隊列協(xié)議)、xMPP(Extensib1eMessagingandPresenceProtocol,可擴展通信和表示協(xié)議)、JMS(JavaMessageService,JAVA消息服務(wù)),各協(xié)議的對比如表2所示。

REST(RepresentationalStateTransfer)即表述性狀態(tài)傳輸,是基于HTTP協(xié)議開發(fā)的一種通信與軟件架構(gòu)風格,是一種針對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的設(shè)計和開發(fā)方式,可以降低開發(fā)的復(fù)雜性,提高系統(tǒng)的可伸縮性。

在電力系統(tǒng)中,由于xMPP協(xié)議有即時通信的功能,因此可以用其來實現(xiàn)需要快速響應(yīng)的燈光或示警標志的控制:發(fā)電廠發(fā)動機組的監(jiān)控可以使用DDS協(xié)議(由于發(fā)電機組屬于關(guān)鍵性重要設(shè)備,因此選用高可靠性、實時、分布式通信的DDS):電力線的巡查和維護,可以使用M0TT協(xié)議(出于成本方面的考慮,巡查和維護工作中將采用數(shù)量眾多的低性能、低帶寬物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,因此選用M0TT最適宜):在智能家居系統(tǒng)中,如果期望監(jiān)控某個特定環(huán)境下所有電氣設(shè)備的電量消耗,可以使用AM0P協(xié)議,傳輸?shù)皆贫嘶蚣彝ゾW(wǎng)關(guān)中進行分析(AM0P可實現(xiàn)消息互傳,快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換):如用戶想把自家的能耗查詢服務(wù)公布到互聯(lián)網(wǎng)上,那么可以使用REST/HTTP來開放AP1服務(wù)(由于數(shù)據(jù)量小、通信要求低,使用一個精簡的通信服務(wù)即可滿足通信要求)。

具體應(yīng)用層協(xié)議的使用,除硬件本身的狀態(tài)之外,還取決于設(shè)計者的需求。

下面舉兩個案例說明:

應(yīng)用案例1:監(jiān)控發(fā)電設(shè)備狀態(tài)和發(fā)電環(huán)境狀態(tài)的各型傳感器。此案例屬于典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,可以使用CoAP實現(xiàn)通信。但如果該傳感器的數(shù)量有限且重要性極高,則不建議使用CoAP,而應(yīng)該使用DDS。

應(yīng)用案例2:智能抄表系統(tǒng)?？墒褂肁M0P或RESTful的網(wǎng)絡(luò)通信,選擇AM0P,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速交換,消息互傳:使用RESTful,是因為所需要發(fā)布的數(shù)據(jù)量有限,不需要采用復(fù)雜的HTTP方式。至于JMS,只是提供了一種Java環(huán)境下的開發(fā)支持而已,如果開發(fā)者使用Java作為開發(fā)工具,則需要使用JMS:反之,如果不使用Java,則不需要。

2基于電力系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)多協(xié)議融合

物聯(lián)網(wǎng)多協(xié)議融合的首要問題在于能夠使用單個或有限種類的設(shè)備解決多種不同物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的信號接入問題。

當前,研究物聯(lián)網(wǎng)多協(xié)議融合的主要出發(fā)點和實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)多協(xié)議融合的方法是設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)多協(xié)議網(wǎng)關(guān)。

一個理想的用于電力系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)多協(xié)議網(wǎng)關(guān)能夠在前端接收各種不同形式的輸入信號,從而實現(xiàn)某個特定區(qū)域內(nèi)所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的前端信息采集。

從系統(tǒng)搭建的合理性出發(fā),期望該設(shè)備在系統(tǒng)中所使用的數(shù)量能控制在有限的范圍之內(nèi),從而降低系統(tǒng)搭建的整體硬件成本。

如前文所述,電力系統(tǒng)中所用到的底層硬件主要有RF1D設(shè)備、各類傳感器、監(jiān)控攝像頭和遠程抄表系統(tǒng)4個大類,各類采集設(shè)備與網(wǎng)關(guān)可能通過有線或無線方式進行連接,返回的數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議種類繁多,信號數(shù)據(jù)量和傳輸速率跨度很大。

因此,合理的設(shè)計思路是采用輪詢機制,開放多種信號輸入模式,確保多協(xié)議網(wǎng)關(guān)能夠與各種物聯(lián)網(wǎng)底層設(shè)備快速而不干擾地進行數(shù)據(jù)交互。

3結(jié)語

本文基于電力系統(tǒng),討論了物聯(lián)網(wǎng)中所涉及的各種硬件設(shè)備以及相應(yīng)設(shè)備所涉及的工作協(xié)議。

針對電力系統(tǒng)中所用到的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備種類繁多、協(xié)議混雜的特點,本文討論了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層各協(xié)議的特點以及多協(xié)議融合的問題。