基于電力系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構成及其協(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)設備種類與工作模式眾多,所應用到的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議也因此而種類繁多,因此應用于電力系統(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)應用分析

1.1電力系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)的基本構成

物聯(lián)網(wǎng)的架構可分為三個基本層次,分別是感知層、網(wǎng)絡層和應用層。在每一個基本層次中,均有適用于不同設備的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議,用以提供對相應設備的物聯(lián)網(wǎng)支持。應用于電力系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),可以據(jù)圖1所示的基本結構來實現(xiàn)系統(tǒng)的設計。

如圖所示,在系統(tǒng)的底層,將應用到多種不同的硬件設備,每個不同的硬件設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、電表設備所使用的NB-IoT等。

底層設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)絡層,網(wǎng)絡層通過各種不同的接入方式與后臺進行連接,實現(xiàn)對各種應用程序的支持。

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

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

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

電力系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)設備可根據(jù)其工作模式及功能劃分為以下4個大類:RFID設備、各類傳感器、監(jiān)控攝像頭和遠程抄表系統(tǒng)。其中RFID設備以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信息送至后臺。

典型的有線方式包括UsART串口、Ethernet網(wǎng)絡接口,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的典型應用,業(yè)界已有成功的應用案例。

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

針對不同的物聯(lián)網(wǎng)應用場合和物聯(lián)網(wǎng)的應用設備狀況,當前廣泛采用的物聯(lián)網(wǎng)應用層協(xié)議主要包括CoAP(ConstrainedApp1icationProtoco1,受限應用協(xié)議)[2]、MoTT(MessageoueuingTe1emetryTransport,消息隊列遙測傳輸)[3]、DDs(DataDistributionserviceforRea1-Timesystems,面向實時系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布服務)、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),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風格,是一種針對網(wǎng)絡應用的設計和開發(fā)方式,可以降低開發(fā)的復雜性,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)電機組屬于關鍵性重要設備,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公布到互聯(lián)網(wǎng)上,那么可以使用REST/HTTP來開放AP1服務(由于數(shù)據(jù)量小、通信要求低,使用一個精簡的通信服務即可滿足通信要求)。

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

下面舉兩個案例說明:

應用案例1:監(jiān)控發(fā)電設備狀態(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)絡應用,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,而應該使用DDS。

應用案例2:智能抄表系統(tǒng)?？墒褂肁M0P或RESTful的網(wǎng)絡通信,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備解決多種不同物聯(lián)網(wǎng)設備的信號接入問題。

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)議融合的方法是設計物聯(lián)網(wǎng)多協(xié)議網(wǎng)關。

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)域內所有物聯(lián)網(wǎng)設備的前端信息采集。

從系統(tǒng)搭建的合理性出發(fā),期望該設備在系統(tǒng)中所使用的數(shù)量能控制在有限的范圍之內,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,各類采集設備與網(wǎng)關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)關能夠與各種物聯(lián)網(wǎng)底層設備快速而不干擾地進行數(shù)據(jù)交互。

3結語

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備以及相應設備所涉及的工作協(xié)議。

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