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电力物联网传感器信息模型研究与应用

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vyiliao 发表于 2020-3-20 18:07:34 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
随着智能电网的全面建设,物联网技术在各业务环节得到广泛应用。电力物联网以国家电网公司SG-ERP 信息系统总体架构为基础,包括感知层、网络层和应用层,并且形成了基于统一信息模型、统一通信规约、统一数据服务和统一应用服务的电力物联网体系架构。其中感知层实现电力生产各环节传感数据的统一感知与表达,建立统一信息模型,规范感知层的数据接入。网络层按照规范化的统一通信规约实现对数据的传送。应用层将多种数据信息统一管理并向外提供统一的数据服务,支撑各类业务应用,基于统一应用服务,开发各类电力物联网应用服务,供其他业务系统调用。

电力物联网的感知层主要由各种传感识别设备实现信息的采集、识别和汇集。随着电力物联网不断深化应用,日益增多的传感器数量及种类将导致多种传感技术及规范的同时使用,由此导致各种采集数据的数据表达(语义、数据表达格式等)无法统一。因此,需建立传感设备信息交互的统一信息模型,以规范电力物联网应用的建设,指导信息模型及数据接入规范的制定,达到高效的应用集成和数据共享的目的。电力物联网的统一信息模型以实现传感器信息模型的统一为目标,参照IEC 61850、IEEE 1451[11]、SensorML[12]等标准解决传感器语义不统一、数据表达格式不统一等难题。

传感器信息模型的内涵

为了提高不同应用系统的信息交互效率,改善目前传感器由于厂家不同而导致的数据格式不利于数据共享的现状,应研究传感器的信息模型,其主要内容有:

1、统一语义。即传感器节点跟上层通信使用同样的语言,让上层可以读懂和理解节点所要表达的意思。在研究统一语义的时候,需重点考虑如下几个方面:①语义的唯一性。即避免出现重复的或有歧义的语义表达。②语义的可读性。即在描述或表达某一物理量时,尽量避免使用单个字符或无意义的字符,而应使用国际标准的英文单词或其组合,以此增强其可读性。③语义的可扩展性。即传感器技术的发展可能会引入新的语句语义,因此制定语义规则时,需使其具有一定的可扩展性。

2、统一数据表达格式。
①关键字的统一。即信息模型描述中的关键字应具有明确的意义,包括简称、命名等。比较通用的方式是采用英文单词,限定最大长度。例如IEC 61850
中逻辑设备简称为LD(logical device),逻辑节点简称为LN(logical node),温湿度传感器逻辑节点按照IEC 61850-7-4 中命名为MTHS 等。②表述方法的统一。即如何表述一个物理设备,包括如何划分设备类型,及如何建立与之对应的抽
象数据类。③描述语言的统一。即不同层之间采用统一的描述语言,例如采用目前流行的可扩展标记语言(extensible markup language,XML)。XML 是万维
网联盟W3C 制定的用于描述数据文档中数据的组织和安排结构的语言,它定义了利用简单、易懂的标签对数据进行标记所采用的一般语法,提供了计算机文档的一种标准格式。

3、传感器信息模型。即按照传感器最小逻辑功能,对各种传感器进行统一建模,实现传感器的信息模型。依据 IEC 61850-7 标准中的设计原则,将用逻辑
设备、逻辑节点和数据对象描述的抽象数据模型作为整体设计框架;参考IEEE1451.4 的传感器电子数据表格(transducer electronic data sheet,TEDS)思想,实现电力物联网中传感器的信息模型;依据IEC61850-6 中信息模型配置语言的描述,选用基于XML的变电站配置描述语言(substation configuration
description language,SCL)作为感知层传感器抽象数据模型在应用层上的一种描述语言,便于系统内部和系统间的数据交换,实现统一语义和统一数据表达格式。传感器信息模型的构成见图1 所示。

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传感器信息模型的设计

依据 IEC 61850-7-4 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IEEE 1451.4 的TEDS 思想,实现电力物联网中感知层设备的抽象数据模型。

由于电池电量、无线带宽,传输速率等限制,传感器须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 不仅可以解析传感器数据,同时可以描述传感器的其他固有参数属性。

传感器电子表单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,供其他系统使用。

基本 TEDS 和标准TEDS 是必须具备的元素。校准TEDS 和用户TEDS 是可选的元素。

基本TEDS
基本TEDS 是传感器上报数据中必须具备的元素,如表所示。它表示数据的来源。也是服务器调用相应表单的依据。从基本TEDS 中,也可以得到传感器逻辑节点类型的相关信息。

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基本TEDS 中,64 bits 全为0 或全为1 作为预留位,用于系统维护或管理。传感器厂商代码由相关机构统一分配,为每个传感器厂家分配一个唯一代码;每种传感器的最小逻辑节点会被分配一个模板号。每种模板中元素的定义是统一的。不同厂家和不同形态的传感器都要遵循这种模板描述自家的传感器参数。应用程序通过调用该模板号的表单对Sensor 传上来的32 字节数据流进行解析。
产品序列号由各厂家自己定义,占3 个字节。一个传感器逻辑设备分配一个序列号。不同逻辑节点通过模板号的不同来区分64 bits 的值。对矩阵传感器可通过在标准TEDS 中相关字段做定义加以区分。

标准TEDS

该部分属于传感器详细TEDS 的标准TEDS 部分,主要包含32 字节的精简TEDS 和传感器的固有属性2 部分,如表所示。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。

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统一制定传感器详细 TEDS 的模板。每种传感器都会有统一的传感器详细TEDS 模板。实现了不同传感器厂商、不同形态传感器数据模型的统一,并通过应用层服务器对传感器详细TEDS 统一管理。传感器厂商依照该详细TEDS 内容进行填写。类似于早期的纸质产品测试报告,现在只是表现形态不同,做成电子表单形式存储在服务器中。传感器加入到电力系统中时,要填写该表单,一是为Sensor 传来的数据提供解析的依据,另一方面可以得到Sensor 的详细信息。

智能传感器表单有2 种实现形式:1)表单驻留在传感器的非易失性存储单元中;2)表单存储在上层设备的数据库中。要在表单模板中存储有意义的信息,必须精确定义表单中的每个元素。对于所有传感器,基本TEDS 按照统一格式定义。对于标准表单而言,因为不同类型的传感器要存储的参数不同,因此需要定义不同类型的表单模板。

校准TEDS

校准TEDS 包括校准日期、校准初始值、校准周期等,它们为十进制表述,如表3 所示。

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典型应用场景

以某变电站物联网应用项目为例,根据项目需求布署了大量的各类传感器,由于厂家不同,语义和数据表达格式不统一,增加了数据通信和数据交互的复杂度、增加了项目建设的工程量,并造成一定的资源浪费。

为解决上述问题,在汇聚控制器中构建了传感器信息模型,主要实现了感知设备在语义和数据表达格式上的规范和统一。其中,统一语义保证感知设备属性的唯一性、可读性、可扩展性,并在关键字、表述方式、数据描述语言上进行规范和统一;

统一数据表达格式主要是在抽象定义、参数描述等数据表达格式上进行统一,包括设备模型、设备的抽象化定义以及设备模型具体参数。通过建立传感器信息模型,从而支持不同厂家传感器的即插即用和互联互通,提高了电力物联网各应用系统的信息交互效率。传感器信息模型应用布署如图所示。

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本文主要讨论了对物联网感知层数据通过对传感器信息模型进行建模,使数据在网络层中以统一的信息模型进行交互,主要用来指导高可靠性和高性价比的智能传感器、标准化采集终端及信息模型转换设备的研发,并形成相关标准规范。通过示范应用,规范了各类传感设备的接入,在感知层实现了数据模型的统一,同时也为网络层数据通信奠定了良好的基础,从而推动电力物联网在智能电网中的应用不断深化。



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