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电力企业智能设备研究

1绪论

1.1背景与意义。随着互联网、大数据、信息技术的发展,推动能源向产业化、智能化、集约化发展,发展智能电网已经成为保障能源安全、应对气候变化、保护自然环境、实现可持续发展的重要共识。尤其近些年智能化设备在电网中迅速发展和应用,对于智能化设备的数据采集问题越来越引起电力行业内的重视。数据作为信息的载体,不仅体现事物发展的现状,还可以预测事物的发展趋势,提供决策和分析,而数据采集则是应用的前提和基础。1.2本文主要工作。基于电力企业已有的智能化设备产生的数据提出几种数据接入方案,涵盖大部分智能化设备数据接入,包括结构化和非结构化数据,说明这几种方案的优势和不足,为智能化设备数据接入提供理论支撑。

2存储现状

实际企业中智能化设备的数据存在以下两种形式,一种是只有终端,无前置服务器的,终端采集之后的数据直接存储于机械硬盘或优盘中,数据存储分散,难以管理;另一种是有前置服务器,数据采集之后通过专有网络直接存储于前置服务器,数据相对结构化,便于采集,这里的前置服务器是广义上的概念,指在中心数据服务器之外的,起到数据采集和转换为平台或系统合格数据的服务器或设备。

3接入协议

按照网络七层协议定义从上到下依次包括应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层,这里实际谈到的协议只考虑应用层协议和传输层协议,针对不同的场景,不同协议有各自的优势。3.1IEC60870-5-104规约。IEC60870-5-104规约是之前的IEC60870-5-101规约的网络版,101规约是用于串口数据通信的规约协议,随着网络技术及计算机通信技术的发展,以及以太数据网在我国电力系统中的普及,在101规约基础上发展出了与TCP/IP提供的网络通信方式结合的104规约[1]。IEC60870-5-104规约,是基于TCP/IP网络的远程通信协议,不能用串口通信,通信双方必须分配确定的IP地址,需设置合理的路由,双方的IP地址必须进行注册,特别是服务端。通信性能较高但缺少自描述,需要提前建立终端单元和主站系统的点表映射关系来描述采集测点在传输数据流中的具体位置。这种方式需要主站工程师和终端工程师对数据点逐点对试,调试周期较长。实际应用时应避免极端现象,一旦网络链接建立成功,厂站端就发送数据,厂站的每发一条报文,就等待主站确认,需要严格遵循超时时间和K\W1的约束,采用变化数据主动上送方式。IEC60870-5-104的应用规约数据单元APDU由应用规约控制信息APCI和应用服务数据单元ASDU组成,并定义了启动字符、应用服务数据单元的长度规范、可传输一个完整的应用规约数据单元。下面是104规约传送帧结构的一种结构示例图具体信息存储于信息体中,每个信息体占用两个字节,高字节和低字节。3.2IEC61850规约。104规约传输的数据缺少自描述,需建立终端单元管理的数据点与主站接收端定义的量测值的对应关系,因此为了进一步提升规约能力,IEC组织制定了变电站内另一套通信标准体系-IEC61850规约。对于该方面标准的研究,欧洲和美国早在20世纪90年代就已经开展,并制定了相关标准。最终在IEEC和IEC的共同协调下建立了世界范围的统一标准-IEC61850,它是以UAC2.0的数据模拟和服务为基础,与IEC标准相结合产生的成果[2]。IEC61850标准具有显著的几个特点:(1)信息分层。IEC61850标准将变电站的通信体系分为变电站层、间隔层和过程层三个层次,并且定义了层和层之间的通信接口。其中,变电站层的功能分主要指对间隔或站内的一次设备发生作用的功能以及与接口相关的,比如与远程控制中心、主站系统等通信的功能。间隔层的功能主要是对间隔内的一次设备作用的过程。过程层主要完成开关量控制、模拟量采样和其他控制命令发送等功能。(2)面向对象的数据建模。IEC61850采用了面向对象的建模技术,定义了基于客户机/服务器结构数据模型[2]。标准定义了变电站通信体系中的各类对象模型,例如变电站、电压等级、间隔、端点、电接点、智能电子设备(IED)等等,这些对象模型的数据对象是由数据属性构成的公用类的命名实例。(3)数据自描述。IEC61850标准与IEC60870-5-104标准的一个显著区别是标准中定义的数据格式具有自描述的特定,而这个自描述性是通过SCL来具体实现的。SCL是IEC61850标准中规定的变电站智能电子设备IED的配置描述语言,称为变电站配置描述语言,描述了IED的配置和通信系统。在SCL作用域,SCL描述的模型包括:一次系统结构、通信系统、应用层通信、每个IED、实例的逻辑节点类定义、描述实例的逻辑节点之间的关系、开关场(功能)部分间的关系。SCL文件扩展名一般为.SCD,SCL文件用特殊方法描述一个完整的模型实例,它所描述的语义能够由所引用的模型本身完全理解。3.3CIM/E规约。CIM/E是一种具备自描述能力而效率更高的新型电力系统模型和数据描述语言。不同于IEC61850的基于XML的SCL表达格式,CIM/E所具有的数据描述方式处理效率更高效。因此在调度等系统之间进行数据交换采用CIM/E格式的文件会使数据处理效率更高效。3.4FTP协议。FTP协议属于TCP/IP协议体系结构中的应用层协议。 顾名思义,FTP协议是用于传输文件的协议,与之对应的有HTTP超文本传输协议、SMTP简单邮件传输协议等[3]。FTP是因特网中最早提供的服务之一,由于其使用方便、灵活至今仍然是被广泛应用。由于FTP使用的是TCP协议,屏蔽了不同计算机系统的细节,因此适用于异构网络中的计算机间传输文件,它的目的是提高文件的共享性[4]。随着电力行业自身业务能力的成长以及信息化技术的不断发展,电力系统中的数据类型变得越来越多、数据复杂性越来越高、数据交互和互操作性变得越来越普遍,尤其是智能化设备在电力行业中的应用和发展,在数据存储、交换和转换过程中经常会产生大量的非结构化数据(文件、视频、图像等),比如无人机巡检产生的视频和图片、山火监测图片、变电站巡检机器人拍摄的红外图片等,再比如上面CIM/E协议中的E文件等等,电力企业应用中的很多场景也都是通过搭建FTP服务器和FTP目录进行数据文件的传输和获取。

4应用场景分析

IEC60870-5-104规约是通信双方事先约定通信规则,服务端根据客户端传送的过来的信息解析信息头和信息体,性能较高,用于终端和主站之间的通信。IEC61850在变电站数据接入中通过用SCL描述智能电子设备的配置,给出被监控的目标系统模型和数据并通过抽象服务接口传递数据,用于变电站用于调度中心以及调度中心之间通信。CIM/E是一种效率更高的新型电力系统模型和数据描述语言,描述方式简单,具有人可读的特点,用于变电站系统之间的通信。FTP可以将一个完整的文件从一个系统复制到另一个系统,客户端访问只需要提供账号即可登录服务器,也可以使用匿名FTP方式登录服务器,多用于传输文本文件和其他二进制文件。

5结语

随着智能化设备的发展,机器人、无人机、传感器等智能化设备在电力行业应用,智能设备产生的数据发生了质的变化,急需针对各类智能化设备产生的数据提出一条可行的接入方案,为数据接入规范的制定奠定基础,从而支撑输电、变电、配电和用电的各项智能化应用建设,推动电网向智能、高效、可靠、绿色的方向转变。

本文分析了目前电网智能化数据接入中主要的几种方法或规范,从多个纬度进行分析对比,并描述了其各自的应用场景和优缺点,使用场景变得更加清晰。不同的规约或协议由于出现时间上的先后顺序,可能接入效率又高有低,比如之后的IEC61850规约提高了104等点对点规约的传输和解析效率,但由于设备厂商等其他因素,并不能完全摒弃其中某种协议方式,实际数据接入应用中应该根据实际情况选择最适合的接入方式。通过对比文中各种接入方式,本文能够为电网应用中以后的智能化设备数据接入提供较好的参考价值。

参考文献:

[1]张士勇,陈春等.应用101(104)规约的"电网调度自动化系统"在现场调试维护中的关键技术分析[J].电力系统保护与控制,2011,39(05).

[2]吴在军.基于IEC61850标准的变电站自动化系统研究[J].电网技术,2003,27(10):61-65.

[3]谢希仁.计算机网络(第四版)[M].北京:电子工业出版社,2003.

[4]赵强.基于FTP协议的文件传输服务器的研究[J].大连海事大学:通信与信息系统,2008.

作者:吕啟尤 陆庭辉 吴毅良 单位:江门供电局

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