基于电力系统的物联网系统构成及其协议融合

引言

物联网(InternetofThings,IoT)在电力系统中的应用涉及多个方面,从发电环节、输电环节、变电环节、配电环节、调度环节到用电环节,均有不同形式的物联网应用。

对于电力系统而言,由于系统规模庞大,所涉及物联网设备种类与工作模式众多,所应用到的物联网协议也因此而种类繁多,因此应用于电力系统管理与监控的物联网系统将会面临对不同物联网设备进行控制并实现信息传递,以及多种不同物联网协议的融合问题。

1电力系统中物联网应用分析

1.1电力系统中物联网的基本构成

物联网的架构可分为三个基本层次,分别是感知层、网络层和应用层。在每一个基本层次中,均有适用于不同设备的物联网通信协议,用以提供对相应设备的物联网支持。应用于电力系统的物联网系统,可以据图1所示的基本结构来实现系统的设计。

如图所示,在系统的底层,将应用到多种不同的硬件设备,每个不同的硬件设备可能涉及不同的空中接口协议和数据采集方法[1],如UHFRFID所使用的EPCG1oba1GEN2、电表设备所使用的NB-IoT等。

底层设备通过种类繁多的数据提取方式获取数据,并将数据传送至网络层,网络层通过各种不同的接入方式与后台进行连接,实现对各种应用程序的支持。

1.2电力系统中物联网设备及其工作协议

电力系统中的业务从源头的生产到终端用户的收费,所涉及的业务流程主要包括发电、输电、变电、配电、调度、用电等环节。

各环节所涉及的主要物联网应用如表1所示。

电力系统中的物联网设备可根据其工作模式及功能划分为以下4个大类:RFID设备、各类传感器、监控摄像头和远程抄表系统。其中RFID设备以HF频段和UHF频段为主,RFID阅读器与标签之间使用特定的空中接口协议,如Iso15693或EPCGEN2,RFID阅读器完成前端的RFID标签信息采集之后,可通过有线或无线的方式将相关信息送至后台。

典型的有线方式包括UsART串口、Ethernet网络接口,典型的无线方式包括wi-Fi、蓝牙、4G等。

物联网中传感器的特点是数量众多、功耗低、分布分散,因此对于物联网传感器而言,多采用BLE或ZigBee的方式实现局部组网,然后通过组网中的节点取回各传感器的数据,再集中送回后台。

监控摄像头的特点是数据量大,对数据传输速率要求高,因此多采用有线或4G等支持大速率数据传输的方法实现数据向后台的传送。

远程抄表系统是NB-IoT的典型应用,业界已有成功的应用案例。

1.3电力系统中物联网应用层各协议对比

针对不同的物联网应用场合和物联网的应用设备状况,当前广泛采用的物联网应用层协议主要包括CoAP(ConstrainedApp1icationProtoco1,受限应用协议)[2]、MoTT(MessageoueuingTe1emetryTransport,消息队列遥测传输)[3]、DDs(DataDistributionserviceforRea1-Timesystems,面向实时系统的数据分布服务)、AMoP(AdvancedMessageoueuingProtoco1,先进消息队列协议)、xMPP(Extensib1eMessagingandPresenceProtocol,可扩展通信和表示协议)、JMS(JavaMessageService,JAVA消息服务),各协议的对比如表2所示。

REST(RepresentationalStateTransfer)即表述性状态传输,是基于HTTP协议开发的一种通信与软件架构风格,是一种针对网络应用的设计和开发方式,可以降低开发的复杂性,提高系统的可伸缩性。

在电力系统中,由于xMPP协议有即时通信的功能,因此可以用其来实现需要快速响应的灯光或示警标志的控制:发电厂发动机组的监控可以使用DDS协议(由于发电机组属于关键性重要设备,因此选用高可靠性、实时、分布式通信的DDS):电力线的巡查和维护,可以使用M0TT协议(出于成本方面的考虑,巡查和维护工作中将采用数量众多的低性能、低带宽物联网设备,因此选用M0TT最适宜):在智能家居系统中,如果期望监控某个特定环境下所有电气设备的电量消耗,可以使用AM0P协议,传输到云端或家庭网关中进行分析(AM0P可实现消息互传,快速实现数据交换):如用户想把自家的能耗查询服务公布到互联网上,那么可以使用REST/HTTP来开放AP1服务(由于数据量小、通信要求低,使用一个精简的通信服务即可满足通信要求)。

具体应用层协议的使用,除硬件本身的状态之外,还取决于设计者的需求。

下面举两个案例说明:

应用案例1:监控发电设备状态和发电环境状态的各型传感器。此案例属于典型的无线传感器网络应用,可以使用CoAP实现通信。但如果该传感器的数量有限且重要性极高,则不建议使用CoAP,而应该使用DDS。

应用案例2:智能抄表系统。可使用AM0P或RESTful的网络通信,选择AM0P,可实现数据快速交换,消息互传:使用RESTful,是因为所需要发布的数据量有限,不需要采用复杂的HTTP方式。至于JMS,只是提供了一种Java环境下的开发支持而已,如果开发者使用Java作为开发工具,则需要使用JMS:反之,如果不使用Java,则不需要。

2基于电力系统的物联网多协议融合

物联网多协议融合的首要问题在于能够使用单个或有限种类的设备解决多种不同物联网设备的信号接入问题。

当前,研究物联网多协议融合的主要出发点和实现物联网多协议融合的方法是设计物联网多协议网关。

一个理想的用于电力系统的物联网多协议网关能够在前端接收各种不同形式的输入信号,从而实现某个特定区域内所有物联网设备的前端信息采集。

从系统搭建的合理性出发,期望该设备在系统中所使用的数量能控制在有限的范围之内,从而降低系统搭建的整体硬件成本。

如前文所述,电力系统中所用到的底层硬件主要有RF1D设备、各类传感器、监控摄像头和远程抄表系统4个大类,各类采集设备与网关可能通过有线或无线方式进行连接,返回的数据格式和通信协议种类繁多,信号数据量和传输速率跨度很大。

因此,合理的设计思路是采用轮询机制,开放多种信号输入模式,确保多协议网关能够与各种物联网底层设备快速而不干扰地进行数据交互。

3结语

本文基于电力系统,讨论了物联网中所涉及的各种硬件设备以及相应设备所涉及的工作协议。

针对电力系统中所用到的物联网设备种类繁多、协议混杂的特点,本文讨论了物联网应用层各协议的特点以及多协议融合的问题。