电力物联网传感器信息模型研究与应用
发布时间：2022-02-22
摘要：由于电力物联网中感知设备点多、量大，各种采集数据的数据模型未能形成统一体系，将给电力物联网应用的互操作性带来困难，因此需要建立信息交互的标准化模型。为此，参照 IEC 61850、IEEE 1451、SensorML 等标准，详细阐述了感知层传感器信息模型的内涵、关键技术、定义、建模方法等，并结合实例进行说明。主要方法是建立一个能接入各类传感层设备的可扩展的信息接入规范，同时考虑到未来传感器原理和实现技术的发展变化，在接入规范层提高所接入状态信息的“浓缩性”和“直接可用性”，最终建立信息交互的标准化模型和设备的唯一标识，使数据在网络层中以统一的信息模型进行交互。
关键词：智能电网;物联网;传感器信息模型;统一语义;统一数据表达格式
0 引言
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[1-8]。
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[9]。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[10]、 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。
本文着重研究感知层传感器信息模型的内涵、关键技术、定义、建模方法等，并辅以具体实例说明传感器信息模型的应用。
1 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[13-18];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 IEC 61850-6 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。
2 关键技术及引用标准
2.1 IEEE 1451 网络化智能传感器接口标准
IEEE 1451 标准定义了一套连接传感器到网络的标准化通用接口，建立了网络化智能传感器的框架，这使得传感器制造商有能力支持多种网络。
其中，IEEE 1451.1 定义了网络独立的信息模型，使传感器接口与网络应用适配器(networkcapable application processor，NCAP)相连，它使用了面向对象的模型定义提供给智能传感器及其组件。IEEE 1451.2 规定了一个连接传感器到微处理器的数字接口，描述了 TEDS 及其数据格式，提供了 一 个 连 接 智 能 变 送 器 模 块 (smart transducer interface module，STIM)和 NCAP 的 10 线的变送器独立接口(transducer independent interface，TII)，使制造商可以把一个传感器应用到多种网络中，使传感器具有“即插即用”的兼容性。IEEE P1451.3 定义了标准的物理接口指标，为以多点设置的方式连接多个物理上分散的传感器提供了标准。IEEE P1451.4 标准基于已存在的模拟量变送器连接方法提出一个混合模式智能变送器通信协议，它也为具有智能特点的模拟量变送器接口到合法系统指定了 TEDS 格式。
2.2 SensorML
SensorML 提供了一个框架，该框架能够定义传感器和传感器系统的地理、动态和观测特性。 SensorML 中对原子过程(atomic process)和过程链 (process chain)的定义，使得种类繁多的传感器类型能够被支持。SensorML 的目标包括：
1)提供对传感器和传感器系统的存储管理 (inventory management)的描述。
2)提供同时支持资源和感知数据发掘的传感器及过程的信息。
3)支持对传感器感知数据的处理和分析。
4)支持对监测值(测量数据)的地理定位。
5)提供性能特性(如精度，阈值等)。
6)提供对获得感知数据的过程的清晰描述(也就是排列)。
7)提供按需生成新数据产品的可执行过程链。
8)对基础属性和传感器系统相关条件的存档。
2.3 IEC 61970
IEC 61970 系列标准提供了一个基于公共信息模型、公共体系结构和组件技术的系统集成框架，包括公共信息模型(common information model，CIM)、组件接口规范(common interface specification， CIS) 2 部分内容。
CIM 是用面向对象建模技术定义，使用统一建模语言(unified modeling language，UML)定义成一组包，每个包包含 1 个或多个类图，用图形方式展示该包中的所有类及它们的关系。然后根据类的属性及与其它类的关系，用文字形式定义各个类。
CIS 详细描述了组件/应用应实现的，能够以标准方式与其它组件/应用进行信息交换和/或访问公共数据的接口。
2.4 IEC 61968
IEC 61968 系列标准促进支持企业配电网管理的多种分布式软件应用系统的应用间集成，实现了接口与实际网络的解耦，有效解决了交互中异构系统之间信息传输的问题。该标准包括管理配电网的公共设施的各种分布式功能，包括电力传输、管理过程的监视和控制，以保证系统可靠性、电压管理、需求侧管理、停电管理、工作管理、自动绘图和设备管理。
2.5 IEC 61850
IEC 61850 阐述了智能化变电站的总体要求;阐述了变电站系统的建模方法;制定了满足实时信息和其它信息传输要求的服务模型;规定了协议栈，阐述了应用到协议的映射方法及相关协议。选择制造报文规范(manufacturing message specification， MMS)作为应用层协议与变电站控制系统通信。
2.6 国家电网公司公共数据模型(SG-CIM)
SG-CIM 模型是国家电网公司的公共信息模型，是在 IEC 61970/61968 基础上完善发展而来的，在前期工作中，已支撑了资产全寿命周期、财务与交易、审计创新等多个场景的业务集成工作。为进一步验证 SG-CIM 的可用性，支撑三集五大体系的建设，以及智能电网的深化应用，研究企业级业务模型很有必要。企业级业务模型是指公司各业务信息模型基于公共信息模型(SG-CIM)标准统一规划、统一设计，形成覆盖公司各业务领域的企业级信息模型。
通信标准中信息建模的目的是取得信息传输语义的一致性和确定性，模型结构不仅代表了通信中的抽象语法，还代表了信息语义的上下文结构。传感器信息模型建模过程是以通信服务为前提的信息封装过程，不存在复杂的模型分析和构造，使用基于 XML 的 SCL 语言进行描述，包括信息与通信服务的对应，和信息的裁减及扩充。
3 传感器信息模型的设计
3.1 设计思路
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。
3.2 基本 TEDS
基本 TEDS 是传感器上报数据中必须具备的元素，如表 1 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。
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。
3.3 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 2 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
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。
3.4 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。
4 传感器信息模型的建模
4.1 建模方法
按照 IEC 61850 建设的方法，将待建模设备的应用功能分解为与之交换信息的最小实体，这些实体称为 LN。若干 LN 组成一个 LD。基于它们的功能，LN 包含具有专门数据属性的数据表。数据对象(data object，DO)具有完整的结构和定义好的语义。按照已定义好规则的服务性能，交换由数据和它们的属性所代表的信息，最后由特定通信服务映射(specific communication service mapping，SCSM) 和具体的通信手段(例如 MMS)实现服务。具体建模思路如下：1)汇聚控制器作为逻辑设备。2)监测装置通信状态作为 LN0(逻辑节点 0)里面的状态量。 3)每种类型传感器作为一个逻辑节点类。4)每个传感器作为相应逻辑节点类下面的数据对象。 5)传感器的监测值作为数据对象的一个属性。
传感器信息模型建模思路见图 2 所示。
建模流程如图 3 所示，实现的建模步骤如下：
1)建立分解后的功能单位，即逻辑节点 LN。将应用功能分解到可以找到对应的逻辑节点类中，比如在 IEC 61850-7-4 中定义了一些现有的逻辑节点以及扩展的逻辑节点。
2)对于建立的逻辑节点 LN，确定数据对象 DO。
3)观察系统，确定是否需要其他功能建模，如不需要，则建模结束，如需要，返回步骤 1)。
4.2 扩展的逻辑节点类
优先引用 IEC61850-7-4 已定义的逻辑节点(除 G 组外)，另外根据传感器信息模型的需要，扩展了一部分逻辑节点，如表 4 所示。
4.3 建模实例
汇聚控制器作为一个 LD，一类传感器作为一个 LN，传感器的一个测量值作为一个 DO，测量值的类型、品质、时间、描述等作为数据属性(data attribute，DA)，传感器不变值(坐标、厂家、精度等信息)放在配置文件中。以温湿度传感器(简写为 ZSNR)为例详细说明统一信息模型的建模方法。
5 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 4 所示。
6 结论
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。——论文作者：荆孟春 1，王继业 2，程志华 2，李凌 1
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