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1、19?基金项目:陕西省教育厅产业化项目（07JC03）?通讯作者:王会燃（1959?）,男,陕西省华县人,西安工程大学教授,博士,主要从事计算机网络与应用研究.E?mai:l hr?wang127 电力物联网信息模型及通信协议的设计与实现唐丽霞,王会燃,刘锐锋（西安工程大学 计算机科学学院,陕西 西安 710048）摘要:通过研究物联网关键技术,提出了一种用于电力物联网信息管理与传输的设计方案.使用监测信息库（MNIB）,实现对电力物联网信息的组织与存储.设计了专用的应用层通信协议 PI?OTP,并开发了一套程序,完成了监测中心和远动终端（RTU）之间的信息传输,验证了该方案的可行性.关键词:

2、电力物联网;MNIB;PIOTP;远动终端中图分类号:TP 393?文献标识码:A0?引?言物联网,英文名称叫 The Internet of Things!（简称 I OT）.通俗地讲,物联网就是 物物相连的互联网!.它是通过传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络 1?2.2005年国际电信联盟（I TU）发布了 I TU互联网报告2005:物联网#,报告指出,无所不在的 物联网!通信时代即将来临,世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换.射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米

3、技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用 2.电力物联网是实现电力系统信息交换和通信的一种网络.在一个电力物联网系统中,有两种站点,一种是监测中心（Monitoring Center）,另一种是监测站（Monitoring Station）.远动终端 RTU（Remote Term inalUnit）工作在监测站,主要用于对监测数据进行采集,并把数据以规定格式通过串口发送至监测中心.监测中心从各监测站收集监测数据,并对数据进行加工处理.电力物联网实现的关键技术之一是监测信息的组织与存储问题.解决数据存储与管理问题的数据库理论和技术发展极为迅速,应用也非常广泛.以关系型为代表的三种经典（层次、网状

4、和关系型）数据库 3在商务和管理等事务型的应用领域中取得了很大成功.但是关系型数据库系统占用内存大,数据存取速度较慢.而电力物联网系统不仅要维护和存储大量的实时数据,而且对数据及其处理具有严格的时限性.在数据通信方面,目前电力系统已颁布了一系列的电力通信协议,如 I EC60870?5、IEC60870?6等 4.但随着电力系统的高速发展,这些协议已不能完全满足实际应用的需要.1?信息模型在电力物联网系统中,监测中心与远动终端之间传送的信息包括控制指令、监测数据、设备状态、站点描述信息等.本文设计了监测信息库 MNIB（M onitoring Infor mation Base）来对信息进行有

5、效的组织和存储.1?1?监测对象结构监测信息库（MNIB）由若干个监测对象组成,MNIB中每一个叶子结点都是一个监测对象.监测对象是监测信息库的基本单元,它有 7个属性,如图 1所示.标识符（ID）属性是一个监测对象惟一区别于其他监测对象的标志.在监测信息库中采用 id1,id2,id3,id4!的形式对其进行表示,id1,id2,id3,id4分别占一个字节长度,取值范围分别为 0 255.类型（Type）属性定义了监测对象的数据类型.表 1中列出了部分 ASN.1语法标记中常用的数据类型.访问权限（Ac?cess）属性定义了监测中心以何种方式访问监测对象,它包括 4种访问方式:只读（rea

6、d?only）,只写（write?only）,读写（read?write）和不可访问方式（not?accessible）.只读方式表示监测中心只能读取该监测对象值;只写方式表示监测中心只能写该监测对象值;读写方式表示监测中心既可以读取,又可以写入该监测对象值;不可访问方式表示监测中心不能访问该监测对象.当访问权限属性值为不可访问方式时,监测中心不能对 MNIB中的数据做任何操作.该属性的定义可以防止外界对 MNIB中的数据进行非法的篡改.状态（Status）属性定义了监测对象在 RTU设备中实现的当前状态,它包括 3种状态:强制性的（mandatory）,可选的（optional）和过时的（o

7、bsolete）.强制性状态表示每一个 RTU上都必须包含该监测对象;可选状态表示该监测对象可有选择性地在某些 RTU上实现;过时状态表示该监测对象在 RTU中已没有使用,可被其他监测对象所取代.该属性的定义可提醒管理员对监测信息库进行及时的更新,以保证监测信息库的时效性.对象值（Value）属性定义监测对象的值,当监测中心请求该监测对象时,它将作为响应报文的一部分返回给监测中心.名称（Name）属性定义监测对象的文本名字.描述（Description）属性是对监测对象的具体作用的文本说明.图 1?监测对象属性例如,监测对象 sta Name代表某监测站名称,该监测对象可定义如下:objec:

8、tsta Name 1?2?0;Type:OCTETSTRI NG;Access:read?only;Status:manda?tory;Value:Baqiaozhan;Description:thename of station.其中 sta Name为监测对象名称,1?0为对象标识符,该对象值数据类型为字符串类型,监测中心只可以读它的值,每一个 RTU上都必须包含该对象.表 1?ASN.1中常用数据类型数据类型类型说明标签值（16进制）I NTEGER一个任意的整数02OCTET STRI NG任意的 8 bit值字符串04NULL空值05OBJECT IDENTIFIER对象标识符,由

9、一列整数构成,用于确定对象,如算法或属性类型06SEQUENCE一个或多个类型的有序集合101?监测信息库（MNIB）监测信息库（MNIB）是监测站所有监测对象的集合.MNIB采用树状结构对数据进行分类存储,它具有从根开始的严格分层化结构,由一个虚拟根节点和若干个分支及叶子结点构成,如图 2所示.MNIB树根节点是一个虚拟节点,没有实际对应的名字和编码.根节点下有 4个分支,分别是系统信息、实时数据、事件记录和计量信息.系统信息分支下设有厂站信息、RTU信息和电表信息 3个子树.厂站信息子树共有5个叶子,分别是厂站编号、厂站名称、厂站位置、联系人和厂站电话.RTU 信息子树有 6个叶子:RTU

10、编800?西安工程大学学报?第 24卷号、RTU型号、出产厂、出产时间、执行协议和电表数目.电表信息子树包括电表编号、电表型号、出产厂和出产时间 4个叶子结点.每一个叶子结点都是一个监测对象.厂站信息子树包含的监测对象配置信息如表2所示.表 2?厂站信息树中监测对象配置信息监测对象对象标识符对象名称对象类型状态访问权限厂站编号1?1.1?0Sta NumI NTEGER强制性的只读厂站名称1?0StaNa meOCTET STRI NG强制性的只读厂站位置1?3?0StaPosOCTET STRI NG强制性的只读联系人1?4?0contactOCTET STRI NG强制性的只读厂站电话1?

11、5?0StaTelOCTET STRI NG强制性的只读MNIB树中所有节点采用层次型的对象命名规则,连接树根节点至监测对象所在节点路径上的所有节点标识,便构成了该监测对象的对象标识符.对象标识符采用一个 4字节的整数序列表示,中间以 .!号间隔而成.如表 2中厂站编号的对象标识符为 1?0.图 2?MNIB结构采用树状结构的 MNIB信息模型具有易于管理和扩充的优点,对任意子树或节点的增、删、改操作都不会对其他子树或节点产生影响.另外,在 RTU内部进行数据存储时,都是采用数字形式的对象标识符.数字形式存储具有消耗内存资源小,存储速度快的优点.1.3?信息模型实现定义一个结构体 obj Va

12、riable,用来存储监测对象的内容.该结构体中共有7 个元素:ID、Access、Status、obj Type、obj Value、obj Name和 objDescr分别对应监测对象的 7个属性标识符、访问权限、状态、类型、对象值、名称和描述.其中 I D是一个 4个字节大小的数组,用来存储标识符的 id1 id4.对象值、名称和描述 3个属性都是该对象的文字说明,因此分别使用一个 25字节的字符数组来表示.数组在内存中有固定的地址分配,便于操作且访问速度快.struct obj Variable unsigned char I D 4;unsigned charAccess;unsig

13、ned char Status;unsigned char obj Type;char obj Value 25;char obj Name 25;char obj Descr 25;mobj 256;MNIB监测对象数据保存在配置文件 OBJ.CFG!中,运行时占用内存大小为 21KB.2?通信协议为了使设计的协议能满足实际应用的需要,本文在遵循 IEC60870?102电力系统电能累计量传输配套标准（102标准）5的基础上,制定了专用的应用层通信协议 PI OTP（Power Internet?of?Things Protocol）.2.1?102标准存在的问题801第 6期?电力物联网信

14、息模型及通信协议的设计与实现102标准是专门针对电能量数据传输而设计的,在实际应用中,还存在以下问题:（1）?102标准只定义了电能量数据,没有定义传输电站和电网设备的管理参数（如厂站信息,RTU设备参数,电表信息等）,所能承载的信息种类有限.（2）?102标准应用服务数据单元（见表 3）定义的信息体格式不统一.比如,电能量对象较之单点信息等其他信息对象,增加了信息对象地址、电能量对象保护校验和公共时标字段.格式不一增加了编码的难度,降低了编码后报文的可读性.针对 102标准存在的问题,本文扩充了信息种类（主要是电站和电网设备信息）,并将这部分信息归入了 MNIB的系统信息分支下.在应用服务数

15、据单元信息体部分,将信息体统一为信息对象绑定表格式.2.2?电力物联网协议（PI OTP）PI OTP协议主要由 2个字段组成,分别是数据单元标识符和信息对象绑定表（见表 4）.数据单元标识符沿用了 102标准的格式.信息对象绑定表为 PI OTP协议的信息体部分.数据单元标识符类型标识（TYP）可变结构限定词（VSQ）传送原因（COT）应用服务数据单元公共地址低字节应用服务数据单元公共地址高字节记录地址（RAD）信息对象绑定表图 3?PIOTP协议格式数据单元标识符由 6个字段组成,每个字段长度为一个字节.类型标识（Type Identification）用于定义信息对象绑定表的类型.PI

16、OTP 协议中信息对象绑定表的类型标识为 115.可变结构限定词（VariableStructure Qualifier）定义信息对象绑定表中监测对象的数目,其有效值为 7位,最高位恒为 0,取值范围为 0 127,即信息对象绑定表最多能承载 127个监测对象.传送原因（Cause Of Transm ission）指导应用程序如何去处理应用服务数据单元,它包括 2个值:传送原因为 5,表示监测中心请求监测对像信息或远动终端响应监测中心的请求;传送原因为 13,表示远动终端没有 监测中心所请求的信息对象.记录应用服务数据单元公共地址定义为远动终端的标识地址,报文中,地址低字节在前,高字节在后.记录地址（Record Ad?dress）用于标