1、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: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 O
2、T）.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 Ce
3、nter）,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
4、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
5、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（read?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
6、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（obsolete）.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,
7、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:tsta Name 1?2?0;Type:OCTETSTRI NG;Access:read?only;Status:manda?tory;Value:Baqiaozhan;
8、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.MN
9、IB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
10、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?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
11、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 Variable,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
12、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;unsigned char Status;unsigned char obj Type;char obj Value 25;char obj Name 25;char obj Des
13、cr 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
14、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
15、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 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
16、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）用于标识信息对象的类型.因为类型标识字段已对信息对象类型作出了甄别,所以 PI OTP协议中该字段使用缺省值 0.信息对象绑定表是
17、由监测对象的对象标识符（I D）和值组成的序列,其长度可根据监测对象数目的不同而灵活变化,格式如图 4所示.ID1ValuelID2Value2I DnValuen图 4?信息对象绑定表格式2.3?通信协议实现PI OTP报文编码采用 ASN.1基本编码规则（BER）6.BER采用 TLV方式对数据编码,对于每个所传送的值,无论是基本类型还是构造类型,都是由 TLV 3个字段组成.TLV分别指数据类型（TYPE）,数据长度域（LENGTH）和数据域（VALUE）字段.其中,数据域可以多重嵌套其他数据元素 TLV 字段,BER编码的具体格式如图 5所示.图 5?BER 编码的具体格式对信息对象绑
18、定表进行 TLV编码时,遵循如下原则:整个信息对象绑定表为 Se?quence（30）类型;（2）?每个信息对象 I D+Value组合也为 Sequence（30）类型;（3）?Value无值时为 NULL类型.802?第 24卷例如:监测中心请求对象标识符为 1?0的监测对象值,对请求报文应编码为:30 0A?30 08?06 04 01 02 00 00?05 00.其中第一个 30表示整个信息对象绑定表为 Sequence类型,0A表示后续报文长度为 10个字节.第二个 30表示后续报文也是一个 Sequence类型,08表示报文的长度为 8个字节.06 0401 01 02 00是对
19、象标识符的编码.06表示对象标识符为 OBJECT I DENT IFI ER类型,04表示对象标识符长度为 4个字节,01 01 02 00为对象标识符值.05表示对象值类型为 NULL类型,00表示长度为 0,即该字节后无内容.因为是请求报文,所以 Value字段无内容.3?结果及分析实验使用一台 Intel Core 2 Duo CPU,2G内存,操作系统为 M icrosoftW indowsXP的 PC来模拟监测中心.监测中心软件采用 V isual C#语言,在 V isual S 2005平台上编写和运行.远方终端使用 HT2000eRTU,该 RTU是一款多 CPU 的嵌入式设
20、备.监测中心与 RTU 通过串口进行通信.RTU 软件采用 TurboC2?0集成开发环境开发,在 DOS平台上运行.软件运行时占用内存大小为 421KB.图 6是监测中心与 RTU通信的界面.其中 TxD表示监测中心发至远动终端的请求报文,RxD表示远动终端发至监测中心的响应报文.图 6?监测中心与 RTU 通信界面截取一段报文如下:%TxD:98 15 15 98 53 01 00 73 01 05 00 00 00 30 0A?06 04 01 01 02 00?05 00 52 16&RxD:98 1F 1F 98 28 01 00?73 01 05 00 00 00?30 14?30
21、 12?04 0A 42 6171 69 61 6F 7A 68 61 6E 42 16报文序列中加下划线部分为应用层 PI OTP协议报文.在 TxD报文中,73 01 05 00 00 00为 PI OTP协议的对象标识符字段值.其中 73表示信息对象绑定表类型为 115,01表示请求的监测对象数目为 1个.05表示该报文为监测中心发出的请求报文.00 00为远动终端的标识地址.00为缺省记录地址.30 0A 30 08 0604 01 01 02 00 05 00为信息对象绑定表的编码,指出了该报文的作用是请求对象标识符为 1?0的监测对象（在图 2的 MNIB中表示监测对象 厂站名称!
22、）的值.这部分内容含义在 2?3节中已有详细说明.在 RxD报文中,对象标识符字段值与请求报文一样,但是这里的传送原因值 05表示的是响应请求,即该报文为响应报文.信息对象绑定表部分内容05 00被替换为:04 0A 42 61 71 69 61 6F 7A 68 61 6E.这部分内容即为监测对象的值.其中 04表示对象值为字符串,0A表示对象值长度为 10个字节,42 61 71 6961 6F 7A 68 61 6E为对象值内容.经计算,该段内容表示字符串 Baqiaozhan!,这与MNIB信息库中设置的 厂站名称!监测对象的值相一致.实验结果表明,监测中心与 RTU完成了信息交换与通
23、讯,通信成功,实验达到了预期的目标.4?结束语电力物联网是未来电网建设的方向,目前,我国在这一方面的研究还处于初级阶段.本文针对电力物联网实现的关键技术问题,提出了一种用于电力物联网信息管理与传输的设计方案.包括:使用 MNIB信息库,提供了一种有效的组织和存储电网数据的方法,它采用树状层次结构对各种数据进行分层归类存803第 6期?电力物联网信息模型及通信协议的设计与实现储,极大地提高了信息模型的直观性和访问的高效性.（设计了通信协议 PI OTP,它不仅兼容 IEC102标准,而且还扩充了该协议,实现了监测中心与 RTU之间的信息传输.）开发了一套软件,用于实现监测报文的传送.实验结果表明
24、,MNIB和 PI OTP协议较好地实现了监测中心与远动终端之间的信息交换与通讯,证明了该方案的可行性.本文所研究的内容对未来电力物联网的发展具有一定的指导意义和实用价值.参考文献:AMARDEO C,SARMA,JG.Identities in the future internet of things J.W ireless Pers Co mmun,2009,49:353?363.2?InternationalTeleco mmunicationUnionU I T.ITU InternetReports 2005:The Internet ofThings R.Tunisia,2005
25、.3?张俊玲,王秀英,籍淑丽,等.数据库原理与应用 M.北京:清华大学出版社,2005:338?348.4?赵祖康,徐石明.电力系统信息传输协议综述 J.电力系统自动化,2000,23:65?71.5?辛耀中.电力系统数据通信协议体系 J.电力系统自动化,1999,22（1）:40?44.6?王飞,黄俊伟,孟夏.抽象语法表示 ASN.1及其在 TD?SCD MA中的应用 J.通信技术,2008,41（8）:12?14.Design and i mplement of information model and communicationprotocol for power internet o
26、f thingsTANG Li?xia,WANGHui?ran,LIU Rui?feng（SchoolofComputer Science,X i an PolytechnicUniversity,Xian 710048,China）Abstract:By studying the key technology of the internet of things,a designmethod of information managementand transm ission for power internet of things is proposed.Monitoring infor m
27、ation base（MNIB）wasused to organ?ize and store infor m ation of power internet of things.In the application layer of communication protocols,a pro?prietary protocol PI OTP was designed,and a program was developed to transfer the infor mation betweenmonito?ring center and remote ter m inal unit（RTU）.The experi m ental results show that the proposedmethod is feasible.Key words:power internet of things;PI OTP;remote ter m inal unit（RTU）编辑、校对:武?晖804?第 24卷
