劉 昊，毛萬登，馬 斌，閔佳寶，姜 欣，金 陽

油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入物聯(lián)管理平臺方法

劉 昊1，毛萬登1，馬 斌1，閔佳寶2，姜 欣2，金 陽2

(1.國網(wǎng)河南省電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450052；2.鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院電網(wǎng)儲能與電池應(yīng)用研究中心，河南 鄭州 450001)

油色譜在線監(jiān)測是目前廣泛應(yīng)用的一種監(jiān)測手段。但是，由于當(dāng)前油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)感知層協(xié)議和物聯(lián)模型尚未統(tǒng)一，數(shù)據(jù)交互困難，使得油色譜系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，無法與輸變電側(cè)其他子系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。針對這一問題，提出了一種智慧物聯(lián)體系下的油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入方法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的即插即用。首先分析智慧物聯(lián)體系下油色譜系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入物聯(lián)管理平臺的整體架構(gòu)，闡明了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸過程。接著構(gòu)建基于國家電網(wǎng)公司公共信息模型(SG-CIM)統(tǒng)一規(guī)范的物聯(lián)模型并提出了一種基于本地通信的油色譜系統(tǒng)采集終端與邊緣物聯(lián)代理的通信方式和基于消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議(MQTT)協(xié)議下的Ⅲ型邊緣物聯(lián)代理和物聯(lián)管理平臺的交互方式，使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程中具有統(tǒng)一的物聯(lián)模型和通信協(xié)議，從而使得油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入到統(tǒng)一的物聯(lián)管理平臺。最后，以某省實(shí)際油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行情況為例，將上傳至物聯(lián)管理平臺的數(shù)據(jù)與油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)中的原始數(shù)據(jù)做比對，驗(yàn)證了接入數(shù)據(jù)的及時性和完整性，從而驗(yàn)證了所提接入方法的可行性。該方法的提出對實(shí)現(xiàn)輸變電側(cè)主設(shè)備數(shù)據(jù)的共享與聯(lián)動，提升對輸變電側(cè)主設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的感知能力具有重要參考意義。

油色譜在線監(jiān)測；數(shù)據(jù)接入；物聯(lián)管理平臺；MQTT；物聯(lián)模型

0 引言

變壓器運(yùn)行狀態(tài)對電力系統(tǒng)安全運(yùn)行至關(guān)重要[1]。1950年以來，變壓器在線監(jiān)測技術(shù)受到了電力部門和各國學(xué)者的廣泛重視[2-3]。其中，油中溶解氣體分析法對判斷變壓器內(nèi)部故障十分有效，且便于實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測[4-5]。近年來，隨著計算機(jī)、高分子材料、通信、傳感器及色譜等技術(shù)的進(jìn)步，變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測技術(shù)也不斷更新和發(fā)展，大量實(shí)時的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)使得對變壓器油色譜統(tǒng)計規(guī)律的研究成為可能[6-8]。

統(tǒng)一完備的信息模型、數(shù)據(jù)語義是實(shí)現(xiàn)油色譜系統(tǒng)海量終端設(shè)備即插即用的必要條件[9]。文獻(xiàn)[10]針對如何有效利用智能電網(wǎng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)問題，開發(fā)了基于國家電網(wǎng)公司企業(yè)統(tǒng)一信息模型(State- Grid Common Information Model, SG-CIM)的企業(yè)數(shù)據(jù)庫模型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)之間的信息交互；文獻(xiàn)[11]提出基于國際標(biāo)準(zhǔn)的配電成套開關(guān)監(jiān)測的架構(gòu)，構(gòu)建出其虛擬邏輯設(shè)備并實(shí)現(xiàn)模型協(xié)調(diào)，對本文油色譜監(jiān)測系統(tǒng)虛擬邏輯設(shè)備構(gòu)建有一定的借鑒意義；文獻(xiàn)[12]構(gòu)建了基于CIM的電網(wǎng)調(diào)度中心應(yīng)用模型，實(shí)現(xiàn)了調(diào)度中心不同部門之間的信息共享。但是以上研究并不完善，例如油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)未完全遵循傳統(tǒng)SG-CIM模型，是因?yàn)閭鹘y(tǒng)SG-CIM模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，其是依照主題域進(jìn)行劃分并僅定義了模型的類和屬性的數(shù)量，對模型描述不夠精確。而智慧物聯(lián)體系下的油色譜系統(tǒng)數(shù)量龐大，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的SG-CIM模型難以匹配，傳統(tǒng)模型已無法支持油色譜傳感設(shè)備與云主站進(jìn)行信息交互。針對此問題本文提出了一種物聯(lián)終端建模方法，參考了SG-CIM的建模方法，在原有SG-CIM模型基礎(chǔ)之上進(jìn)行補(bǔ)充和擴(kuò)展，主要應(yīng)用于邊緣物聯(lián)代理、物聯(lián)管理平臺、業(yè)務(wù)應(yīng)用三層架構(gòu)中。

統(tǒng)一規(guī)范的通信方式和通信協(xié)議也是實(shí)現(xiàn)油色譜監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸必要保證，目前國內(nèi)外對配電側(cè)通信方法研究頗多。文獻(xiàn)[13]依托OPNET仿真平臺，對配電網(wǎng)絡(luò)通信自行建模，定量分析了不同通信網(wǎng)絡(luò)的延時率和丟包率；文獻(xiàn)[14]在IEC61850基礎(chǔ)之上提出了一種開放式通信體系。但以上研究都只針對配電網(wǎng)，并且通信方式單一，而本文提出了一種支持油色譜系統(tǒng)即插即用的通信體系，并根據(jù)通信接口實(shí)驗(yàn)給出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程有了更多的通信選擇。

本文所提出的統(tǒng)一的信息模型和通信方式為油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)與物聯(lián)管理平臺的信息交互提供了必要的保證。最后以某省油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行情況為例，將上傳至物聯(lián)管理平臺的數(shù)據(jù)與油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)中的原始數(shù)據(jù)做比對，驗(yàn)證了所提方法的有效性，對實(shí)現(xiàn)輸變電側(cè)主設(shè)備數(shù)據(jù)的共享與聯(lián)動、提升主設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的感知能力具有重要參考意義。

1 油色譜數(shù)據(jù)接入物聯(lián)管理平臺架構(gòu)

變壓器的油色譜監(jiān)控通過在變壓器周圍部署監(jiān)測裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)測量[15-16]，采集終端采集數(shù)據(jù)后換算成標(biāo)識氣體含量值，如H2、CH4和C2H6等，將氣體含量值作為量測結(jié)果在站房內(nèi)的數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總和上傳，然后通過業(yè)務(wù)系統(tǒng)申請?jiān)L問數(shù)據(jù)庫并拷貝數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)中臺進(jìn)行業(yè)務(wù)應(yīng)用。傳統(tǒng)油色譜監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入架構(gòu)如圖1所示。

如圖1傳統(tǒng)架構(gòu)的缺點(diǎn)是油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，無法與輸變電側(cè)其他子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，也無法實(shí)現(xiàn)對多類設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)的聯(lián)動處理與分析。

針對此問題，本文提出了一種油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入物聯(lián)管理平臺架構(gòu)，如圖2所示。為避免對生產(chǎn)環(huán)境的影響，本場景在管理信息大區(qū)內(nèi)模擬實(shí)現(xiàn)，基于油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)和存儲方式，構(gòu)建合適的油色譜系統(tǒng)物聯(lián)模型。這樣油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)采集終端就能從變壓器附近獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)簡單處理上傳至III型邊緣物聯(lián)代理，III型邊緣物聯(lián)代理再將數(shù)據(jù)推送給物聯(lián)管理平臺，企業(yè)中臺和數(shù)據(jù)中臺再根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和調(diào)用。

由圖2可得，油色譜采集終端主要部署在變壓器附近，對變壓器環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、內(nèi)部油溫、氣體含量等物理量進(jìn)行采集，并且具有處理數(shù)據(jù)和通信控制功能。

III型邊緣物聯(lián)代理以軟件形式部署在變電站服務(wù)器架構(gòu)中，向下對油色譜監(jiān)測系統(tǒng)采集終端進(jìn)行統(tǒng)一接入，包括數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)解析功能，向上與物聯(lián)管理平臺互聯(lián)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)就地共享。III型邊緣物聯(lián)代理的數(shù)據(jù)處理功能依靠于邊緣計算框架中的邊緣服務(wù)器，其架構(gòu)如附圖1所示。當(dāng)油色譜監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行時由于傳感器異常、信號調(diào)理電路故障等問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集異常，邊緣服務(wù)器中的數(shù)據(jù)與包裝模塊就會對來自油色譜系統(tǒng)終端設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗修正、數(shù)據(jù)脫敏、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，并將處理過后的正確數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)管理平臺，油色譜監(jiān)測系統(tǒng)也是通過這種方式來提高數(shù)據(jù)采集的可靠性。除此之外邊緣物聯(lián)代理還具有APP應(yīng)用和區(qū)域自治的功能。

物聯(lián)管理平臺部署在云端，下對III型邊緣物聯(lián)代理進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和模型識別，上對企業(yè)中臺提供標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、設(shè)備管理等功能。

對比圖1和圖2可得，接入物聯(lián)管理平臺的系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)雖然比傳統(tǒng)系統(tǒng)接入技術(shù)架構(gòu)復(fù)雜，但是優(yōu)勢明顯。傳統(tǒng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)功能單一，數(shù)據(jù)分散在不同的數(shù)據(jù)庫中，而在一個區(qū)域供電公司往往有幾套油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)和其他在線監(jiān)測系統(tǒng)同時在運(yùn)行，需要運(yùn)維人員來回操作，這給運(yùn)維人員帶來巨大負(fù)擔(dān)，而改進(jìn)后的油色譜系統(tǒng)和其他輸變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)都能上傳到統(tǒng)一的物聯(lián)管理平臺，不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)也可以根據(jù)需要調(diào)用數(shù)據(jù)，這樣數(shù)據(jù)就能清晰方便地看到，大大減少了運(yùn)維成本，并且也能夠?qū)崿F(xiàn)輸變電側(cè)主設(shè)備數(shù)據(jù)的共享與聯(lián)動，提升對輸變電側(cè)主設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的感知能力，提升數(shù)據(jù)的共享水平。

2 基于SG-CIM油色譜系統(tǒng)采集終端物模型

SG-CIM是在IEC61968/IEC61970標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上，結(jié)合國網(wǎng)公司的實(shí)際情況，開展數(shù)據(jù)模型研究，以形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型及接口規(guī)范[17]。

油色譜監(jiān)測系統(tǒng)終端模型是對物理空間中油色譜系統(tǒng)傳感設(shè)備的數(shù)字化描述。其參考了SG-CIM的建模方法，在原有SG-CIM模型基礎(chǔ)之上進(jìn)行補(bǔ)充和擴(kuò)展，模型從屬性(動態(tài)屬性和靜態(tài)屬性)、服務(wù)和事件三個維度描述了油色譜終端設(shè)備的基本信息、感知能力和互動能力，從擴(kuò)展的模型可以看出該實(shí)體設(shè)備是什么，它能干什么以及它對外提供什么信息，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備描述不夠精確的問題。從而構(gòu)建出油色譜系統(tǒng)終端數(shù)據(jù)統(tǒng)一描述模型，支撐了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中輸變配用等各類業(yè)務(wù)終端數(shù)據(jù)信息在業(yè)務(wù)應(yīng)用、物聯(lián)管理平臺、邊緣物聯(lián)代理之間的交互應(yīng)用?；赟G-CIM油色譜物聯(lián)終端模型定位結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 油色譜系統(tǒng)終端物聯(lián)模型定位結(jié)構(gòu)圖

由圖3可得，業(yè)務(wù)系統(tǒng)首先對油色譜物聯(lián)終端模型進(jìn)行定義，并通過SG-CIM的一致性校驗(yàn)，校驗(yàn)成功后，物聯(lián)管理平臺將油色譜系統(tǒng)終端模型數(shù)據(jù)解析模型化，下放給III型邊緣物聯(lián)代理，新增油色譜系統(tǒng)終端通過物聯(lián)終端模型的建立與邊緣物聯(lián)代理進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和信息交互，存量儲能終端設(shè)備是基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)建立的模型，而與III型邊緣物聯(lián)代理、物聯(lián)管理平臺交互需要統(tǒng)一的物聯(lián)終端模型(SG-CIM)，因?yàn)閮烧叽嬖谝欢ǖ牟町悾跃鸵M(jìn)行模型的協(xié)調(diào)。

油色譜采集終端是能夠完成油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)雙向傳輸、執(zhí)行控制命令功能的設(shè)備。一個油色譜物聯(lián)終端模型包含模型標(biāo)識符、模型描述、靜態(tài)屬性、動態(tài)屬性、消息和服務(wù)的主題域。靜態(tài)屬性一般用于描述生命周期中的自身身份詳情靜態(tài)信息，包含設(shè)備身份的標(biāo)識，設(shè)備的描述信息等；動態(tài)屬性一般用于描述設(shè)備運(yùn)行時可持續(xù)存在的狀態(tài)信息，如氣體傳感器監(jiān)測H2、CO氣體含量，溫度傳感器監(jiān)測到的油溫等信息；消息是指由油色譜終端主動上報并需要被外部感知和處理的通知信息，這類信息是無法通過查詢電力物聯(lián)終端的屬性而獲知的，如發(fā)生故障或異常時候主動上報的告警信息及附帶的參數(shù)等信息，該類信息可以被訂閱和推送；服務(wù)是指油色譜系統(tǒng)終端中能夠被遠(yuǎn)程調(diào)用而去執(zhí)行的動作、指令等內(nèi)容，可設(shè)置輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)，“輸入?yún)?shù)”是指要求油色譜系統(tǒng)終端在執(zhí)行某一動作時發(fā)出的指令信息，“輸出參數(shù)”是指油色譜系統(tǒng)終端完成相應(yīng)動作后響應(yīng)反饋的狀態(tài)信息。油色譜系統(tǒng)采集終端模型結(jié)構(gòu)示意圖(部分)如圖4所示。

圖4 油色譜采集終端模型結(jié)構(gòu)示意圖

由圖4可得，對油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)采集終端物聯(lián)模型構(gòu)建步驟如下。

首先分別梳理油色譜系統(tǒng)采集終端：靜態(tài)屬性中“終端地址”、“終端類型”、“終端型號”、“資產(chǎn)編號”等項(xiàng)；動態(tài)屬性“無線公網(wǎng)信號強(qiáng)度”等項(xiàng)；消息域“終端初始化”，“終端版本變更”等項(xiàng)；服務(wù)域“建立應(yīng)用連接”等項(xiàng)。然后對照《國家電網(wǎng)物聯(lián)終端統(tǒng)一建模規(guī)范》中第6章節(jié)表格中的標(biāo)識符作為JSON格式中的KEY，填入相應(yīng)的值，并將其轉(zhuǎn)換成靜態(tài)屬性、動態(tài)屬性、消息、服務(wù)的JSON描述對象。接著對該JSON對象添加描述id、description標(biāo)識符及對應(yīng)的值，形成如下所示的油色譜采集終端JSON格式描述樣例(以終端型號為例，部分如下)：

其他靜態(tài)屬性的模型構(gòu)建與以上構(gòu)建過程相似，這樣就可以生成油色譜采集終端的所有靜態(tài)屬性，如表1所示。

表1 油色譜系統(tǒng)采集終端靜態(tài)屬性

同樣，動態(tài)屬性、服務(wù)域、消息域的構(gòu)建過程也是如此，可以參考《國家電網(wǎng)物聯(lián)終端統(tǒng)一建模規(guī)范》和《國家電網(wǎng)有限公司典型物聯(lián)終端信息模型規(guī)范》。

3 III型邊緣物聯(lián)代理

3.1 III型邊緣物聯(lián)代理的應(yīng)用功能

在油色譜數(shù)據(jù)傳輸過程中III型邊緣物聯(lián)代理發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，III型邊緣物聯(lián)代理的功能就是把監(jiān)測裝置(氣相色譜儀、氫氣發(fā)生器、色譜工作站等)的數(shù)據(jù)推送到物管平臺中去，各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)從物管平臺中獲取油色譜的實(shí)時在線數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中臺中獲取油色譜的歷史數(shù)據(jù)。III型邊緣物聯(lián)代理功能架構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 III型邊緣物聯(lián)代理功能架構(gòu)

如圖5所示，III型邊緣物聯(lián)代理首先登錄網(wǎng)關(guān)設(shè)備，上線所有已注冊的子設(shè)備(油色譜監(jiān)測裝置)。接著掃描油色譜監(jiān)測裝置，發(fā)現(xiàn)是否有新設(shè)備或有設(shè)備退運(yùn)，如果有新設(shè)備接入，物管平臺會添加子設(shè)備，本地緩存平臺也會分配相應(yīng)的deviceid給此設(shè)備，如果有設(shè)備退運(yùn)，該子設(shè)備下線，本地進(jìn)行刪除標(biāo)記。最后發(fā)現(xiàn)監(jiān)測裝置新數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)上報。

3.2 油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)終端與III型邊緣物聯(lián)代理通信技術(shù)

油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)終端通信網(wǎng)總體架構(gòu)如圖6所示，其中本地通信網(wǎng)包括本地網(wǎng)接入單元和本地網(wǎng)匯聚單元。接入單元為部署在油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)采集控制終端一側(cè)，實(shí)現(xiàn)終端接入的通信單元，油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)采集控制終端與本地網(wǎng)接入單元之間接口為Ig接口。匯聚單元(數(shù)據(jù)庫)為部署在邊緣物聯(lián)代理一側(cè)，實(shí)現(xiàn)對本地接入單元數(shù)據(jù)進(jìn)行集中信息上傳和控制下發(fā)的通信單元，本地網(wǎng)匯聚單元與邊緣物聯(lián)代理之間的接口為Ic接口。本地網(wǎng)接入單元與本地網(wǎng)匯聚單元之間的接口為Iu接口。本地網(wǎng)接入單元之間的接口為It接口。

圖6 油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)終端通信網(wǎng)總體架構(gòu)

如圖6所示，本地網(wǎng)匯聚單元負(fù)責(zé)對本地網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中信息上傳和控制下發(fā)，包括獨(dú)立裝置和片上系統(tǒng)模塊兩種形態(tài)。當(dāng)本地網(wǎng)匯聚單元采用獨(dú)立裝置形態(tài)時，其與Ⅲ型邊緣物聯(lián)代理之間通過Ic接口互操作，其與采集控制終端之間通過Ig接口互操作；當(dāng)采用片上模塊形態(tài)時，不存在Ic和Ig接口。

本地網(wǎng)接入單元通過Iu接口與本地網(wǎng)匯聚單元互操作。當(dāng)本地網(wǎng)采用網(wǎng)狀拓?fù)浣M網(wǎng)時，本地網(wǎng)接入單元通過It接口與本地網(wǎng)其他接入單元互操作。當(dāng)本地網(wǎng)采用星型拓?fù)浣M網(wǎng)時，不存在It接口。

油色譜系統(tǒng)終端本地通信可選用光纖以太網(wǎng)、雙絞線以太網(wǎng)、串行總線、WLAN、LoRa、ZigBee、藍(lán)牙等通信方式，通信協(xié)議宜采用DL/T860協(xié)議。通信標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 本地通信標(biāo)準(zhǔn)

3.3 III型邊緣物聯(lián)代理與物聯(lián)管理平臺(油色譜監(jiān)測網(wǎng)關(guān))信息交互

3.3.1通信架構(gòu)

消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議(Message Queuing Telemetry Transport, MQTT)是一種基于發(fā)布/訂閱(Publish/Subscribe)模式的通信協(xié)議[18]。

在油色譜監(jiān)測系統(tǒng)中，III型邊緣物聯(lián)代理與物聯(lián)管理平臺的連接使用的是MQTT協(xié)議，通信方式為遠(yuǎn)程通信(遠(yuǎn)程通信可采用以太網(wǎng)、無線專網(wǎng)、無線公網(wǎng)等通信方式)。MQTT協(xié)議比傳統(tǒng)的104規(guī)約更具優(yōu)勢，它用最少的代碼和極小的帶寬為油色譜系統(tǒng)遠(yuǎn)程設(shè)備提供了實(shí)時可靠的消息傳輸服務(wù)。其采用發(fā)布/訂閱的消息模式，也為Ⅲ型邊緣物聯(lián)代理和物聯(lián)管理平臺間的信息交互提供了一對多的消息輸出和應(yīng)用之間的解耦功能，并且最大程度地減少了網(wǎng)絡(luò)流量。當(dāng)連接異常發(fā)生時，能及時通知到相關(guān)各方，并且其與統(tǒng)一的油色譜物聯(lián)模型結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了油色譜終端設(shè)備快速即插即用。以某一油色譜系統(tǒng)數(shù)據(jù)點(diǎn)配置為例，在傳統(tǒng)油色譜系統(tǒng)中(圖1)，其人工配置4 000數(shù)據(jù)點(diǎn)需要48 h，而在接入物管平臺的油色譜系統(tǒng)中(圖2)其配置4 000數(shù)據(jù)點(diǎn)，不需要人工，其實(shí)現(xiàn)自動配置且只需要2 h。

3.3.2協(xié)議映射

油色譜系統(tǒng)采集終端與Ⅲ型邊緣物聯(lián)代理之間的通信協(xié)議為DL/T860，而Ⅲ型邊緣物聯(lián)代理與物聯(lián)管理平臺之間需要MQTT協(xié)議(如圖2)，兩者協(xié)議存在差異，因此需要協(xié)議映射，DL/T860到MQTT協(xié)議映射有直接映射法和MMS-MQTT間接映射法兩種方法，直接映射法相比于間接映射法過程簡單、通信要求低、傳輸流量小，更適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境。因此本文采用的是直接映射法，即將DL/T860描述的數(shù)據(jù)對象采用JSON編碼定義，數(shù)據(jù)對象和ACSI服務(wù)使用MQTT協(xié)議傳輸和實(shí)現(xiàn)[19]。如圖7所示為DL/T860協(xié)議到MQTT協(xié)議映射圖。

由圖7可得：在應(yīng)用層將DL/T860協(xié)議定義的邏輯設(shè)備模型和抽象通信服務(wù)通過特殊通信服務(wù)映射為MQTT協(xié)議的數(shù)據(jù)對象和服務(wù)；在表示層使用JSON數(shù)據(jù)格式編碼；在會話層管理通信實(shí)體，建立關(guān)聯(lián)ID并利用SSL進(jìn)行通信加密；在傳輸層，MQTT協(xié)議根據(jù)服務(wù)類型的不同將消息封裝到對應(yīng)的Topic(主題)進(jìn)行傳輸，并在應(yīng)用層對通信對象進(jìn)行身份驗(yàn)證[20]。各層之間密切配合共同完成協(xié)議的映射。

MMS-MQTT的間接映射法即將DL/T860映射到MMS，再使用JSON對MMS信息對象進(jìn)行描述，最后采用MQTT傳輸JSON編碼信息。相比于直接映射法過程中多了一步到MMS的映射，因此映射成本也有所提高[21]。

圖7 DL/T860協(xié)議到MQTT協(xié)議映射模型

3.3.3交互機(jī)制

油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的Ⅲ型物聯(lián)代理采用的是基于eclipse paho實(shí)現(xiàn)的MQTT客戶端與物聯(lián)管理平臺進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)管理平臺的消息訂閱和發(fā)送。III型邊緣物聯(lián)代理與物聯(lián)管理平臺交互機(jī)制如圖8所示，III型邊緣物聯(lián)代理與物聯(lián)管理平臺交互采用發(fā)布訂閱模式進(jìn)行通信，訂閱與發(fā)布基于主題如表3所示。

如圖8，MQTT協(xié)議中有三個標(biāo)識：Publish(發(fā)布)、Broker(服務(wù)器)、Subscribe(訂閱)[22]。Ⅲ型邊緣物聯(lián)代理是發(fā)布者，其功能是將消息及時發(fā)布到物聯(lián)管理平臺，物聯(lián)管理平臺是服務(wù)器，所以它既是消息的訂閱者也是消息的發(fā)布者，它可以訂閱Ⅲ型邊緣物聯(lián)代理的消息，也可以向其發(fā)布消息。

表3為III型邊緣物聯(lián)代理與物聯(lián)管理平臺油色譜監(jiān)測設(shè)備管理的主題交互匯總表，該表主要介紹了交互主題的內(nèi)容和用途。主題格式為：/主題版本/油色譜系統(tǒng)終端設(shè)備ID/消息執(zhí)行類別/消息動作，/{v1}/{edgeId}/{Topic Type}/{Topic Command}。

圖8 III型邊緣物聯(lián)代理與物聯(lián)管理平臺交互機(jī)制

表3 油色譜監(jiān)測系統(tǒng)主題匯總表

MQTT協(xié)議提供三種消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量，以滿足對不同類型消息的可靠高效傳輸。當(dāng)傳輸短間隔的狀態(tài)數(shù)據(jù)時，設(shè)置QoS = 0，最多一次；當(dāng)傳輸消息要求發(fā)送速度快、消息的可靠性高、并能適用于較多應(yīng)用場景時，則設(shè)置QoS = 1，至少一次；當(dāng)傳輸消息要求可靠性高，但對實(shí)時性和通信速率沒有過高要求時，設(shè)置QoS = 2，有且僅有一次，適用于重要數(shù)據(jù)的可靠傳輸[23]。

油色譜系統(tǒng)業(yè)務(wù)交互功能包含模型下發(fā)、各類信息數(shù)據(jù)上報等，報文涉及數(shù)據(jù)量大，使用頻率較高，因此這類數(shù)據(jù)的偶爾丟包是允許的，為了保證高頻率的信息傳輸，一般消息發(fā)布使用QoS=0。

油色譜監(jiān)測設(shè)備管理功能包括油色譜監(jiān)測設(shè)備接入、油色譜監(jiān)測設(shè)備升級、油色譜監(jiān)測設(shè)備監(jiān)視等，這類報文內(nèi)容少、使用頻率低，但對安全性和可靠性有一定要求?？墒褂肧SL加密來保證安全性，為保證消息的可靠性，消息的發(fā)布應(yīng)使用QoS = 1或QoS = 2來完成。以設(shè)備接入功能為例，其請求格式如表4所示。

表4 油色譜監(jiān)測設(shè)備接入的請求格式

設(shè)備接入請求報文的各字段含義如表5所示。

表5 設(shè)備接入請求報文字段說明

綜合考慮云邊交互的業(yè)務(wù)功能、通信方式以及油色譜終端設(shè)備的數(shù)量，結(jié)合不同帶寬預(yù)測方法，最后通過油色譜系統(tǒng)的云邊通信測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通信帶寬為2 Mpbs時即可滿足油色譜系統(tǒng)各項(xiàng)業(yè)務(wù)功能的QoS(丟包率、延遲率)要求。一般傳輸延遲會隨消息質(zhì)量等級的提高而變大，主要包括確認(rèn)信息的傳輸延遲和服務(wù)器的處理延遲。有加密時傳輸延遲明顯大于無加密時的延遲，主要是服務(wù)器的加解密延遲。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 評估指標(biāo)

為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性以及數(shù)據(jù)上傳的及時性，本節(jié)引入以下指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)計算。

數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率公式為

式中：表示第種氣體上傳至物管平臺準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)量；表示所有監(jiān)測氣體上傳至物管平臺的數(shù)據(jù)總量；表示某一設(shè)備的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率。

數(shù)據(jù)完整率公式為

式中：表示第臺設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)中能夠上傳到物管平臺的數(shù)據(jù)量；表示第臺設(shè)備本地產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)總量；表示系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)的完整率。

數(shù)據(jù)平均準(zhǔn)確率公式為

平均上傳時間公式為

時間標(biāo)準(zhǔn)差公式為

4.2 算例分析

本節(jié)以某省A地區(qū)的油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)為例，對整個系統(tǒng)運(yùn)作時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。首先對監(jiān)測設(shè)備1所監(jiān)測的840條油色譜原始數(shù)據(jù)與上傳至物管平臺的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，包括H2、CH4、C2H6、C2H4、CO和CO2氣體含量等數(shù)據(jù)，如圖9所示。

通過840條7種氣體含量數(shù)據(jù)的比對發(fā)現(xiàn)，設(shè)備1在監(jiān)測上傳H2第120條數(shù)據(jù)時出現(xiàn)了偏差，油色譜原始數(shù)據(jù)氫氣含量為11.076 ppm，而傳至物管平臺時的氫氣含量變?yōu)? ppm，這是由于部分監(jiān)測點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性欠佳，運(yùn)維管理系統(tǒng)未錄入數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)上傳時出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失的現(xiàn)象。除了氫氣外的其他6種氣體的數(shù)據(jù)吻合率達(dá)到了百分之百(其他氣體含量對比圖見附錄)。

隨機(jī)抽查100臺監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)，并將每臺設(shè)備監(jiān)測的原始數(shù)據(jù)量與傳至物聯(lián)管理平臺的數(shù)據(jù)量進(jìn)行比對，結(jié)果如圖10所示。

在對100臺監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)生的6 003條數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對時發(fā)現(xiàn)，設(shè)備1、79、82和設(shè)備86產(chǎn)生的數(shù)據(jù)前后出現(xiàn)了偏差。經(jīng)調(diào)查可知，設(shè)備1和設(shè)備86是由于部分監(jiān)測點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)欠佳，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)缺失的問題，而設(shè)備79和設(shè)備82是由于系統(tǒng)與人工重復(fù)采集出現(xiàn)了數(shù)據(jù)重復(fù)的問題。當(dāng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)如上所述的異常值、缺失值、重復(fù)值等錯誤時，系統(tǒng)中的邊緣服務(wù)器會自動對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和修正，即對數(shù)據(jù)進(jìn)行重新核查和檢驗(yàn)，進(jìn)行重復(fù)數(shù)據(jù)刪除、錯誤信息校正，并提供一致性數(shù)據(jù)。當(dāng)邊緣服務(wù)器因?yàn)楣收匣蛐盘柛蓴_等因素?zé)o法對錯誤數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗時，則需要人工介入，現(xiàn)場人員首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)找出數(shù)據(jù)錯誤原因，并進(jìn)行歸類，緊接著將異常數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和修正，因?yàn)檫@些氣體數(shù)據(jù)上報涉及數(shù)據(jù)量大，使用頻率較高，QoS設(shè)置為0，所以這類數(shù)據(jù)偶爾出現(xiàn)異常是被允許的，及時發(fā)現(xiàn)并校正對系統(tǒng)監(jiān)測無影響。

圖9 油色譜原始各氣體含量數(shù)據(jù)與上傳至物管平臺的數(shù)據(jù)比對圖

圖10 監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)量比對

首先利用式(2)分析計算出整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整率；接著再將100臺監(jiān)測設(shè)備的各個氣體含量進(jìn)行比對，利用式(1)分別計算得到100臺不同設(shè)備的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率，如圖11所示。

圖11 監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率

由圖11可知，只有設(shè)備1、79、82和86的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率分別為99.773%、99.887%、99.973%和99.677%，其他設(shè)備準(zhǔn)確率都達(dá)到了100%，由式(2)和式(3)計算得到油色譜系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳的平均準(zhǔn)確率為99.9931%，數(shù)據(jù)的完整率為99.973%，均已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求并高于傳統(tǒng)油色譜監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確率。

除了上傳數(shù)據(jù)的完整性和精準(zhǔn)性外，引入邊緣計算后油色譜系統(tǒng)的優(yōu)勢更多地體現(xiàn)在數(shù)據(jù)上傳的及時性上，對這100臺監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)上傳時間進(jìn)行記錄，并與傳統(tǒng)油色譜系統(tǒng)對比，如圖12所示。

圖12 數(shù)據(jù)上傳時間比對圖

數(shù)據(jù)上傳時間是指監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到本地數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)上傳到物管平臺所用的總時間。由圖12可知，在傳統(tǒng)油色譜系統(tǒng)中數(shù)據(jù)上傳時間主要在100～250 s，而在云邊協(xié)同油色譜系統(tǒng)中數(shù)據(jù)上傳時間主要在50～125 s。綜合測試數(shù)據(jù)計算結(jié)果如表6所示。

表6 綜合測試數(shù)據(jù)表

由數(shù)據(jù)上傳時間的平均數(shù)、眾數(shù)、最大值和最小值四個方面對比可知，云邊協(xié)同系統(tǒng)的時間更少，響應(yīng)更快。再從標(biāo)準(zhǔn)差來看，云邊協(xié)同系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)差更小，說明整體系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳穩(wěn)定性比傳統(tǒng)系統(tǒng)也更好。

5 結(jié)論

本文主要針對目前油色譜系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，無法與輸變電側(cè)其他子系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的問題，提出了一種基于智慧物聯(lián)下的油色譜數(shù)據(jù)接入方法。

1) 提出了油色譜系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入的整體技術(shù)架構(gòu)，針對架構(gòu)中油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)感知層協(xié)議和物聯(lián)模型尚未統(tǒng)一使得數(shù)據(jù)交互困難的問題，構(gòu)建了基于SG-CIM統(tǒng)一規(guī)范的物聯(lián)模型，并且也提出了基于本地通信的油色譜系統(tǒng)采集終端與Ⅲ型邊緣物聯(lián)代理的通信方式和基于MQTT協(xié)議下的Ⅲ型邊緣物聯(lián)代理和物管平臺的交互方式。

2) 通過將油色譜系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)與物聯(lián)管理平臺接入數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果顯示，油色譜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳的平均準(zhǔn)確率為99.9931%，數(shù)據(jù)的完整率為99.973%，均已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求并高于傳統(tǒng)油色譜監(jiān)測系統(tǒng)的精準(zhǔn)率。數(shù)據(jù)上傳時間無論是從平均數(shù)、眾數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差還是最大值和最小值，都表明云邊協(xié)同系統(tǒng)的時間更少、響應(yīng)更快、系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好。最終驗(yàn)證了數(shù)據(jù)接入的及時性和完整性，從而完成了對此接入方法的驗(yàn)證。

附錄

附圖1 油色譜原始各氣體含量數(shù)據(jù)與上傳至物管平臺的數(shù)據(jù)比對圖

Attached Fig. 1 Comparison of original gas content data in oil chromatography with data uploaded to the IoT management platform

附圖2 邊緣服務(wù)器架構(gòu)圖

Attached Fig. 2 Architecture diagram of edge server

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Data access method for an oil chromatogram online monitoring system to an IoT management platform

LIU Hao1, MAO Wandeng1, MA Bin1, MIN Jiabao2, JIANG Xin2, JIN Yang2

(1. State Grid Hennan Electric Power Research Institute, Zhengzhou 450052, China; 2. Research Center of Grid Energy Storage and Battery Application, School of Electrical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Online monitoring of oil chromatography is a widely used means of monitoring. However, because the perception layer protocol and internet of things (IoT) model of the current oil chromatography online monitoring system have not yet been unified, difficult data interaction enables the oil chromatography system to operate independently. It also realizes data sharing with other subsystems on the power transmission and transformation side. A data access method for an oil chromatography online monitoring system is proposed to realize plug-and-play. First, the overall architecture of the oil chromatography system data access IoT management platform under the smart IoT framework is analyzed. Then the system data transmission process is clarified. Then, a unified IoT model based on a State Grid common information model (SG-CIM) is constructed. A communication mode is proposed between the oil chromatogram system acquisition terminal and the edge IoT agent. This is based on local communication and the interaction mode between type III edge IoT agent and IoT management platform based on message queuing telemetry transport (MQTT) protocol. Then the system has a unified IoT model and communication protocol in the process of data transmission. Thus, the data of the oil chromatography online monitoring system is connected to the unified IoT management platform. Finally, taking the actual operation of the oil chromatography online monitoring system in a province as an example, the data uploaded to the IoT management platform is compared with the original data in the oil chromatography online monitoring system. This is to verify the timeliness and integrity of the access data, so as to verify the feasibility of the proposed access method. The proposed method has important reference significance for realizing the data sharing and linkage of the main equipment at the power transmission and transformation side. It also can help improve the perception of the operational state of the main equipment at the power transmission and transformation side.

online monitoring of oil chromatogram; data access; IoT management platform; MQTT; IoT model

10.19783/j.cnki.pspc.211283

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51807180)；國網(wǎng)河南省電力公司科技項(xiàng)目資助(52170220009H)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51807180).

2021-09-17；

2022-02-07

劉 昊(1979—)，男，博士，高級工程師，研究方向?yàn)榕潆娢锫?lián)網(wǎng)、分布式電源、電力信息化；E-mail: liuhaoepri@139.com

金 陽(1989—)，男，通信作者，教授，研究方向?yàn)殡娏π畔⒒c儲能技術(shù)。E-mail: yangjin@zzu.edu.cn

(編輯 葛艷娜)