远程电力监控及通信协议的研究与实现

马 媛, 康丽杰, 李雅丽, 张晓博

(石家庄信息工程职业学院通信工程系,河北石家庄050035)

随着通信与计算机技术的快速发展，远程操作及控制技术在生产和生活中起到举足轻重的作用。对于工业监控过程而言，远程监控是通过远程数据通信技术，在监控端接收远处现场的实时监测数据，并对这些数据进行处理与分析，以实现对现场设备的遥感、遥信、遥调和遥控的操作。

远程监控涉及的研究很多，其中包括自动化、计算机、电力电子技术及通信等领域。在这些技术中，通信技术的不断完善为远程监控的发展提供了技术支持[1]。目前，远程控制一般支持LAN、WAN、拔号方式、互联网等通信方式，此外，还有可能用到串口、并口、红外端口来进行数据的传输和控制命令的执行，而涉及到的通信协议也是多种多样，互相之间的通信存在着诸多的障碍。因此，如何利用现有的技术，整合出一套适用于工业远程控制的通信方式，具有重要意义。

电力事业作为我国国民经济的支柱产业，其发展水平一方面代表着我国经济和科技的发展水平，另一方面，也为我国的工农业生产提供着保驾护航的作用。因此，实现对电力系统的远程实时监控具有重要的意义。

电力系统远程监控系统由厂站端(子站)的远动监控测量装置、通信通道和后台监控三部分组成。上世纪九十年代，集中式的电力自动化系统技术已经基本成熟，而在以后的研究中，分布式的监控管理成为重点，图1 为清华大学电机工程系所研制的变电站自动化系统。

图1 变电站微机监测、保护控制系统

从图1 可知，该自动化系统主要由三部分组成，首先是底层的数据采集系统，这一部分完成了变电站内各种设备运行状态的实时采集和控制命令的下达，这些数据中一些是模拟信号，一些是数字信号；第二部分是现场数据的处理部分，这一部分由现场PC 机来组成，起到两方面的功能，一方面是集中处理现场的实时数据，另一方面，对底层的设备及数据进行隔离保护；第三部分是集控台，后来发展成为控制中心，这一部分的功能是对上传数据进行集中的处理、显示、分析等，同时这也是操作人员进行现场控制的中心地区。

从分析可知，这一自动化系统已经具备了一定的远程控制功能，但是功能单一，信息种类也单一，数据通信范围较小，因此在一个局域网中就可以解决，通信协议也相对简单，容易实现，技术难度低。随着电力电子技术、通信技术的发展及工业化的要求，范围更广，数据类型与结构更为复杂的远程控制系统成为必要的控制手段。

1 电力远程监控系统数据分析及数据建模方法的选择

在远程监控系统中，所需监控的数据是多样的，一方面表现为现场控制层信息的进一步扩展，例如除现场设备的运行参数(如电压、电流、温度、湿度等)需要采集之外，视频、音频等信息也成为电力系统采集数据必须的组成部分，这就对站级数据采集设备、通信带宽及速率提出了更高的要求；另一方面表现为系统本身的复杂性也相应地提高了，由于监控范围大，过去旧的系统都要并于新的监控系统中，而各系统的数据统一性较差，这给统一的监控也带来了很大的挑战。

为了适应这一变化，利用CIM(通用信息模型)来规范各系统中的传输数据，避免信息的混乱和信息孤岛问题是一种较好的解决办法。

CIM(Common Information Model)是一种元数据模型，是用来规范系统数据的技术手段。在电力网络中，CIM 模型可以在IEC61850 的框架下详细地描述电网发电、输电、配电等各环节的所有主要对象。因此，国际电工委员会将其定为电力系统的标准数据模型方式。

CIM 作为电网企业的公共信息模型，涵盖电网企业发电，输电，配电等各大系统。同时作为该模型的最初应用方向，还可能用来规范通信网络中的相关数据，具有相当的通用性和灵活性。

CIM 是一个面向对象的建模语言，可以利用相应的软件建立相关的类、实例的方法来进行创建，以变压器为例，首先变压器属于电气设备类，因此先建电气设备类及相应的属性，而后在电气设备类下再建变压器的子类、子属性，以此类推，就可以完成相应的数据的创建。

由于CIM 是一个国外开发的软件，所以有些情况不太适合我国，当有这种情况发生的时候，就需要采用XML 建模语言来创建所需的对象。

2 电力远程通信协议的分析及实现

由于通信范围的扩大，通信链路的性能成为远程监控中最重要的保证。网络通信的功能主要有两个：一个是顺利地传送数据；另一部分是准确、可靠且快速将这些数据传输到相应的目的地。要完成这两个任务，就必须对通信链路进行通信控制。在电力远程通信中，有底层通信、中间层通信。底层通信一般采用现场总线形式或工业以太网的形式，也可以选择无线通信方式，在这些底层通信中，各种通信方式具有不同的通信协议，但是大都是在IEEE802 的协议框架之下。中间层的通信也有多种的通信方式，可以选择公共数据网，也可以选择无线通信3G 或4G，但不管是哪种通信方式，通信协议的本质都是为保证可靠通信而规定的一系列约定，这些约定需要包括的传输数据的格式，传输的顺序及速率，到达目的地的确定以及一些差错控制等保证措施。

随着网络的不断发展，不同的网络开发商开发了不同的通信协议，在当前最常见的三个协议是MICROSOFT 的NETBEUI、NOVELL 的IPX/SPX 和交叉平台TCP/IP[2]。在这三种通信协议中只有交叉平台TCP/IP 协议是支持局域网完全与公共网(Internet)完全相连，是目前应用最广泛的通信协议。因此，本设计选用的通信协议是TCP/IP 协议。

底层通信与中间层通信之间需要利用网关来实现，本设计所选用的网关是Tiny 4412 开发板，为了简化TCP/IP 协议，利用应用层与传输层中间增加socket 服务来完成相应的功能，具体结构如图2 所示，利用JAVA 来实现相应的功能。

图2 socket服务框架

为了保证通信服务的可靠性，在编程实现上必须把socket的连接放到一个单独的线程中，具体实现如下：

重新连接的方式借助Java 的Timer 类，具体的实现方式是在发送数据时如果write 函数抛出IO 异常，就在异常函数中把socket 置为null，然后每次需要借助socket 发送数据的时候都需要判断socket 是否为空，如果为空则新开一个线程，进行重新连接。

3 总结

本文以电力系统的远程监控系统为模板，以IEC61850 下的CIM 通用数据模型为依托，对通信系统中数据的传输进行了分析和实现。为了保证通信的可靠性，系统利用TCP/IP 协议来实现，并在传输层和应用层之间采用JAVA 语言实现了socket 服务的连接和断开。

[1] 彭玉柱.基于Internet 的电力监控系统设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013：16-19.

[2] 丁国华，胡荣强.Linux 的Socket 编程及其在嵌入式网关中的应用[J].电子元器件应用，2004,6(10)：16-19.