CN104701984A - 一种基于自识别的智能用电终端即插即用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自识别的智能用电终端即插即用方法，智能用电终端接入智能用电自动化系统中；由智能用电自动化系统的监测主站判断是否遵循IEC61850建模标准，如果遵循就不动作，如果不遵循就根据智能用电终端的功能定义，按照IEC61850标准进行功能分解得到逻辑设备、逻辑节点和数据对象；建立IED信息模型；根据IED信息模型，通过IED配置工具和系统配置工具进行配置，得到ICD、CID和SCD配置文件，完成对IED的配置；采用web service映射，利用HTTP协议实现通信，则智能用电自动化系统即可获得智能用电终端的注册信息，实现智能用电终端的即插即用以及智能用电终端与智能用电自动化系统之间的信息交互。

Description

一种基于自识别的智能用电终端即插即用方法

技术领域

本发明属于智能用电自动化系统领域，涉及一种基于自识别的智能用电终端即插即用方法。

背景技术

智能用电，是指通过对电力的智能化掌控和支配，以及通信技术支持下的电力信息终端交互功能，从而实现电力的优化配置。智能用电服务是智能电网建设的重要环节。智能用电服务领域中涉及的设备种类繁多，主要包括居民用电设备、大型工商业用户的高功耗设备等。由于设备类型不同，不同设备的可控制量差异较大；另一方面，由于设备厂商不同，设备的通信方式也不统一。

如何快速发现各种异构的用电设备，获取这些设备的即时信息并对设备进行有效的控制，以满足智能用电服务的需求就成为了亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于自识别的智能用电终端即插即用方法，它具有涉及用电系统中IEC61850协议的应用，特别涉及IEC61850在智能设备中的建模方法以及信息模型映射到具体通信方式上实现信息交互的映射方式。根据IEC61850标准层次结构模型，对智能用电自动化系统进行功能分解，组建信息模型，实现对IED的配置；再通过Web Services映射，结合信息建模，完成智能用电终端之间的信息交互优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于自识别的智能用电终端即插即用方法，包括如下步骤：

步骤(1)：智能用电终端接入智能用电自动化系统中；由智能用电自动化系统的监测主站判断是否遵循IEC61850建模标准，如果遵循就直接进入步骤(4a)，如果不遵循就进入步骤(2)；

步骤(2)：根据智能用电终端的功能定义，按照IEC61850标准进行功能分解得到逻辑设备、逻辑节点和数据对象；

步骤(3)：根据步骤(2)得到的逻辑设备、逻辑节点和数据对象，建立IED(IntelligentElectronic Device，智能电子设备)信息模型，IED信息模型包括逻辑节点名称与逻辑节点名称的实现功能描述，逻辑节点中记录信息的数据对象以及该数据对象的信息类型；进入步骤(4b)；

步骤(4a)：根据智能用电终端自身的IED信息模型，通过IED配置工具和系统配置工具进行配置，得到ICD、CID和SCD配置文件，完成对IED的配置；进入步骤(5)；

步骤(4b)：根据步骤(3)的IED信息模型，通过IED配置工具和系统配置工具进行配置，得到ICD、CID和SCD配置文件，完成对IED的配置；进入步骤(5)；

步骤(5)：采用web service映射，利用HTTP协议实现通信，则智能用电自动化系统即可获得智能用电终端的注册信息，实现智能用电终端的即插即用以及智能用电终端与智能用电自动化系统之间的信息交互。

所述步骤(2)的功能定义指该智能用电终端在接入系统后实现的具体功能，比如测量，控制，保护等；

所述步骤(2)的功能分解是指根据智能用电终端实现的物理功能，按照IEC61850标准对其进行逻辑上功能的划分。

所述步骤(2)的步骤为：

步骤(2-1)：确定智能用电终端划分的功能数量，并根据功能类型，在IEC61850标准中选择对应逻辑设备；对于不存在的逻辑设备，根据IEC61850标准定义新的逻辑设备；

步骤(2-2)：根据IEC61850标准规定，对逻辑设备添加逻辑节点，其中必须包含一个物理逻辑节点(LPHD)、一个逻辑节点0(LLN0)和设定应用逻辑节点，设定应用逻辑节点为逻辑设备具体实现的功能划分而得到的最小功能单位；其中设定应用逻辑节点的数量为一个或多个；

步骤(2-3)：对每个逻辑节点建立逻辑节点数据属性，并根据需求对数据属性进行扩充。

所述步骤(3)中逻辑节点中记录信息指逻辑节点实际运行时从其他逻辑节点或者从智能用电自动化系统中获取的信息，如测量所得的电量信息，保护装置是否动作等信息；

所述步骤(3)的步骤为：

步骤(3-1)：根据IEC61850定义的标准语义，根据步骤(2)将智能用电终端功能抽象、分解，通过继承、派生或直接引用得到具体的实例；

步骤(3-2)：由功能划分得到的模型的同一层级具体实例与对应的操作聚合，形成本层级的信息模型；

步骤(3-3)：将功能划分得到的不同层级的信息模型与对应的操作聚合，得到最终的IED信息模型。

所述步骤(4a)与步骤(4b)的步骤是一样的。

所述步骤(4a)的IED配置工具和系统配置工具是指用于描述变电站配置描述语言的工具，前者用于描述IED自身的工具，后者是用于描述智能用电自动化系统的工具。

所述步骤(4a)的步骤为：

步骤(4-1)：由智能用电设备的IED配置器将IED的信息模型组织成ICD文件，并传送至用于配置变电站配置描述语言的系统配置器中；

步骤(4-2)：系统配置器将传来的ICD文件结合智能用电自动化系统本身的SSD文件，生成新的SCD文件；

步骤(4-3)：从SCD文件中提取设定IED信息导出CID文件；

步骤(4-4)：通过IED配置器将CID文件传送至IED，完成对IED的配置；

这样保证了IED向智能用电自动化系统的无缝融合。

所述步骤(5)的智能用电终端的注册信息包括IP，通信端口信息。

所述步骤(5)的步骤为：

步骤(5-1)：当智能用电终端接入智能用电自动化系统并建立抽象服务时，调用相应旳Web Services应用程序；应用程序创建SOAP请求消息，SOAP请求消息中包含服务请求所需的参数，经过HTTP协议处理，HTTP协议处理将SOAP消息封装成HTTP报文发送到服务器端；

步骤(5-2)：服务器端以阻塞状态等待来自客户端的服务请求，收到请求后创建新线程同时返回继续监听；

新线程调用HTTP协议解析HTTP报文，取出其中的SOAP请求消息，交给服务器端的WebServices应用程序，应用程序解析SOAP请求消息，根据SOAP请求消息中的服务请求参数，调用相应的服务执行程序；

步骤(5-3)：ACSI服务器端的Web Services应用程序再将服务执行程序返回的响应数据封装成SOAP响应消息，通过HTTP协议处理生成HTTP报文返回给客户端；

步骤(5-4)：客户端收到返回的HTTP报文后，调用HTTP协议解析出其中的SOAP响应消息，再通过Web Services应用程序取出其中的响应数据，交给ACSI客户端，完成整个抽象服务通信过程。

此处的客户端和服务器端是相对的，通过是哪一端请求服务来判断是客户端或是服务器，服务器端用于提供服务，客户端用于接受服务。当智能电子设备提供服务时，则智能电子设备是服务器；当智能用电自动化系统提供服务时，则智能用电自动化系统为服务器。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种可以自识别的智能用电终端即插即用方法，能够有效，快速的处理智能用电终端接入电网后的互联互通问题，提供智能用电自动化系统环境下信息交互实现的方法。

本发明提出将IEC61850应用到智能用电自动化系统自动化的实现中，减少了智能用电终端安装调试过程中的大量工作，实现用电系统对智能用电终端的自动识别。

1.通过面向对象的建模方式，对智能用电自动化系统中的设备进行功能分解和逻辑建模，得到智能用电终端的信息模型；

2.采用面向对象的建模技术和抽象通信服务接口，实现数据的自描述功能，从而实现智能用电终端即插即用。

3.通过Web Services映射，将通过IEC61850标准建模得到的信息模型和信息交换模型用Web服务描述语言描述出来，实现智能用电设备之间的信息交互；

提出了实现自识别智能用电自动化系统的即插即用方法，提高智能用电服务的质量，实现智能用电服务过程中的用电设备发现、设备识别、设备信息采集及系统控制策略下发等功能的标准化。

1.将IEC61850的分层概念应用到对象建模中，将智能用电自动化系统进行分层，根据标准不涉及的内容进行扩充，使得智能用电自动化系统更加有效地建模，以帮助电网通信的分层建设以及信息的集成和共享，其扩充灵活性和集成度更高。

2.充分结合Web Service映射方式，实现抽象服务于具体底层通信协议的绑定，以更方便的方式映射到目前智能用电自动化系统常用的通信规约上，实现良好地互操作，达到不同厂商的智能用电终端实现互操作和系统无缝集成。

3.智能用电设备基于IEC61850的信息模型过程，根据标准层次结构模型将智能终端进行功能分解，完成对IED的配置，将信息模型和信息交换模型用Web服务描述语言描述出来。

附图说明

图1为自识别智能用电终端即插即用方法流程图；

图2为智能用电自动化系统结构图；

图3为基于IEC61850建模的信息模型层次化结构图；

图4为IEC61850建模流程图；

图5为电动汽车充电模块逻辑设备模型示意图；

图6为SCL工程配置过程示意图；

图7为Web Services映射架构示意图；

图8为Web Services映射软件方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

1)首先判断所接入的智能用电终端或智能用电自动化系统是否遵循IEC61850标准，对于采用该标准产品，可以跳过该建模过程，对于采用其他通信协议或建模方法的产品，通过本发明所述方法进行规范化，以实现互操作的要求。图1为实现智能用电自动化系统自动化方法流程图。

2)IEC61850标准将变电站自动化系统进行了分层，根据该标准在变电站自动化系统中分层的概念，对智能用电自动化系统进行了分层，分别为依次连接的主站层、汇聚层、采集层、设备层，图2为基于IEC61850标准建立的智能用电自动化系统分层示意图。

主站层包括用电信息采集模块、营销服务支持模块、负荷预测模块、电价策略制定和发布模块；

所述用电信息采集模块，用于对电力用户的用电信息进行采集、处理和实时监控；

所述营销服务支持模块，用于为客户提供服务个性化、方式多样化、分析智能化以及高度集成化的全方位服务，包括抄表管理、电量电费、收费帐务、银电联网、购电管理、用电稽查、用电检查、需求侧管理等；

所述负荷预测模块，用于精确地预测负荷，为企业制定有针对性的电价策略服务；

所述电价策略制定和发布模块，用于根据负荷预测子系统的预测结果，综合发电信息、输送能力等相关信息，制定出具有针对性的电价日时段策略并发布到所有电力用户，同时具有定期发布结算电量、电费和电量电费清单等。

汇聚层是上行信道用于传送智能电表和互动终端采集的用户用电信息，下行信道用于发布电力企业制定的电价日时段划分策略；

汇聚层包括：无线电台、PSTN、光纤和GSM/GPRS；

所述无线电台，用于数据传输；

所述PSTN，用于连接远程端点的；

所述光纤，用于将信息从一处传至另一处，光纤以其传输频带宽、抗干扰性高和信号衰减小，而远优于电缆、微波通信的传输，已成为世界通信中主要传输方式；

所述GSM/GPRS，用于信息的上行与下达。

远程信道主要功能是：上行信道用于传送智能电表和互动终端采集的用户用电信息；下行信道用于发布电力企业制定的电价日时段划分策略。

采集层的智能电表功能包括：计量功能、费率和时段功能、控制功能、预付费功能、数据存储功能、事件记录功能、用户加密功能等；

设备层包含了本地信道和互动终端。

所述本地信道包括：电力线载波、工业总线、小无线和混合组网；

所述电力线载波，是利用电力线作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式；

所述工业总线，用于连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信方式；

所述小无线，用于双向无线通讯，目前主要采用的是ZigBee技术；

所述混合组网，用于及时将用户关心的信息(如用户目前执行的具体电价、实时的电压、电流)传递给用户。

通过对智能用电自动化系统的分层，有助于通信系统的分层建设以及信息的集成与共享。

3)在IEC61850协议中，智能电子设备需要为智能用电自动化系统提供服务，为系统提供各类信息，如测量信息，因此智能电子设备即为服务器，提供必要的服务，智能电子设备根据IEC61850逻辑建模，可将其具体功能分解成逻辑设备、逻辑节点、数据对象等。逻辑设备是完整一定功能的组合，它由逻辑节点组成，逻辑节点表示一定功能的数据集合。逻辑节点可以自由分布和分配到不同物理设备中，通过逻辑连接交换数据实现功能完成，实现分层分布式功能，而客户机即为接受服务的一侧，即为智能用电自动化系统，服务器与客户机之间通过抽象通信服务接口实现信息交互。所述抽象通信服务接口为公知公用的信息交互方式。图3为基于IEC61850建模的信息模型层次化结构图

4)构建智能用电终端信息模型，首先根据IEC61850定义的标准语义将功能抽象、分解，通过继承、派生或直接引用等手段得到具体的实例；其次将同一层级得到的具体实例与对应的操作(服务)聚合，形成本层级的信息模型；最后将不同层级的信息模型与对应的操作聚合，得到最终的IED信息模型，其基本过程如图3。

对图1中对于分解应用功能和建立逻辑节点和数据对象部分进行详述，其流程如图4所示：

首先，判断所建立的逻辑节点是否已经满足分解后的功能了，对于已经满足功能的逻辑节点的建模，那么就需要对这些逻辑节点进行数据对象和数据属性的建模，当数据对象和数据属性的建立也已经完成，那么就可以对这些逻辑节点进行配置了，也就是完成了该部分的建模工作。

当已有逻辑节点中的数据对象和数据属性不足以描述该逻辑节点时，需要对其增加新的数据对象和数据属性。增加的数据对象和数据属性分为现存数据对象和基于公共数据类的新的数据对象，因此需要对新增的数据对象和数据属性进行判断。

如果在建模中需要建立新的逻辑节点，对于新建立的逻辑节点，同样需要对其添加数据对象和数据属性，其添加过程需要判断增加的数据对象和数据属性是属于现存数据对象还是需要通过基于公共数据类来建立新的数据对象。

经过以上建模流程，就可以完成对逻辑设备的建模。

5)IEC61850在实际功能建模过程有统一的原则和过程，以图4的流程对未包含在IEC61850标准中的充电站设备进行逻辑建模，得到其逻辑设备模型。图5为电动汽车充电模块逻辑设备模型示意图

6)IEC61850为变电站智能用电终端的配置规定了一种描述语言，为变电站配置描述语言(SCL)，该语言是在可扩展标记语言的基础上建立的，因此适用于智能用电自动化系统。在进行SCL配置操作过程中，会产生四种目标文件，分别是IED能力描述文件(ICD)、系统规格特性描述文件(SSD)全站系统配置文件(SCD)和已配置IED描述文件(CID)。四种类型的文件功能不同，它们之间相互配合最终实现对变电站自动化系统的自动更新与远程配置。

具体配置流程如图6所示，首先由IED配置器将本IED的信息模型组织成ICD文件，并传送至系统配置器；其次系统配置器将传来的ICD文件结合SSD文件，生成新的SCD文件；第三从SCD文件中提取特定IED信息导出CID文件；最后通过IED配置器将CID文件传送至IED，完成对IED的配置。这样不仅保证了IED向系统的无缝融合，也实现了IED的自动识别与SAS的远程配置。

7)通过Web Services映射，将通过IEC61850标准建模得到的信息模型和信息交换模型用Web服务描述语言描述出来，实现智能用电终端之间的信息交互。

Web Services是基于XML模式语言的，可以根据需要进行扩展。IEC61850采用OSI互连参考模型来描述通信栈协议，其中包括应用框架和传输框架两部分，Web Services的映射协议栈应用框架只使用OSI互连模型中的应用层，表示层、会话层为空，而传输框架则选择TCP/IP协议集。其具体的通信协议集规范选择如下表所示：

表1通信协议集规范

对于Web Services的映射架构如图7所示。

Web Services作为一种开源的技术，其实现软件可以直接从互联网得到，利用gSoap工具包可以很容易地实现抽象服务的Web Services映射。在实现过程中，首先，利用这些软件工具构建相应的服务器和客户端程序框架；然后，再按照功能应用要求在框架内填写相应代码即可。

Web Services映射软件方案，如图8所示。ACSI客户端在数据更新、遥控操作时建立抽象服务，调用相应旳Web Services应用程序。应用程序创建SOAP请求消息，消息中包含服务请求所需的参数，向下经过HTTP协议处理，将SOAP消息封装成HTTP报文发送到服务器端。

服务器端以阻塞状态等待来自客户端的服务请求，收到请求后创建新线程同时返回继续监听。新线程调用HTTP协议解析HTTP报文，取出其中的SOAP请求消息，交给服务器端的Web Services应用程序，应用程序解析SOAP请求消息，根据其中的服务请求参数，调用相应的服务执行程序。

ACSI服务器端的Web Services应用程序再将服务执行程序返回的响应数据封装成SOAP响应消息，向下通过HTTP协议处理生成HTTP报文返回给客户端。

客户端收到返回的HTTP报文后，调用HTTP协议解析出其中的SOAP响应消息，再通过Web Services应用程序取出其中的响应数据，交给ACSI客户端，完成整个抽象服务通信过程。

本发明通过将IEC61850标准应用到智能用电自动化系统中可以有效地实现其中大量设备的互操作和即插即用，更好地发挥系统的作用。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于自识别的智能用电终端即插即用方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤(1)：智能用电终端接入智能用电自动化系统中；由智能用电自动化系统的监测主站判断是否遵循IEC61850建模标准，如果遵循就直接进入步骤(4a)，如果不遵循就进入步骤(2)；

步骤(2)：根据智能用电终端的功能定义，按照IEC61850标准进行功能分解得到逻辑设备、逻辑节点和数据对象；

步骤(3)：根据步骤(2)得到的逻辑设备、逻辑节点和数据对象，建立IED信息模型，IED信息模型包括逻辑节点名称与逻辑节点名称的实现功能描述，逻辑节点中记录信息的数据对象以及该数据对象的信息类型；进入步骤(4b)；

步骤(4a)：根据智能用电终端自身的IED信息模型，通过IED配置工具和系统配置工具进行配置，得到ICD、CID和SCD配置文件，完成对IED的配置；进入步骤(5)；

步骤(4b)：根据步骤(3)的IED信息模型，通过IED配置工具和系统配置工具进行配置，得到ICD、CID和SCD配置文件，完成对IED的配置；进入步骤(5)；

步骤(5)：采用web service映射，利用HTTP协议实现通信，则智能用电自动化系统即可获得智能用电终端的注册信息，实现智能用电终端的即插即用以及智能用电终端与智能用电自动化系统之间的信息交互。

2.如权利要求1所述的一种基于自识别的智能用电终端即插即用方法，其特征是，所述步骤(2)的功能定义指该智能用电终端在接入系统后实现的具体功能。

3.如权利要求1所述的一种基于自识别的智能用电终端即插即用方法，其特征是，所述步骤(2)的功能分解是指根据智能用电终端实现的物理功能，按照IEC61850标准对其进行逻辑上功能的划分。

4.如权利要求1所述的一种基于自识别的智能用电终端即插即用方法，其特征是，所述步骤(2)的步骤为：

步骤(2-1)：确定智能用电终端划分的功能数量，并根据功能类型，在IEC61850标准中选择对应逻辑设备；对于不存在的逻辑设备，根据IEC61850标准定义新的逻辑设备；

步骤(2-2)：根据IEC61850标准规定，对逻辑设备添加逻辑节点，其中必须包含一个物理逻辑节点、一个逻辑节点0和设定应用逻辑节点，设定应用逻辑节点为逻辑设备具体实现的功能划分而得到的最小功能单位；其中设定应用逻辑节点的数量为一个或多个；

步骤(2-3)：对每个逻辑节点建立逻辑节点数据属性，并根据需求对数据属性进行扩充。

5.如权利要求1所述的一种基于自识别的智能用电终端即插即用方法，其特征是，所述步骤(3)中逻辑节点中记录信息指逻辑节点实际运行时从其他逻辑节点或者从智能用电自动化系统中获取的信息。

6.如权利要求1所述的一种基于自识别的智能用电终端即插即用方法，其特征是，所述步骤(3)的步骤为：

步骤(3-1)：根据IEC61850定义的标准语义，根据步骤(2)将智能用电终端功能抽象、分解，通过继承、派生或直接引用得到具体的实例；

步骤(3-2)：由功能划分得到的模型的同一层级具体实例与对应的操作聚合，形成本层级的信息模型；

步骤(3-3)：将功能划分得到的不同层级的信息模型与对应的操作聚合，得到最终的IED信息模型。

7.如权利要求1所述的一种基于自识别的智能用电终端即插即用方法，其特征是，所述步骤(4a)与步骤(4b)的步骤是一样的；

所述步骤(4a)的IED配置工具和系统配置工具是指用于描述变电站配置描述语言的工具，前者用于描述IED自身的工具，后者是用于描述智能用电自动化系统的工具。

8.如权利要求1所述的一种基于自识别的智能用电终端即插即用方法，其特征是，所述步骤(4a)的步骤为：

步骤(4-1)：由智能用电设备的IED配置器将IED的信息模型组织成ICD文件，并传送至用于配置变电站配置描述语言的系统配置器中；

步骤(4-2)：系统配置器将传来的ICD文件结合智能用电自动化系统本身的SSD文件，生成新的SCD文件；

步骤(4-3)：从SCD文件中提取设定IED信息导出CID文件；

步骤(4-4)：通过IED配置器将CID文件传送至IED，完成对IED的配置；

这样保证了IED向智能用电自动化系统的无缝融合。

9.如权利要求1所述的一种基于自识别的智能用电终端即插即用方法，其特征是，所述步骤(5)的智能用电终端的注册信息包括IP，通信端口信息。

10.如权利要求1所述的一种基于自识别的智能用电终端即插即用方法，其特征是，所述步骤(5)的步骤为：

步骤(5-1)：当智能用电终端接入智能用电自动化系统并建立抽象服务时，调用相应旳Web Services应用程序；应用程序创建SOAP请求消息，SOAP请求消息中包含服务请求所需的参数，经过HTTP协议处理，HTTP协议处理将SOAP消息封装成HTTP报文发送到服务器端；

步骤(5-2)：服务器端以阻塞状态等待来自客户端的服务请求，收到请求后创建新线程同时返回继续监听；

新线程调用HTTP协议解析HTTP报文，取出其中的SOAP请求消息，交给服务器端的WebServices应用程序，应用程序解析SOAP请求消息，根据SOAP请求消息中的服务请求参数，调用相应的服务执行程序；

步骤(5-3)：ACSI服务器端的Web Services应用程序再将服务执行程序返回的响应数据封装成SOAP响应消息，通过HTTP协议处理生成HTTP报文返回给客户端；

步骤(5-4)：客户端收到返回的HTTP报文后，调用HTTP协议解析出其中的SOAP响应消息，再通过Web Services应用程序取出其中的响应数据，交给ACSI客户端，完成整个抽象服务通信过程。