数据分发服务在新型配电物联网中的应用

王彦波，张烨华，邱兰馨，许泰峰

（1.国网浙江省电力有限公司信息通信分公司，杭州 310020；2.易源士创信息科技（南京）有限公司，南京 210028）

0 引言

随着以新能源为主体的新型电力系统不断推进建设，新型电力系统将通过广泛互联互通推动传统电网向能源互联网转型。现代信息通信技术与传统电力自动化技术的深度融合将使得电力系统发、输、配、用等各领域、各环节实现智能化、互动化，多种形式的清洁能源、新型储能、电力辅助市场等将让电网的源、网、荷、储互动更加灵活智能，安全智能可控的技术手段将成为交流电网与直流电网、电网侧和用户侧协调发展的关键保障。因此，以云、管、边、端为基础的电力物联网架构技术体系近年来成为研究热点［1］。

为了解决“双碳”问题，在新型电力系统建设过程中，分布式光伏、风电等清洁能源的比重将不断增大。为了保障电网运行的稳定性、安全性、经济性，分布式电源的各类控制、采集终端会接入电力业务系统，以实现远动、有功功率控制、无功电压控制、电能计量等功能。在分布式电源大规模并网后，云、边、端之间的数据交互将更加频繁。

目前配电物联网采用的通信协议主要有传统IEC 60870—5-101/104 协议和MQTT（消息队列遥测传输）协议。这两种协议均存在以下两个问题：

1）传统IEC 60870—5-101/104 协议是早期电网远动信息串行和网络传输实时数据所用的通信规约，其传输的语义信息和通信规则是紧密耦合的，主要解决实时数据交换的问题。但其可扩展性差，不支持面向对象的服务，无法实现半结构/非结构化数据类型的云-边信息交互及对等的边-边通信应用。

2）传统MQTT是一种基于存储-转发、代理、发布订阅的传输格式协议，通常适用于有限计算资源或有限带宽限制的设备。因此，MQTT 具有系统性能受单一节点限制（代理）、系统节点数受限、点对点通信延迟较大等缺点，难以适用于拓扑快速变化的配电网。

DDS（数据分发服务）标准由OMG（对象管理组织）制定，并主要用于分布式系统的实时通信［5］。DDS基本逻辑架构如图1所示。目前，在军事领域中被广泛应用于作战管理系统、远洋船舶、车联网等方面。在电力行业应用方面，美国工业互联网联盟将DDS 作为推荐连接框架标准加入工业物联网白皮书中，而目前国内电力行业除船舶电力外，仅在部分院校有相关研究。相关研究表明，引入DDS 可以有效弥补电力行业工程师信通专业知识的不足，简化映射实现过程中底层通信映射的实现复杂性［6］。DDS标准涵盖了核心标准、类型语法和语言映射、应用程序接口、网关等一系列标准，使得DDS 具备不同实现之间的可移植性、互操作性以及QoS（服务质量），适用于小型到大型分布式实时系统，也是目前唯一以数据为中心中间件协议［2］。本文提出了面向新型配电物联网的DDS 协议，用于高实时、高可靠的电力业务。

图1 DDS基本逻辑架构

1 DDS 标准及其在新型配电物联网的适用性分析

目前，主流的通信方式主要有P2P（端对端）、C/S（客户端/服务器）模式等。前者主要用于电话系统、TCP 连接，具有效率高、速度快的特点，是面向连接的通信，但是缺点也很明显，系统整体弹性、剪裁性差。后者主要用于文件系统、数据库、远端请求，具有以服务为中心，弹性高、扩展性强的特点，也是面向连接的通信，主要缺点是存在单点故障问题，且服务器容易成为系统整体的性能瓶颈。美国工业互联网联盟提出工业物联网连接框架应从系统、数据、性能、弹性、可用性以及操作因素等方面进行考虑。而电力物联网在工业物联网之上，还需要注重安全性和鲁棒性。

因此，区别于P2P 和C/S 模式，DDS 采用了以数据为中心的DCPS（发布订阅模式），基本原理如图2 所示。区别于以设备/应用为中心的概念，在以数据为中心的架构中，端或者应用不需要关心谁生产或消费，只有数据是核心对象。系统中的任何参与方可以在符合要求的条件下交换、存储、转换和操作数据，数据本身独立于生产或消费它的端或者应用。

图2 DCPS基本原理

数据写入者、发布者、数据读取者、订阅者、主题、数据类型对象等主要实体共同组成了虚拟数据空间。其中基本信息共享单元是主题内的数据类型对象，主题由其名称标识，数据类型对象由一些“键”属性标识，类似于传统数据库中的主键概念。同时，DDS 还在各个对象上提供了QoS控制。虚拟数据空间中各发布者或订阅者通过发布或订阅由其名称标识的主题以及关联的数据类型对象进行通信。订阅者可以通过QoS 建立指定时间或内容的过滤器，在发布者无需事前设置的情况下，根据订阅者自身需求告知发布者，进而获取主题上已发布数据的子集，在减少发布者工作量的同时降低网络数据流量。同时，不同的虚拟数据空间可以实现逻辑上的完全独立，即虚拟数据空间之间没有数据共享，保障了数据有效交换和安全性。同时DDS 采用了单播、组播相结合的方式进行点对点通信，无需通过服务器或者云进行代理通信。

除此之外，DDS还提供了节点动态发现机制。动态发现机制使得整体系统在设计初期无需针对每一节点进行详细设计以及节点间相关配置，可以在节点间发现时或断连时自动执行相关动作，在协议层面实现了“即插即用”。因此，动态发现机制使得系统弹性大大增加，并且可以在初期节约开发成本，后期按需扩展。安全性方面，DDS可以提供分布式点到点的身份验证、访问控制、机密性和完整性检查，并且以插件的形式实现，进而在不牺牲实时性能的情况下保证安全性。

综上所述，DDS 提供了位置、设备和应用三者间的独立性，允许组件彼此分离，独立开发和集成，一定程度上实现了软件定义系统。因此，DDS 非常适合简化集成工作并减少调试和将系统组件集成的总体工作量和时间。由于数据接口在设计中是标准化的，因此使用DDS 会产生开放式架构，并且组件变得独立于数据，从而简化系统开发和演进并提高可重用性，因此DDS 可以很好地支撑大型系统。

2 基于DDS的新型配电物联网架构设计

传统配电网的通信架构一般为配电终端通过101/104 标准协议或者私有协议与主站进行通信，101/104 等协议是面向通信而非面向对象的协议，进而导致新设备上线时需要人工对点，并且需要主站和终端维护人员配合，耗时耗力。其次，即使104协议配合IEC 61850标准下，在一定程度上解决了设备间互操作的问题，但是仍然存在终端间信息交互完全依赖主站以及终端侧IEC 61850和主站侧IEC 61970模型结合困难等问题。因此，本文尝试设计一种基于DDS 的新型配电物联网架构，以期解决配电网下终端自注册以及终端间信息交互等难题。

2.1 基于DDS的新型配电物联网架构及用例流程

首先，本文设计了如图3所示的设备自注册用例流程，并搭建了模拟环境进行了性能测试，如图4所示。

图3 设备自注册用例流程

图4 测试平台

其中，模型资源中心用于更新配电网电气拓扑模型并向联管理平台及配电主站进行模型同步；物联管理平台用于实现模型融合、监控终端上线、自发现、注册申请、一二次匹配、下发匹配模型等；配电主站主要用于接受终端三遥数据，进而监控配电网整体情况。

设备自注册用例流程如下：

1）模型资源中心将配电台区拓扑同步至物联管理平台及配电主站。

2）配电终端采用DDS协议，上电后利用DDS的自发现机制，实现自动在物联管理平台进行注册操作，省去了人工对点操作。

3）管理平台侧根据终端注册信息与其安装拓扑位置进行匹配，实现拓扑模型融合。

4）物联管理平台将配置好的信息下发至配电终端。

5）配电终端接受到配置信息后开始数据发送工作。

该用例流程硬件采用了树莓派Pi4B 以及PSL691 数字式线路保护测控装置作为测试平台，DDS 产品采用开源的Fast DDS2.4.0 作为测试基础，并与MQTT 和104 协议在发送数据阶段进行对比，其结果如表1所示。

表1 可以得出DDS 在QoS 控制以及发送效率上远高于其他两者。

表1 物联网协议性能对比

其次，本文针对DDS在有线环境、4G环境进行了数据量测试并和104协议进行对比，如表2—4所示。

由表2 可以得出，数据包从1～50 K，平均时延从0.93 ms仅增长到5.5 ms。

表2 不同数据大小下DDS有线性能

表3可以得出，在4G环境下DDS仍可发挥出4G基本性能，50 K数据包下仍有518 ms的平均时延，且几乎无抖动。

表3 4G环境不同数据大小下DDS性能

表4 可以得出，在用例中传输IEC 61850 对象，相同条件内比104 协议多出80 个字节的数据量，而这是可以接受的。

表4 DDS和104协议传输数据量测试

此外，本文还测试了DDS 通信故障恢复，在数据发送阶段断开网络，并在5 s 后再次接入观察，得出表5所示结果。由表5 可以看出，在断开后3 s，DDS 自动恢复了通信，而无需人工接入，这一优势是101/104或MQTT不具备的。

表5 DDS故障恢复测试

2.2 拓扑变化时的用例流程

基于上述用例，本文还设计了当拓扑发生变化时的用例流程，并利用模拟环境进行了测试，如图5所示。

图5 当拓扑发生变化时的用例流程

拓扑发生变化时，该用例流程如下：

1）模型资源中心进行模型更新，并告知物联管理平台和配电主站模型异动（比如开关拆除）。

2）物联管理平台发布模型异动主题消息，使得订阅该主题的配电终端接受到模型异动告知。

3）发现变化与自身有关的配电终端主动联系物联管理平台，请求更新模型。

4）物联管理平台将重新配置好的信息下发至配电终端。

5）配电终端接受到配置信息后重新开始数据发送工作。

以上2 个用例主要采用DDS 协议实现了在新型配电物联网下配电终端装置级的即插即用、系统量测和控制参数一次录入、装置及主站全面共享；其次，DDS 提供了面向对象的工业物联网协议应用方案，有望替代101/104 协议传输实时数据，同时又可解决多种数据类型的云-边及对等的边-边通信应用问题。

2.3 基于DDS 协议的开放式配电物联信息架构

为最大发挥DDS 作为运输层及上层协议标准的优越性，本文进一步提出采用工业物联网DDS通信协议的开放式配电物联信息架构，如图6所示。

图6 开放式配电物联信息架构

其中，配电终端到采集终端仍采用101/104协议，配电终端到配电终端及主站采用DDS 协议，并且采用符合61850/CIM 标准的数据类型对象，并以标准插件的形式实现DDS 的安全加密，兼容TLS/TSL等国内主流加密模式。该架构中的配电终端及主站均可同时作为发布者和订阅者，主题随业务需要制定。

在新型电力系统配电物联网中，DDS 发布者为配电终端，DDS 订阅者为主站侧，采用IEC 61850 的BreakerReadingProfile 等数据类型，运输模式可采用TCP 或UDP 模式，并采用高可靠QoS，例如RELIABILITY、DEADLINE 等时效性QoS。在此配置下，即使底层通信断连，待通信恢复后，断连时间内的数据仍可以自动通过DDS 的机制传输至主站，而无需应用侧关心，并且当其他业务需要此信息时只需要订阅该主题，而无需对发布者进行任何改动。

当配电终端上电并自动启动DDS 和订阅主题后，主站侧即可通过DDS 自动发现机制感知配电终端上电，通过人工匹配终端和图模关联即可发布关联信息文件至新配电终端及其他在运终端，避免了人工对点，实现了整网关联关系自动更新和匹配工作。

3 结语

针对新型配电物联网的时效性、可靠性要求，本文分析了DDS 在配电物联网的适用性，并设计了面向新型配电物联网的开放式配电物联信息架构。通过在配电终端接入场景下的实验可以发现，DDS 协议在实时性、安全性、可靠性方面均有较好的性能指标。下一步，将研究基于DDS 的软件定义配电终端，最终实现配电终端软件定义、自描述、自注册、自动适配拓扑等高级智能化应用。