基于实时物联网通信协议的智能配电终端即插即用与互操作测试

2023-01-08赵连强张烨华任欢欢杨小莲

浙江电力 2022年12期

赵连强，张烨华，任欢欢，江樱，王凌，杨小莲

（1.易源士创信息科技（南京）有限公司，南京 210019；2.国网浙江省电力有限公司信息通信分公司，杭州 310020）

0 引言

近年来，随着智能电网建设的深入开展，信息模型建模技术、物联网通信技术等新技术在新型配电系统建设中得到了初步应用，国内外众多研究机构针对基于面向对象建模和物联网通信协议的智能配电终端即插即用相关应用开展了诸多研究。

文献［1］基于IEC 61850 面向对象、分层分布的思想从相对宏观的角度提出了配电自动化终端即插即用体系。文献［2-4］提出了IEC 61850 应用于配电自动化系统的信息模型以及IEC 61850 到XMPP（可扩展消息和在线表示协议）的映射实现，建立了配电自动化信息模型和即插即用方法。文献［5］提出了基于IEC 61850/IEC CIM信息模型和DDS（数据分发服务）通信协议的中压配电终端即插即用技术方案，实现了装置级即插即用，与传统终端相比，实现了配电终端面向对象信息模型的标准化，不仅降低了现场调试运维工作量，还节省了主站侧点表与模型转换工作，并支持电力大数据分析。另外，美国公用事业巨头杜克能源公司联合电力行业知名合作伙伴推出了一种称为OpenFMB（开放式现场消息总线）的技术。该标准采用IEC 61850面向对象建模思想及工业物联网通信协议，实现了配电网智能终端、表计等智能设备的即插即用接入及边缘计算［6］。

基于面向对象信息模型和物联网通信协议的研究促进了配电终端即插即用和互操作能力的提升，但目前对于即插即用和互操作能力测试方面的研究相对较少。现有的中压配电终端测试技术方案大多基于传统的IEC 101/104协议，无法适用于基于物联网通信协议的智能配电终端的检测，导致智能配电终端应用过程中缺乏即插即用与互操作能力测试手段，工程实践中只能进行简单联动测试，或者花费大量人力物力进行检测。

针对上述问题，本文提出了基于DDS 的中压配电网智能配电终端即插即用与互操作测试架构，以智能配电终端设备为测试载体，以DDS 功能规范为标准，提出了基于物联网通信协议的智能配电终端的功能接口和交互性能测试架构，并对不同厂家的配电终端进行了简单的即插即用和互操作测试。通过该测试方案，实现了支持DDS 通信协议的智能配电终端即插即用和互操作能力测试，同时也支持扩展其他物联网通信协议配电终端测试，为智能配电终端的推广应用提供了测试保障，可有效降低现场新投运设备故障率。该测试方案在江苏部分地市公司得到实践应用，明显提升了智能配电终端一次投运成功率。

1 新型配电系统通信中间件

1.1 概述

与新型配电系统应用的通信中间件要求一样，智能配电终端测试平台通信中间件也应考虑实时控制的特殊要求，开关遥控、终端间联跳、闭锁控制等需要低数据延迟来支持快速控制动作并保持稳定性。通信中间件还应提供多样的QoS（服务质量）控制策略，以满足配电终端设备不同数据类型的不同需求。中间件应了解数据类型和要求，以便为每种数据类型提供正确的优先级。另外，通信可靠性在实时应用中至关重要，中间件实现还应避免通信网络中的瓶颈和单点故障。

新型配电系统的主要挑战之一是诸如电动汽车、微电网等不同设备和系统的动态参与。通信中间件应提供处理动态参与者节点和新节点自动发现功能的方法。通信和电力网络拓扑应该具有在灾难性或紧急情况下改变的能力，自动发现和动态参与功能将支持分布式控制系统的重新配置。现代电网很容易受到未来扩展的影响，因此，使用的中间件和通信基础设施应该能够处理这些新的扩展，无需重新设计或修改已实施的协议即可完成扩展过程。此外，通信中间件必须提供标准的通信接口，以确保不同供应商和设备之间的互操作性。为保证系统运行的可靠性，通信网络应该通过适当的加密和认证机制来保护。中间件应提供嵌入在实现中的安全功能，以保护数据交换并防止更改数据或侵犯客户隐私。

通信中间件可以分为以消息为中心的和以数据为中心的两大类，两者之间的区别和选择标准将在以下小节中简要讨论。

1.2 以消息为中心的通信中间件

以消息为中心的通信中间件的数据交换基于定义一组消息和数据格式以支持预期的数据类型和使用场景，这些消息是预定义并嵌入在节点中的。通信中间件没有关于消息内容或数据类型的信息，因此消息解析、数据过滤和完整性检查是在应用程序级别完成的。每个节点都必须负责确保它接收到的数据类型的正确性，以避免任何不匹配导致应用程序出现故障。

以消息为中心的通信中间件在应用程序级别实现消息解析和完整性检查，将更多的责任放在控制应用程序开发人员身上，这使得开发更加复杂和耗时。在应用层过滤感兴趣的数据会导致网络利用率低下，浪费带宽并在应用处理器上增加额外的处理开销。

当扩展需要定义新的数据类型或操作场景时，使用一组预定义的消息会对系统的可扩展性造成一些限制。由于消息处理是在应用程序级别完成的，因此消息格式或数据类型的任何更改都需要对应用程序进行重大更改。使用以消息为中心的中间件会增加应用程序的复杂性并降低整体系统的可靠性。

1.3 以数据为中心的通信中间件

采用以数据为中心的通信中间件，应用程序开发时只处理感兴趣的数据类型，而不关心消息结构或网络细节。系统状态变化时由中间件直接构建消息，消息结构直接来自系统数据模型。以数据为中心的架构在中间件级别执行所有消息解析、数据过滤和完整性检查，以确保向所有节点传递正确的数据类型和系统状态。

与传统的以消息为中心的方法相比，这种方法提供了更多功能。将消息处理职责从应用程序层转移到中间件层，不仅简化了应用程序开发，而且减少了不同应用消息解析导致的解析结果错误数量，提高了系统可靠性。而且，在中间件实施数据过滤可以更优化地利用网络带宽。由于消息是由中间件创建的，因此通信中间件知道消息内容和数据类型，从而可以根据数据类型分配不同的QoS、优先级和安全级别。

由于中间件负责所有消息处理任务，而应用程序只关心数据对象，因此添加新的数据类型不需要修改现有应用程序。此功能对于可扩展系统至关重要。图1描述了两种中间件，左侧以消息为中心，右侧以数据为中心。

图1 通信中间件的功能

2 DDS通信中间件

智能配电终端即插即用与互操作测试架构应提供灵活且可扩展的软硬件环境，以连接不同的系统组件并实时交换信息。为了满足测试架构的硬实时性和可扩展性要求，智能配电终端即插即用与互操作测试架构选择了DDS 通信中间件。DDS 使用没有消息代理的发布-订阅方案，简化了不同节点之间的通信。此外，DDS 是以数据为中心的中间件，有助于保持对算法和控制开发的关注，而不是关注通信和数据传递问题。以数据为中心的方法还允许将不同的QoS 配置文件分配给单个数据类型。

2.1 DDS通信中间件特点

所提出的智能配电终端即插即用和互操作测试框架利用了以数据为中心的DDS 通信中间件。DDS 具有独特的功能，可通过以数据为中心的通信改进新型配电系统通信，具体如下：

1）DDS 将消息构造、消息解析、数据过滤和验证从应用程序转移到中间件。将消息构建过程从应用程序转移到中间件以提高系统的可扩展性，并且可为新的操作场景添加新的数据类型，而无需修改现有的应用程序。中间件执行消息解析和数据过滤，简化了开发新型配电系统控制应用程序的任务，而无需担心消息结构、错误检查或网络细节，因为这些任务都将由中间件完成。

2）DDS 利用实时发布-订阅模式，无需消息代理即可实现“边-边”“边-云”通信。各发布者和订阅者通过发布和订阅主题信息以及关联的数据对象类型进行通信，在降低网络数据流量的同时保证了数据交互的有效性和安全性［7］。这种通信方案通过避免单点故障提高了新型配电系统的可靠性，为分布式控制应用提供了更合适的环境。

3）DDS 支持自动发现新加入的设备及其数据结构，此功能允许网络节点的动态参与，无需复杂配置，在协议层面实现了即插即用［12］。

4）与其他通信方法不同，DDS 可以为每种数据类型应用不同的QoS，从而提供更灵活的通信管理并引起可预测的行为。DDS 提供多达23 种QoS 配置策略，为分布式实时系统中的数据传输提供松耦合、高性能、高可靠和可扩展的解决方案［9］。

5）DDS实现定义了全面的安全模型和SPI（服务插件接口）架构。DDS 提供标准化的身份验证、加密、访问控制和日志记录功能，可在物联网系统中实现端到端的安全数据连接［7］。DDS 安全使用分散的点对点架构，在不牺牲实时性能的情况下提供安全性。

6）DDS通信中间件采用RTPS（实时发布订阅协议）确保了互操作性、实时性、安全性和新服务的自动发现。此外，DDS中间件的标准API（应用程序接口）还提供了与不同仿真和分析软件集成所需的工具，并支持多种编程语言，如C、C++和JAVA［7］。

2.2 智能配电终端测试建模

基于以数据为中心的通信中间件，实施DDS需要为系统定义数据模型。该数据模型定义了数据的结构及其在物理硬件对象之间的关系。参照IEC TS 62361-102《电力系统管理和相关信息交换-长期的互操作性》［8］，可实现IEC 61850与IEC CIM之间模型融合，并结合DDS通信中间件信息要求，可建立xml格式信息模型［5］。例如，定义智能FTU（馈线终端）相关主题内容如图2所示。

图2 智能FTU相关主题

部分主题信息说明：

：开关测量信息

：开关状态信息

：开关保护信息

：开关告警信息

：开关遥控请求

：开关遥控响应

：配电终端遥测信息

：配电终端遥信信息

：拓扑服务

：配电终端更新服务

：配电终端注册服务

其中，图3为开关测量主题相关数据对象示例。

图3 开关测量主题相关数据对象

2.3 QoS配置策略

完成智能配电终端测试平台数据模型定义之后，定义用于交换数据的QoS 非常重要。由于DDS 是一个内容感知中间件，它允许为每种数据类型附加不同的QoS 策略，并以不同的方式处理每种类型，而不是对整个数据流应用相同的QoS策略。用户可以创建自定义QoS 配置文件来控制每个应用程序的数据交换。此功能有助于实现具有大量节点和不同通信要求的可预测网络行为。QoS 策略定义了一组不同的规则，用于控制基础设施如何发送和处理数据。这组规则定义如下：

1）数据可用性

数据可用性规则控制最近加入的订阅者的数据可用性。此规则可以设置为volatile（易失性）或unvolatile（非易失性）选项。如果数据可用性设置为volatile，则当任何发布者发布或更新任何数据时，所有当前订阅者都将在更新实例处收到更新的数据。在更新实例之后加入网络的任何订阅者都将无法接收到最后一次更新。此选项适用于周期性变化的数据，例如电压和电流测量数据更新频繁，旧数据在短时间内失去其重要性。

2）生命周期

生命周期规则定义了旧数据的有效期。DDS通信中间件将删除超过定义寿命的非易失性数据。此QoS 规则确保控制应用程序不会基于旧的无效数据进行交互。

3）延迟预算

此规则允许定义延迟敏感数据的优先级。具有低延迟预算的数据将在具有较高延迟预算的数据之前发送。保护相关数据始终设置为最低延迟预算，电能质量数据、电能计量数据可设置为最高延迟预算。

4）通信方式

在单播通信中，发布者为每个订阅者节点发送一份数据副本，如图4（a）所示，用于发送数据的带宽将随着订阅数据的节点数量的增加而线性增加。这种通信方式适用于本地高速网络，配置简单，但在考虑通过WAN（广域网）或低速通信线路传输测量数据时，不是理想的方式。

对于多个订阅者请求的数据，最好使用多播通信方案。在多播通信中，发布者只为远程订阅者发送一份数据副本，如图4（b）所示。在接收端，路由器会将数据的副本转发给每个订阅者。为了对某些数据使用多播通信方案，必须对这些数据应用多播QoS策略。

图4 通信方式

其他QoS 配置策略不再一一介绍，具体可参考OMG（对象管理组织）发布的DDS 相关技术标准［7］。智能配电终端即插即用与互操作测试QoS配置策略见表1。

表1 智能配电终端即插即用与互操作测试QoS配置策略

2.4 即插即用与互操作测试架构

基于DDS 的智能配电终端即插即用与互操作测试平台以配电终端设备为测试载体，以DDS 功能规范为标准，对基于DDS通信的智能配电终端的功能接口和交互性能进行测试。通过配电终端设备的功能接口，可实现对配电终端设备信息交互过程中功能一致性的测试，也为数据一致性测试提供了入口和技术支撑，其总体架构包括测试引擎、编解码模块、平台适配器、被测系统及设备适配器、测试模型配置模块等部分，简要框图如图5所示。

图5 智能配电终端即插即用与互操作测试架构

3 测试用例

基于上述智能配电终端即插即用与互操作测试架构，开发了基于DDS 的智能配电终端测试管理系统，并提供如图6 所示的Web 界面供测试工程师操作使用。

图6 智能配电终端测试管理系统Web界面

3.1 即插即用测试

即插即用测试流程如图7所示，从配电终端的接入完成自发现开始，再到注册服务测试、拓扑同步测试、三遥等基本交互功能测试，另外可以选做参数定值配置测试、保护功能测试、故障录波功能测试等内容，最后到测试报告的生成，完成全部测试。

图7 智能配电终端即插即用测试流程

自发现服务测试用于测试即插即用智能终端与测试系统之间的动态发现服务功能与性能指标。当配电终端添加到网络时应主动发布发现消息，测试管理系统收到发现消息后解析终端发现消息，发现消息包含配电终端设备基本信息，如终端类型、唯一标识符、终端可用状态等。

注册服务测试要求即插即用智能配电终端接入网络并完成设备自发现后，应进行关联配置文件信息检查，如无关联配置文件、关联配置文件中终端ID信息与实际不符、开关ID与图模文件不匹配、图模文件损坏或丢失，应主动发送注册消息；否则不应再次发送注册消息。终端运行过程中收到重新发起注册控制指令时应正确响应，重新发送注册消息。

关联配置功能测试要求智能配电终端测试管理系统收到终端注册消息后，应能完成一、二次设备关联配置操作，终端应能正确解析收到的关联配置文件并上送一次开关相关信息。

完成一、二次设备关联配置操作后，拓扑同步功能应能将馈线组拓扑文件主动同步到智能配电终端。为支撑智能分布式馈线自动化、负荷转供等高级应用，将具有直接或间接联络关系的馈线划分为同一馈线组，利用DDS 中间件Partition动态分组机制，实现馈线组图模分区持久化管理测试，确保图模更新后将最新拓扑文件自动同步给馈线组内所有终端设备。

完成上述即插即用基础内容测试后，可进行不同Qos 配置策略下的“三遥”数据交互验证，即插即用功能正确性及QoS 策略测试，如数据可用性、传输可靠性、生命周期等。例如，当遥信数据QoS reliability设置为RELIABLE时，模拟网络波动遥信报文丢失的情况，DDS 中间件应启动重发机制确保订阅者收到遥信变位信息；而遥测数据QoS reliability应设置为BEST_EFFORT，则报文丢失时不再重发。遥控报文应设置lifespan 参数，当终端收到遥控命令超出生命周期时，遥控命令应直接丢弃，避免运维结束后投运或网络故障后恢复引起开关误动。

另外，可根据测试需求选择进一步进行参数定值配置、保护功能、故障录波文件召唤等应用功能测试。

3.2 含闭锁逻辑的终端控制互操作测试

本次测试使用两家不同厂家生产的即插即用配电终端进行初步互操作测试，两者均采用基于IEC 61850和IEC CIM信息模型融合实现的统一即插即用接口库开发，从根本上保证了两者良好的静态互操作能力，本文不再详述。本文主要对动态互操作能力开展初步测试，以智能分布式FA（馈线自动化）配电终端间闭锁、联跳等内容为例，本次互操作测试的成功执行，为不同厂家配电终端设备配合实现智能分布式FA等高级应用提供了技术支撑。

由于目前应用较多的4G无线公网不支持“边-边”设备通信，在实验室有线局域网环境下利用配电终端、模拟开关、测试工作站、测试服务器等设备搭建测试环境。实际工程应用中应紧密跟进5G MEC（多接入边缘计算）网关的发展和商用情况，以及未来新兴电力业务提出新的通信需求，逐步开展5G电力边缘计算相关应用。

测试采用DDS 报文实现含闭锁逻辑的完整控制过程互操作试验，以开环架空线分布式FA拓扑为例，厂家A 配电终端FTU1 安装于开关S1 处，厂家B 配电终端FTU2 安装于开关S2 处，如图8所示。

图8 开环架空线路分布式FA［5］

测试部分关键步骤如下：

1）分别预配置厂家A配电终端FTU1、厂家B配电终端FTU2，包括保护功能启动及动作信号的主题发布与订阅配置、闭锁及联跳逻辑应用等。

2）使用继电保护测试仪给终端FTU1、FTU2同时施加故障电流，模拟FTU1、FTU2之外的故障F2。终端FTU1 保护功能启动且收到下游终端FTU2保护功能启动信号，终端FTU1闭锁保护功能跳闸，开关不动作；终端FTU2 保护功能启动且未收到下游其他终端发送的保护启动信号，判断故障发生在终端FTU2下游，保护动作并跳闸。

3）使用继电保护测试仪给终端FTU1 施加故障电流，模拟FTU1、FTU2 之间的故障F1。终端FTU1 保护启动且未收到下游终端FTU2 保护功能启动信号，终端FTU1 保护动作并跳闸，并向下游终端FTU2 发送联跳信号；终端FTU2 未检测到故障电流但收到上游终端FTU1联跳信号，终端FTU2动作跳闸。

上述互操作测试流程如图9 所示，测试过程中，由于DDS 中间件知道消息内容和数据类型，所以可直接判断消息内容验证测试结果，DDS 通信中间件的高可靠性、易于集成及可扩展性为测试实现提供了极大便利。

图9 含闭锁逻辑的终端控制互操作测试流程

4 工程应用情况

基于本测试架构开发的配电终端测试管理系统在江苏某地区供电公司即插即用示范工程中开展了初步应用。项目安装施工前进行了支持即插即用的智能配电终端集中测试，测试系统网络部署如图10所示。

图10 示范工程应用测试系统网络部署

此次测试共完成25 套智能配电终端基本功能测试，发现各类问题5项，主要包括终端配置错误1 次、注册异常2 次、硬件性能问题1 次、保护功能应用问题1次。问题整改后全部通过测试，项目全部一次投运成功，投运后持续运行2个月无故障发生，为项目顺利执行提供了有力支撑。此次配电终端测试管理系统的现场示范应用，无需人工配置点表，减少了大量现场调试运维工作量，大大提升了智能配电终端设备接入效率。