基于MQTT的小水電監控系統

李志鋒，王智東，王金陽，張紫凡，吳燦，溫永森，羅藝華

（1.廣州城市理工學院電氣工程學院，廣州 510800； 2.華南理工大學電力學院智慧能源工程技術研究中心，廣州 510640； 3.廣東電網有限責任公司韶關供電局，韶關 512000）

引言

我國水資源豐富，尤其在偏遠山區，存在大量的小水電站。作為分布式新能源的重要組成部分，小水電有力支撐了地區電網的發展，助力“碳中和”，但由于目前小水電整體還處于“粗放式”運行狀況，當大量的小水電站接入后會對中壓電網的電能質量以及供電可靠性產生不利的影響，進而影響到配電網的安全、穩定運行。

當前小水電多基于本地信息進行監控，本質上是“信息孤島”狀態，缺少多個小水電的“機機”協同調制和小水電與電網間的“機網”協同配合。由于小水電多處于偏遠山區，如何實現多個小水電以及主電網間的高效信息交互，是提高小水電運行監控能力的關鍵。

本論文構建基于MQTT的小水電監控系統，充分利用MQTT協議的高效性，實現小水電信息在多個小水電和電網間有效傳遞，避免小水電信息“孤島”問題，提高小水電監控能力，從而提高小水電的電能質量[1-5]。

1 MQTT協議分析

電力物聯網作為物聯網在智能電網中的應用，是信息通信技術發展的階段性必然結果。電力物聯網有效整合了通信基礎設施資源與電力系統基礎設施資源，提高了電力系統的信息化水平，改善了電力系統現有的設施利用率，為電網提供了重要的技術支撐。而在信息通信技術發展中，與之相適應的通訊協議也尤為重要，本文重點介紹了MQTT、XMPP、Socket三種，并詳細了對比分析了它們的優勢與不足之處。

MQTT 最初由 IBM 于上世紀 90 年代晚期發明和開發。它最初的用途是將石油管道上的傳感器與衛星相鏈接。顧名思義，它是一種支持在各方之間異步通信的消息協議。異步消息協議在空間和時間上將消息發送者與接收者分離，因此可以在不可靠的網絡環境中進行擴展。雖然叫做消息隊列遙測傳輸，但它與消息隊列毫無關系，而是使用了一個發布和訂閱的模型。在 2014 年末，它正式成為了一種 OASIS 開放標準，而且在一些流行的編程語言中受到支持（通過使用多種開源實現）。

MQTT協議是輕量級的網絡協議，適用于低帶寬、不可靠的網絡下提供基于云平臺的遠程設備的數據傳輸和監控。可以在嚴重受限的設備硬件和高延遲及寬帶有限的網絡上實現。并且相對靈活，使為物聯網設備和服務的多樣化應用場景提供支持成為可能。它的優勢在：第一，使用發布/訂閱模型，提供一對多的消息發布，使消息發送者和接受者在時間和空間上解耦。第二，是二進制協議，網絡傳輸開銷很小。第三，它具有靈活訂閱、QoS、遺愿消息（Will Message）等特性。缺點是：第一，集中化部署，服務端的壓力大，需要流程控制及高可用。第二，對于請求/響應模式的支持需要在應用層根據消息ID做發布主題和訂閱主題之間的關聯。MQTT的工作模式如圖1所示。

圖1 MQTT工作模式圖

XMPP協議（可擴展通訊與表示協議）是一種基于標準通用標記語言的子集XML的協議，它繼承了在XML環境中靈活的發展性。因此，基于XMPP的應用具有超強的可擴展性。經過擴展以后的XMPP可以通過發送擴展的信息來處理用戶的需求，以及在XMPP的頂端建立如內容發布系統和基于地址的服務等應用程序。而且，XMPP包含了針對服務器端的軟件協議，使之能與另一個進行通話，這使得開發者更容易建立客戶應用程序或給一個已經配置好XMPP協議的系統添加功能。它的優點是已經發展成熟，強大，可擴展性強，缺點是比較復雜，冗長，費電費流量，部署的硬件成本高。

表1給出MQTT與XMPP的具體方面比較分析。

表1 MQTT與XMPP比較

Socket是應用層與TcP/IP協議族通信的中間軟件抽象層，它是一組接口。在設計模式中，Socket其實就是一個門面模式，它把復雜的TcP/IP協議族隱藏在Socket接口后面，對用戶來說，一組簡單的接口就是全部，讓Socket去組織數據，以符合指定的協議。表2給出了MQTT與Socket的區別比較。

表2 MQTT與Socket的區別比較

比較了三種協議，可知MQTT與電力物聯網最相適應的地方在于它可以用有限的帶寬，為設備提供可靠實時的消息服務。正因如此，我們采用該協議用于小水電監控系統中，契合該協議的優勢，發揮其最大效益[6,7]。

2 基于MQTT協議的小水電監控系統

小水電站屬于經濟發電模式，對經濟成本敏感，監控智能電子設備多采用性能較低的嵌入式設備，不適合復雜的通信模式和大規模的軟件需求。而MQTT協議具有輕量級、實現成本低的優勢，適用于小水電監控系統。

基于MQTT協議下的小水電網絡監控系統結構為圖2所示。在主網向負載輸送電能中，若干小水電與電網相連接進行配電。而每個小水電所產生的數據與信息會被智能電子測控裝置收集匯總，再加以利用MQTT協議的高效簡潔性，通過GPRS（通用分組無線業務）/4G/5G等通信網絡，傳輸至小水電監控系統中，以達到管控設備狀態、采集水電站工作信息、實時監控的目的。

圖2 小水電監控系統結構圖

3 小水電監控系統具體實現

在小水電監控系統中，本文為解決小水電站存在的信息“孤島”問題，加強其與智能電網的信息交互和協同調度，考慮現有小水電控制器很多采用RS485方式，在小水電站上增設小水電智能網關，不僅可以實現小水電控制器所傳送的信息匯總和上傳到遠端的云平臺，還可以接入小水電微網控制器、智能并網開關等其他電力智能電子設備的信息，如圖3所示。

圖3 小水電監控系統實現圖

同一小水電站內的多個小水電，可由各自的小水電控制器進行信息采集和控制。多個小水電控制器通過RS485總線的通信方式，與小水電智能網關相連接，實現小水電站內多個小水電信息的匯總和上傳。小水電控制器和智能網關采用當前小水電較為常見的RS485總線方式，RS485總線較好的抗共模干擾能力，并且靈敏性高，RS485總線將各個節點串接起來，支持多點的數據通信、實現方便。

小水電控制器和小水電智能網關采用101通信協議進行數據傳輸。101協議規定了電網數據采集和監視控制系統中主站和子站之間以問答方式進行數據傳輸的幀格式、鏈路層的傳輸規則、服務原語、應用數據結構、應用數據編碼、應用功能和報文格式等[8]。

小水電智能網關通過101協議匯總站內所有小水電的信息后，再由網關來通過4G網絡將信息數據傳入遠端的小水電監控云平臺，可以實現小水電運行狀態的遠端監測甚至操作控制，有助于減少偏僻小水電的值守人員數量甚至實現小水電的無人值守。

4 應用

本文所述的小水電監控系統已應用于韶關小水電站中，小水電智能網關通過MQTT協議將數據傳輸至遠端的調度中心，如圖4所示[9]。

圖4 小水電監控系統報文傳輸圖

其中，MQTT協議傳輸的部分小水電總電量、有功、無功、電流大小和電壓大小等運行狀態的內容如下所述：

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5 總結

伴隨著我國智能電網的不斷發展，小水電監控系統自然而然需要往自動化、數字化、智能化方向發展。本文基于MQTT協議的小水電監控系統，也是順應發展趨勢并更新與加強小水電在電網中的信息交互，緩解甚至避免分布偏遠地區水電站的信息“孤島”問題，為較好整合水利資源、推動能源發展、提高水電站監控水平提供新的方式與技術。