數據分發服務在新型配電物聯網中的應用

王彥波，張燁華，邱蘭馨，許泰峰

（1.國網浙江省電力有限公司信息通信分公司，杭州 310020；2.易源士創信息科技（南京）有限公司，南京 210028）

0 引言

隨著以新能源為主體的新型電力系統不斷推進建設，新型電力系統將通過廣泛互聯互通推動傳統電網向能源互聯網轉型。現代信息通信技術與傳統電力自動化技術的深度融合將使得電力系統發、輸、配、用等各領域、各環節實現智能化、互動化，多種形式的清潔能源、新型儲能、電力輔助市場等將讓電網的源、網、荷、儲互動更加靈活智能，安全智能可控的技術手段將成為交流電網與直流電網、電網側和用戶側協調發展的關鍵保障。因此，以云、管、邊、端為基礎的電力物聯網架構技術體系近年來成為研究熱點［1］。

為了解決“雙碳”問題，在新型電力系統建設過程中，分布式光伏、風電等清潔能源的比重將不斷增大。為了保障電網運行的穩定性、安全性、經濟性，分布式電源的各類控制、采集終端會接入電力業務系統，以實現遠動、有功功率控制、無功電壓控制、電能計量等功能。在分布式電源大規模并網后，云、邊、端之間的數據交互將更加頻繁。

目前配電物聯網采用的通信協議主要有傳統IEC 60870—5-101/104 協議和MQTT（消息隊列遙測傳輸）協議。這兩種協議均存在以下兩個問題：

1）傳統IEC 60870—5-101/104 協議是早期電網遠動信息串行和網絡傳輸實時數據所用的通信規約，其傳輸的語義信息和通信規則是緊密耦合的，主要解決實時數據交換的問題。但其可擴展性差，不支持面向對象的服務，無法實現半結構/非結構化數據類型的云-邊信息交互及對等的邊-邊通信應用。

2）傳統MQTT是一種基于存儲-轉發、代理、發布訂閱的傳輸格式協議，通常適用于有限計算資源或有限帶寬限制的設備。因此，MQTT 具有系統性能受單一節點限制（代理）、系統節點數受限、點對點通信延遲較大等缺點，難以適用于拓撲快速變化的配電網。

DDS（數據分發服務）標準由OMG（對象管理組織）制定，并主要用于分布式系統的實時通信［5］。DDS基本邏輯架構如圖1所示。目前，在軍事領域中被廣泛應用于作戰管理系統、遠洋船舶、車聯網等方面。在電力行業應用方面，美國工業互聯網聯盟將DDS 作為推薦連接框架標準加入工業物聯網白皮書中，而目前國內電力行業除船舶電力外，僅在部分院校有相關研究。相關研究表明，引入DDS 可以有效彌補電力行業工程師信通專業知識的不足，簡化映射實現過程中底層通信映射的實現復雜性［6］。DDS標準涵蓋了核心標準、類型語法和語言映射、應用程序接口、網關等一系列標準，使得DDS 具備不同實現之間的可移植性、互操作性以及QoS（服務質量），適用于小型到大型分布式實時系統，也是目前唯一以數據為中心中間件協議［2］。本文提出了面向新型配電物聯網的DDS 協議，用于高實時、高可靠的電力業務。

圖1 DDS基本邏輯架構

1 DDS 標準及其在新型配電物聯網的適用性分析

目前，主流的通信方式主要有P2P（端對端）、C/S（客戶端/服務器）模式等。前者主要用于電話系統、TCP 連接，具有效率高、速度快的特點，是面向連接的通信，但是缺點也很明顯，系統整體彈性、剪裁性差。后者主要用于文件系統、數據庫、遠端請求，具有以服務為中心，彈性高、擴展性強的特點，也是面向連接的通信，主要缺點是存在單點故障問題，且服務器容易成為系統整體的性能瓶頸。美國工業互聯網聯盟提出工業物聯網連接框架應從系統、數據、性能、彈性、可用性以及操作因素等方面進行考慮。而電力物聯網在工業物聯網之上，還需要注重安全性和魯棒性。

因此，區別于P2P 和C/S 模式，DDS 采用了以數據為中心的DCPS（發布訂閱模式），基本原理如圖2 所示。區別于以設備/應用為中心的概念，在以數據為中心的架構中，端或者應用不需要關心誰生產或消費，只有數據是核心對象。系統中的任何參與方可以在符合要求的條件下交換、存儲、轉換和操作數據，數據本身獨立于生產或消費它的端或者應用。

圖2 DCPS基本原理

數據寫入者、發布者、數據讀取者、訂閱者、主題、數據類型對象等主要實體共同組成了虛擬數據空間。其中基本信息共享單元是主題內的數據類型對象，主題由其名稱標識，數據類型對象由一些“鍵”屬性標識，類似于傳統數據庫中的主鍵概念。同時，DDS 還在各個對象上提供了QoS控制。虛擬數據空間中各發布者或訂閱者通過發布或訂閱由其名稱標識的主題以及關聯的數據類型對象進行通信。訂閱者可以通過QoS 建立指定時間或內容的過濾器，在發布者無需事前設置的情況下，根據訂閱者自身需求告知發布者，進而獲取主題上已發布數據的子集，在減少發布者工作量的同時降低網絡數據流量。同時，不同的虛擬數據空間可以實現邏輯上的完全獨立，即虛擬數據空間之間沒有數據共享，保障了數據有效交換和安全性。同時DDS 采用了單播、組播相結合的方式進行點對點通信，無需通過服務器或者云進行代理通信。

除此之外，DDS還提供了節點動態發現機制。動態發現機制使得整體系統在設計初期無需針對每一節點進行詳細設計以及節點間相關配置，可以在節點間發現時或斷連時自動執行相關動作，在協議層面實現了“即插即用”。因此，動態發現機制使得系統彈性大大增加，并且可以在初期節約開發成本，后期按需擴展。安全性方面，DDS可以提供分布式點到點的身份驗證、訪問控制、機密性和完整性檢查，并且以插件的形式實現，進而在不犧牲實時性能的情況下保證安全性。

綜上所述，DDS 提供了位置、設備和應用三者間的獨立性，允許組件彼此分離，獨立開發和集成，一定程度上實現了軟件定義系統。因此，DDS 非常適合簡化集成工作并減少調試和將系統組件集成的總體工作量和時間。由于數據接口在設計中是標準化的，因此使用DDS 會產生開放式架構，并且組件變得獨立于數據，從而簡化系統開發和演進并提高可重用性，因此DDS 可以很好地支撐大型系統。

2 基于DDS的新型配電物聯網架構設計

傳統配電網的通信架構一般為配電終端通過101/104 標準協議或者私有協議與主站進行通信，101/104 等協議是面向通信而非面向對象的協議，進而導致新設備上線時需要人工對點，并且需要主站和終端維護人員配合，耗時耗力。其次，即使104協議配合IEC 61850標準下，在一定程度上解決了設備間互操作的問題，但是仍然存在終端間信息交互完全依賴主站以及終端側IEC 61850和主站側IEC 61970模型結合困難等問題。因此，本文嘗試設計一種基于DDS 的新型配電物聯網架構，以期解決配電網下終端自注冊以及終端間信息交互等難題。

2.1 基于DDS的新型配電物聯網架構及用例流程

首先，本文設計了如圖3所示的設備自注冊用例流程，并搭建了模擬環境進行了性能測試，如圖4所示。

圖3 設備自注冊用例流程

圖4 測試平臺

其中，模型資源中心用于更新配電網電氣拓撲模型并向聯管理平臺及配電主站進行模型同步；物聯管理平臺用于實現模型融合、監控終端上線、自發現、注冊申請、一二次匹配、下發匹配模型等；配電主站主要用于接受終端三遙數據，進而監控配電網整體情況。

設備自注冊用例流程如下：

1）模型資源中心將配電臺區拓撲同步至物聯管理平臺及配電主站。

2）配電終端采用DDS協議，上電后利用DDS的自發現機制，實現自動在物聯管理平臺進行注冊操作，省去了人工對點操作。

3）管理平臺側根據終端注冊信息與其安裝拓撲位置進行匹配，實現拓撲模型融合。

4）物聯管理平臺將配置好的信息下發至配電終端。

5）配電終端接受到配置信息后開始數據發送工作。

該用例流程硬件采用了樹莓派Pi4B 以及PSL691 數字式線路保護測控裝置作為測試平臺，DDS 產品采用開源的Fast DDS2.4.0 作為測試基礎，并與MQTT 和104 協議在發送數據階段進行對比，其結果如表1所示。

表1 可以得出DDS 在QoS 控制以及發送效率上遠高于其他兩者。

表1 物聯網協議性能對比

其次，本文針對DDS在有線環境、4G環境進行了數據量測試并和104協議進行對比，如表2—4所示。

由表2 可以得出，數據包從1～50 K，平均時延從0.93 ms僅增長到5.5 ms。

表2 不同數據大小下DDS有線性能

表3可以得出，在4G環境下DDS仍可發揮出4G基本性能，50 K數據包下仍有518 ms的平均時延，且幾乎無抖動。

表3 4G環境不同數據大小下DDS性能

表4 可以得出，在用例中傳輸IEC 61850 對象，相同條件內比104 協議多出80 個字節的數據量，而這是可以接受的。

表4 DDS和104協議傳輸數據量測試

此外，本文還測試了DDS 通信故障恢復，在數據發送階段斷開網絡，并在5 s 后再次接入觀察，得出表5所示結果。由表5 可以看出，在斷開后3 s，DDS 自動恢復了通信，而無需人工接入，這一優勢是101/104或MQTT不具備的。

表5 DDS故障恢復測試

2.2 拓撲變化時的用例流程

基于上述用例，本文還設計了當拓撲發生變化時的用例流程，并利用模擬環境進行了測試，如圖5所示。

圖5 當拓撲發生變化時的用例流程

拓撲發生變化時，該用例流程如下：

1）模型資源中心進行模型更新，并告知物聯管理平臺和配電主站模型異動（比如開關拆除）。

2）物聯管理平臺發布模型異動主題消息，使得訂閱該主題的配電終端接受到模型異動告知。

3）發現變化與自身有關的配電終端主動聯系物聯管理平臺，請求更新模型。

4）物聯管理平臺將重新配置好的信息下發至配電終端。

5）配電終端接受到配置信息后重新開始數據發送工作。

以上2 個用例主要采用DDS 協議實現了在新型配電物聯網下配電終端裝置級的即插即用、系統量測和控制參數一次錄入、裝置及主站全面共享；其次，DDS 提供了面向對象的工業物聯網協議應用方案，有望替代101/104 協議傳輸實時數據，同時又可解決多種數據類型的云-邊及對等的邊-邊通信應用問題。

2.3 基于DDS 協議的開放式配電物聯信息架構

為最大發揮DDS 作為運輸層及上層協議標準的優越性，本文進一步提出采用工業物聯網DDS通信協議的開放式配電物聯信息架構，如圖6所示。

圖6 開放式配電物聯信息架構

其中，配電終端到采集終端仍采用101/104協議，配電終端到配電終端及主站采用DDS 協議，并且采用符合61850/CIM 標準的數據類型對象，并以標準插件的形式實現DDS 的安全加密，兼容TLS/TSL等國內主流加密模式。該架構中的配電終端及主站均可同時作為發布者和訂閱者，主題隨業務需要制定。

在新型電力系統配電物聯網中，DDS 發布者為配電終端，DDS 訂閱者為主站側，采用IEC 61850 的BreakerReadingProfile 等數據類型，運輸模式可采用TCP 或UDP 模式，并采用高可靠QoS，例如RELIABILITY、DEADLINE 等時效性QoS。在此配置下，即使底層通信斷連，待通信恢復后，斷連時間內的數據仍可以自動通過DDS 的機制傳輸至主站，而無需應用側關心，并且當其他業務需要此信息時只需要訂閱該主題，而無需對發布者進行任何改動。

當配電終端上電并自動啟動DDS 和訂閱主題后，主站側即可通過DDS 自動發現機制感知配電終端上電，通過人工匹配終端和圖模關聯即可發布關聯信息文件至新配電終端及其他在運終端，避免了人工對點，實現了整網關聯關系自動更新和匹配工作。

3 結語

針對新型配電物聯網的時效性、可靠性要求，本文分析了DDS 在配電物聯網的適用性，并設計了面向新型配電物聯網的開放式配電物聯信息架構。通過在配電終端接入場景下的實驗可以發現，DDS 協議在實時性、安全性、可靠性方面均有較好的性能指標。下一步，將研究基于DDS 的軟件定義配電終端，最終實現配電終端軟件定義、自描述、自注冊、自動適配拓撲等高級智能化應用。