基于實時物聯網通信協議的智能配電終端即插即用與互操作測試

趙連強，張燁華，任歡歡，江 櫻，王 凌，楊小蓮

（1.易源士創信息科技（南京）有限公司，南京 210019；2.國網浙江省電力有限公司信息通信分公司，杭州 310020）

0 引言

近年來，隨著智能電網建設的深入開展，信息模型建模技術、物聯網通信技術等新技術在新型配電系統建設中得到了初步應用，國內外眾多研究機構針對基于面向對象建模和物聯網通信協議的智能配電終端即插即用相關應用開展了諸多研究。

文獻［1］基于IEC 61850 面向對象、分層分布的思想從相對宏觀的角度提出了配電自動化終端即插即用體系。文獻［2-4］提出了IEC 61850 應用于配電自動化系統的信息模型以及IEC 61850 到XMPP（可擴展消息和在線表示協議）的映射實現，建立了配電自動化信息模型和即插即用方法。文獻［5］提出了基于IEC 61850/IEC CIM信息模型和DDS（數據分發服務）通信協議的中壓配電終端即插即用技術方案，實現了裝置級即插即用，與傳統終端相比，實現了配電終端面向對象信息模型的標準化，不僅降低了現場調試運維工作量，還節省了主站側點表與模型轉換工作，并支持電力大數據分析。另外，美國公用事業巨頭杜克能源公司聯合電力行業知名合作伙伴推出了一種稱為OpenFMB（開放式現場消息總線）的技術。該標準采用IEC 61850面向對象建模思想及工業物聯網通信協議，實現了配電網智能終端、表計等智能設備的即插即用接入及邊緣計算［6］。

基于面向對象信息模型和物聯網通信協議的研究促進了配電終端即插即用和互操作能力的提升，但目前對于即插即用和互操作能力測試方面的研究相對較少?，F有的中壓配電終端測試技術方案大多基于傳統的IEC 101/104協議，無法適用于基于物聯網通信協議的智能配電終端的檢測，導致智能配電終端應用過程中缺乏即插即用與互操作能力測試手段，工程實踐中只能進行簡單聯動測試，或者花費大量人力物力進行檢測。

針對上述問題，本文提出了基于DDS 的中壓配電網智能配電終端即插即用與互操作測試架構，以智能配電終端設備為測試載體，以DDS 功能規范為標準，提出了基于物聯網通信協議的智能配電終端的功能接口和交互性能測試架構，并對不同廠家的配電終端進行了簡單的即插即用和互操作測試。通過該測試方案，實現了支持DDS 通信協議的智能配電終端即插即用和互操作能力測試，同時也支持擴展其他物聯網通信協議配電終端測試，為智能配電終端的推廣應用提供了測試保障，可有效降低現場新投運設備故障率。該測試方案在江蘇部分地市公司得到實踐應用，明顯提升了智能配電終端一次投運成功率。

1 新型配電系統通信中間件

1.1 概述

與新型配電系統應用的通信中間件要求一樣，智能配電終端測試平臺通信中間件也應考慮實時控制的特殊要求，開關遙控、終端間聯跳、閉鎖控制等需要低數據延遲來支持快速控制動作并保持穩定性。通信中間件還應提供多樣的QoS（服務質量）控制策略，以滿足配電終端設備不同數據類型的不同需求。中間件應了解數據類型和要求，以便為每種數據類型提供正確的優先級。另外，通信可靠性在實時應用中至關重要，中間件實現還應避免通信網絡中的瓶頸和單點故障。

新型配電系統的主要挑戰之一是諸如電動汽車、微電網等不同設備和系統的動態參與。通信中間件應提供處理動態參與者節點和新節點自動發現功能的方法。通信和電力網絡拓撲應該具有在災難性或緊急情況下改變的能力，自動發現和動態參與功能將支持分布式控制系統的重新配置?，F代電網很容易受到未來擴展的影響，因此，使用的中間件和通信基礎設施應該能夠處理這些新的擴展，無需重新設計或修改已實施的協議即可完成擴展過程。此外，通信中間件必須提供標準的通信接口，以確保不同供應商和設備之間的互操作性。為保證系統運行的可靠性，通信網絡應該通過適當的加密和認證機制來保護。中間件應提供嵌入在實現中的安全功能，以保護數據交換并防止更改數據或侵犯客戶隱私。

通信中間件可以分為以消息為中心的和以數據為中心的兩大類，兩者之間的區別和選擇標準將在以下小節中簡要討論。

1.2 以消息為中心的通信中間件

以消息為中心的通信中間件的數據交換基于定義一組消息和數據格式以支持預期的數據類型和使用場景，這些消息是預定義并嵌入在節點中的。通信中間件沒有關于消息內容或數據類型的信息，因此消息解析、數據過濾和完整性檢查是在應用程序級別完成的。每個節點都必須負責確保它接收到的數據類型的正確性，以避免任何不匹配導致應用程序出現故障。

以消息為中心的通信中間件在應用程序級別實現消息解析和完整性檢查，將更多的責任放在控制應用程序開發人員身上，這使得開發更加復雜和耗時。在應用層過濾感興趣的數據會導致網絡利用率低下，浪費帶寬并在應用處理器上增加額外的處理開銷。

當擴展需要定義新的數據類型或操作場景時，使用一組預定義的消息會對系統的可擴展性造成一些限制。由于消息處理是在應用程序級別完成的，因此消息格式或數據類型的任何更改都需要對應用程序進行重大更改。使用以消息為中心的中間件會增加應用程序的復雜性并降低整體系統的可靠性。

1.3 以數據為中心的通信中間件

采用以數據為中心的通信中間件，應用程序開發時只處理感興趣的數據類型，而不關心消息結構或網絡細節。系統狀態變化時由中間件直接構建消息，消息結構直接來自系統數據模型。以數據為中心的架構在中間件級別執行所有消息解析、數據過濾和完整性檢查，以確保向所有節點傳遞正確的數據類型和系統狀態。

與傳統的以消息為中心的方法相比，這種方法提供了更多功能。將消息處理職責從應用程序層轉移到中間件層，不僅簡化了應用程序開發，而且減少了不同應用消息解析導致的解析結果錯誤數量，提高了系統可靠性。而且，在中間件實施數據過濾可以更優化地利用網絡帶寬。由于消息是由中間件創建的，因此通信中間件知道消息內容和數據類型，從而可以根據數據類型分配不同的QoS、優先級和安全級別。

由于中間件負責所有消息處理任務，而應用程序只關心數據對象，因此添加新的數據類型不需要修改現有應用程序。此功能對于可擴展系統至關重要。圖1描述了兩種中間件，左側以消息為中心，右側以數據為中心。

圖1 通信中間件的功能

2 DDS通信中間件

智能配電終端即插即用與互操作測試架構應提供靈活且可擴展的軟硬件環境，以連接不同的系統組件并實時交換信息。為了滿足測試架構的硬實時性和可擴展性要求，智能配電終端即插即用與互操作測試架構選擇了DDS 通信中間件。DDS 使用沒有消息代理的發布-訂閱方案，簡化了不同節點之間的通信。此外，DDS 是以數據為中心的中間件，有助于保持對算法和控制開發的關注，而不是關注通信和數據傳遞問題。以數據為中心的方法還允許將不同的QoS 配置文件分配給單個數據類型。

2.1 DDS通信中間件特點

所提出的智能配電終端即插即用和互操作測試框架利用了以數據為中心的DDS 通信中間件。DDS 具有獨特的功能，可通過以數據為中心的通信改進新型配電系統通信，具體如下：

1）DDS 將消息構造、消息解析、數據過濾和驗證從應用程序轉移到中間件。將消息構建過程從應用程序轉移到中間件以提高系統的可擴展性，并且可為新的操作場景添加新的數據類型，而無需修改現有的應用程序。中間件執行消息解析和數據過濾，簡化了開發新型配電系統控制應用程序的任務，而無需擔心消息結構、錯誤檢查或網絡細節，因為這些任務都將由中間件完成。

2）DDS 利用實時發布-訂閱模式，無需消息代理即可實現“邊-邊”“邊-云”通信。各發布者和訂閱者通過發布和訂閱主題信息以及關聯的數據對象類型進行通信，在降低網絡數據流量的同時保證了數據交互的有效性和安全性［7］。這種通信方案通過避免單點故障提高了新型配電系統的可靠性，為分布式控制應用提供了更合適的環境。

3）DDS 支持自動發現新加入的設備及其數據結構，此功能允許網絡節點的動態參與，無需復雜配置，在協議層面實現了即插即用［12］。

4）與其他通信方法不同，DDS 可以為每種數據類型應用不同的QoS，從而提供更靈活的通信管理并引起可預測的行為。DDS 提供多達23 種QoS 配置策略，為分布式實時系統中的數據傳輸提供松耦合、高性能、高可靠和可擴展的解決方案［9］。

5）DDS實現定義了全面的安全模型和SPI（服務插件接口）架構。DDS 提供標準化的身份驗證、加密、訪問控制和日志記錄功能，可在物聯網系統中實現端到端的安全數據連接［7］。DDS 安全使用分散的點對點架構，在不犧牲實時性能的情況下提供安全性。

6）DDS通信中間件采用RTPS（實時發布訂閱協議）確保了互操作性、實時性、安全性和新服務的自動發現。此外，DDS中間件的標準API（應用程序接口）還提供了與不同仿真和分析軟件集成所需的工具，并支持多種編程語言，如C、C++和JAVA［7］。

2.2 智能配電終端測試建模

基于以數據為中心的通信中間件，實施DDS需要為系統定義數據模型。該數據模型定義了數據的結構及其在物理硬件對象之間的關系。參照IEC TS 62361-102《電力系統管理和相關信息交換-長期的互操作性》［8］，可實現IEC 61850與IEC CIM之間模型融合，并結合DDS通信中間件信息要求，可建立xml格式信息模型［5］。例如，定義智能FTU（饋線終端）相關主題內容如圖2所示。

圖2 智能FTU相關主題

部分主題信息說明：

：開關測量信息

：開關狀態信息

：開關保護信息

：開關告警信息

：開關遙控請求

：開關遙控響應

：配電終端遙測信息

：配電終端遙信信息

：拓撲服務

：配電終端更新服務

：配電終端注冊服務

其中，圖3為開關測量主題相關數據對象示例。

圖3 開關測量主題相關數據對象

2.3 QoS配置策略

完成智能配電終端測試平臺數據模型定義之后，定義用于交換數據的QoS 非常重要。由于DDS 是一個內容感知中間件，它允許為每種數據類型附加不同的QoS 策略，并以不同的方式處理每種類型，而不是對整個數據流應用相同的QoS策略。用戶可以創建自定義QoS 配置文件來控制每個應用程序的數據交換。此功能有助于實現具有大量節點和不同通信要求的可預測網絡行為。QoS 策略定義了一組不同的規則，用于控制基礎設施如何發送和處理數據。這組規則定義如下：

1）數據可用性

數據可用性規則控制最近加入的訂閱者的數據可用性。此規則可以設置為volatile（易失性）或unvolatile（非易失性）選項。如果數據可用性設置為volatile，則當任何發布者發布或更新任何數據時，所有當前訂閱者都將在更新實例處收到更新的數據。在更新實例之后加入網絡的任何訂閱者都將無法接收到最后一次更新。此選項適用于周期性變化的數據，例如電壓和電流測量數據更新頻繁，舊數據在短時間內失去其重要性。

2）生命周期

生命周期規則定義了舊數據的有效期。DDS通信中間件將刪除超過定義壽命的非易失性數據。此QoS 規則確?？刂茟贸绦虿粫谂f的無效數據進行交互。

3）延遲預算

此規則允許定義延遲敏感數據的優先級。具有低延遲預算的數據將在具有較高延遲預算的數據之前發送。保護相關數據始終設置為最低延遲預算，電能質量數據、電能計量數據可設置為最高延遲預算。

4）通信方式

在單播通信中，發布者為每個訂閱者節點發送一份數據副本，如圖4（a）所示，用于發送數據的帶寬將隨著訂閱數據的節點數量的增加而線性增加。這種通信方式適用于本地高速網絡，配置簡單，但在考慮通過WAN（廣域網）或低速通信線路傳輸測量數據時，不是理想的方式。

對于多個訂閱者請求的數據，最好使用多播通信方案。在多播通信中，發布者只為遠程訂閱者發送一份數據副本，如圖4（b）所示。在接收端，路由器會將數據的副本轉發給每個訂閱者。為了對某些數據使用多播通信方案，必須對這些數據應用多播QoS策略。

圖4 通信方式

其他QoS 配置策略不再一一介紹，具體可參考OMG（對象管理組織）發布的DDS 相關技術標準［7］。智能配電終端即插即用與互操作測試QoS配置策略見表1。

表1 智能配電終端即插即用與互操作測試QoS配置策略

2.4 即插即用與互操作測試架構

基于DDS 的智能配電終端即插即用與互操作測試平臺以配電終端設備為測試載體，以DDS 功能規范為標準，對基于DDS通信的智能配電終端的功能接口和交互性能進行測試。通過配電終端設備的功能接口，可實現對配電終端設備信息交互過程中功能一致性的測試，也為數據一致性測試提供了入口和技術支撐，其總體架構包括測試引擎、編解碼模塊、平臺適配器、被測系統及設備適配器、測試模型配置模塊等部分，簡要框圖如圖5所示。

圖5 智能配電終端即插即用與互操作測試架構

3 測試用例

基于上述智能配電終端即插即用與互操作測試架構，開發了基于DDS 的智能配電終端測試管理系統，并提供如圖6 所示的Web 界面供測試工程師操作使用。

圖6 智能配電終端測試管理系統Web界面

3.1 即插即用測試

即插即用測試流程如圖7所示，從配電終端的接入完成自發現開始，再到注冊服務測試、拓撲同步測試、三遙等基本交互功能測試，另外可以選做參數定值配置測試、保護功能測試、故障錄波功能測試等內容，最后到測試報告的生成，完成全部測試。

圖7 智能配電終端即插即用測試流程

自發現服務測試用于測試即插即用智能終端與測試系統之間的動態發現服務功能與性能指標。當配電終端添加到網絡時應主動發布發現消息，測試管理系統收到發現消息后解析終端發現消息，發現消息包含配電終端設備基本信息，如終端類型、唯一標識符、終端可用狀態等。

注冊服務測試要求即插即用智能配電終端接入網絡并完成設備自發現后，應進行關聯配置文件信息檢查，如無關聯配置文件、關聯配置文件中終端ID信息與實際不符、開關ID與圖模文件不匹配、圖模文件損壞或丟失，應主動發送注冊消息；否則不應再次發送注冊消息。終端運行過程中收到重新發起注冊控制指令時應正確響應，重新發送注冊消息。

關聯配置功能測試要求智能配電終端測試管理系統收到終端注冊消息后，應能完成一、二次設備關聯配置操作，終端應能正確解析收到的關聯配置文件并上送一次開關相關信息。

完成一、二次設備關聯配置操作后，拓撲同步功能應能將饋線組拓撲文件主動同步到智能配電終端。為支撐智能分布式饋線自動化、負荷轉供等高級應用，將具有直接或間接聯絡關系的饋線劃分為同一饋線組，利用DDS 中間件Partition動態分組機制，實現饋線組圖模分區持久化管理測試，確保圖模更新后將最新拓撲文件自動同步給饋線組內所有終端設備。

完成上述即插即用基礎內容測試后，可進行不同Qos 配置策略下的“三遙”數據交互驗證，即插即用功能正確性及QoS 策略測試，如數據可用性、傳輸可靠性、生命周期等。例如，當遙信數據QoS reliability設置為RELIABLE時，模擬網絡波動遙信報文丟失的情況，DDS 中間件應啟動重發機制確保訂閱者收到遙信變位信息；而遙測數據QoS reliability應設置為BEST_EFFORT，則報文丟失時不再重發。遙控報文應設置lifespan 參數，當終端收到遙控命令超出生命周期時，遙控命令應直接丟棄，避免運維結束后投運或網絡故障后恢復引起開關誤動。

另外，可根據測試需求選擇進一步進行參數定值配置、保護功能、故障錄波文件召喚等應用功能測試。

3.2 含閉鎖邏輯的終端控制互操作測試

本次測試使用兩家不同廠家生產的即插即用配電終端進行初步互操作測試，兩者均采用基于IEC 61850和IEC CIM信息模型融合實現的統一即插即用接口庫開發，從根本上保證了兩者良好的靜態互操作能力，本文不再詳述。本文主要對動態互操作能力開展初步測試，以智能分布式FA（饋線自動化）配電終端間閉鎖、聯跳等內容為例，本次互操作測試的成功執行，為不同廠家配電終端設備配合實現智能分布式FA等高級應用提供了技術支撐。

由于目前應用較多的4G無線公網不支持“邊-邊”設備通信，在實驗室有線局域網環境下利用配電終端、模擬開關、測試工作站、測試服務器等設備搭建測試環境。實際工程應用中應緊密跟進5G MEC（多接入邊緣計算）網關的發展和商用情況，以及未來新興電力業務提出新的通信需求，逐步開展5G電力邊緣計算相關應用。

測試采用DDS 報文實現含閉鎖邏輯的完整控制過程互操作試驗，以開環架空線分布式FA拓撲為例，廠家A 配電終端FTU1 安裝于開關S1 處，廠家B 配電終端FTU2 安裝于開關S2 處，如圖8所示。

圖8 開環架空線路分布式FA［5］

測試部分關鍵步驟如下：

1）分別預配置廠家A配電終端FTU1、廠家B配電終端FTU2，包括保護功能啟動及動作信號的主題發布與訂閱配置、閉鎖及聯跳邏輯應用等。

2）使用繼電保護測試儀給終端FTU1、FTU2同時施加故障電流，模擬FTU1、FTU2之外的故障F2。終端FTU1 保護功能啟動且收到下游終端FTU2保護功能啟動信號，終端FTU1閉鎖保護功能跳閘，開關不動作；終端FTU2 保護功能啟動且未收到下游其他終端發送的保護啟動信號，判斷故障發生在終端FTU2下游，保護動作并跳閘。

3）使用繼電保護測試儀給終端FTU1 施加故障電流，模擬FTU1、FTU2 之間的故障F1。終端FTU1 保護啟動且未收到下游終端FTU2 保護功能啟動信號，終端FTU1 保護動作并跳閘，并向下游終端FTU2 發送聯跳信號；終端FTU2 未檢測到故障電流但收到上游終端FTU1聯跳信號，終端FTU2動作跳閘。

上述互操作測試流程如圖9 所示，測試過程中，由于DDS 中間件知道消息內容和數據類型，所以可直接判斷消息內容驗證測試結果，DDS 通信中間件的高可靠性、易于集成及可擴展性為測試實現提供了極大便利。

圖9 含閉鎖邏輯的終端控制互操作測試流程

4 工程應用情況

基于本測試架構開發的配電終端測試管理系統在江蘇某地區供電公司即插即用示范工程中開展了初步應用。項目安裝施工前進行了支持即插即用的智能配電終端集中測試，測試系統網絡部署如圖10所示。

圖10 示范工程應用測試系統網絡部署

此次測試共完成25 套智能配電終端基本功能測試，發現各類問題5項，主要包括終端配置錯誤1 次、注冊異常2 次、硬件性能問題1 次、保護功能應用問題1次。問題整改后全部通過測試，項目全部一次投運成功，投運后持續運行2個月無故障發生，為項目順利執行提供了有力支撐。此次配電終端測試管理系統的現場示范應用，無需人工配置點表，減少了大量現場調試運維工作量，大大提升了智能配電終端設備接入效率。

5 結語

本文針對新型配電系統建設過程中智能配電終端即插即用和互操作測試能力缺乏的問題，提出了支持物聯網通信協議的智能配電終端整體測試架構，開展了基于DDS 通信的配電終端即插即用新特性測試，并進行了部分互操作能力測試。研究成果在示范工程開展了初步應用，有效保證了工程進度及質量。

通過建立智能配電終端即插即用與互操作測試平臺，對信息交互過程中利用的接口、數據一致性進行測試，保證配電終端數據信息的可靠性和互操作性，可進一步規范配電自動化設備檢測和現場運行檢驗工作，確保配電自動化設備的互操作性及配電自動化系統的運行穩定性。