歐陽衛(wèi)年,趙瑞鋒,盧建剛,黎皓彬
(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局,廣東 佛山 528322;2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心,廣東 廣州 510062)
虛擬電廠(virtual power plant,VPP)可在不改變分布式電源(distributed energy resources,DER)并網(wǎng)形式的前提下,通過量測、通信等技術(shù)進(jìn)行DER的跨區(qū)域聚合,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)整體利益最大化。但DER分布廣泛、通信手段多樣[1]。為有效解決不同權(quán)屬DER間的通信和安全問題,需建立DER監(jiān)控系統(tǒng)信息和通信服務(wù)模型,以實(shí)現(xiàn)不同權(quán)屬DER間的互聯(lián)互通,以及VPP對DER的有效監(jiān)控。
IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)通過對信息模型和通信服務(wù)映射進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,以實(shí)現(xiàn)DER監(jiān)控設(shè)備間的互聯(lián)互通,從而滿足VPP對不同權(quán)屬DER的監(jiān)控管理需求。文獻(xiàn)[2]針對DER的信息交互,基于IEC 61850-7-420設(shè)計(jì)了DER通信及控制通用接口。文獻(xiàn)[3]研究了DER的IEC 61850信息模型在調(diào)度主站公共信息模型(common information model,CIM)中的擴(kuò)展,以便DER的運(yùn)行調(diào)度。文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]研究了基于IEC 61850的源端維護(hù)技術(shù)和考慮VPP的DER配置電能優(yōu)化模型,以便設(shè)備運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)化。但以上研究成果均未解決DER監(jiān)控終端模型問題。
針對通信服務(wù):配電網(wǎng)常采用的協(xié)議制造報(bào)文規(guī)范(manufacturing message specification,MMS)和IEC 60870-5-101/104均未有效解決通信安全問題;物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議(message queuing telemetry trun sport,MQTT)實(shí)現(xiàn)相對復(fù)雜;超長文本傳輸協(xié)議(hyper text transport protocol,HTTP)實(shí)時(shí)性較差[6]。為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)終端設(shè)備安全的互聯(lián)互通,IEC TC57工作組制定了關(guān)于可擴(kuò)展通信和表示協(xié)議(extensible message and precence protocol,XMPP)的IEC 61850-8-2協(xié)議。文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[8]針對XMPP的映射方法和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。但XMPP在配電網(wǎng)的DER監(jiān)控系統(tǒng)中的具體應(yīng)用仍有待進(jìn)一步研究。
本文通過對DER監(jiān)控的功能通信需求進(jìn)行分析,基于IEC 61850-7-420標(biāo)準(zhǔn)建立了DER監(jiān)控終端的信息模型,采用內(nèi)置傳輸層安全協(xié)議(transport layer seaurity,TLS)和簡單的身份驗(yàn)證安全層協(xié)議(simple authertication security layer,SASL)、安全機(jī)制的XMPP協(xié)議實(shí)現(xiàn)DER監(jiān)控設(shè)備的安全通信應(yīng)用,以滿足不同電力企業(yè)的互聯(lián)互通需求。本文通過搭建試驗(yàn)測試系統(tǒng),對XMPP的傳輸性能進(jìn)行了驗(yàn)證。
DER是指容量為250 kVA~10 MVA,將冷熱電等各種能源集成的小范圍、分散分布的配電網(wǎng)小型發(fā)電系統(tǒng)。在中低壓配電網(wǎng)中,DER的容量一般不超過10 MVA[9]。
配電網(wǎng)通過VPP實(shí)現(xiàn)對分散的DER的統(tǒng)一調(diào)度。正常運(yùn)行時(shí),VPP可定期接收所采集的數(shù)據(jù)(例如DER的電壓、電流及其他數(shù)據(jù)等),同時(shí)通過先進(jìn)的通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對分散的DER的高效聚合和協(xié)調(diào)優(yōu)化利用。當(dāng)DER運(yùn)行異常或?yàn)楣聧u狀態(tài)時(shí),VPP將下發(fā)控制命令,使并網(wǎng)點(diǎn)或公共連接點(diǎn)處的開關(guān)斷開,從而避免配電網(wǎng)出現(xiàn)拒動(dòng)、誤動(dòng)的情況。若監(jiān)測數(shù)據(jù)恢復(fù)到正常,DER監(jiān)控系統(tǒng)需在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)與控制中心通信,請求恢復(fù)DER的并網(wǎng)。
國家電網(wǎng)公司對DER接入配電網(wǎng)提供了規(guī)范要求,規(guī)定了DER正常運(yùn)行時(shí)在并網(wǎng)點(diǎn)的電壓值和頻率的標(biāo)準(zhǔn)值。若超出標(biāo)準(zhǔn)值,應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求完成保護(hù)動(dòng)作。當(dāng)頻率超過50.5 Hz時(shí),應(yīng)立即停止向配電網(wǎng)送電。當(dāng)電壓和頻率恢復(fù)正常值后,380 V電壓等級(jí)DER需大于20 s后才可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。而針對10(6)~35 kV的電壓等級(jí)的并網(wǎng)需請求調(diào)度機(jī)構(gòu)。
DER終端設(shè)備數(shù)量多。不同的電力企業(yè)和電力能源供應(yīng)商通過對基于串口通信的規(guī)約進(jìn)行擴(kuò)展,以滿足具體的應(yīng)用要求。因各廠家對規(guī)約的自身理解各不相同,造成同一廠家或不同廠家的設(shè)備之間私有的信息模型和通信機(jī)制難以實(shí)現(xiàn)信息交換和協(xié)同操作,且無法互操作。為有效實(shí)現(xiàn)VPP對DER監(jiān)控終端的監(jiān)控管理,需建立標(biāo)準(zhǔn)的信息模型和規(guī)范的服務(wù)映射。
信息建模通用技術(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的基礎(chǔ)。
IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)通過對功能的分解,建立相應(yīng)功能的邏輯節(jié)點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化變電站,以及大型水電廠、DER的信息模型的標(biāo)準(zhǔn)化。但信息建模通用技術(shù)在配電自動(dòng)化中的具體應(yīng)用仍需進(jìn)一步研究。
DER監(jiān)控系統(tǒng)分為主站層、終端層和電源層。主站層為基于DER的VPP,對DER監(jiān)控系統(tǒng)獲取的終端數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,并通過對DER設(shè)備下達(dá)開關(guān)控制命令實(shí)現(xiàn)DER的并網(wǎng)與退網(wǎng)。終端層主要指DER監(jiān)控終端,接收來自各類傳感器、檢測儀等匯集的數(shù)據(jù),對下可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成,對上可執(zhí)行VPP下發(fā)的控制命令。電源層主要包括各類DER。
若DER出現(xiàn)異常,參與DER的故障隔離與恢復(fù)功能實(shí)現(xiàn)的角色包括DER保護(hù)裝置(DER和配電網(wǎng)間的連接保護(hù))、DER監(jiān)控終端和VPP。故障處理與恢復(fù)時(shí)序如圖1所示。正常運(yùn)行時(shí),DER按時(shí)上送電流、電壓信號(hào)。當(dāng)DER監(jiān)控終端檢測到異常數(shù)據(jù)時(shí),VPP通過內(nèi)部決策發(fā)布控制命令將開關(guān)斷開,以切除相應(yīng)的故障DER。待再次檢測到數(shù)據(jù)正常時(shí),恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 故障處理與恢復(fù)時(shí)序圖
VPP根據(jù)功能主要分為技術(shù)型和管理型。管理型VPP為其管轄的區(qū)域的用戶提供相應(yīng)的服務(wù),例如用電查詢和分時(shí)收取電費(fèi)等。通過電價(jià)激勵(lì)用戶錯(cuò)峰用電,減少電能浪費(fèi)和用電成本等。技術(shù)型VPP通過通信映射技術(shù),監(jiān)控管轄區(qū)域的DER設(shè)備,獲取其管轄區(qū)域的DER數(shù)據(jù)(如電壓、電流等)。通過對獲取的DER數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,可實(shí)現(xiàn)對DER設(shè)備的聚合管理。VPP通過對DER設(shè)備自身的狀態(tài)信息和規(guī)劃發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行分析評估,可以實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)的削峰填谷;同時(shí),也可以作為主網(wǎng)的緊急備用,對調(diào)節(jié)主網(wǎng)的穩(wěn)定性也有重要的作用。
配電網(wǎng)通過新建或擴(kuò)展邏輯節(jié)點(diǎn)的方式來滿足不同功能的需求,實(shí)現(xiàn)信息模型的統(tǒng)一。不同的功能采用不同的邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。IEC 61850-7-420中定義了DER相關(guān)的邏輯節(jié)點(diǎn)。邏輯節(jié)點(diǎn)可根據(jù)DER監(jiān)控終端的功能進(jìn)行相應(yīng)組合。例如:電氣連接點(diǎn)(electrical connection point,ECP)由DER在公共連接點(diǎn)處的特性(common features of DER devices at each ECP,DCRP)、DER在電氣連接點(diǎn)處的運(yùn)行權(quán)限(DER controls the operation of the device at each ECP,DOPA)、DER在電氣連接點(diǎn)處的運(yùn)行特性(DER running characteristics at ECP,DOPR)等組成;DER單元控制器由DER控制器特征(DER unit controller characteristics,DRCT)、DER控制器狀態(tài)(DER unit status,DRCS)、DER控制器監(jiān)控(control action of DER unit,DRCC)等組成。邏輯節(jié)點(diǎn)的具體描述在IEC 61850-7-420中定義。
為滿足DER監(jiān)控功能需求,IEC 61850-7-420通過擴(kuò)展或新建邏輯節(jié)點(diǎn)的方式建立了燃料電池、光伏系統(tǒng)等與DER相關(guān)的邏輯節(jié)點(diǎn)。DER監(jiān)控系統(tǒng)通過監(jiān)控DER設(shè)備的ECP和DER單元控制器實(shí)現(xiàn)對DER的監(jiān)控。相關(guān)邏輯節(jié)點(diǎn)通過屬性實(shí)現(xiàn)不同的功能。例如:DOPA.DEROpMode屬性表示運(yùn)行模式的授權(quán)等。
通過對應(yīng)用功能的分解,本文選用基于IEC 61850-7-4的基本邏輯節(jié)點(diǎn)和DER相關(guān)的邏輯節(jié)點(diǎn)(定義于IEC 61850-7-420),實(shí)現(xiàn)了對DER監(jiān)控終端的信息模型建立。DER監(jiān)控終端信息模型如圖2所示。

圖2 DER監(jiān)控終端信息模型
由圖2可知,DER監(jiān)控終端的功能包括傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition,SCADA)功能、保護(hù)相關(guān)功能等。根據(jù)功能,邏輯設(shè)備主要分為DER單元控制器邏輯設(shè)備、SCADA測控邏輯設(shè)備和保護(hù)邏輯設(shè)備等。通過DER監(jiān)控終端系統(tǒng)對ECP和DER單元控制器邏輯設(shè)備的監(jiān)控,保證配電網(wǎng)的安全運(yùn)行[10]。
為實(shí)現(xiàn)不同廠家的DER終端設(shè)備的兼容,通過分解應(yīng)用功能,選用相應(yīng)功能的邏輯節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)信息對象模型的統(tǒng)一。但DER監(jiān)控終端需通過規(guī)范的映射機(jī)制才可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通和互操作。
XMPP是基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言(eXtensible markup language,XML)的開源實(shí)時(shí)通信協(xié)議,可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。XMPP內(nèi)置的安全協(xié)議可保證通信安全。目前,已在IEC 61850-8-2完成XMPP的標(biāo)準(zhǔn)化,但如何將其運(yùn)用于配電網(wǎng)中仍需研究。
DER監(jiān)控終端采用XMPP協(xié)議進(jìn)行通信映射時(shí),XMPP客戶端和XMPP服務(wù)器間需建立雙邊應(yīng)用關(guān)聯(lián)。XMPP客戶端和XMPP服務(wù)器通信前需建立傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際互連協(xié)議(trasmission control protocol/Internet protocol,TCP/IP),連接并開啟XML流,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。TCP連接建立后,為保證映射安全,XMPP客戶端和XMPP服務(wù)器間需完成基于網(wǎng)絡(luò)傳輸層安全(trunsport layer security,TLS)的StartTLS協(xié)商。XMPP客戶端和XMPP服務(wù)器實(shí)現(xiàn)安全認(rèn)證后,將通過通信獲得唯一的標(biāo)志符(jabber identifier,JID)。XMPP的通信流程如圖3所示。

圖3 XMPP的通信流程
XMPP在DER監(jiān)控系統(tǒng)中使用客戶端/服務(wù)器和服務(wù)器/服務(wù)器的模式。XMPP在DER監(jiān)控系統(tǒng)中的通信架構(gòu)如圖4所示。DER監(jiān)控終端是XMPP客戶端和IEC 61850服務(wù)器角色。VPP作為DER的虛擬管理中心同時(shí)擔(dān)任XMPP客戶端、IEC 61850服務(wù)器和IEC 61850客戶端這3種角色。而調(diào)度控制中心則是XMPP客戶端和IEC 61850客戶端角色。XMPP需通過XMPP服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)才可實(shí)現(xiàn)不同客戶端之間的信息傳輸。映射時(shí),在XML流將傳輸?shù)男畔⒎庋b為

圖4 XMPP在DER監(jiān)控系統(tǒng)中的通信架構(gòu)
XMPP映射有直接映射和MMS-XMPP映射2種方法[8]。在映射時(shí),通過消息的確認(rèn)機(jī)制和心跳機(jī)制保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸;同時(shí),通過會(huì)話標(biāo)志和消息序號(hào)屬性來檢測通信時(shí)數(shù)據(jù)是否丟包,從而保證發(fā)送者和接收者之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
XMPP根據(jù)服務(wù)類型的不同,將請求響應(yīng)類服務(wù)、主動(dòng)推送類服務(wù)和在線狀態(tài)等信息分別映射至XMPP的
為保證DER監(jiān)控系統(tǒng)的通信安全,需要對XMPP的客戶端到服務(wù)器和服務(wù)器到服務(wù)器實(shí)行有效的安全防護(hù)。XMPP通過內(nèi)置的TLS和SASL這2種安全機(jī)制,以保障XMPP通信的安全。其中,TLS位于傳輸層,主要用于通信通道的加密。TLS本身分為2層,上層用于安全認(rèn)證,下層通過密碼組、證書認(rèn)證、數(shù)據(jù)加解密和防止竊聽等功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩ASL提供身份驗(yàn)證和數(shù)據(jù)安全服務(wù),具備多種認(rèn)證機(jī)制,例如通用安全服務(wù)應(yīng)用程序接口(generic security services application program interface,GSSAPI)、1個(gè)簡單的明文密碼(a simple clear text password,PLAIN)機(jī)制。XMPP通過SASL抽象層的接口實(shí)現(xiàn)對各種認(rèn)證機(jī)制的使用。SASL可通過授權(quán)身份標(biāo)志符判斷客戶端的身份。當(dāng)標(biāo)志符為空時(shí),表示服務(wù)器與客戶端相關(guān)聯(lián);否則,客戶端為相應(yīng)字符串表示的身份。SASL也提供驗(yàn)證機(jī)制進(jìn)行身份驗(yàn)證,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性和保密的安全服務(wù)。故通過內(nèi)置的TLS和SASL安全機(jī)制,可保證XMPP信息傳輸?shù)陌踩?/p>
為驗(yàn)證XMPP傳輸信息模型和進(jìn)行服務(wù)映射時(shí)的實(shí)時(shí)性,搭建的XMPP測試系統(tǒng)如圖5所示。XMPP測試系統(tǒng)由8臺(tái)SICOM3000以太網(wǎng)交換機(jī)、1臺(tái)路由器、9臺(tái)計(jì)算機(jī)以及相關(guān)軟件組成。PC1中安裝即時(shí)通信服務(wù)器Openfire模擬XMPP服務(wù)器。PC2~PC7用于模擬XMPP客戶端,即DER監(jiān)控終端。測試時(shí):在PC4和PC5間通信測試XMPP的傳輸延時(shí);PC8和PC9用于制造網(wǎng)絡(luò)背景流量;其余計(jì)算機(jī)模擬在線的用戶。通過Web頁面可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的管理和配置,其支持上萬終端的同時(shí)在線。試驗(yàn)測試系統(tǒng)中模擬了513個(gè)在線用戶,程序開發(fā)基于Smack類庫,XMPP客戶端采用Java編程。

圖5 XMPP測試系統(tǒng)
圖5中,使用XMPP傳輸數(shù)據(jù)對象時(shí),需結(jié)合數(shù)據(jù)的類型和服務(wù)參數(shù)形成XML多層定義標(biāo)簽封裝數(shù)據(jù)。內(nèi)置的TLS和SASL安全機(jī)制可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密和完整性傳輸,以確保數(shù)據(jù)的安全。但數(shù)據(jù)加密可能導(dǎo)致傳輸延時(shí)增加,故試驗(yàn)測試了加密后的傳輸實(shí)時(shí)性。
本文通過乒乓測試法實(shí)現(xiàn)對XMPP的延時(shí)測試。測試通過發(fā)送5 000組不同大小的報(bào)文,以獲取相應(yīng)的傳輸延時(shí)。XMPP的不同大小報(bào)文傳輸延時(shí)如圖6所示。由圖6可知,因采用XMPP傳輸時(shí)需經(jīng)過XMPP服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā),同時(shí)為保證數(shù)據(jù)安全,XMPP傳輸時(shí)需對數(shù)據(jù)進(jìn)行分解加密。故帶安全加密的數(shù)據(jù)采用XMPP傳輸?shù)难訒r(shí)多。隨著網(wǎng)絡(luò)背景流量的增大,延時(shí)時(shí)間也增大。因此,同一網(wǎng)絡(luò)背景流量下的報(bào)文越大則延時(shí)越長。

圖6 XMPP的不同大小報(bào)文傳輸延時(shí)
由文獻(xiàn)[8]可知,在配電網(wǎng)中采用XMPP傳輸時(shí),其數(shù)據(jù)包大小一般為幾千字節(jié)。以7 186 B的數(shù)據(jù)包為例,通過測試可知其平均傳輸延時(shí)為7.61 ms,而最大傳輸延時(shí)為23.5 ms。通過計(jì)算機(jī)(CPU主頻為2.5 GHz,處理器為英特爾Core i5-7200U)實(shí)現(xiàn)了XMPP的加解密延時(shí)測試,加解密的平均處理延時(shí)為0.34 ms。以CPU主頻為454 MHz、處理器為Freescale MCIMX283/287的DER監(jiān)控終端核心板進(jìn)行計(jì)算,通過對CPU主頻換算,獲取的結(jié)果為1.92 ms。完整的XMPP傳輸延時(shí)為發(fā)送端和接收端的加解密處理延時(shí)和鏈路傳輸延時(shí)3個(gè)部分,故7 186 B的報(bào)文平均傳輸延時(shí)為11.45 ms。因1.2節(jié)中規(guī)定DER保護(hù)動(dòng)作的響應(yīng)時(shí)間必須小于200 ms,而測試XMPP報(bào)文為7 186 B時(shí)的平均傳輸延時(shí)為9.53 ms、最大傳輸延時(shí)為27.34 ms,均滿足標(biāo)準(zhǔn)的通信要求。由文獻(xiàn)[6]可知,采用分布式控制時(shí),通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率一般不超過30%。本文以7 186 B報(bào)文大小為例。網(wǎng)絡(luò)堵塞時(shí),XMPP的傳輸延時(shí)隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率的增加而增大,而測試獲取負(fù)載率為30%時(shí)的7 186 B報(bào)文的平均傳輸延時(shí)為16.01 ms,未超過200 ms,仍滿足DER的實(shí)時(shí)性要求。
《分布式電源接入配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)功能規(guī)范》推薦在DER的通信中采用IEC 61850-5-101/104。文獻(xiàn)[6]中研究采用面向通用對象變電站事件(generic object oriented suostation event,GOOSE)機(jī)制實(shí)現(xiàn)DER的實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)傳輸。IEC 61850-5-101/104和GOOSE機(jī)制可實(shí)現(xiàn)較好的實(shí)時(shí)性,但在配電網(wǎng)的傳輸中未有效解決通信安全的問題。所以本文采用XMPP協(xié)議實(shí)現(xiàn)DER監(jiān)控終端的信息傳輸。雖然XMPP服務(wù)器的處理延時(shí)和加解密處理延時(shí)使實(shí)時(shí)性降低,但仍滿足標(biāo)準(zhǔn)中對DER監(jiān)控系統(tǒng)的通信要求。分布式控制通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率一般不超過30%[6]。經(jīng)測試,XMPP的實(shí)時(shí)性仍可滿足DER的實(shí)時(shí)性要求。XMPP內(nèi)置的TLS和SASL安全機(jī)制可保證通信通道的安全,并實(shí)現(xiàn)身份驗(yàn)證。XMPP在保證安全的前提下可以滿足DER監(jiān)控系統(tǒng)的要求。
DER分布區(qū)域廣、通信條件多樣,但DER監(jiān)控系統(tǒng)需解決控制中心、VPP和DER設(shè)備間的通信安全問題,以及實(shí)現(xiàn)不同廠家DER設(shè)備的互聯(lián)互通。本文基于DER監(jiān)控系統(tǒng)的功能,選用IEC 61850-7-420標(biāo)準(zhǔn)的邏輯節(jié)點(diǎn),建立了DER監(jiān)控終端的信息模型。本文研究了XMPP在DER監(jiān)控系統(tǒng)中的通信映射方法,通過XMPP內(nèi)置的TLS和SASL機(jī)制解決了DER監(jiān)控系統(tǒng)信息傳輸?shù)陌踩珕栴}。試驗(yàn)結(jié)果表明,XMPP的傳輸延時(shí)可以滿足DER監(jiān)控系統(tǒng)的要求,為DER監(jiān)控終端提供1種安全有效的映射方式。下階段將進(jìn)一步研究XMPP在具體工程應(yīng)用中的通信性能。