基于CoAP協(xié)議的配電物聯(lián)網通信映射研究

趙乾名，陳 羽，徐丙垠，孔垂躍

（山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255000）

0 引 言

配電網面向最終用戶，其故障直接影響供電可靠性。2019年我國用戶平均停電時間為13.72 h/戶，故障停電時間占總停電時間的40.16%。而配電網故障主要發(fā)生在低壓配電網，提高低壓配電網的運行水平可有效提高供電可靠性。當前的配電自動化系統(tǒng)使用配變終端設備（TTU）對配電變壓器進行監(jiān)測，但缺乏對低壓設備及用戶的信息監(jiān)測，導致低壓配電網處于監(jiān)測盲區(qū)。為了解決低壓配電網感知問題，基于先進的物聯(lián)網技術和計算機通信的配電物聯(lián)網的研究日益增多。依托“云大物移智”先進技術建設配電物聯(lián)網，實現(xiàn)配電網全面感知、信息融合及智能應用是提高低壓配電網供電可靠性的有效手段。

配電物聯(lián)網是配電技術與物聯(lián)網技術深度融合產生的一種新型配電網絡形態(tài)，由“云”“網”“邊”“端”構成。邊設備具備邊緣計算能力，可提供就地或就近智能決策和服務；端設備具備感知測量能力。在配電物聯(lián)網邊端場景中，受限制應用協(xié)議（CoAP）憑借數(shù)據(jù)包小、便于配置及采用面向無連接的傳輸被認為更適合用于設備資源受限的場景。配電物聯(lián)網端設備數(shù)量眾多，為實現(xiàn)不同廠家設備間互聯(lián)互通、互操作，需要有統(tǒng)一的信息模型及通信服務。

現(xiàn)有的變電站自動化和配電自動化系統(tǒng)為解決互聯(lián)互通、互操作問題，采用IEC 61850標準。IEC 61850采用面向對象的建模方法、ACSI服務和特定通信服務映射（SCSM）等技術，提供了統(tǒng)一的信息模型和通信服務，可實現(xiàn)設備間的互聯(lián)互通、互操作。IEC 61850 90-6部分中描述了配電網自動化典型應用的交互信息，建立了通信信息模型。低壓配電網應用的通信信息模型基本都已在IEC 61850中規(guī)范，使用IEC 61850解決配電物聯(lián)網互聯(lián)互通、互操作問題是一個較好的方案。

IEC 61850中除了建立了各種電力業(yè)務的通信信息模型外還規(guī)范了通信服務模型，并將其映射到不同協(xié)議以實現(xiàn)具體信息交互。目前IEC 61850標準已將通信服務映射至MMS、IEC 60870 5-101/104和XMPP。MMS映射協(xié)議主要應用在變電站內，其對設備資源需求較大，配電物聯(lián)網端設備資源受限，實現(xiàn)困難。IEC 60870 5-101/104及IEC 61850 8-2中均采用面向連接的通信協(xié)議，無法滿足端設備低功耗運行場景。IEC 61850服務映射到CoAP協(xié)議的研究方面，文獻[12]對IEC 61850中的部分ACSI進行服務映射，但對相同資源采用不同的統(tǒng)一資源標識符（URI）進行訪問，不符合CoAP的RESTful原則。文獻[13]設計了資源組合方案，使用URI的方法對資源進行操作，但未對服務映射進行深入研究。

為解決配電物聯(lián)網大規(guī)模端設備接入時的互聯(lián)互通、互操作，本文研究了基于CoAP協(xié)議的IEC 61850映射方法?；谂潆娢锫?lián)網邊端通信場景中端設備對傳輸速率、設備功耗及部署成本的需求確定了ACSI服務子集，根據(jù)CoAP協(xié)議訪問過程設計了資源訪問方法并采用通信服務直接映射策略。通過比較編碼效率及開銷，確定了數(shù)據(jù)編碼方法。最后搭建試驗平臺測試了CoAP的實時性，驗證了方法的有效性。

1 配電物聯(lián)網邊端通信需求

1.1 邊端通信特點

端設備部署位置分散、環(huán)境復雜，本地邊端通信可采用HPLC、WiFi、RoLa、NB-Iot等技術。HPLC借助電力線網絡實現(xiàn)通信，通信速率約為2 Mb/s，無需施工布線即可安裝使用。RoLa技術及NB-Iot技術均為超遠距離無線傳輸技術，傳輸距離在10 km以上，具備通信信道窄、低功耗、低成本等特點。無線技術由于存在信號盲區(qū)，在實際應用中可將無線技術與HPLC技術結合使用以增強性能。

1.2 邊端通信需求

端設備需要實現(xiàn)量測數(shù)據(jù)的采集及傳輸，并具備一定的控制功能。受部署位置及維護成本等影響，端設備資源受限，包括通信信道受限、自身內存空間受限、自身計算能力受限、要求低功耗等，導致僅能對實時性要求較低的數(shù)據(jù)進行傳輸。在進行傳輸時應盡可能縮小數(shù)據(jù)包大小，簡化信息交互流程，降低傳輸數(shù)據(jù)處理的復雜程度，提高傳輸效率。

2 IEC 61850通信服務映射

基于電力生產過程的特點和要求，IEC 61850定義了業(yè)務交互信息服務模型，設計了抽象通信服務接口ACSI。ACSI需通過特定通信服務映射（SCSM）將服務模型在具體通信協(xié)議上實現(xiàn)。使用CoAP協(xié)議傳輸IEC 61850信息，也需要具體設計定義ACSI服務模型的映射。配電物聯(lián)網中使用IEC 61850標準信息模型可以對量測數(shù)據(jù)進行模型統(tǒng)一，以解決不同廠商設備間的語義一致性問題，借助SCSM將IEC 61850信息模型及通信服務映射到應用層CoAP協(xié)議，可以實現(xiàn)設備間的互聯(lián)互通、互操作。

3 CoAP服務映射方法

3.1 CoAP協(xié)議

CoAP協(xié)議是為資源受限設備和網絡優(yōu)化設計的二進制格式網絡協(xié)議，將對象抽象為資源，使用統(tǒng)一資源標識符（URI）定位資源，采用HTTP動詞描述操作，但比HTTP協(xié)議要緊湊，最小報文僅4個字節(jié)。傳輸層基于UDP傳輸協(xié)議，采用面向無連接的傳輸。CoAP具備請求/響應和觀察者兩種工作模式，可滿足低功耗運行場景，具備資源描述、重傳機制、塊傳輸以及規(guī)范選項等功能，保障傳輸具備一定的可靠性及傳輸效率。

3.2 通信服務映射策略

通信服務映射是將標準定義的通信服務映射至具體通信協(xié)議。IEC 61850 8-1中定義了映射到MMS的方法，需將IEC 61850定義的結構化分層對象模型和服務映射到MMS協(xié)議中定義好的對象模型和服務，采用ASN.1 BER編碼方法編碼，通過MMS服務進行通信。IEC 61850 8-2中定義了映射到XMPP的方法，將IEC 61850定義的數(shù)據(jù)對象和ACSI服務映射到MMS，然后將MMS類型的對象數(shù)據(jù)和服務函數(shù)進行XML編碼，并定義XMPP消息節(jié)的傳輸方法，采用XMPP進行通信。

在進行CoAP協(xié)議服務映射時，若采用MMS或XMPP的映射方法需進行MMS數(shù)據(jù)對象及服務與IEC 61850標準數(shù)據(jù)對象及ACSI服務互相轉換過程。依據(jù)OSI參考模型，在應用層采用CoAP對ACSI服務進行實現(xiàn)。CoAP協(xié)議報文負載中未規(guī)定對象模型，可采用直接映射的策略，即直接采用IEC 61850中標準數(shù)據(jù)對象名稱及ACSI服務，通過ASN.1 BER編碼方法將對象數(shù)據(jù)及服務進行編碼，采用CoAP協(xié)議進行通信。該方法更易在資源受限的端設備中實現(xiàn)。通信協(xié)議棧如圖1所示。

圖1 通信協(xié)議棧

3.3 資源訪問方法

IEC 61850采用變電站配置描述語言（SCL）描述IED中的模型信息來規(guī)范不同廠商間的設備功能。CoAP協(xié)議通過訪問URI的方式操作資源，SCL文件首先需要映射至URI實現(xiàn)功能信息訪問。文獻[16]中提出將SCL分層信息與ACSI服務均放置于URI Path選項中，該方法實現(xiàn)了對資源的訪問，但當對數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)集或文件等不同服務進行操作時URI的擴展性弱。

SCL通過分層結構描述具體應用功能數(shù)據(jù)，訪問時還需要結合具體的讀寫、刪除等服務操作。本文首先根據(jù)ACSI服務確定CoAP協(xié)議的服務操作，再組織應用功能數(shù)據(jù)。分層結構中按照IEC 61850定義的邏輯設備LD、邏輯節(jié)點LN、功能約束FC、數(shù)據(jù)對象DO和數(shù)據(jù)屬性DA模型進行設定，F(xiàn)C為功能約束，包含于LN中，主要用于DO的定義，將其置于LN與DO中間實現(xiàn)對滿足FC的DA進行初次過濾，再根據(jù)DO及DA確定所需的數(shù)據(jù)。URI的組織方式如下：

URI Host是CoAP協(xié)議規(guī)定的標識符以及具體的訪問IP地址，設備擁有唯一IP；URI Path為ACSI服務名稱；URI Query為SCL分層信息。具體如圖2所示。

圖2 CoAP URI組織方式

該資源訪問方法可以根據(jù)層次訪問IEC 61850數(shù)據(jù)，結合CoAP協(xié)議中訪問URI的方式可以靈活地實現(xiàn)訪問各類數(shù)據(jù)，通過更改URI Query實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、日志讀取、數(shù)據(jù)集讀取等服務，如GetDataSetValue服務URI為LD/LN/DataSet，GetFile服務實現(xiàn)日志傳輸URI為log。

表1為將IEC 61850中的SCL信息服務映射至CoAP協(xié)議中的實例，通過訪問不同的URI Query實現(xiàn)對不同數(shù)據(jù)的獲取，根據(jù)URI Path決定獲取操作類型。Coap_resource_init函數(shù)為自定義的添加資源函數(shù)，主要實現(xiàn)在端設備中為量測數(shù)據(jù)創(chuàng)造資源名稱功能。

表1 SCL信息服務映射實例

3.4 CoAP數(shù)據(jù)映射

ACSI服務中未規(guī)定特定的報文格式及編解碼語法，在進行特殊通信映射時需要進行數(shù)據(jù)映射，即確定表示層編碼方式，并對基本數(shù)據(jù)類型進行映射?？紤]端設備資源受限，表示層編碼方法應從編碼效率及開銷兩方面確定。

IEC 61850中已使用ASN.1 BER及XML編碼方法，物聯(lián)網中已使用JSON編碼方法。ASN.1編碼方法定義了不同的編碼規(guī)則，其中基本編碼規(guī)則（BER）、壓縮編碼規(guī)則（PER）和XML編碼規(guī)則（XER）是目前應用最多的編碼規(guī)則。BER編碼規(guī)則在IEC 61850 8-1中使用，XER編碼規(guī)則在IEC 61850 8-2中使用。

XER編碼規(guī)則是基于可擴展標記語言（XML）的編碼規(guī)則，采用純文本格式，通過使用規(guī)范的標簽提高可讀性及擴展性；BER編碼規(guī)則及PER編碼規(guī)則均采用二進制格式。其中，PER編碼規(guī)則主要包含unaligned variant和aligned variant兩種情況，第一種情況節(jié)省了各數(shù)據(jù)項編碼時的分界標志，但增加了對CPU的占用；第二種方式將BER中的冗余信息進行刪減，但增加了編碼規(guī)則復雜程度，且需要網絡通信的收發(fā)雙方均使用統(tǒng)一的ASN.1句法描述數(shù)據(jù)結構。PER編碼規(guī)則的實現(xiàn)代碼量要遠大于BER編碼規(guī)則，在數(shù)量眾多的端設備中不推薦使用。

JSON格式是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，采用純文本格式儲存，為了便于資源受限的物聯(lián)網設備使用，CBOR格式應運而生，該方法是一種提供良好壓縮性的二進制數(shù)據(jù)交換形式。編碼方法比較結果如表2所示。

表2 編碼方法比較

JSON及ASN.1 XER采用基于純文本的格式，會使傳輸相同信息編碼時數(shù)據(jù)包較大，相同內容下純文本格式所占空間約為二進制格式的十幾倍以上，端設備中實現(xiàn)占用資源多；IEC 61850 8-1中采用的ASN.1 BER使用二進制方法進行傳輸，數(shù)據(jù)包更小且在變電站大量使用，應用較成熟。CBOR編碼方法實現(xiàn)代碼更小，目前主要應用于物聯(lián)網中，對于傳輸IEC 61850信息，對具體編碼類型的擴展等仍需進一步研究。本文采用ASN.1 BER編碼方式，邊端通信場景下應用功能交互的數(shù)據(jù)可直接建模為IEC 61850 7-3標準中定義的基本數(shù)據(jù)對象。

3.5 服務映射

配電物聯(lián)網邊端場景下端設備資源受限，根據(jù)該場景下的低通信速率特點及必須具備的數(shù)據(jù)傳輸、自描述、模型傳輸功能等確定ACSI服務子集。

Association為應用關聯(lián)模型，需要該模型表征端設備與邊設備的關聯(lián)狀態(tài)。端設備建立關聯(lián)后模型傳輸可以使用服務訪問或文件傳輸方式。服務訪問模式需對LD、LN、Data等分層獲取，靈活性高但實現(xiàn)復雜、傳輸效率較低?？紤]到模型傳輸?shù)念l率較低，本文采用文件傳輸模式以簡化實現(xiàn)，結合CoAP協(xié)議中存在的塊傳輸功能提高傳輸效率并使用DTLS對其進行安全加密。日志類服務同樣采用文件傳輸。量測數(shù)據(jù)可以使用GetDataValues、GetDataSetValues等服務實現(xiàn)單個或多組數(shù)據(jù)的讀取。端設備中的Set類服務主要實現(xiàn)定值服務，為簡化實現(xiàn)，僅保留SetEditSGValue服務?；诘凸目紤]，在端設備中使用觀察者模式可減小功耗。觀察者模式由邊設備對資源進行觀察，端設備中該資源變化時觸發(fā)Report服務，將數(shù)據(jù)主動上送。端設備除傳輸量測數(shù)據(jù)外還具備一定的控制功能，需要保留Select、SelectWithValue等控制類功能。

GSSE及GOOSE服務主要傳送快速報文及跳閘報文，在邊端場景下通信信道很難滿足要求。通過上述對ACSI服務的分析，獲得在CoAP協(xié)議中支持的ACSI服務如表3所示。

表3 CoAP服務映射支持的ACSI服務

3.6 CoAP服務映射流程

ACSI服務通信方式可以分為客戶端/服務器（C/S）模式和發(fā)布者/訂閱者（P/S）模式。在配電物聯(lián)網邊端設備需頻繁進行交互時，采用C/S模式實現(xiàn)。具體交互流程如圖3所示。以GetDataValues服務為例，其服務請求如表4所示。

圖3 請求/響應流程圖

表4 IEC 61850服務請求實例

由客戶端向服務器發(fā)送GetDataValues服務請求信息，對應的URI為CoAP：192.168.1.111/GetDataValues?01/MEAS/MMXU1/MX/PhV/phsA。

服務器首先對URI進行解析，判斷URI_Host及URI_Path是否為本端設備地址及采用的操作方法，表中服務程序中的CoAP_REQUEST_GET表示客戶端采用GET類請求，再解析URI_Query確定IEC 61850對應的信息類型，表中服務程序中的hnd_get_01/MEAS/MMXU1/MX/PhV/phsA為自定義資源函數(shù)，該函數(shù)功能為讀取設備當前量測數(shù)據(jù)。若在客戶端規(guī)定時間內未收到服務器應答，則啟動重傳機制重復發(fā)送請求信息，若多次未響應，則認為該端設備處于掉線狀態(tài)。

在對端設備中的周期性量測數(shù)據(jù)進行采集時，可以使用低功耗的觀察者模式，具體流程如圖4所示。

圖4 觀察者模式流程圖

邊設備攜帶服務器的URI進行帶參數(shù)請求，通過將URI中對應的選項值置1啟動觀察者模式，對端設備某一資源進行訂閱，資源發(fā)生變化時，端設備主動上傳資源的最新數(shù)據(jù)值。

4 實驗測試

4.1 功能性測試

為驗證CoAP協(xié)議映射的有效性，搭建了如下的試驗系統(tǒng)。試驗采用3臺樹莓派3b+模塊，1臺科匯公司低壓配電監(jiān)控終端LTU。實驗系統(tǒng)如圖5所示，樹莓派1充當客戶端，其余作為服務器，其中3臺通過無線網絡與客戶端連接，LTU通過USR-N540網口轉串口設備進行連接。測試程序中的CoAP實現(xiàn)使用libcoap庫。

圖5 CoAP試驗系統(tǒng)

試驗采用弱網模擬工具Wondershaper及Traffic-Control，通過限制上下行帶寬50 Kb/s，延時200 ms以及丟包率為10%，模擬通信場景中較差的網絡狀態(tài)。以初次上線的資源主動描述及采集電壓電流數(shù)據(jù)為例進行試驗，并更換信息類型以驗證觀察者模式、塊傳輸?shù)裙δ?，使用Wireshark軟件對傳輸數(shù)據(jù)進行抓包，測試結果如圖6所示。

圖6 CoAP試驗實例

4.2 通信延時測試

通信延時測試采用乒乓測試方法，以測試端發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的平均時間作為端到端數(shù)據(jù)傳輸延時。數(shù)據(jù)傳輸延時主要包括網絡傳輸延時、服務器處理延時，為提高傳輸過程的安全性，需要對傳輸過程進行加密。安全加密采用可在資源受限設備中使用的對稱加密算法AES算法，實現(xiàn)時采用mbedtls庫，該軟件庫采用獨立的模塊化設計，內存占用低。

基于CoAP協(xié)議對IEC 61850數(shù)據(jù)對象進行傳輸，需要使用表示層編碼IEC 61850數(shù)據(jù)對象形成數(shù)據(jù)。以傳輸三相電壓數(shù)據(jù)為例，CoAP由固定包頭4 B、可變1～9包頭字節(jié)及IEC 61850數(shù)據(jù)100 B，數(shù)據(jù)包總大小約占115 B；若直接對三相電壓值的名稱及數(shù)值進行傳輸，數(shù)據(jù)包約為12 B。

若在邊端通信場景下使用低壓電力線寬帶載波通信技術，參照Q/GDW 11612.1低壓電力線寬帶載波通信互聯(lián)互通技術規(guī)范：在隔離電源、屏蔽環(huán)境、無競爭場景，主從節(jié)點1∶1配比，測試包為512 B時，通信速率應不小于1 Mb/s?？紤]到實際邊設備下可能掛有上百臺設備，結合大小約為120 B的典型數(shù)據(jù)包進行計算，若所有設備同時進行發(fā)送，實際每臺設備可能有幾十Kb左右?guī)?。通過弱網模擬工具分別發(fā)送兩種形式的CoAP數(shù)據(jù)包進行測試，所得數(shù)據(jù)如圖7所示。

由圖7可知：基于CoAP加密傳輸IEC 61850數(shù)據(jù)對象的平均傳輸延時約為11.18 ms；未加密平均傳輸延時為5.86 ms；直接傳輸方法平均傳輸延時約為3.23 ms。

圖7 不同方法端對端傳輸延時比較

通過采用弱網模擬工具對網絡狀態(tài)進行模擬并進行測試，試驗結果顯示，在未加密狀態(tài)下基于CoAP的IEC 61850服務映射方案比直接傳輸三相電壓的方法耗時約增加1倍，加密100 B的數(shù)據(jù)時傳輸增加時間約為5～6 ms左右。

5 結 論

為提高配電網的供電可靠性，解決配電物聯(lián)網大規(guī)模端設備接入時的互聯(lián)互通、互操作問題，本文基于IEC 61850標準研究了配電物聯(lián)網端設備的CoAP通信映射方法。在考慮端設備資源受限的場景下，根據(jù)端設備傳輸數(shù)據(jù)功能確定了ACSI服務子集，結合CoAP協(xié)議設計了資源訪問方法，為簡化數(shù)據(jù)對象的相互轉換，采用通信服務直接映射策略。通過比較編碼效率及開銷確定數(shù)據(jù)編碼方法，構建了CoAP協(xié)議映射方法。搭建測試平臺測試了CoAP映射的實時性，驗證了方法的可行性?；ヂ?lián)互通、互操作研究可減少大規(guī)模端設備安裝、調試、運維時的工作量，提高配電物聯(lián)網的建設、運維效率。本文初步驗證了將IEC 61850映射至CoAP的可行性，還需要在實際配電物聯(lián)網系統(tǒng)建設中進一步驗證和優(yōu)化。

注：本文通訊作者為陳羽。