數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)在新型配電物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

王彥波，張燁華，邱蘭馨，許泰峰

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司信息通信分公司，杭州 310020；2.易源士創(chuàng)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(tǒng)不斷推進建設(shè)，新型電力系統(tǒng)將通過廣泛互聯(lián)互通推動傳統(tǒng)電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型。現(xiàn)代信息通信技術(shù)與傳統(tǒng)電力自動化技術(shù)的深度融合將使得電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、用等各領(lǐng)域、各環(huán)節(jié)實現(xiàn)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(wǎng)的源、網(wǎng)、荷、儲互動更加靈活智能，安全智能可控的技術(shù)手段將成為交流電網(wǎng)與直流電網(wǎng)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵保障。因此，以云、管、邊、端為基礎(chǔ)的電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)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(tǒng)建設(shè)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(wǎng)運行的穩(wěn)定性、安全性、經(jīng)濟性，分布式電源的各類控制、采集終端會接入電力業(yè)務(wù)系統(tǒng)，以實現(xiàn)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(guī)模并網(wǎng)后，云、邊、端之間的數(shù)據(jù)交互將更加頻繁。

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

1）傳統(tǒng)IEC 60870—5-101/104 協(xié)議是早期電網(wǎng)遠動信息串行和網(wǎng)絡(luò)傳輸實時數(shù)據(jù)所用的通信規(guī)約，其傳輸?shù)恼Z義信息和通信規(guī)則是緊密耦合的，主要解決實時數(shù)據(jù)交換的問題。但其可擴展性差，不支持面向?qū)ο蟮姆?wù)，無法實現(xiàn)半結(jié)構(gòu)/非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)類型的云-邊信息交互及對等的邊-邊通信應(yīng)用。

2）傳統(tǒng)MQTT是一種基于存儲-轉(zhuǎn)發(fā)、代理、發(fā)布訂閱的傳輸格式協(xié)議，通常適用于有限計算資源或有限帶寬限制的設(shè)備。因此，MQTT 具有系統(tǒng)性能受單一節(jié)點限制（代理）、系統(tǒng)節(jié)點數(shù)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(wǎng)。

DDS（數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)）標準由OMG（對象管理組織）制定，并主要用于分布式系統(tǒng)的實時通信［5］。DDS基本邏輯架構(gòu)如圖1所示。目前，在軍事領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用于作戰(zhàn)管理系統(tǒng)、遠洋船舶、車聯(lián)網(wǎng)等方面。在電力行業(yè)應(yīng)用方面，美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟將DDS 作為推薦連接框架標準加入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)白皮書中，而目前國內(nèi)電力行業(yè)除船舶電力外，僅在部分院校有相關(guān)研究。相關(guān)研究表明，引入DDS 可以有效彌補電力行業(yè)工程師信通專業(yè)知識的不足，簡化映射實現(xiàn)過程中底層通信映射的實現(xiàn)復雜性［6］。DDS標準涵蓋了核心標準、類型語法和語言映射、應(yīng)用程序接口、網(wǎng)關(guān)等一系列標準，使得DDS 具備不同實現(xiàn)之間的可移植性、互操作性以及QoS（服務(wù)質(zhì)量），適用于小型到大型分布式實時系統(tǒng)，也是目前唯一以數(shù)據(jù)為中心中間件協(xié)議［2］。本文提出了面向新型配電物聯(lián)網(wǎng)的DDS 協(xié)議，用于高實時、高可靠的電力業(yè)務(wù)。

圖1 DDS基本邏輯架構(gòu)

1 DDS 標準及其在新型配電物聯(lián)網(wǎng)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(wù)器）模式等。前者主要用于電話系統(tǒng)、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(tǒng)整體彈性、剪裁性差。后者主要用于文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、遠端請求，具有以服務(wù)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(wù)器容易成為系統(tǒng)整體的性能瓶頸。美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟提出工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)連接框架應(yīng)從系統(tǒng)、數(shù)據(jù)、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(lián)網(wǎng)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)之上，還需要注重安全性和魯棒性。

因此，區(qū)別于P2P 和C/S 模式，DDS 采用了以數(shù)據(jù)為中心的DCPS（發(fā)布訂閱模式），基本原理如圖2 所示。區(qū)別于以設(shè)備/應(yīng)用為中心的概念，在以數(shù)據(jù)為中心的架構(gòu)中，端或者應(yīng)用不需要關(guān)心誰生產(chǎn)或消費，只有數(shù)據(jù)是核心對象。系統(tǒng)中的任何參與方可以在符合要求的條件下交換、存儲、轉(zhuǎn)換和操作數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)本身獨立于生產(chǎn)或消費它的端或者應(yīng)用。

圖2 DCPS基本原理

數(shù)據(jù)寫入者、發(fā)布者、數(shù)據(jù)讀取者、訂閱者、主題、數(shù)據(jù)類型對象等主要實體共同組成了虛擬數(shù)據(jù)空間。其中基本信息共享單元是主題內(nèi)的數(shù)據(jù)類型對象，主題由其名稱標識，數(shù)據(jù)類型對象由一些“鍵”屬性標識，類似于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)空間中各發(fā)布者或訂閱者通過發(fā)布或訂閱由其名稱標識的主題以及關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)類型對象進行通信。訂閱者可以通過QoS 建立指定時間或內(nèi)容的過濾器，在發(fā)布者無需事前設(shè)置的情況下，根據(jù)訂閱者自身需求告知發(fā)布者，進而獲取主題上已發(fā)布數(shù)據(jù)的子集，在減少發(fā)布者工作量的同時降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量。同時，不同的虛擬數(shù)據(jù)空間可以實現(xiàn)邏輯上的完全獨立，即虛擬數(shù)據(jù)空間之間沒有數(shù)據(jù)共享，保障了數(shù)據(jù)有效交換和安全性。同時DDS 采用了單播、組播相結(jié)合的方式進行點對點通信，無需通過服務(wù)器或者云進行代理通信。

除此之外，DDS還提供了節(jié)點動態(tài)發(fā)現(xiàn)機制。動態(tài)發(fā)現(xiàn)機制使得整體系統(tǒng)在設(shè)計初期無需針對每一節(jié)點進行詳細設(shè)計以及節(jié)點間相關(guān)配置，可以在節(jié)點間發(fā)現(xiàn)時或斷連時自動執(zhí)行相關(guān)動作，在協(xié)議層面實現(xiàn)了“即插即用”。因此，動態(tài)發(fā)現(xiàn)機制使得系統(tǒng)彈性大大增加，并且可以在初期節(jié)約開發(fā)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(xiàn)，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(shè)備和應(yīng)用三者間的獨立性，允許組件彼此分離，獨立開發(fā)和集成，一定程度上實現(xiàn)了軟件定義系統(tǒng)。因此，DDS 非常適合簡化集成工作并減少調(diào)試和將系統(tǒng)組件集成的總體工作量和時間。由于數(shù)據(jù)接口在設(shè)計中是標準化的，因此使用DDS 會產(chǎn)生開放式架構(gòu)，并且組件變得獨立于數(shù)據(jù)，從而簡化系統(tǒng)開發(fā)和演進并提高可重用性，因此DDS 可以很好地支撐大型系統(tǒng)。

2 基于DDS的新型配電物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)配電網(wǎng)的通信架構(gòu)一般為配電終端通過101/104 標準協(xié)議或者私有協(xié)議與主站進行通信，101/104 等協(xié)議是面向通信而非面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，進而導致新設(shè)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(xié)議配合IEC 61850標準下，在一定程度上解決了設(shè)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(cè)IEC 61850和主站側(cè)IEC 61970模型結(jié)合困難等問題。因此，本文嘗試設(shè)計一種基于DDS 的新型配電物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，以期解決配電網(wǎng)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(lián)網(wǎng)架構(gòu)及用例流程

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

圖3 設(shè)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(wǎng)電氣拓撲模型并向聯(lián)管理平臺及配電主站進行模型同步；物聯(lián)管理平臺用于實現(xiàn)模型融合、監(jiān)控終端上線、自發(fā)現(xiàn)、注冊申請、一二次匹配、下發(fā)匹配模型等；配電主站主要用于接受終端三遙數(shù)據(jù)，進而監(jiān)控配電網(wǎng)整體情況。

設(shè)備自注冊用例流程如下：

1）模型資源中心將配電臺區(qū)拓撲同步至物聯(lián)管理平臺及配電主站。

2）配電終端采用DDS協(xié)議，上電后利用DDS的自發(fā)現(xiàn)機制，實現(xiàn)自動在物聯(lián)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(cè)根據(jù)終端注冊信息與其安裝拓撲位置進行匹配，實現(xiàn)拓撲模型融合。

4）物聯(lián)管理平臺將配置好的信息下發(fā)至配電終端。

5）配電終端接受到配置信息后開始數(shù)據(jù)發(fā)送工作。

該用例流程硬件采用了樹莓派Pi4B 以及PSL691 數(shù)字式線路保護測控裝置作為測試平臺，DDS 產(chǎn)品采用開源的Fast DDS2.4.0 作為測試基礎(chǔ)，并與MQTT 和104 協(xié)議在發(fā)送數(shù)據(jù)階段進行對比，其結(jié)果如表1所示。

表1 可以得出DDS 在QoS 控制以及發(fā)送效率上遠高于其他兩者。

表1 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議性能對比

其次，本文針對DDS在有線環(huán)境、4G環(huán)境進行了數(shù)據(jù)量測試并和104協(xié)議進行對比，如表2—4所示。

由表2 可以得出，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)大小下DDS有線性能

表3可以得出，在4G環(huán)境下DDS仍可發(fā)揮出4G基本性能，50 K數(shù)據(jù)包下仍有518 ms的平均時延，且?guī)缀鯚o抖動。

表3 4G環(huán)境不同數(shù)據(jù)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(nèi)比104 協(xié)議多出80 個字節(jié)的數(shù)據(jù)量，而這是可以接受的。

表4 DDS和104協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)量測試

此外，本文還測試了DDS 通信故障恢復，在數(shù)據(jù)發(fā)送階段斷開網(wǎng)絡(luò)，并在5 s 后再次接入觀察，得出表5所示結(jié)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(yōu)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(shè)計了當拓撲發(fā)生變化時的用例流程，并利用模擬環(huán)境進行了測試，如圖5所示。

圖5 當拓撲發(fā)生變化時的用例流程

拓撲發(fā)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(lián)管理平臺和配電主站模型異動（比如開關(guān)拆除）。

2）物聯(lián)管理平臺發(fā)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(fā)現(xiàn)變化與自身有關(guān)的配電終端主動聯(lián)系物聯(lián)管理平臺，請求更新模型。

4）物聯(lián)管理平臺將重新配置好的信息下發(fā)至配電終端。

5）配電終端接受到配置信息后重新開始數(shù)據(jù)發(fā)送工作。

以上2 個用例主要采用DDS 協(xié)議實現(xiàn)了在新型配電物聯(lián)網(wǎng)下配電終端裝置級的即插即用、系統(tǒng)量測和控制參數(shù)一次錄入、裝置及主站全面共享；其次，DDS 提供了面向?qū)ο蟮墓I(yè)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議應(yīng)用方案，有望替代101/104 協(xié)議傳輸實時數(shù)據(jù)，同時又可解決多種數(shù)據(jù)類型的云-邊及對等的邊-邊通信應(yīng)用問題。

2.3 基于DDS 協(xié)議的開放式配電物聯(lián)信息架構(gòu)

為最大發(fā)揮DDS 作為運輸層及上層協(xié)議標準的優(yōu)越性，本文進一步提出采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)DDS通信協(xié)議的開放式配電物聯(lián)信息架構(gòu)，如圖6所示。

圖6 開放式配電物聯(lián)信息架構(gòu)

其中，配電終端到采集終端仍采用101/104協(xié)議，配電終端到配電終端及主站采用DDS 協(xié)議，并且采用符合61850/CIM 標準的數(shù)據(jù)類型對象，并以標準插件的形式實現(xiàn)DDS 的安全加密，兼容TLS/TSL等國內(nèi)主流加密模式。該架構(gòu)中的配電終端及主站均可同時作為發(fā)布者和訂閱者，主題隨業(yè)務(wù)需要制定。

在新型電力系統(tǒng)配電物聯(lián)網(wǎng)中，DDS 發(fā)布者為配電終端，DDS 訂閱者為主站側(cè)，采用IEC 61850 的BreakerReadingProfile 等數(shù)據(jù)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(nèi)的數(shù)據(jù)仍可以自動通過DDS 的機制傳輸至主站，而無需應(yīng)用側(cè)關(guān)心，并且當其他業(yè)務(wù)需要此信息時只需要訂閱該主題，而無需對發(fā)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(cè)即可通過DDS 自動發(fā)現(xiàn)機制感知配電終端上電，通過人工匹配終端和圖模關(guān)聯(lián)即可發(fā)布關(guān)聯(lián)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(xiàn)了整網(wǎng)關(guān)聯(lián)關(guān)系自動更新和匹配工作。

3 結(jié)語

針對新型配電物聯(lián)網(wǎng)的時效性、可靠性要求，本文分析了DDS 在配電物聯(lián)網(wǎng)的適用性，并設(shè)計了面向新型配電物聯(lián)網(wǎng)的開放式配電物聯(lián)信息架構(gòu)。通過在配電終端接入場景下的實驗可以發(fā)現(xiàn)，DDS 協(xié)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(xiàn)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(yīng)用。