基于XMPP的分布式電源監控系統通信應用

歐陽衛年,趙瑞鋒,盧建剛,黎皓彬

(1.廣東電網有限責任公司佛山供電局，廣東 佛山 528322；2.廣東電網有限責任公司電力調度控制中心，廣東 廣州 510062)

0 引言

虛擬電廠(virtual power plant，VPP)可在不改變分布式電源(distributed energy resources，DER)并網形式的前提下，通過量測、通信等技術進行DER的跨區域聚合，實現電網整體利益最大化。但DER分布廣泛、通信手段多樣[1]。為有效解決不同權屬DER間的通信和安全問題，需建立DER監控系統信息和通信服務模型，以實現不同權屬DER間的互聯互通，以及VPP對DER的有效監控。

IEC 61850標準通過對信息模型和通信服務映射進行標準化，以實現DER監控設備間的互聯互通，從而滿足VPP對不同權屬DER的監控管理需求。文獻[2]針對DER的信息交互，基于IEC 61850-7-420設計了DER通信及控制通用接口。文獻[3]研究了DER的IEC 61850信息模型在調度主站公共信息模型(common information model,CIM)中的擴展，以便DER的運行調度。文獻[4]、文獻[5]研究了基于IEC 61850的源端維護技術和考慮VPP的DER配置電能優化模型，以便設備運維標準化。但以上研究成果均未解決DER監控終端模型問題。

針對通信服務：配電網常采用的協議制造報文規范(manufacturing message specification,MMS)和IEC 60870-5-101/104均未有效解決通信安全問題；物聯網協議消息隊列遙測傳輸協議(message queuing telemetry trun sport,MQTT)實現相對復雜；超長文本傳輸協議(hyper text transport protocol,HTTP)實時性較差[6]。為實現配電網終端設備安全的互聯互通，IEC TC57工作組制定了關于可擴展通信和表示協議(extensible message and precence protocol,XMPP)的IEC 61850-8-2協議。文獻[7]、文獻[8]針對XMPP的映射方法和實現進行了研究。但XMPP在配電網的DER監控系統中的具體應用仍有待進一步研究。

本文通過對DER監控的功能通信需求進行分析，基于IEC 61850-7-420標準建立了DER監控終端的信息模型，采用內置傳輸層安全協議(transport layer seaurity,TLS)和簡單的身份驗證安全層協議(simple authertication security layer,SASL)、安全機制的XMPP協議實現DER監控設備的安全通信應用，以滿足不同電力企業的互聯互通需求。本文通過搭建試驗測試系統，對XMPP的傳輸性能進行了驗證。

1 DER監控系統通信需求

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、分散分布的配電網小型發電系統。在中低壓配電網中，DER的容量一般不超過10 MVA[9]。

配電網通過VPP實現對分散的DER的統一調度。正常運行時，VPP可定期接收所采集的數據(例如DER的電壓、電流及其他數據等)，同時通過先進的通信技術實現對分散的DER的高效聚合和協調優化利用。當DER運行異常或為孤島狀態時，VPP將下發控制命令，使并網點或公共連接點處的開關斷開，從而避免配電網出現拒動、誤動的情況。若監測數據恢復到正常，DER監控系統需在規定的時間內與控制中心通信，請求恢復DER的并網。

國家電網公司對DER接入配電網提供了規范要求，規定了DER正常運行時在并網點的電壓值和頻率的標準值。若超出標準值，應按照標準規定的要求完成保護動作。當頻率超過50.5 Hz時，應立即停止向配電網送電。當電壓和頻率恢復正常值后，380 V電壓等級DER需大于20 s后才可實現并網。而針對10(6)～35 kV的電壓等級的并網需請求調度機構。

DER終端設備數量多。不同的電力企業和電力能源供應商通過對基于串口通信的規約進行擴展，以滿足具體的應用要求。因各廠家對規約的自身理解各不相同，造成同一廠家或不同廠家的設備之間私有的信息模型和通信機制難以實現信息交換和協同操作，且無法互操作。為有效實現VPP對DER監控終端的監控管理，需建立標準的信息模型和規范的服務映射。

2 DER監控終端信息模型

信息建模通用技術是實現數據交換的基礎。

IEC 61850標準通過對功能的分解，建立相應功能的邏輯節點，以實現自動化變電站，以及大型水電廠、DER的信息模型的標準化。但信息建模通用技術在配電自動化中的具體應用仍需進一步研究。

2.1 DER監控終端信息交互需求分析

DER監控系統分為主站層、終端層和電源層。主站層為基于DER的VPP，對DER監控系統獲取的終端數據進行分析和處理，并通過對DER設備下達開關控制命令實現DER的并網與退網。終端層主要指DER監控終端，接收來自各類傳感器、檢測儀等匯集的數據，對下可實現數據的集成，對上可執行VPP下發的控制命令。電源層主要包括各類DER。

若DER出現異常，參與DER的故障隔離與恢復功能實現的角色包括DER保護裝置(DER和配電網間的連接保護)、DER監控終端和VPP。故障處理與恢復時序如圖1所示。正常運行時，DER按時上送電流、電壓信號。當DER監控終端檢測到異常數據時，VPP通過內部決策發布控制命令將開關斷開，以切除相應的故障DER。待再次檢測到數據正常時，恢復正常運行狀態。

圖1 故障處理與恢復時序圖

VPP根據功能主要分為技術型和管理型。管理型VPP為其管轄的區域的用戶提供相應的服務，例如用電查詢和分時收取電費等。通過電價激勵用戶錯峰用電，減少電能浪費和用電成本等。技術型VPP通過通信映射技術，監控管轄區域的DER設備，獲取其管轄區域的DER數據(如電壓、電流等)。通過對獲取的DER數據進行分析和處理，可實現對DER設備的聚合管理。VPP通過對DER設備自身的狀態信息和規劃發電計劃進行分析評估，可以實現對配電網的削峰填谷；同時，也可以作為主網的緊急備用，對調節主網的穩定性也有重要的作用。

2.2 DER監控終端建模

配電網通過新建或擴展邏輯節點的方式來滿足不同功能的需求，實現信息模型的統一。不同的功能采用不同的邏輯節點實現。IEC 61850-7-420中定義了DER相關的邏輯節點。邏輯節點可根據DER監控終端的功能進行相應組合。例如：電氣連接點(electrical connection point，ECP)由DER在公共連接點處的特性(common features of DER devices at each ECP,DCRP)、DER在電氣連接點處的運行權限(DER controls the operation of the device at each ECP,DOPA)、DER在電氣連接點處的運行特性(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(DER unit status,DRCS)、DER控制器監控(control action of DER unit,DRCC)等組成。邏輯節點的具體描述在IEC 61850-7-420中定義。

為滿足DER監控功能需求，IEC 61850-7-420通過擴展或新建邏輯節點的方式建立了燃料電池、光伏系統等與DER相關的邏輯節點。DER監控系統通過監控DER設備的ECP和DER單元控制器實現對DER的監控。相關邏輯節點通過屬性實現不同的功能。例如：DOPA.DEROpMode屬性表示運行模式的授權等。

通過對應用功能的分解，本文選用基于IEC 61850-7-4的基本邏輯節點和DER相關的邏輯節點(定義于IEC 61850-7-420)，實現了對DER監控終端的信息模型建立。DER監控終端信息模型如圖2所示。

圖2 DER監控終端信息模型

由圖2可知，DER監控終端的功能包括傳統的數據采集和監控系統(supervisory control and data acquisition,SCADA)功能、保護相關功能等。根據功能，邏輯設備主要分為DER單元控制器邏輯設備、SCADA測控邏輯設備和保護邏輯設備等。通過DER監控終端系統對ECP和DER單元控制器邏輯設備的監控，保證配電網的安全運行[10]。

為實現不同廠家的DER終端設備的兼容，通過分解應用功能，選用相應功能的邏輯節點，實現信息對象模型的統一。但DER監控終端需通過規范的映射機制才可實現互聯互通和互操作。

3 基于XMPP的DER監控終端信息映射

XMPP是基于可擴展標記語言(eXtensible markup language，XML)的開源實時通信協議，可實現互聯互通。XMPP內置的安全協議可保證通信安全。目前，已在IEC 61850-8-2完成XMPP的標準化，但如何將其運用于配電網中仍需研究。

3.1 XMPP的映射機制

DER監控終端采用XMPP協議進行通信映射時，XMPP客戶端和XMPP服務器間需建立雙邊應用關聯。XMPP客戶端和XMPP服務器通信前需建立傳輸控制協議/網際互連協議(trasmission control protocol/Internet protocol,TCP/IP)，連接并開啟XML流，以實現數據傳輸。TCP連接建立后，為保證映射安全，XMPP客戶端和XMPP服務器間需完成基于網絡傳輸層安全(trunsport layer security,TLS)的StartTLS協商。XMPP客戶端和XMPP服務器實現安全認證后，將通過通信獲得唯一的標志符(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監控系統中使用客戶端/服務器和服務器/服務器的模式。XMPP在DER監控系統中的通信架構如圖4所示。DER監控終端是XMPP客戶端和IEC 61850服務器角色。VPP作為DER的虛擬管理中心同時擔任XMPP客戶端、IEC 61850服務器和IEC 61850客戶端這3種角色。而調度控制中心則是XMPP客戶端和IEC 61850客戶端角色。XMPP需通過XMPP服務器轉發才可實現不同客戶端之間的信息傳輸。映射時，在XML流將傳輸的信息封裝為、、 3種消息節進行傳輸[10]。因在不同的XMPP服務器下的XMPP客戶端通信可支持多級XMPP服務器轉發實現通信，故可通過XMPP服務器的轉發實現不同電力企業之間的互聯互通。

圖4 XMPP在DER監控系統中的通信架構

XMPP映射有直接映射和MMS-XMPP映射2種方法[8]。在映射時，通過消息的確認機制和心跳機制保證數據的可靠傳輸;同時,通過會話標志和消息序號屬性來檢測通信時數據是否丟包，從而保證發送者和接收者之間的數據傳輸的可靠性。

XMPP根據服務類型的不同，將請求響應類服務、主動推送類服務和在線狀態等信息分別映射至XMPP的消息節。其分別屬于請求-響應機制、主動推送機制和發布-訂閱機制。客戶端和服務器可在XML流中傳輸XML消息節，以實現信息傳輸。IEC 61850客戶端可通過服務獲取服務器的信息模型，IEC 61850定義了抽象通信服務接口(abstract communication service interface,ACSI)，用于交換這些信息模型所需的服務。ACSI為概念性接口，需映射到具體通信協議上(例如XMPP等)[6]。

3.2 信息安全

為保證DER監控系統的通信安全，需要對XMPP的客戶端到服務器和服務器到服務器實行有效的安全防護。XMPP通過內置的TLS和SASL這2種安全機制，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，上層用于安全認證，下層通過密碼組、證書認證、數據加解密和防止竊聽等功能實現數據傳輸的安全。SASL提供身份驗證和數據安全服務，具備多種認證機制，例如通用安全服務應用程序接口(generic security services application program interface,GSSAPI)、1個簡單的明文密碼(a simple clear text password,PLAIN)機制。XMPP通過SASL抽象層的接口實現對各種認證機制的使用。SASL可通過授權身份標志符判斷客戶端的身份。當標志符為空時，表示服務器與客戶端相關聯；否則，客戶端為相應字符串表示的身份。SASL也提供驗證機制進行身份驗證，以實現數據完整性和保密的安全服務。故通過內置的TLS和SASL安全機制，可保證XMPP信息傳輸的安全。

4 試驗驗證

為驗證XMPP傳輸信息模型和進行服務映射時的實時性，搭建的XMPP測試系統如圖5所示。XMPP測試系統由8臺SICOM3000以太網交換機、1臺路由器、9臺計算機以及相關軟件組成。PC1中安裝即時通信服務器Openfire模擬XMPP服務器。PC2～PC7用于模擬XMPP客戶端，即DER監控終端。測試時：在PC4和PC5間通信測試XMPP的傳輸延時；PC8和PC9用于制造網絡背景流量；其余計算機模擬在線的用戶。通過Web頁面可以實現相應的管理和配置，其支持上萬終端的同時在線。試驗測試系統中模擬了513個在線用戶，程序開發基于Smack類庫，XMPP客戶端采用Java編程。

圖5 XMPP測試系統

圖5中，使用XMPP傳輸數據對象時，需結合數據的類型和服務參數形成XML多層定義標簽封裝數據。內置的TLS和SASL安全機制可實現數據的加密和完整性傳輸，以確保數據的安全。但數據加密可能導致傳輸延時增加，故試驗測試了加密后的傳輸實時性。

本文通過乒乓測試法實現對XMPP的延時測試。測試通過發送5 000組不同大小的報文，以獲取相應的傳輸延時。XMPP的不同大小報文傳輸延時如圖6所示。由圖6可知，因采用XMPP傳輸時需經過XMPP服務器的轉發，同時為保證數據安全，XMPP傳輸時需對數據進行分解加密。故帶安全加密的數據采用XMPP傳輸的延時多。隨著網絡背景流量的增大，延時時間也增大。因此，同一網絡背景流量下的報文越大則延時越長。

圖6 XMPP的不同大小報文傳輸延時

由文獻[8]可知，在配電網中采用XMPP傳輸時，其數據包大小一般為幾千字節。以7 186 B的數據包為例，通過測試可知其平均傳輸延時為7.61 ms，而最大傳輸延時為23.5 ms。通過計算機(CPU主頻為2.5 GHz，處理器為英特爾Core i5-7200U)實現了XMPP的加解密延時測試，加解密的平均處理延時為0.34 ms。以CPU主頻為454 MHz、處理器為Freescale MCIMX283/287的DER監控終端核心板進行計算，通過對CPU主頻換算，獲取的結果為1.92 ms。完整的XMPP傳輸延時為發送端和接收端的加解密處理延時和鏈路傳輸延時3個部分，故7 186 B的報文平均傳輸延時為11.45 ms。因1.2節中規定DER保護動作的響應時間必須小于200 ms，而測試XMPP報文為7 186 B時的平均傳輸延時為9.53 ms、最大傳輸延時為27.34 ms，均滿足標準的通信要求。由文獻[6]可知，采用分布式控制時，通信網絡負載率一般不超過30%。本文以7 186 B報文大小為例。網絡堵塞時，XMPP的傳輸延時隨著網絡負載率的增加而增大，而測試獲取負載率為30%時的7 186 B報文的平均傳輸延時為16.01 ms，未超過200 ms，仍滿足DER的實時性要求。

《分布式電源接入配電網監控系統功能規范》推薦在DER的通信中采用IEC 61850-5-101/104。文獻[6]中研究采用面向通用對象變電站事件(generic object oriented suostation event,GOOSE)機制實現DER的實時控制數據傳輸。IEC 61850-5-101/104和GOOSE機制可實現較好的實時性，但在配電網的傳輸中未有效解決通信安全的問題。所以本文采用XMPP協議實現DER監控終端的信息傳輸。雖然XMPP服務器的處理延時和加解密處理延時使實時性降低，但仍滿足標準中對DER監控系統的通信要求。分布式控制通信網絡負載率一般不超過30%[6]。經測試，XMPP的實時性仍可滿足DER的實時性要求。XMPP內置的TLS和SASL安全機制可保證通信通道的安全，并實現身份驗證。XMPP在保證安全的前提下可以滿足DER監控系統的要求。

5 結論

DER分布區域廣、通信條件多樣，但DER監控系統需解決控制中心、VPP和DER設備間的通信安全問題，以及實現不同廠家DER設備的互聯互通。本文基于DER監控系統的功能，選用IEC 61850-7-420標準的邏輯節點，建立了DER監控終端的信息模型。本文研究了XMPP在DER監控系統中的通信映射方法，通過XMPP內置的TLS和SASL機制解決了DER監控系統信息傳輸的安全問題。試驗結果表明，XMPP的傳輸延時可以滿足DER監控系統的要求，為DER監控終端提供1種安全有效的映射方式。下階段將進一步研究XMPP在具體工程應用中的通信性能。