基于CoAP协议的配电物联网通信映射研究

赵乾名，陈 羽，徐丙垠，孔垂跃

（山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255000）

0 引 言

配电网面向最终用户，其故障直接影响供电可靠性。2019年我国用户平均停电时间为13.72 h/户，故障停电时间占总停电时间的40.16%。而配电网故障主要发生在低压配电网，提高低压配电网的运行水平可有效提高供电可靠性。当前的配电自动化系统使用配变终端设备（TTU）对配电变压器进行监测，但缺乏对低压设备及用户的信息监测，导致低压配电网处于监测盲区。为了解决低压配电网感知问题，基于先进的物联网技术和计算机通信的配电物联网的研究日益增多。依托“云大物移智”先进技术建设配电物联网，实现配电网全面感知、信息融合及智能应用是提高低压配电网供电可靠性的有效手段。

配电物联网是配电技术与物联网技术深度融合产生的一种新型配电网络形态，由“云”“网”“边”“端”构成。边设备具备边缘计算能力，可提供就地或就近智能决策和服务；端设备具备感知测量能力。在配电物联网边端场景中，受限制应用协议（CoAP）凭借数据包小、便于配置及采用面向无连接的传输被认为更适合用于设备资源受限的场景。配电物联网端设备数量众多，为实现不同厂家设备间互联互通、互操作，需要有统一的信息模型及通信服务。

现有的变电站自动化和配电自动化系统为解决互联互通、互操作问题，采用IEC 61850标准。IEC 61850采用面向对象的建模方法、ACSI服务和特定通信服务映射（SCSM）等技术，提供了统一的信息模型和通信服务，可实现设备间的互联互通、互操作。IEC 61850 90-6部分中描述了配电网自动化典型应用的交互信息，建立了通信信息模型。低压配电网应用的通信信息模型基本都已在IEC 61850中规范，使用IEC 61850解决配电物联网互联互通、互操作问题是一个较好的方案。

IEC 61850中除了建立了各种电力业务的通信信息模型外还规范了通信服务模型，并将其映射到不同协议以实现具体信息交互。目前IEC 61850标准已将通信服务映射至MMS、IEC 60870 5-101/104和XMPP。MMS映射协议主要应用在变电站内，其对设备资源需求较大，配电物联网端设备资源受限，实现困难。IEC 60870 5-101/104及IEC 61850 8-2中均采用面向连接的通信协议，无法满足端设备低功耗运行场景。IEC 61850服务映射到CoAP协议的研究方面，文献[12]对IEC 61850中的部分ACSI进行服务映射，但对相同资源采用不同的统一资源标识符（URI）进行访问，不符合CoAP的RESTful原则。文献[13]设计了资源组合方案，使用URI的方法对资源进行操作，但未对服务映射进行深入研究。

为解决配电物联网大规模端设备接入时的互联互通、互操作，本文研究了基于CoAP协议的IEC 61850映射方法。基于配电物联网边端通信场景中端设备对传输速率、设备功耗及部署成本的需求确定了ACSI服务子集，根据CoAP协议访问过程设计了资源访问方法并采用通信服务直接映射策略。通过比较编码效率及开销，确定了数据编码方法。最后搭建试验平台测试了CoAP的实时性，验证了方法的有效性。

1 配电物联网边端通信需求

1.1 边端通信特点

端设备部署位置分散、环境复杂，本地边端通信可采用HPLC、WiFi、RoLa、NB-Iot等技术。HPLC借助电力线网络实现通信，通信速率约为2 Mb/s，无需施工布线即可安装使用。RoLa技术及NB-Iot技术均为超远距离无线传输技术，传输距离在10 km以上，具备通信信道窄、低功耗、低成本等特点。无线技术由于存在信号盲区，在实际应用中可将无线技术与HPLC技术结合使用以增强性能。

1.2 边端通信需求

端设备需要实现量测数据的采集及传输，并具备一定的控制功能。受部署位置及维护成本等影响，端设备资源受限，包括通信信道受限、自身内存空间受限、自身计算能力受限、要求低功耗等，导致仅能对实时性要求较低的数据进行传输。在进行传输时应尽可能缩小数据包大小，简化信息交互流程，降低传输数据处理的复杂程度，提高传输效率。

2 IEC 61850通信服务映射

基于电力生产过程的特点和要求，IEC 61850定义了业务交互信息服务模型，设计了抽象通信服务接口ACSI。ACSI需通过特定通信服务映射（SCSM）将服务模型在具体通信协议上实现。使用CoAP协议传输IEC 61850信息，也需要具体设计定义ACSI服务模型的映射。配电物联网中使用IEC 61850标准信息模型可以对量测数据进行模型统一，以解决不同厂商设备间的语义一致性问题，借助SCSM将IEC 61850信息模型及通信服务映射到应用层CoAP协议，可以实现设备间的互联互通、互操作。

3 CoAP服务映射方法

3.1 CoAP协议

CoAP协议是为资源受限设备和网络优化设计的二进制格式网络协议，将对象抽象为资源，使用统一资源标识符（URI）定位资源，采用HTTP动词描述操作，但比HTTP协议要紧凑，最小报文仅4个字节。传输层基于UDP传输协议，采用面向无连接的传输。CoAP具备请求/响应和观察者两种工作模式，可满足低功耗运行场景，具备资源描述、重传机制、块传输以及规范选项等功能，保障传输具备一定的可靠性及传输效率。

3.2 通信服务映射策略

通信服务映射是将标准定义的通信服务映射至具体通信协议。IEC 61850 8-1中定义了映射到MMS的方法，需将IEC 61850定义的结构化分层对象模型和服务映射到MMS协议中定义好的对象模型和服务，采用ASN.1 BER编码方法编码，通过MMS服务进行通信。IEC 61850 8-2中定义了映射到XMPP的方法，将IEC 61850定义的数据对象和ACSI服务映射到MMS，然后将MMS类型的对象数据和服务函数进行XML编码，并定义XMPP消息节的传输方法，采用XMPP进行通信。

在进行CoAP协议服务映射时，若采用MMS或XMPP的映射方法需进行MMS数据对象及服务与IEC 61850标准数据对象及ACSI服务互相转换过程。依据OSI参考模型，在应用层采用CoAP对ACSI服务进行实现。CoAP协议报文负载中未规定对象模型，可采用直接映射的策略，即直接采用IEC 61850中标准数据对象名称及ACSI服务，通过ASN.1 BER编码方法将对象数据及服务进行编码，采用CoAP协议进行通信。该方法更易在资源受限的端设备中实现。通信协议栈如图1所示。

图1 通信协议栈

3.3 资源访问方法

IEC 61850采用变电站配置描述语言（SCL）描述IED中的模型信息来规范不同厂商间的设备功能。CoAP协议通过访问URI的方式操作资源，SCL文件首先需要映射至URI实现功能信息访问。文献[16]中提出将SCL分层信息与ACSI服务均放置于URI Path选项中，该方法实现了对资源的访问，但当对数据、数据集或文件等不同服务进行操作时URI的扩展性弱。

SCL通过分层结构描述具体应用功能数据，访问时还需要结合具体的读写、删除等服务操作。本文首先根据ACSI服务确定CoAP协议的服务操作，再组织应用功能数据。分层结构中按照IEC 61850定义的逻辑设备LD、逻辑节点LN、功能约束FC、数据对象DO和数据属性DA模型进行设定，FC为功能约束，包含于LN中，主要用于DO的定义，将其置于LN与DO中间实现对满足FC的DA进行初次过滤，再根据DO及DA确定所需的数据。URI的组织方式如下：

URI Host是CoAP协议规定的标识符以及具体的访问IP地址，设备拥有唯一IP；URI Path为ACSI服务名称；URI Query为SCL分层信息。具体如图2所示。

图2 CoAP URI组织方式

该资源访问方法可以根据层次访问IEC 61850数据，结合CoAP协议中访问URI的方式可以灵活地实现访问各类数据，通过更改URI Query实现数据读取、日志读取、数据集读取等服务，如GetDataSetValue服务URI为LD/LN/DataSet，GetFile服务实现日志传输URI为log。

表1为将IEC 61850中的SCL信息服务映射至CoAP协议中的实例，通过访问不同的URI Query实现对不同数据的获取，根据URI Path决定获取操作类型。Coap_resource_init函数为自定义的添加资源函数，主要实现在端设备中为量测数据创造资源名称功能。

表1 SCL信息服务映射实例

3.4 CoAP数据映射

ACSI服务中未规定特定的报文格式及编解码语法，在进行特殊通信映射时需要进行数据映射，即确定表示层编码方式，并对基本数据类型进行映射。考虑端设备资源受限，表示层编码方法应从编码效率及开销两方面确定。

IEC 61850中已使用ASN.1 BER及XML编码方法，物联网中已使用JSON编码方法。ASN.1编码方法定义了不同的编码规则，其中基本编码规则（BER）、压缩编码规则（PER）和XML编码规则（XER）是目前应用最多的编码规则。BER编码规则在IEC 61850 8-1中使用，XER编码规则在IEC 61850 8-2中使用。

XER编码规则是基于可扩展标记语言（XML）的编码规则，采用纯文本格式，通过使用规范的标签提高可读性及扩展性；BER编码规则及PER编码规则均采用二进制格式。其中，PER编码规则主要包含unaligned variant和aligned variant两种情况，第一种情况节省了各数据项编码时的分界标志，但增加了对CPU的占用；第二种方式将BER中的冗余信息进行删减，但增加了编码规则复杂程度，且需要网络通信的收发双方均使用统一的ASN.1句法描述数据结构。PER编码规则的实现代码量要远大于BER编码规则，在数量众多的端设备中不推荐使用。

JSON格式是一种轻量级的数据交换格式，采用纯文本格式储存，为了便于资源受限的物联网设备使用，CBOR格式应运而生，该方法是一种提供良好压缩性的二进制数据交换形式。编码方法比较结果如表2所示。

表2 编码方法比较

JSON及ASN.1 XER采用基于纯文本的格式，会使传输相同信息编码时数据包较大，相同内容下纯文本格式所占空间约为二进制格式的十几倍以上，端设备中实现占用资源多；IEC 61850 8-1中采用的ASN.1 BER使用二进制方法进行传输，数据包更小且在变电站大量使用，应用较成熟。CBOR编码方法实现代码更小，目前主要应用于物联网中，对于传输IEC 61850信息，对具体编码类型的扩展等仍需进一步研究。本文采用ASN.1 BER编码方式，边端通信场景下应用功能交互的数据可直接建模为IEC 61850 7-3标准中定义的基本数据对象。

3.5 服务映射

配电物联网边端场景下端设备资源受限，根据该场景下的低通信速率特点及必须具备的数据传输、自描述、模型传输功能等确定ACSI服务子集。

Association为应用关联模型，需要该模型表征端设备与边设备的关联状态。端设备建立关联后模型传输可以使用服务访问或文件传输方式。服务访问模式需对LD、LN、Data等分层获取，灵活性高但实现复杂、传输效率较低。考虑到模型传输的频率较低，本文采用文件传输模式以简化实现，结合CoAP协议中存在的块传输功能提高传输效率并使用DTLS对其进行安全加密。日志类服务同样采用文件传输。量测数据可以使用GetDataValues、GetDataSetValues等服务实现单个或多组数据的读取。端设备中的Set类服务主要实现定值服务，为简化实现，仅保留SetEditSGValue服务。基于低功耗考虑，在端设备中使用观察者模式可减小功耗。观察者模式由边设备对资源进行观察，端设备中该资源变化时触发Report服务，将数据主动上送。端设备除传输量测数据外还具备一定的控制功能，需要保留Select、SelectWithValue等控制类功能。

GSSE及GOOSE服务主要传送快速报文及跳闸报文，在边端场景下通信信道很难满足要求。通过上述对ACSI服务的分析，获得在CoAP协议中支持的ACSI服务如表3所示。

表3 CoAP服务映射支持的ACSI服务

3.6 CoAP服务映射流程

ACSI服务通信方式可以分为客户端/服务器（C/S）模式和发布者/订阅者（P/S）模式。在配电物联网边端设备需频繁进行交互时，采用C/S模式实现。具体交互流程如图3所示。以GetDataValues服务为例，其服务请求如表4所示。

图3 请求/响应流程图

表4 IEC 61850服务请求实例

由客户端向服务器发送GetDataValues服务请求信息，对应的URI为CoAP：192.168.1.111/GetDataValues?01/MEAS/MMXU1/MX/PhV/phsA。

服务器首先对URI进行解析，判断URI_Host及URI_Path是否为本端设备地址及采用的操作方法，表中服务程序中的CoAP_REQUEST_GET表示客户端采用GET类请求，再解析URI_Query确定IEC 61850对应的信息类型，表中服务程序中的hnd_get_01/MEAS/MMXU1/MX/PhV/phsA为自定义资源函数，该函数功能为读取设备当前量测数据。若在客户端规定时间内未收到服务器应答，则启动重传机制重复发送请求信息，若多次未响应，则认为该端设备处于掉线状态。

在对端设备中的周期性量测数据进行采集时，可以使用低功耗的观察者模式，具体流程如图4所示。

图4 观察者模式流程图

边设备携带服务器的URI进行带参数请求，通过将URI中对应的选项值置1启动观察者模式，对端设备某一资源进行订阅，资源发生变化时，端设备主动上传资源的最新数据值。

4 实验测试

4.1 功能性测试

为验证CoAP协议映射的有效性，搭建了如下的试验系统。试验采用3台树莓派3b+模块，1台科汇公司低压配电监控终端LTU。实验系统如图5所示，树莓派1充当客户端，其余作为服务器，其中3台通过无线网络与客户端连接，LTU通过USR-N540网口转串口设备进行连接。测试程序中的CoAP实现使用libcoap库。

图5 CoAP试验系统

试验采用弱网模拟工具Wondershaper及Traffic-Control，通过限制上下行带宽50 Kb/s，延时200 ms以及丢包率为10%，模拟通信场景中较差的网络状态。以初次上线的资源主动描述及采集电压电流数据为例进行试验，并更换信息类型以验证观察者模式、块传输等功能，使用Wireshark软件对传输数据进行抓包，测试结果如图6所示。

图6 CoAP试验实例

4.2 通信延时测试

通信延时测试采用乒乓测试方法，以测试端发送和接收数据包的平均时间作为端到端数据传输延时。数据传输延时主要包括网络传输延时、服务器处理延时，为提高传输过程的安全性，需要对传输过程进行加密。安全加密采用可在资源受限设备中使用的对称加密算法AES算法，实现时采用mbedtls库，该软件库采用独立的模块化设计，内存占用低。

基于CoAP协议对IEC 61850数据对象进行传输，需要使用表示层编码IEC 61850数据对象形成数据。以传输三相电压数据为例，CoAP由固定包头4 B、可变1～9包头字节及IEC 61850数据100 B，数据包总大小约占115 B；若直接对三相电压值的名称及数值进行传输，数据包约为12 B。

若在边端通信场景下使用低压电力线宽带载波通信技术，参照Q/GDW 11612.1低压电力线宽带载波通信互联互通技术规范：在隔离电源、屏蔽环境、无竞争场景，主从节点1∶1配比，测试包为512 B时，通信速率应不小于1 Mb/s。考虑到实际边设备下可能挂有上百台设备，结合大小约为120 B的典型数据包进行计算，若所有设备同时进行发送，实际每台设备可能有几十Kb左右带宽。通过弱网模拟工具分别发送两种形式的CoAP数据包进行测试，所得数据如图7所示。

由图7可知：基于CoAP加密传输IEC 61850数据对象的平均传输延时约为11.18 ms；未加密平均传输延时为5.86 ms；直接传输方法平均传输延时约为3.23 ms。

图7 不同方法端对端传输延时比较

通过采用弱网模拟工具对网络状态进行模拟并进行测试，试验结果显示，在未加密状态下基于CoAP的IEC 61850服务映射方案比直接传输三相电压的方法耗时约增加1倍，加密100 B的数据时传输增加时间约为5～6 ms左右。

5 结 论

为提高配电网的供电可靠性，解决配电物联网大规模端设备接入时的互联互通、互操作问题，本文基于IEC 61850标准研究了配电物联网端设备的CoAP通信映射方法。在考虑端设备资源受限的场景下，根据端设备传输数据功能确定了ACSI服务子集，结合CoAP协议设计了资源访问方法，为简化数据对象的相互转换，采用通信服务直接映射策略。通过比较编码效率及开销确定数据编码方法，构建了CoAP协议映射方法。搭建测试平台测试了CoAP映射的实时性，验证了方法的可行性。互联互通、互操作研究可减少大规模端设备安装、调试、运维时的工作量，提高配电物联网的建设、运维效率。本文初步验证了将IEC 61850映射至CoAP的可行性，还需要在实际配电物联网系统建设中进一步验证和优化。

注：本文通讯作者为陈羽。