基于MQTT的配电终端即插即用技术研究

康童， 朱吉然， 马玎， 徐波， 王高海

(1.国网湖南省电力有限公司 电力科学研究院，湖南 长沙 410007；2.同济大学 电气工程系，上海 201804；3.湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南 长沙 410004；4.东方电子股份有限公司，山东 烟台 264001)

0 引 言

我国配电网规模日益增大，但基础相对薄弱，配电设备的工作环境往往比较恶劣，常受到高温、高湿环境的影响，因此配电设备的运行可靠性需要得到保障[1-2]。作为在配电网建设中一个极为重要的组成部分，配电设备中配电环网柜在整个电力系统中起着为用户配电和供电的重要作用[3-4]。我国目前的环网柜存在着较多问题，比如柜内布局混乱，各模块之间的接口和组合设计复杂，导致设备运行稳定性较低、设备更换和维护环境差[5-7]。

本文通过分析梳理配电自动化终端的实际功能，选取IEC 61850中相应的数据模型进行建模，对于标准中未定义的功能模型，选取通用的数据模型或者创建新的数据模型。为了实现配电设备广泛互联和信息高效传输，本文进一步分析了多种通信协议应用于配电终端即插即用技术的适应性，着重分析消息队列遥测传输(message queue telemetry transmission, MQTT)协议的可行性，提出了基于IEC 61850和MQTT协议的配电终端即插即用的方法，并提出了基于MQTT的配电终端信息交互方法，最后给出了MQTT的配置实例。

1 配电设备自描述的建模

本文在IEC 61850标准的基础上，根据典型的服务器、逻辑设备和逻辑节点最终连接到数据的分层次结构，以环网柜分布式数据终端设备(data terminal unit, DTU)为例，建立起分布式DTU的完整信息模型。

1.1 基于IEC 61850的分层结构

IEC 61850标准将变电站划分成三个功能层。过程层的主要实现采集电气量这一功能；间隔层主要功能是汇集过程层所采集的各种信息；站控层主要功能是实现对多个功能层次中所有已经接入设备的控制。

1.2 基于IEC 61850的自描述信息模型

根据IEC 61850的建模规则，建立DTU的自描述信息模型如图1所示。

图1 DTU的自描述信息模型

本文将DTU物理设备划分为五个逻辑节点，分别是测量、控制、保护、录波和电池管理逻辑节点。

2 配电网通信架构设计

2.1 通信架构设计原则

为了实现配电网的高效通信、轻量化通信以及提高配电业务运行的稳定性，总体设计原则如下：

(1) 实现配电业务的高效作业。

(2) 实现设备即插即用。

(3) 高效可靠的数据传输。

2.2 通信协议对比分析

配电终端与配电主站之间的通信大多采用IEC 104规约、Modbus等通信协议。本文对常见的通信协议在多个方面进行了比较，包括架构、并发数、实时性、安全性以及电表配置等，如表1所示。

表1 通信协议对比

MQTT通信协议支持设备自描述功能，实现轻量化的同时能够满足配电终端即插即用技术的要求。

本文提出一种基于MQTT协议的通信架构。一般情况下主站与边缘计算终端通过MQTT协议通信，边缘计算终端与末端设备通过MQTT协议通信；在特殊情况下，如末端设备与边缘计算终端之间断开通信，主站可以通过MQTT协议直接与末端设备通信。整体通信架构如图2所示。

图2 通信架构

3 基于MQTT协议的配电终端即插即用技术信息交互方法

3.1 基于MQTT的信息交互方法

按照配电物联网通信架构设计，边缘计算设备与智能配电终端通常同时存在于配电网中，本文主要讨论配电终端与云主站之间的交互，记为“主端”交互。基于MQTT通信协议的交互如图3所示。

图3 基于MQTT的主端交互

3.2 配电终端即插即用信息交互方法

3.2.1 配电终端通过边缘计算终端请求注册

配电终端向边缘计算终端请求设备注册时，边缘计算终端对注册请求进行响应，基于IEC 61850标准自行形成自描述文件，随后对主站发起请求配电设备的注册；配电主站收到请求后对其进行响应，下发设备注册所需的数据给边缘计算终端。边缘计算终端对智能配电终端发送注册所需的数据，配电终端自动对注册数据进行调整，从而与边缘计算终端进行正常通信。配电终端通过边缘计算终端与配电主站进行数据交互的流程如图4所示。

图4 通过边缘计算终端进行数据交互的流程图

3.2.2 配电终端直接向配电主站请求注册

配电终端向配电主站发起主动注册请求时，配电终端直接向配电主站发起注册请求。配电终端与配电主站之间的数据交互流程如图5所示。

图5 配电终端直接与主站进行数据交互的流程

4 即插即用技术试验验证

本文搭建了基于MQTT的配电终端即插即用环境。应用环境由一台配电自动化主站、一台边缘计算终端、两台分布式DTU公共单元及八台分布式DTU间隔单元组成，选用主站-边缘计算终端-配电终端的结构进行搭建，结构如图6所示。

图6 基于MQTT的配电终端应用环境

本文以IEC 104和MQTT两种通信协议为例进行分布式DTU连接主站的试验。采用MQTT和IEC 104通信架构的试验结果分别如图7、图8所示。

图7 MQTT通信架构试验结果

图8 IEC 104通信架构试验结果

测试结果表明，采用本文设计的基于MQTT通信协议通信架构能够有效提升配电终端接入配电网的效率，分布式DTU与主站建立通信的时间大幅减少，接入时间节省91.6%。

5 结束语

为提升配电网终端设备的可靠性和接入主站的效率，本文基于IEC 61850对配电设备的自描述功能的实现进行分析，依据面向对象建模方法，建立了配电设备自描述模型。通过分析配电网通信架构设计原则，选取轻量级通信协议MQTT作为主站与终端之间通信的协议，建立了基于MQTT的信息交互方法，能够实现终端设备与边缘计算终端、终端设备与主站之间的请求注册功能，并搭建实际应用环境进行了实地测试。本文设计的基于MQTT的通信架构提高了配电网设备数据传输的可靠性和设备接入效率，实现了对配电终端即插即用技术的创新，具有较高的应用价值。