趙乾名，陳 羽，徐丙垠，孔垂躍

（山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000）

0 引 言

配電網(wǎng)面向最終用戶(hù)，其故障直接影響供電可靠性。2019年我國(guó)用戶(hù)平均停電時(shí)間為13.72 h/戶(hù)，故障停電時(shí)間占總停電時(shí)間的40.16%。而配電網(wǎng)故障主要發(fā)生在低壓配電網(wǎng)，提高低壓配電網(wǎng)的運(yùn)行水平可有效提高供電可靠性。當(dāng)前的配電自動(dòng)化系統(tǒng)使用配變終端設(shè)備（TTU）對(duì)配電變壓器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但缺乏對(duì)低壓設(shè)備及用戶(hù)的信息監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致低壓配電網(wǎng)處于監(jiān)測(cè)盲區(qū)。為了解決低壓配電網(wǎng)感知問(wèn)題，基于先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和計(jì)算機(jī)通信的配電物聯(lián)網(wǎng)的研究日益增多。依托“云大物移智”先進(jìn)技術(shù)建設(shè)配電物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)全面感知、信息融合及智能應(yīng)用是提高低壓配電網(wǎng)供電可靠性的有效手段。

配電物聯(lián)網(wǎng)是配電技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度融合產(chǎn)生的一種新型配電網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，由“云”“網(wǎng)”“邊”“端”構(gòu)成。邊設(shè)備具備邊緣計(jì)算能力，可提供就地或就近智能決策和服務(wù)；端設(shè)備具備感知測(cè)量能力。在配電物聯(lián)網(wǎng)邊端場(chǎng)景中，受限制應(yīng)用協(xié)議（CoAP）憑借數(shù)據(jù)包小、便于配置及采用面向無(wú)連接的傳輸被認(rèn)為更適合用于設(shè)備資源受限的場(chǎng)景。配電物聯(lián)網(wǎng)端設(shè)備數(shù)量眾多，為實(shí)現(xiàn)不同廠家設(shè)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(wù)。

現(xiàn)有的變電站自動(dòng)化和配電自動(dòng)化系統(tǒng)為解決互聯(lián)互通、互操作問(wèn)題，采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)。IEC 61850采用面向?qū)ο蟮慕７椒?、ACSI服務(wù)和特定通信服務(wù)映射（SCSM）等技術(shù)，提供了統(tǒng)一的信息模型和通信服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)互通、互操作。IEC 61850 90-6部分中描述了配電網(wǎng)自動(dòng)化典型應(yīng)用的交互信息，建立了通信信息模型。低壓配電網(wǎng)應(yīng)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(wǎng)互聯(lián)互通、互操作問(wèn)題是一個(gè)較好的方案。

IEC 61850中除了建立了各種電力業(yè)務(wù)的通信信息模型外還規(guī)范了通信服務(wù)模型，并將其映射到不同協(xié)議以實(shí)現(xiàn)具體信息交互。目前IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)已將通信服務(wù)映射至MMS、IEC 60870 5-101/104和XMPP。MMS映射協(xié)議主要應(yīng)用在變電站內(nèi)，其對(duì)設(shè)備資源需求較大，配電物聯(lián)網(wǎng)端設(shè)備資源受限，實(shí)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(wú)法滿(mǎn)足端設(shè)備低功耗運(yùn)行場(chǎng)景。IEC 61850服務(wù)映射到CoAP協(xié)議的研究方面，文獻(xiàn)[12]對(duì)IEC 61850中的部分ACSI進(jìn)行服務(wù)映射，但對(duì)相同資源采用不同的統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符（URI）進(jìn)行訪問(wèn)，不符合CoAP的RESTful原則。文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)了資源組合方案，使用URI的方法對(duì)資源進(jìn)行操作，但未對(duì)服務(wù)映射進(jìn)行深入研究。

為解決配電物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模端設(shè)備接入時(shí)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。基于配電物聯(lián)網(wǎng)邊端通信場(chǎng)景中端設(shè)備對(duì)傳輸速率、設(shè)備功耗及部署成本的需求確定了ACSI服務(wù)子集，根據(jù)CoAP協(xié)議訪問(wèn)過(guò)程設(shè)計(jì)了資源訪問(wèn)方法并采用通信服務(wù)直接映射策略。通過(guò)比較編碼效率及開(kāi)銷(xiāo)，確定了數(shù)據(jù)編碼方法。最后搭建試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試了CoAP的實(shí)時(shí)性，驗(yàn)證了方法的有效性。

1 配電物聯(lián)網(wǎng)邊端通信需求

1.1 邊端通信特點(diǎn)

端設(shè)備部署位置分散、環(huán)境復(fù)雜，本地邊端通信可采用HPLC、WiFi、RoLa、NB-Iot等技術(shù)。HPLC借助電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信，通信速率約為2 Mb/s，無(wú)需施工布線(xiàn)即可安裝使用。RoLa技術(shù)及NB-Iot技術(shù)均為超遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，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(diǎn)。無(wú)線(xiàn)技術(shù)由于存在信號(hào)盲區(qū)，在實(shí)際應(yīng)用中可將無(wú)線(xiàn)技術(shù)與HPLC技術(shù)結(jié)合使用以增強(qiáng)性能。

1.2 邊端通信需求

端設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)量測(cè)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(hù)成本等影響，端設(shè)備資源受限，包括通信信道受限、自身內(nèi)存空間受限、自身計(jì)算能力受限、要求低功耗等，導(dǎo)致僅能對(duì)實(shí)時(shí)性要求較低的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。在進(jìn)行傳輸時(shí)應(yīng)盡可能縮小數(shù)據(jù)包大小，簡(jiǎn)化信息交互流程，降低傳輸數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜程度，提高傳輸效率。

2 IEC 61850通信服務(wù)映射

基于電力生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)和要求，IEC 61850定義了業(yè)務(wù)交互信息服務(wù)模型，設(shè)計(jì)了抽象通信服務(wù)接口ACSI。ACSI需通過(guò)特定通信服務(wù)映射（SCSM）將服務(wù)模型在具體通信協(xié)議上實(shí)現(xiàn)。使用CoAP協(xié)議傳輸IEC 61850信息，也需要具體設(shè)計(jì)定義ACSI服務(wù)模型的映射。配電物聯(lián)網(wǎng)中使用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)信息模型可以對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型統(tǒng)一，以解決不同廠商設(shè)備間的語(yǔ)義一致性問(wèn)題，借助SCSM將IEC 61850信息模型及通信服務(wù)映射到應(yīng)用層CoAP協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)互通、互操作。

3 CoAP服務(wù)映射方法

3.1 CoAP協(xié)議

CoAP協(xié)議是為資源受限設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的二進(jìn)制格式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，將對(duì)象抽象為資源，使用統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符（URI）定位資源，采用HTTP動(dòng)詞描述操作，但比HTTP協(xié)議要緊湊，最小報(bào)文僅4個(gè)字節(jié)。傳輸層基于UDP傳輸協(xié)議，采用面向無(wú)連接的傳輸。CoAP具備請(qǐng)求/響應(yīng)和觀察者兩種工作模式，可滿(mǎn)足低功耗運(yùn)行場(chǎng)景，具備資源描述、重傳機(jī)制、塊傳輸以及規(guī)范選項(xiàng)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(wù)映射策略

通信服務(wù)映射是將標(biāo)準(zhǔn)定義的通信服務(wù)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(jié)構(gòu)化分層對(duì)象模型和服務(wù)映射到MMS協(xié)議中定義好的對(duì)象模型和服務(wù)，采用ASN.1 BER編碼方法編碼，通過(guò)MMS服務(wù)進(jìn)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(duì)象和ACSI服務(wù)映射到MMS，然后將MMS類(lèi)型的對(duì)象數(shù)據(jù)和服務(wù)函數(shù)進(jìn)行XML編碼，并定義XMPP消息節(jié)的傳輸方法，采用XMPP進(jìn)行通信。

在進(jìn)行CoAP協(xié)議服務(wù)映射時(shí)，若采用MMS或XMPP的映射方法需進(jìn)行MMS數(shù)據(jù)對(duì)象及服務(wù)與IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)象及ACSI服務(wù)互相轉(zhuǎn)換過(guò)程。依據(jù)OSI參考模型，在應(yīng)用層采用CoAP對(duì)ACSI服務(wù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。CoAP協(xié)議報(bào)文負(fù)載中未規(guī)定對(duì)象模型，可采用直接映射的策略，即直接采用IEC 61850中標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)象名稱(chēng)及ACSI服務(wù)，通過(guò)ASN.1 BER編碼方法將對(duì)象數(shù)據(jù)及服務(wù)進(jìn)行編碼，采用CoAP協(xié)議進(jìn)行通信。該方法更易在資源受限的端設(shè)備中實(shí)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(wèn)方法

IEC 61850采用變電站配置描述語(yǔ)言（SCL）描述IED中的模型信息來(lái)規(guī)范不同廠商間的設(shè)備功能。CoAP協(xié)議通過(guò)訪問(wèn)URI的方式操作資源，SCL文件首先需要映射至URI實(shí)現(xiàn)功能信息訪問(wèn)。文獻(xiàn)[16]中提出將SCL分層信息與ACSI服務(wù)均放置于URI Path選項(xiàng)中，該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)資源的訪問(wèn)，但當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)集或文件等不同服務(wù)進(jìn)行操作時(shí)URI的擴(kuò)展性弱。

SCL通過(guò)分層結(jié)構(gòu)描述具體應(yīng)用功能數(shù)據(jù)，訪問(wèn)時(shí)還需要結(jié)合具體的讀寫(xiě)、刪除等服務(wù)操作。本文首先根據(jù)ACSI服務(wù)確定CoAP協(xié)議的服務(wù)操作，再組織應(yīng)用功能數(shù)據(jù)。分層結(jié)構(gòu)中按照IEC 61850定義的邏輯設(shè)備LD、邏輯節(jié)點(diǎn)LN、功能約束FC、數(shù)據(jù)對(duì)象DO和數(shù)據(jù)屬性DA模型進(jìn)行設(shè)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(shí)現(xiàn)對(duì)滿(mǎn)足FC的DA進(jìn)行初次過(guò)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(biāo)識(shí)符以及具體的訪問(wèn)IP地址，設(shè)備擁有唯一IP；URI Path為ACSI服務(wù)名稱(chēng)；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(wèn)方法可以根據(jù)層次訪問(wèn)IEC 61850數(shù)據(jù)，結(jié)合CoAP協(xié)議中訪問(wèn)URI的方式可以靈活地實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)各類(lèi)數(shù)據(jù)，通過(guò)更改URI Query實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、日志讀取、數(shù)據(jù)集讀取等服務(wù)，如GetDataSetValue服務(wù)URI為L(zhǎng)D/LN/DataSet，GetFile服務(wù)實(shí)現(xiàn)日志傳輸U(kuò)RI為log。

表1為將IEC 61850中的SCL信息服務(wù)映射至CoAP協(xié)議中的實(shí)例，通過(guò)訪問(wèn)不同的URI Query實(shí)現(xiàn)對(duì)不同數(shù)據(jù)的獲取，根據(jù)URI Path決定獲取操作類(lèi)型。Coap_resource_init函數(shù)為自定義的添加資源函數(shù)，主要實(shí)現(xiàn)在端設(shè)備中為量測(cè)數(shù)據(jù)創(chuàng)造資源名稱(chēng)功能。

表1 SCL信息服務(wù)映射實(shí)例

3.4 CoAP數(shù)據(jù)映射

ACSI服務(wù)中未規(guī)定特定的報(bào)文格式及編解碼語(yǔ)法，在進(jìn)行特殊通信映射時(shí)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)映射，即確定表示層編碼方式，并對(duì)基本數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行映射。考慮端設(shè)備資源受限，表示層編碼方法應(yīng)從編碼效率及開(kāi)銷(xiāo)兩方面確定。

IEC 61850中已使用ASN.1 BER及XML編碼方法，物聯(lián)網(wǎng)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(yīng)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(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（XML）的編碼規(guī)則，采用純文本格式，通過(guò)使用規(guī)范的標(biāo)簽提高可讀性及擴(kuò)展性；BER編碼規(guī)則及PER編碼規(guī)則均采用二進(jìn)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(xiàng)編碼時(shí)的分界標(biāo)志，但增加了對(duì)CPU的占用；第二種方式將BER中的冗余信息進(jìn)行刪減，但增加了編碼規(guī)則復(fù)雜程度，且需要網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)。PER編碼規(guī)則的實(shí)現(xiàn)代碼量要遠(yuǎn)大于BER編碼規(guī)則，在數(shù)量眾多的端設(shè)備中不推薦使用。

JSON格式是一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式，采用純文本格式儲(chǔ)存，為了便于資源受限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用，CBOR格式應(yīng)運(yùn)而生，該方法是一種提供良好壓縮性的二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換形式。編碼方法比較結(jié)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(huì)使傳輸相同信息編碼時(shí)數(shù)據(jù)包較大，相同內(nèi)容下純文本格式所占空間約為二進(jìn)制格式的十幾倍以上，端設(shè)備中實(shí)現(xiàn)占用資源多；IEC 61850 8-1中采用的ASN.1 BER使用二進(jìn)制方法進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)包更小且在變電站大量使用，應(yīng)用較成熟。CBOR編碼方法實(shí)現(xiàn)代碼更小，目前主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中，對(duì)于傳輸IEC 61850信息，對(duì)具體編碼類(lèi)型的擴(kuò)展等仍需進(jìn)一步研究。本文采用ASN.1 BER編碼方式，邊端通信場(chǎng)景下應(yīng)用功能交互的數(shù)據(jù)可直接建模為IEC 61850 7-3標(biāo)準(zhǔn)中定義的基本數(shù)據(jù)對(duì)象。

3.5 服務(wù)映射

配電物聯(lián)網(wǎng)邊端場(chǎng)景下端設(shè)備資源受限，根據(jù)該場(chǎng)景下的低通信速率特點(diǎn)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(wù)子集。

Association為應(yīng)用關(guān)聯(lián)模型，需要該模型表征端設(shè)備與邊設(shè)備的關(guān)聯(lián)狀態(tài)。端設(shè)備建立關(guān)聯(lián)后模型傳輸可以使用服務(wù)訪問(wèn)或文件傳輸方式。服務(wù)訪問(wèn)模式需對(duì)LD、LN、Data等分層獲取，靈活性高但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、傳輸效率較低。考慮到模型傳輸?shù)念l率較低，本文采用文件傳輸模式以簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)，結(jié)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(duì)其進(jìn)行安全加密。日志類(lèi)服務(wù)同樣采用文件傳輸。量測(cè)數(shù)據(jù)可以使用GetDataValues、GetDataSetValues等服務(wù)實(shí)現(xiàn)單個(gè)或多組數(shù)據(jù)的讀取。端設(shè)備中的Set類(lèi)服務(wù)主要實(shí)現(xiàn)定值服務(wù)，為簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)，僅保留SetEditSGValue服務(wù)?；诘凸目紤]，在端設(shè)備中使用觀察者模式可減小功耗。觀察者模式由邊設(shè)備對(duì)資源進(jìn)行觀察，端設(shè)備中該資源變化時(shí)觸發(fā)Report服務(wù)，將數(shù)據(jù)主動(dòng)上送。端設(shè)備除傳輸量測(cè)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(lèi)功能。

GSSE及GOOSE服務(wù)主要傳送快速報(bào)文及跳閘報(bào)文，在邊端場(chǎng)景下通信信道很難滿(mǎn)足要求。通過(guò)上述對(duì)ACSI服務(wù)的分析，獲得在CoAP協(xié)議中支持的ACSI服務(wù)如表3所示。

表3 CoAP服務(wù)映射支持的ACSI服務(wù)

3.6 CoAP服務(wù)映射流程

ACSI服務(wù)通信方式可以分為客戶(hù)端/服務(wù)器（C/S）模式和發(fā)布者/訂閱者（P/S）模式。在配電物聯(lián)網(wǎng)邊端設(shè)備需頻繁進(jìn)行交互時(shí)，采用C/S模式實(shí)現(xiàn)。具體交互流程如圖3所示。以GetDataValues服務(wù)為例，其服務(wù)請(qǐng)求如表4所示。

圖3 請(qǐng)求/響應(yīng)流程圖

表4 IEC 61850服務(wù)請(qǐng)求實(shí)例

由客戶(hù)端向服務(wù)器發(fā)送GetDataValues服務(wù)請(qǐng)求信息，對(duì)應(yīng)的URI為CoAP：192.168.1.111/GetDataValues?01/MEAS/MMXU1/MX/PhV/phsA。

服務(wù)器首先對(duì)URI進(jìn)行解析，判斷URI_Host及URI_Path是否為本端設(shè)備地址及采用的操作方法，表中服務(wù)程序中的CoAP_REQUEST_GET表示客戶(hù)端采用GET類(lèi)請(qǐng)求，再解析URI_Query確定IEC 61850對(duì)應(yīng)的信息類(lèi)型，表中服務(wù)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(shè)備當(dāng)前量測(cè)數(shù)據(jù)。若在客戶(hù)端規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到服務(wù)器應(yīng)答，則啟動(dòng)重傳機(jī)制重復(fù)發(fā)送請(qǐng)求信息，若多次未響應(yīng)，則認(rèn)為該端設(shè)備處于掉線(xiàn)狀態(tài)。

在對(duì)端設(shè)備中的周期性量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，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(shè)備攜帶服務(wù)器的URI進(jìn)行帶參數(shù)請(qǐng)求，通過(guò)將URI中對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)值置1啟動(dòng)觀察者模式，對(duì)端設(shè)備某一資源進(jìn)行訂閱，資源發(fā)生變化時(shí)，端設(shè)備主動(dòng)上傳資源的最新數(shù)據(jù)值。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 功能性測(cè)試

為驗(yàn)證CoAP協(xié)議映射的有效性，搭建了如下的試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)采用3臺(tái)樹(shù)莓派3b+模塊，1臺(tái)科匯公司低壓配電監(jiān)控終端LTU。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示，樹(shù)莓派1充當(dāng)客戶(hù)端，其余作為服務(wù)器，其中3臺(tái)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與客戶(hù)端連接，LTU通過(guò)USR-N540網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口設(shè)備進(jìn)行連接。測(cè)試程序中的CoAP實(shí)現(xiàn)使用libcoap庫(kù)。

圖5 CoAP試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)采用弱網(wǎng)模擬工具Wondershaper及Traffic-Control，通過(guò)限制上下行帶寬50 Kb/s，延時(shí)200 ms以及丟包率為10%，模擬通信場(chǎng)景中較差的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。以初次上線(xiàn)的資源主動(dòng)描述及采集電壓電流數(shù)據(jù)為例進(jìn)行試驗(yàn)，并更換信息類(lèi)型以驗(yàn)證觀察者模式、塊傳輸?shù)裙δ?，使用Wireshark軟件對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行抓包，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 CoAP試驗(yàn)實(shí)例

4.2 通信延時(shí)測(cè)試

通信延時(shí)測(cè)試采用乒乓測(cè)試方法，以測(cè)試端發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的平均時(shí)間作為端到端數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)。數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)主要包括網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)、服務(wù)器處理延時(shí)，為提高傳輸過(guò)程的安全性，需要對(duì)傳輸過(guò)程進(jìn)行加密。安全加密采用可在資源受限設(shè)備中使用的對(duì)稱(chēng)加密算法AES算法，實(shí)現(xiàn)時(shí)采用mbedtls庫(kù)，該軟件庫(kù)采用獨(dú)立的模塊化設(shè)計(jì)，內(nèi)存占用低。

基于CoAP協(xié)議對(duì)IEC 61850數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行傳輸，需要使用表示層編碼IEC 61850數(shù)據(jù)對(duì)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(duì)三相電壓值的名稱(chēng)及數(shù)值進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)包約為12 B。

若在邊端通信場(chǎng)景下使用低壓電力線(xiàn)寬帶載波通信技術(shù)，參照Q/GDW 11612.1低壓電力線(xiàn)寬帶載波通信互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范：在隔離電源、屏蔽環(huán)境、無(wú)競(jìng)爭(zhēng)場(chǎng)景，主從節(jié)點(diǎn)1∶1配比，測(cè)試包為512 B時(shí)，通信速率應(yīng)不小于1 Mb/s。考慮到實(shí)際邊設(shè)備下可能掛有上百臺(tái)設(shè)備，結(jié)合大小約為120 B的典型數(shù)據(jù)包進(jìn)行計(jì)算，若所有設(shè)備同時(shí)進(jìn)行發(fā)送，實(shí)際每臺(tái)設(shè)備可能有幾十Kb左右?guī)挕Ｍㄟ^(guò)弱網(wǎng)模擬工具分別發(fā)送兩種形式的CoAP數(shù)據(jù)包進(jìn)行測(cè)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(duì)象的平均傳輸延時(shí)約為11.18 ms；未加密平均傳輸延時(shí)為5.86 ms；直接傳輸方法平均傳輸延時(shí)約為3.23 ms。

圖7 不同方法端對(duì)端傳輸延時(shí)比較

通過(guò)采用弱網(wǎng)模擬工具對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行模擬并進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果顯示，在未加密狀態(tài)下基于CoAP的IEC 61850服務(wù)映射方案比直接傳輸三相電壓的方法耗時(shí)約增加1倍，加密100 B的數(shù)據(jù)時(shí)傳輸增加時(shí)間約為5～6 ms左右。

5 結(jié) 論

為提高配電網(wǎng)的供電可靠性，解決配電物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模端設(shè)備接入時(shí)的互聯(lián)互通、互操作問(wèn)題，本文基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)研究了配電物聯(lián)網(wǎng)端設(shè)備的CoAP通信映射方法。在考慮端設(shè)備資源受限的場(chǎng)景下，根據(jù)端設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)功能確定了ACSI服務(wù)子集，結(jié)合CoAP協(xié)議設(shè)計(jì)了資源訪問(wèn)方法，為簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)對(duì)象的相互轉(zhuǎn)換，采用通信服務(wù)直接映射策略。通過(guò)比較編碼效率及開(kāi)銷(xiāo)確定數(shù)據(jù)編碼方法，構(gòu)建了CoAP協(xié)議映射方法。搭建測(cè)試平臺(tái)測(cè)試了CoAP映射的實(shí)時(shí)性，驗(yàn)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(shè)備安裝、調(diào)試、運(yùn)維時(shí)的工作量，提高配電物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)、運(yùn)維效率。本文初步驗(yàn)證了將IEC 61850映射至CoAP的可行性，還需要在實(shí)際配電物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)中進(jìn)一步驗(yàn)證和優(yōu)化。

注：本文通訊作者為陳羽。