光伏电站建模及其集成至IEC 61850 XMPP智能边缘计算网关

摘要

分布式能源资源（DERs）正在被广泛接入电力电网。分散且间歇性的发电组合在稳定性、可靠性及互操作性方面给电力系统带来了技术与经济上的挑战。实际上，目前大多数分布式能源的通信技术依赖于专有通信协议，这些协议并未针对广域网环境下的网络安全进行设计，且分布式能源集成的方法论尚未统一。这使得电力公司和聚合商在分布式能源系统接入电网后，难以对其进行有效的监控与控制。此外，分布式能源系统之间需要实现点对点通信以及本地智能计算，以降低决策延迟并增强智能电网或微电网的稳定性。本文中，首次提出并全面研究了一种基于IEC 61850 XMPP（可扩展消息处理现场协议）的边缘计算网关新型架构，融合了先进理念与技术，以应对上述挑战。结果表明，所提出的架构能够提升分布式能源系统的有效集成、数据通信安全性以及互操作透明度。这些新颖且先进的理念包括：首先，根据IEC 61850‐7‐4定义的逻辑节点以及IEC 61850‐7‐420中定义的DER专用逻辑节点，将光伏发电站的拓扑结构首次建模为IEC 61850信息模型。这确保了分布式能源与分布式能源、分布式能源与公用事业、以及分布式能源与能源服务运营商之间的互操作性。第二步是将信息模型映射至IEC 61850‐8‐2 XMPP，作为分布式能源应用中的特定通信协议。XMPP协议因其具备网络安全性和认证加密特性，在分布式能源应用中被推荐使用。随后，我们在边缘侧启用了边缘计算能力，用于分布式能源端的数据处理和时间关键型任务的分析。聚合后的数据随后被发送至云端控制中心。通过应用边缘计算架构，系统显著降低了决策延迟，提升了数据隐私性并增强了安全性。本文的目标是向学术界和工业工程师介绍这些新概念的实用方法论。

关键词 ： 分布式能源；IEC 61850；XMPP；边缘计算；网关；智能电网

1. 引言

过度开采化石燃料是一个影响地球环境并对人类造成灾难性后果的关键问题；此外，能源需求的不断增长加剧了这一状况。可再生能源是一种新型能源资源，是一种清洁且环保的能源生产方式。截至目前，能源来源正从传统的化石燃料快速向可再生能源转变。根据DNV GL（一家国际认可的注册和分类机构）发布的《2018年能源转型展望》，能源发展、策略和投资持续倾向于可再生能源技术。到2050年，能源结构预计将发生巨大变化。光伏太阳能和风能日益普及，占全球发电量的三分之二以上，而煤炭和石油等传统能源则大幅减少[1]。能源资源范式的发展正转向分布式能源资源（DER），这是一股不可逆转的趋势。参考文献[2]总结了全球分布式能源资源（DER）的发展情况：全球分布式能源资源（DER）的总装机量将相当于基于化石燃料的发电量，分布式能源资源（DER）的高渗透率给电力系统在电网稳定性、可靠性及效率方面带来了前所未有的挑战。根据国际能源署（EIA）的数据，中国、美国、德国和印度是分布式能源资源（DER）发电的主要生产国。图1展示了截至2018年的分布式能源资源（DER）装机情况；风能、太阳能光伏（Photovoltaic）、水电和生物能分别在中国、美国、德国和印度达到了646.9吉瓦、240.9吉瓦、111.6吉瓦和106吉瓦[3]。

由于分布式能源（DER）的间歇性发电特性，尤其是对天气条件高度依赖且不可控的光伏太阳能和风能，分布式能源在电网中的渗透率不断提高，带来了技术与运行方面的挑战，例如电压不稳定、资产退化以及与鸭型曲线相关的问题，如基荷发电厂备用容量和旋转备用的复杂性、发电机组的快速爬坡率、高转动惯量和频率控制备用 [4–6]。分布式能源设备广泛分布于分布式系统中，系统具有多样化的发电特性、多厂商设备采用专有协议、大量数据传输、远程设备管理、网络安全和数据安全等问题。因此，集成分布式能源系统的关键挑战在于各类可再生能源资源的通信架构标准化和数据模型统一。由于数据通过广域网传输，若未采取适当措施，容易受到网络攻击，因此必须考虑网络安全和数据安全性。

IEC 61850标准由国际电工委员会（IEC）制定，旨在实现电力系统应用的互操作性和通信[7]。该标准最初应用于局域网内的变电站自动化通信。已有部分研究针对IEC 61850在变电站自动化中不同层次的应用展开，如过程层、间隔层和站控层。然而，在近期研究中，IEC 61850标准已扩展至广域网的应用，以适应智能电网相关应用的需求。分布式能源系统已被包含在内[8]。近年来，一些研究已引入IEC 61850标准用于分布式能源集成。例如，在早期的参考文献[9]中，韩国智能电网能源研究中心和韩国能源研究所应用了两个测试平台，用于标准化基于IEC 61850的分布式能源通信架构和集成。参考文献[10–13]的作者提出了基于IEC 61850标准的分布式能源集成测试平台，并介绍了根据IEC 61850‐7‐420定义的分布式能源数据模型概念。在参考文献[14]中，作者介绍了将IEC 61850集成到车联网系统的相关研究。参考文献[15]的作者提出了一种基于柴油发电机的分布式分布式能源系统中Modbus与IEC 61850之间的协议转换，并对延迟性能进行了全面测试。然而，这些研究均未对网络拓扑、网络安全、数据安全以及数据模型标准化等方面的分布式能源集成开展完整的研究或制定新标准。此外，以往的研究采用基于制造报文规范（MMS）协议（IEC 61850‐8‐1）的IEC 61850，而该协议并非为广域网设计。分布式能源系统实际上是一种基于广域网的应用程序，因其大规模设备连接会动态改变网络拓扑结构。本文中，对IEC 61850‐8‐2 XMPP和边缘计算网关的新概念进行了研究、实现和测试。

边缘计算网关是一种去中心化计算基础设施，可通过其将计算资源和应用程序服务分布并部署在终端设备附近。其功能包括数据采集、协议转换、数据建模、数据存储、智能计算、数据分析和决策制定。它与云中的服务或中央服务器进行通信。边缘计算网关的优势在于性能提升、合规性，并满足数据隐私和数据安全方面的需求，同时降低运营成本[16]。图2显示了多种协议（如IEC 870、 DNP3、Modbus、OPC、BACnet、SNMP和IEC 61850）的集成，以及信息映射到基于IEC 61850‐7‐4和IEC 61850‐7‐420的分布式能源数据模型，以确保应用程序的互操作性。在分布式能源应用中采用了IEC 61850‐8‐2 XMPP通信协议，该协议是一种发布/订阅通信机制，因其强大的网络安全性和用户注册特性而被选用。边缘计算网关使每个分布式能源站点都具备数据处理和分析能力，以应对时间关键型任务，减少决策延迟，并提升数据隐私与安全性。本文提出了分布式能源集成的实用方法论，并指导国有的台湾电力研究院基于IEC 61850标准和物联网技术实施台湾的分布式能源应用。

2. 将光伏电站建模至IEC 61850信息模型

2.1. 光伏建模在分布式能源管理系统中的重要性

随着对绿色能源生产需求的不断增长，接入电网的分布式能源数量持续增加。电力生产去中心化受到全球对高效、经济、可靠的电能需求不断增长的推动，同时也受到对可再生能源需求日益增加的驱动，以减少使用已知会导致污染排放的传统能源资源，以及在能源市场自由化多个领域的推动。这种对分布式能源管理系统日益增长的需求要求采用标准来解决不同设备之间的互操作性问题，而此前设备供应商各自开发协议时这一问题频繁出现。通过使用标准，并网型分布式能源设备能够确保互操作性，从而实现更简单的实施、更低的维护成本和更好的性能[17]。

2.2. 分布式能源资源的IEC 61850标准通信

IEC 65850 是为变电站自动化设计的一项国际标准，可有效降低公用事业自动化解决方案的复杂性和多样性，并最大限度地减少工程、运行和维护成本。IEC 61850标准采用模型驱动方法，描述变电站内设备之间的通信及相关系统需求。它通过面向对象的数据模型涵盖所有变电站功能和工程，这些数据模型描述了需要控制和实现的过程。IEC 61850 提供描述具有属性的物理设备及功能分配的设备模型。它还定义了用于传输各类数据以及变电站设备之间客户端/服务器交互的通用服务，同时满足可靠性、安全性和速度等传输要求。

IEC 61850‐7‐4 是适用于太阳能电池板、柴油发电机、燃料电池和热电联产等发电设备的兼容数据类和逻辑节点的扩展。其内容包括： 分布式能源单元与所连接的电力系统（如本地电力系统、保护装置和断路器）之间的互联管理。
• 分布式能源的控制与监控。

在IEC 61850‐7‐420中，系统以整体方式建模。描述了分布式能源特性的内部参数、电网连接类型、微网运行指令以及控制单元。IEC 61850‐7‐420的逻辑节点可分为以下类别：分布式能源单元控制器、电网连接单元、网络运营商单元以及内部参数[18]。

2.3. 光伏系统的IEC 61850-7-420模型

在IEC 61850‐7‐420中，特定的逻辑节点描述了作为电能主要来源的光伏系统信息模型。图3显示了与光伏系统配置相关的典型逻辑节点，表1列出了逻辑节点的缩写。实际实现根据系统需求而有所不同[19,20]。

逻辑设备需要以下功能来实现光伏系统的自动化运行：
• 开关设备操作功能，用于断开设备以及监控和控制断路器。相关逻辑节点已在 IEC 61850‐7‐4 中定义，如 XCBR、CSWI、XSWI 等。
• 保护功能，用于在发生故障时保护人员和电气设备。相关逻辑节点也包含在 IEC61850‐7‐4 中，如 PTOC、PHIZ、PTTR、PTOV 等。
• 计量和测量功能，用于获取电气测量值。交流电（Alternating Current）测量包含在逻辑节点 MMXU 中，而直流电（Direct Current）测量包含在逻辑节点 MMDC 中。这些逻辑节点定义于 IEC 61850‐7‐4。
• 直流转交流转换功能，用于控制和监控逆变器。逻辑节点包含在特定的 IEC 61850‐7‐420 标准 ZRCT、ZINV 中。
• 用于最大化阵列功率输出的阵列操作功能。包括调整电压和电流水平以获取电池的最大功率点，以及操作跟踪系统以跟随太阳的运动。相关逻辑节点包含在特定的IEC 61850‐7‐420标准 DPVC、 DTRC 中。
• 孤岛检测功能用于实现光伏系统与电力系统之间操作的同步。逻辑节点包含在特定的IEC 61850‐7‐420标准中，DOPR、DRCT和RSYN包含在IEC 61850‐7‐4中。
• 储能功能用于存储系统产生的多余能量。IEC 61850‐7‐420标准中包含用于储能的电池，其模型为 ZBAT、ZBTC。
• 气象监测功能用于获取环境温度和太阳辐照度等气象测量数据。这些在IEC 61850‐7‐中的MMET和 STMP中有所涵盖420[21]。

表1. 逻辑节点缩写。

逻辑节点	Name	逻辑节点	Name
XCBR	断路器	CSWI	开关控制器
XSWI	电路开关	PTOC	定时过流
PHIZ	接地检测器	PTTR	热过载
PTOV	过电压	MMDC	直流测量
MMXU	测量	MMTR	计量
ZRCT	整流器	ZINV	逆变器
DPVC	光伏阵列控制器	DVPM	光伏模块特性
DTRC	跟踪控制器	DPVA	光伏阵列特性
DRCT	分布式能源控制器特性	STMP	温度测量
RSYN	同步检查	DRCS	分布式能源控制器状态
DRCC	分布式能源单元控制动作	FSEQ	顺序控制器
ZBAT	电池系统	ZBTC	电池充电器
MMET	气象条件	热量测量值名称

2.4. 用于分布式能源资源的 IEC 61850-8-2

2.4.1. IEC 61850 适用于智能电网通信

近年来，基于固定局域网的变电站自动化系统中，IEC 61850‐8‐1 MMS协议已广泛取代DNP3和 IEC 60870‐5‐101/104，而这些通信网络比广域网更安全。然而，智能电网应用日益增长的需求涉及大规模设备连接（IEDs）和动态变化的网络拓扑，需要可靠且安全的信息来确保电力系统集成的稳定性。基于MMS的SCSM（特定通信服务映射）最初并未设计用于解决上述问题。因此，此类应用必须采用支持可扩展性和网络安全性的解决方案。IEC 61850‐80‐3提出了XMPP作为解决方案 [22]。表 2对几种其他提出的中间件解决方案进行了比较，最终选择XMPP，因为它通过简单的认证与安全层实现安全认证，并利用传输层安全实现加密，提供了强大的安全性 [23]。

表2. 不同中间件解决方案特性的比较。

功能\协议	XMPP	MQTT	AMQP	OPC UA	YAMI4	ZeroMQ
网络安全	非常高	中等	中等	非常高	非常高	中等
可扩展性	非常高	High	High	非常高	非常低	High
商业驱动	No	No	No	Yes	No	Yes
支持的消息类型	P‐S, P‐P	P‐S, P‐P	P‐S, P‐P	P‐S, P‐P	P‐S, P‐P	P‐S, P‐P
开发工作量	High	Low	Low	High	非常低	Low
被标准推荐	Yes	No	No	No	No	No

P–S：发布‐订阅消息，P–P：推送‐拉取消息
XMPP：可扩展消息处理现场协议
MQTT：消息队列遥测传输
AMQP：高级消息队列协议
OPC UA：OPC统一架构
YAMI4：用于分布式系统的消息解决方案
ZeroMQ：高性能异步消息传递库

2.4.2. IEC 61850‐8‐2：XMPP 与 IEC 61850 封装

XMPP 是由互联网工程任务组规定的开放 XML（可扩展标记语言）协议。在广域网中，XMPP客户端连接到XMPP服务器，并通过称为 JabberID（或 JID）和域名的唯一系统标识符，交换被称为“节”的服务器数据单元。JabberID 的格式为“客户端名@域名.com”，其中“客户端名”是客户端标识符，“domain.com”是服务器标识符。

XMPP协议中定义了三种类型的XMPP消息：iq支架、消息支架和存在支架。代理到服务器通信间隔（ASCI）是一种自动化的源代码安全措施，映射到XMPP协议，并在IEC 61850‐8‐2[24]中定义。XMPP通信基于客户端‐服务器架构。如图4所示，IEC 61850设备由 XMPP客户端托管。XMPP客户端向XMPP服务器发起TCP/IP连接。在TCP/IP连接建立后，协商建立传输层安全（TLS）连接。XMPP客户端与服务器之间交换称为“节”的XMPP数据单元，这是 XMPP中最基本的通信单位。一个节是客户端可以一次性发送给服务器（或服务器发送给客户端）的最小XML数据单元。一个节类似于邮件消息，每个节包含一个“from”属性（from=“消息来源的 JID”）和一个“to”属性（to=“消息目的地的JID”）。三种不同的消息格式为：
• <iq> （专用于请求/响应交换—请求服务）
• <消息> （专用于推送交换——非请求通信）
• <在线状态> （专用于在线状态通告）
IEC 61850客户端（由XMPP客户端‐1托管）发送一个IEC 61850请求。该请求被由XMPP客户端‐2托管的IEC 61850服务器接收。MMS请求被封装在XER（可扩展标记语言编码规则）消息格式中并进行编码。它首先被XMPP客户端‐1接收。然后，当前XER请求通过其JID地址经由XMPP服务器路由到XMPP客户端‐2。作为IEC 61850服务器的宿主，XMPP客户端‐2解包XER消息，并将其转换为第一个IEC 61850请求，再将其重路由至IEC 61850服务器。IEC 61850服务器通过其XMPP客户端‐2返回IEC 61850响应。响应消息再次被封装在XER消息格式中，并由XMPP客户端‐2通过XMPP服务器重新路由。最终，XER响应经由XMPP服务器发送回发起通信的XMPP客户端‐1。由XMPP客户端‐1托管的IEC61850客户端解包XER响应，并将其转换为IEC 61850响应，然后交付给IEC 61850客户端。通信过程至此完成。

2.4.3. 使用TLS和对等身份验证的XMPP强制安全性

XMPP 安全性功能涉及客户端和服务器通信。根据 RFC6120[25]定义并如图5所示，XMPP 将结合传输层安全协议和 XMPP 对等身份验证的传输层保护视为综合安全措施[26]。

3. 用于性能评估的光伏模型

3.1. 通信系统架构

光伏站点设备按照系统架构（图6）连接至网关。设备与网关之间的下行通信通过Modbus、 DNP3或OPC建立。由于网关在技术上支持多种现有协议，如IEC 870、DNP3、Modbus、OPC、 BACnet、SNMP和IEC 61850，因此可使用传统协议。

在网关级别，标签从之前描述的模板ICD文件中导入。根据IEC 61850‐7‐4和IEC 61850‐7‐420， 为每种现有设备类型创建逻辑设备：太阳能电池板（DPVA）、光伏组件（DVPM）、电池（ZBAT）、 逆变器（ZINV）和电表（MMTR）等。网关内部将每个SCADA（监控与数据采集）标签（数值、质 量、时间戳）转发到其IEC 61850‐8‐2服务器驱动程序。协议数据通过XMPP服务器以XMPP协议传输。

3.2. 光伏模型的IED能力描述文件

变电站设备的配置由IEC 61850通过语言规定 配置描述语言（SCL）的数据及其表示格式。它具有数据 表示 变电站设备及其相关功能，例如逻辑 节点， 通信系统和功能。完整的数据表示允许完整 通过变电站内不同设备之间交换SCL文件实现互操作性。利用ICD（IED能力描述）编辑器[27]创建 一个分布式能源（DER）的智能电子设备（IED）能力描述文件。每种类型的设备均创建一个逻辑逆 变器，如图7所示。

使用ICD编辑器创建一个分布式能源的IED能力描述文件。一个 为每种设备类型创建逻辑逆变器，以及如表3所示的XML代码：

表3. 编辑IED能力描述文件（ICD）。

											逻辑设备 “逆变器”	逻辑设备 “逆变器”	逻辑设备 逆变器	逻辑设备 “逆变器”	逻辑设备 “逆变器”	逻辑设备 逆变器
											逻辑设备 “逆变器”	逻辑设备 “逆变器”	逻辑设备 逆变器	逻辑设备 “逆变器”	逻辑设备 “逆变器”	逻辑设备 逆变器
											逻辑设备 电池	逻辑设备 “电池”	逻辑设备 “电池” 逻辑设备 “PVArray”
											第9页	23 的 第9页 23 的 逻辑设备 “ 光伏阵列”	逻辑设备 “ 光伏阵列” 逻辑设备 气象站	逻辑设备 “PVArray”
# 光伏电站建模及其集成至IEC 61850 XMPP智能边缘计算网关

3. 用于性能评估的光伏模型

3.3. 性能评估

性能评估主要考虑延迟计算、吞吐量和数据包数量。延迟是一个统计值，取决于共享网络的节点的生成速率、拓扑结构、节点内部策略以及链路容量[28][29]。参考文献[15]的作者基于10 Mbps以太网链路上的虚拟专用网络建立了一个实验测试环境。根据测试结果，所提出的协议转换机制（SPCM）优于传统协议转换机制。通常情况下，随着数据包数量的增加，延迟时间上升，吞吐量下降。延迟接近150 当数据包数量为500时，毫秒 然而，在我们的研究中，由于网络架构的原因，预计延迟时间会更长 是在公共广域网上，而不是在虚拟专用网络或局域网上。这更具挑战性 因为网络质量不确定，但这是一个实际条件。基于五种场景 测试了XMPP服务器的不同位置。提供了无线4G/LTE和有线ADSL 适用于不同场景。

3.3.1. 事件序列协议的延迟计算方法

IEC 61850协议具有事件顺序功能，以及由此产生的数据、质量 时间戳信息从服务器到客户端的可靠传输。因此，延迟 无法通过这两个时间戳的差值获得计算结果。总延迟 如图8所示，其中t的含义如下： t1：Modbus到IEC 61850转换时间； t2：XER消息及编码时间； t3：网络延迟时间； t4：XMPP服务器处理时间； t5：网络延迟时间； t6：XMPP消息及解码时间； t7： IEC 61850客户端数据处理时间； t8：接收数据时分配时间戳的时间； T：总延迟。

延迟计算和结果如表4所示。原则上，IEC 61850服务器与客户端之间同一标签的时间戳必须相同， 因为它被配置为带有数据集的报告。因此，当客户端接收到包含标签和时间戳的报告时，将激活一个 内部链接过程，将数据集的值分配给这些具有关联计算机时间戳的内部标签。总延迟将是内部标签的 时间戳与IEC 61850服务器的时间戳之间的差值。结果显示了500个标签在10次时间测试中的平均延迟 时间。

表4. IEC 61850事件顺序传输的SCADA标签数值、质量及时间戳。

IEC 61850服务器	IEC 61850客户端	内部标签	结果（秒）
值	时间戳	值	时间戳
50275	15:59:54.171	50275	15:59:54.171
14366	15:59:54.171	14366	15:59:54.171
25607	15:59:54.171	25607	15:59:54.171
12381	15:59:54.171	12381	15:59:54.171
11101	15:59:54.171	11101	15:59:54.171
3796	15:59:56.231	3796	15:59:56.231
13200	16:00:01.211	13200	16:00:01.211
56938	15:59:56.231	56938	15:59:56.231
7553	15:59:54.171	7553	15:59:54.171
53648	15:59:54.171	53648	15:59:54.171

4. 实现、评估和测试结果

本节提供了前述系统模型的实现、评估和测试结果。内容包括测试环境、评估过程中使用的软件、不同的测试用例以及结果。

4.1. 测试环境

为了重现真实条件，采用通信的光伏电站的简化架构 其管理系统被重新创建。现场设备由500个Modbus标签模拟。生成的随机值。这些数值通过Modbus TCP发送到网关，然后 通过IEC 61850‐8‐2转发至控制中心。图9显示了测试的架构 环境。该 XMPP服务器位于不同位置（距离分别为370公里和2310公里）。

4.1.1. IEC 61850‐8‐2 XMPP报告延迟计算

第一个测试用例从Modbus从站（模拟器）生成了500个数值，并通过Modbus协议将这些数值传输到运行IEC 61850‐8‐2服务器应用的边缘计算网关。当Modbus主站读取这些数值后，它们被复制到IEC 61850服务器标签上，定义到一个数据集中，并链接到缓冲报告控制块(BRCB)。IEC 61850‐8‐2客户端应用通过XMPP传输层接收到报告发布事件。延迟时间是通过计算IEC 61850‐8‐2服务器上标签变化与IEC 61850‐8‐2客户端读取到相同值之间的时间差得出的。图10展示了延迟报告测试的测试环境。所使用的IEC 61850‐8‐2服务器和客户端应用程序为Elipse Power，部署 在云PC中的XMPP服务器为OpenFire。

4.1.2. IEC 61850‐8‐2 XMPP命令延迟计算

第二个测试用例从IEC 61850‐8‐2客户端发送一个直接操作命令（打开命令或关闭命令），该命令被 IEC 61850‐8‐2服务器接收。服务器驱动程序在接收到命令后，向客户端返回命令反馈。延迟时间通过计算 IEC 61850‐8‐2客户端向服务器发送命令的时刻与客户端接收到服务器返回的命令反馈时刻之间的时间差获 得。图11显示了延迟命令测试的测试环境。

4.2. 实现

4.2.1. 用于评估的XMPP服务器列表

五个不同的XMPP服务器在以下三个地点进行了测试：
• 服务器1，位于高雄，XMPP服务器：OpenFire，台湾（距服务器距离：0公里）；
• 服务器2，位于高雄，XMPP服务器：OpenFire，台湾（距离20公里）；
• 服务器3，位于高雄，XMPP服务器：ejabberd，台湾（距离20公里）；
• 服务器4，位于台北，XMPP服务器：ejabberd，台湾（距服务器距离：370公里）；
• 服务器5，位于曼谷，XMPP服务器：OpenFire，泰国（距服务器距离2310公里）。

4.2.2. 软件

分布式能源（DER）由Modbus从站模拟器进行模拟。Elipse Modbus模拟工具是Elipse Software提供的用于模拟最多10个Modbus PLC（可编程语言控制器）设备的工具。每个模拟的 PLC设备可随机生成最多255个标签。因此，可在两个不同端口（502、503）创建两个设备，共提供 500个标签。该模拟器在测试PC上运行，并作为Modbus从站（图12）。

IEC 61850‐8‐2网关应用在Elipse Power上运行。Elipse Power是由Elipse Software提供的软件，具 有先进的SCADA环境，集成了网关和人机界面（HMI）。它还支持最新的IEC 61850‐8‐2服务器和客户端 驱动程序。该应用程序用于构建边缘计算网关，以接收Modbus主站驱动中的500个标签的数值，并将这些 数值转换至IEC 61850‐8‐2服务器驱动程序（图13）。同时构建了一个人机界面，用于计算延迟时间并在屏 幕上显示结果。

使用INFOTECH ICD编辑器对ICD文件进行编辑，该工具用于打开、编辑和保存ICD文件。智能电子设备能力描述（ICD）文件定义了智能电子设备（IED）的完整功能。在实验中，我们首先创建并监控了分布式能源（DER）的光伏模型。由于3G通信带宽有限，我们有意减少了标签数量和逻辑设备的数量。分布式能源单元在ICD文件中进行了描述。ICD文件包含一个逻辑设备‘LDInverter’和两个逻辑节点。在报告测试中，500个标签作为相电流测量实现在逻辑节点‘MMXU1’中。在命令测试中，断路器命令实现在逻辑节点‘XCBR1’中（图14）。

XMPP服务器是使用实时协作（RTC）服务器OpenFire构建的。该软件采用开源Apache许可证授权。XMPP是一种广泛使用的即时通讯开放协议，也称为Jabber。详细信息见参考文献[30]。

4.2.3. IEC 61850‐8‐2/XMPP通信驱动程序

通信驱动程序由 Elipse Software 在 Elipse Power Studio 中实现[31]。服务器驱动程序使用 在 XMPP 服务器上创建的账户，并且仅接受与列出的客户端的连接。重要的参数设置，如 XMPP 服务器名称、发布者的JID、订阅者的JID 和组，如图15所示。

客户端驱动程序还使用个人Jabber ID连接到XMPP服务器。由于许可限制，它最多可连接25台服务器（图16）。这些服务器及其相应的XMPP JID列在设置中（图17）。

4.2.4. 图形用户界面

用于计算延迟的应用程序是在 Elipse Software 提供的高级 SCADA 软件 Elipse Studio 中开发的。该应用程序在每次测试中分为两个功能：“报告”和“命令”。在每次测试中，“开始”按钮允许用户触发新的测试并自动计算延迟时间。延迟报告测试开始时，从Modbus主站驱动读取了500个标签，读取的数值被复制到IEC 61850服务器驱动。这些数值随后发布到连接的XMPP服务器，并由IEC 61850客户端驱动订阅。该操作重复 500次，每次更新延迟平均值。进度条和计数器显示当前测试进度以及XMPP在线状态。当延迟命令测试开始时，接口会交替发送一个来自IEC 61850客户端驱动到IEC 61850服务器驱动的打开或关闭命令，服务器驱动通过反馈代码对命令作出响应。当反馈代码为5（操作已接受）时，计算延迟。

4.2.5. IEC 61850‐8‐2 XMPP延迟报告测试计算

在客户端驱动程序读取事件时，数值被复制到内部标签中。时间戳随后在数值被复制时创建。此 时间戳用于计算延迟（图18）。

4.2.6. IEC 61850‐8‐2 XMPP 命令延迟计算

相同的操作在延迟通信中执行 和测试（图19）。

4.3. 结果

仅展示了前10个标签的延迟。总平均时间是基于500个标签的延迟计算得出的。

4.3.1. 基于广域网有线连接的IEC 61850‐8‐2 XMPP延迟报告

第一次测试基于测试PC与云PC之间的有线广域网连接进行。图20 显示了0.6秒到1.1秒之间的延迟结果。位于距离测试PC 20公里处的XMPP服务器3（e j abberd）提供的延迟最小。而距离测试PC最近的服务器1显示出最长的延迟。这是因为服务器1的硬件性能远低于其他服务器。服务器3（e j abberd）和服务器2（O p enFire）位于同一地点；然而，这表明作为XMPP服务器主机，e j abberd的性能优于O p enFire。

4.3.2. 基于4G/LTE广域网的IEC 61850‐8‐2 XMPP延迟报告

第二次测试基于测试PC与云PC之间的4G/LTE蜂窝通信。结果显示，当测试PC与蜂窝通信之间的延迟时间更短时 the XMPP服务器。（图21）。带有ejabberd XMPP服务器的服务器3仍然表现最佳。

4.3.3. 基于有线广域网的IEC 61850‐8‐2 XMPP延迟命令测试

延迟命令测试在测试PC与XMPP服务器之间的有线广域网中进行。结果表明，当测试PC与 XMPP服务器之间使用蜂窝通信时，延迟时间更小（图22）。

4.3.4. 基于标签数量的IEC 61850‐8‐2 XMPP性能测试

在本次测试中，选用了位于曼谷的XMPP服务器5，测试PC位于台湾。图23显示了标签数量与平 均延迟的关系。预期随着标签数量增加，延迟会相应上升。然而值得注意的是，当标签数量低于1 00时，平均延迟小于0.3秒。这表明在分布式能源的实际应用中具有良好的前景，因为分布式能源设 备仅需向云端控制中心发送少数重要标签（信号），例如控制信号。分布式能源中的大部分任务由现 场的边缘计算网关完成。图24显示了标签数量与每分钟数据包数的关系。当标签数量变化时，每分钟 数据包数没有明显差异。该信息可为电厂操作员提供参考，用于计算通信成本。

4.4. 与标准比较的结果

广域网上的网络延迟标准已引入IEC 61850‐5:2013（表5）。我们在测试中观察到的平均延迟时间符合延迟等级TL1000[32]。有线和无线网络的结果相似。然而，XMPP服务器的类型可能是影响性能的关键因素之一。从0.1秒到1.1秒的延迟时间表明，公共互联网上的网络相当不稳定。决定延迟的因素有很多，使用任何数学公式都过于复杂。因此，在此实际应用中，延迟受到网络 架构、网络带宽、数据包、数据传输间隔（采样率）以及设备配置[33]的显著影响。参考文献[34– 38]的作者提出了基于变电站之间不同架构的性能和延迟测试，测试结果显示出良好的效果。点对点通信仅需几毫秒的延迟。然而，这种架构可能仅适用于局域网。

表5. 广域网的延迟等级（广域网）。

广域网延迟等级	IEC 61850‐5 延迟等级	延迟	Use
TL 1000	TT1	≤1000毫秒	所有其他消息
TL 300	(TT2)	≤300毫秒	操作员命令
TL 100	TT3	≤100毫秒	慢速自动交互
TL 30	(TT4)	≤30毫秒	快速自动交互
TL 10	TT5	≤10毫秒	远方保护
TL 3	TT6	≤3毫秒	差动保护

本研究在系统架构、网络配置和终端设备方面更具挑战性和复杂性，因为系统架构基于广域网， 且大多数终端设备使用3G或4G进行通信。我们采用了基于不同架构的多个测试场景，以尝试模拟适 用于实际应用的各种情况。结果表明其适用于IEC 16850‐5延迟等级（TT1）的应用程序（见表5）。

5. 结论

本文中，作者提出了一种基于IEC 61850标准和物联网技术在设备层集成分布式能源的框架，并 引入了多个新颖的概念。该框架已在台湾和泰国进行了充分测试，以验证分布式能源集成的可行性和 概念有效性。本文为学术界和工业界的研究与实施提供了参考和指导。本文的主要贡献和测试结果如 下： (1) 在网关级别，基于 IEC 61850‐7‐4 和 IEC 61850‐7‐420 将光伏电站的拓扑结构建模至 IEC 61850信息模型，可确保分布式能源与分布式能源、分布式能源与公用事业以及分布式能源与能源服 务运营商（如控制中心（SCADA系统））之间的互操作性。结果表明，该方法能够标准化所有与分 布式能源相关设备的数据模型，在实际应用中，新增分布式能源设备时可实现强大的即插即用能力。 (2) 这一新概念以及通过将ASCI服务作为SCSM映射到新的XMPP协议，并结合XML映射和加密 认证来开发IEC 61850‐8‐2，提供了可扩展性和信息安全。在本研究中首次实现了通过XMPP协议使 用IEC 61850信息模型。结果令人鼓舞，因为本文提出的基于不同网络场景的延迟测试方法论显示出 积极的结果，整体通信性能满足IEC 61850‐90‐12广域网工程指南的标准。值得注意的是，如果每个 分布式能源侧的标签数量少于100，则延迟性能可在三秒以内。因此，延迟等级可适用于表中的TT2。 (3) 然而，根据图4所示的XMPP架构，XMPP客户端之间无法在没有XMPP服务器的情况下直接 通信，且当前IEC 61850‐8‐2标准尚未定义XMPP客户端之间的直接通信机制。如果特定应用程序 （如快速自动交互、远方保护和差动保护）要求在30毫秒内实现快速通信（见表5），则这是X MPP架构的一个限制。可考虑结合XMPP与可路由的面向通用对象的变电站事件（R‐GOOSE）的混 合通信架构，以进一步研究扩展应用功能。 (4) 本研究为分布式能源侧的时间关键型任务提供了数据处理与分析的边缘计算能力。边缘计算 网关处理多种协议，并将其转换为IEC 61850‐8‐2标准。本文介绍了该概念及其详细实现。然而，本 文并未直接涉及数据分析；作者认为这是一个未来研究课题。