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1.MQTT协议概述
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）协议，由IBM在1999年发布，是一种基于发布/订阅（Publish/Subscribe）模式的轻量级通信协议。MQTT最大的优点在于可以以极少的代码和有限的带宽，为远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通信协议，MQTT在物联网、小型设备、移动应用等方面有广泛的应用。该协议一般运行在TCP/IP的有序、可靠、双向连接的网络连接上。
2.MQTT协议的交互机制
MQTT协议采用发布/订阅机制来完成消息交互，该机制能够提供一对多的消息分发，其交互机制如图3-8所示。
图3-8 MQTT协议的交互机制
在信息交互过程中，MQTT协议将参与方划分为3种身份，分别是发布者、代理和订阅者。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息的代理是服务器端。
MQTT客户端定义为使用MQTT协议的设备或应用程序，它具备以下功能。
（1）发布其他客户端可能会订阅的信息。
（2）订阅其他客户端发布的消息。
（3）退订或删除应用程序的消息。
（4）断开与服务器端的连接。
MQTT服务器端定义为：位于客户端之间、处理客户端请求，并转发客户端消息的设备或应用程序，它具备以下功能。
（1）接收来自客户端的网络连接。
（2）接收客户端发布的应用信息。
（3）处理来自客户端的订阅和退订请求。
（4）向订阅的客户端转发应用程序消息。
3.MQTT协议的特点
MQTT协议使用发布/订阅消息模式，提供了一对多的消息分发和应用之间的解耦，消息传输不需要知道负载内容，通过很小的传输消耗和协议数据交换最大限度地减少网络流量。MQTT协议提供3种等级的服务质量（QoS）：“最多一次”，即尽最大努力分发消息，消息可能会丢失；“至少一次”，保证消息可以到达，但是可能会重复；“仅一次”，保证消息只到达一次。
1.CoAP概述
CoAP（Constrained Application Protocol，受限应用协议）是一种适用于资源受限的物联网设备的协议，其详细规范由RFC 7252定义。CoAP协议最大的特点是通信简单、占用内存空间小，可应用于配电物联网端（传感）设备中，可实现端边通信或端云通信。
2.交互机制
在信息交互过程中，CoAP将参与方划分为两种身份：客户端和服务器端。其中，请求消息的源、响应消息的目的被称为客户端；请求消息的目的、响应消息的源是服务器端。在本标准中，边设备既可作为服务器端，由端设备（客户端）向其注册自身的信息，实现自动发现等功能，也可作为客户端，向端设备（服务器端）订阅数据等。
（1）CoAP客户端。CoAP客户端是使用CoAP的设备或应用程序，它具备以下功能。
①请求/响应模型：向服务器端发送资源状态获取请求，处理服务器端的响应消息。
②观察者模型：向服务器端进行注册，并处理服务器端后续发送的通知消息。
（2）CoAP服务器端。CoAP服务器端是使用CoAP的设备或应用程序，它运行在服务器上，具备以下功能。
①请求/响应模型：响应来自客户端的请求，提供服务器端的资源状态。
②观察者模型：处理来自客户端的注册操作（包括添加和删除操作）；向已注册的客户端持续、主动地提供通知消息。
目前CoAP实现方式一般分为两种：请求/响应模式和观察者模式（见图3-9）。
图3-9 CoAP两种模式在配电物联网中的应用示意图
CoAP在应用端点之间使用请求/响应（Request/Response）的交互模式。CoAP采用和HTTP相似的请求/响应工作模式：作为客户端的CoAP端点向作为服务器端的CoAP端点发送一个或多个请求，服务器端响应客户端的CoAP请求。CoAP定义了扩展机制，引入观察者模式。在该模式下，作为观察者的CoAP端点（客户端）向作为主题的CoAP端点（服务器端）进行注册，只要资源状态发生变化，服务器端可以主动通知观察者。
1.IEC 61850标准概述
IEC 61850是国际电工委员会（IEC）TC57小组制定的一套通信协议标准，2004年发布第一个版本。IEC 61850标准采用面向对象的信息建模技术，结合大量抽象化、信息化、逻辑化的手段，使IEC 61850标准满足不同功能对通信过程、通信性能和可靠性的不同要求。
IEC 61850标准总结了变电站内信息传输所必需的通信服务。通信服务的模型包括服务器模型、应用联合模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型、数据模型、数据集模型、替换模型、整定值控制模型、报告和记录模型、变电站通用对象事件模型、采样值传送模型、控制模型、时间及时间同步模型和文件传输模型。在此基础上，定义了ACSI，包括通信服务、通信对象及参数，这些抽象信息模型通过特定通信服务映射（Specific Communication Service Mapping，SCSM）映射到应用层具体所采用的通信协议栈，如MMS（Manufacturing Messaging Specification，制造报文规范）等。这些服务模型也定义了通信对象及如何对这些对象进行访问。这些定义由各种各样的请求、响应及服务过程组成。
2.IEC 61850标准的主要内容
IEC 61850标准的内容主要分为以下几个方面。
1）功能建模
利用变电站自动化系统中的通信信息片（Piece of Information for Communication，PICOM）来定义变电站自动化的功能模型（IEC 61850-5）。
2）数据建模
利用基于对象的建模方法定义基于客户机/服务器结构的数据模型（IEC 61850-7-3、IEC 61850-7-4）。
3）通信协议
对通信服务（数据访问机制）和各通信服务在通信协议栈中的映射进行了定义说明，如对变电站层和间隔层之间的通信网络采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范（Manufacturing Messaging Specification，MMS）（IEC 61850-8-1）。间隔层和过程层之间的网络映射成串行单向多点/点对点传输网络（IEC 61850-9-1），或映射成基于IEEE 802.3标准的过程总线（IEC 61850-9-2）。
4）变电站自动化系统
变电站自动化系统（Substation Automation System，SAS）工程和一致性测试定义了基于结构化的语言XML（Extended Make up Language）（IEC 61850-6），用于描述变电站自动化系统的拓扑，以及IED结构化数据。
3.IEC 61850标准的特点
与传统的变电站通信协议相比较，IEC 61850标准具有以下一些特点。
1）面向对象的信息分层及统一建模
IEC 61850标准提出从逻辑概念和物理概念出发，将变电站内的信息进行分层。变电站通信体系被划分为变电站层、间隔层、过程层3个层次。目前大多数变电站自动化系统将过程层的功能在间隔层设备中实现，因此间隔层与过程层之间就没有独立的逻辑接口。IEC 61850标准的信息分层模式则不同，随着光电式电流、电压互感器在电力系统中日趋广泛的使用，现代电力技术的发展趋势是将越来越多的间隔层功能下放到过程层。由此可知，IEC 61850标准是一个面向未来的、开放式的标准。
2）数据自描述
目前，很多系统都是采用“面向点”的数据描述方式，而IEC 61850标准采用了“面向对象”的数据自描述。
采用“面向点”的数据描述方法，在信息传输时，数据收发双方必须首先对数据库进行约定，才能正确反映现场设备的状态。协议确立后，若增加或删除某些信息，则必须对协议进行修改。随着电力市场的完善，以及变电站自动化水平的提高，变电站内传输的信息量不断增多，采用“面向点”的数据描述方法将无法满足这些新增信息的传输要求，因此该功能的应用和推广受到一定的限制。面向对象的数据自描述在数据源就对数据进行自我描述，传输到接收方的数据都带有自我说明，不需要再对数据进行工程物理量对应、标度转换等工作。因为数据本身带有说明，所以可不受预先定义的限制进行传输，简化了数据管理和维护工作。
IEC 61850标准提供了一整套面向对象的数据自描述方法：定义完整的数据对象、逻辑节点和逻辑设备的代码；定义用这些代码组成的完整地描述数据对象的方法；定义一套面向对象的服务。
3）ACSI技术
抽象通信服务接口（Abstract Communication Service Interface，ACSI）定义了独立于所采用网络和应用层协议的公用通信服务，如图3-10所示。通信服务分为两种：一是基于客户端/服务器模型，定义了诸如控制、获取数据值服务；二是基于Peer-to-Peer模型，定义了诸如GOOSE服务和对测量值的采样服务。
图3-10 ACSI通信方法
1.IEC 60870-5-104规约概述
IEC 60870-5-104规约简称104规约，是由国际电工委员会（IEC）制定的调度自动化系统和变电站自动化系统的数据通信标准。本标准适用于具有串行比特数据编码传输的远动设备和系统，用以对地理广域过程的监视和控制，以适应和引导电力系统调度自动化技术的发展，规范调度自动化及远动设备的技术性能。制定远动配套标准的目的是使兼容的远动设备之间达到互操作。104规约利用了国际标准IEC 60870-5的系列文件，规定了IEC 60870-5-101的应用层与TCP/IP提供的传输功能相结合的方式。在TCP/IP框架内，可以运用不同的网络类型，包括X.25、FR（帧中继）、ATM（异步传输模式）和ISDN（综合服务数据网络）。
2.IEC 60870-5-104规约的主要内容
104规约定义了开放的TCP/IP接口的使用，通过不同的网络类型（ISDN和X.25等），并结合TCP/IP协议，构成了一个传输IEC 60870-5-104应用服务数据单元（Application Service Data Unit，ASDU）的局域网，如图3-11所示。
图3-11 104规约一般体系结构
104规约传输层采用TCP协议，经互联网数字分配授权其对应的端口号为2404。104规约的结构如表3-1所示。应用层协议根据用户需求，从101规约和104规约中选出适合国内104规约的应用服务数据单元（ASDU）。
表3-1 104规约的结构
注：第5、6层未用。
由于104规约传输层采用TCP协议，它没有为104规约的应用服务数据单元（ASDU）定义任何启动或停止机制。应用服务数据单元的启动和结束主要靠以下几个因素：启动字符、规约数据单元（APDU）长度和控制域。应用APDU的定义如图3-12所示。
图3-12 应用规约数据单元（APDU）的定义
启动字符表示数据的开始，应用规约数据单元（APDU）由应用规约控制信息（APCI）和应用服务数据单元（ASDU）组成。由于应用服务数据单元（ASDU）需要限制在249字节以内，应用规约数据单元（APDU）的最大长度为253字节，超过最大长度的，需分成多个APDU进行发送。
控制域的长度是4个8位位组，主要是为了保证报文不会丢失或进行重复传送，仅仅是APCI域也是可以被传送的。
104规约中详细地推荐了信息体地址的分配，如表3-2所示。
表3-2 104规约的信息体地址的分配
3.IEC 60870-5-104规约的特点
IEC 60870-5-104规约是针对电力行业设计的，可靠性、容错性、实时性高，支持文件传输、定值参数修改等功能。主要特点包括以下几点。
（1）终端系统不需要特殊的网络软件、路由功能和网络管理。
（2）只需更换路由器即可改变网络类型，而对终端系统没有影响。
（3）特别适用于转换原来已存在的支持101规约的终端系统。