Wireless HART網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能用電中的應(yīng)用

麥 青 洪 剛 張 盛

（1.北海供電局，廣西 北海536000；2.清華大學(xué)深圳研究生院智能傳感網(wǎng)絡(luò)工程中心，廣東 深圳518055）

0 引言

智能用電是智能電網(wǎng)中電力管理者和用戶聯(lián)系最為緊密的部分，是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、提高用電效率的重要手段［1］。這一理念的提出符合當(dāng)前國(guó)家的能源政策，能夠提高電能利用率，具有節(jié)能減排的重大意義。智能用電系統(tǒng)主要由戶內(nèi)網(wǎng)、本地通信網(wǎng)和遠(yuǎn)程通信網(wǎng)構(gòu)成，如圖1所示。本地通信網(wǎng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和融合，是智能用電系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的一部分。本文將介紹一種利用Wireless HART網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)智能用電本地通信網(wǎng)的方案。

圖1 智能用電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

Wireless HART物理層采用ISM 2.4 GHz頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kb／s；數(shù)據(jù)鏈路層采用TDMA和FHSS技術(shù)，能夠避免數(shù)據(jù)沖突，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。此外，在鏈路層通過(guò)時(shí)隙和信道的合理分配能夠避免數(shù)據(jù)沖突，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率，發(fā)揮集中式管理綠色智能的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)層采用圖路由（Graph Route）技術(shù)，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；傳輸層建立端到端的傳輸通道，保證數(shù)據(jù)的正確傳輸［2］。

在本地通信網(wǎng)中，Wireless HART現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備充當(dāng)采集器，通過(guò)RS485接口和若干個(gè)電表相連，采集用電數(shù)據(jù)，不同采集器組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。Wireless HART網(wǎng)絡(luò)管理器充當(dāng)集中器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)融合，組建、配置和維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，起到控制中心的作用。

本文主要提供本地通信網(wǎng)的組建方案，實(shí)現(xiàn)采集器到集中器之間的下行通信，要求數(shù)據(jù)可靠、安全傳輸，同時(shí)盡可能實(shí)時(shí)有效地傳輸。

1 智能配電系統(tǒng)中的WirelessHART網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

根據(jù)智能用電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，設(shè)計(jì)如圖2所示的無(wú)線抄表系統(tǒng)。本地通信網(wǎng)采用Wireless HART技術(shù)，采集器之間以網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接，對(duì)于脫離網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)增加路由節(jié)點(diǎn)來(lái)連接。采集器采集到的用電數(shù)據(jù)發(fā)送至集中器，集中器將數(shù)據(jù)打包，周期性發(fā)送給電力門戶。集中器是抄表系統(tǒng)的橋梁，它既要完成與前端智能電表的數(shù)據(jù)通信，又要完成與上級(jí)電力局主站之間的數(shù)據(jù)傳輸。集中器作為協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立和維護(hù)Wireless HART網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)采集器可以懸掛50臺(tái)電表，一個(gè)樓宇內(nèi)可以安裝若干個(gè)采集器，一個(gè)小區(qū)的若干樓宇可以共用一個(gè)集中器，對(duì)于超出通信范圍的樓宇可以安裝路由器。采集器之間可以采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，增加冗余路徑可以提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性，抵抗環(huán)境干擾。集中器中內(nèi)置GPRS模塊，通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)傳輸給電力門戶，電力門戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，同時(shí)給集中器下達(dá)命令，集中器可以集中式管理各個(gè)采集器。

圖2 基于W irelessHART的智能抄表系統(tǒng)

此外，未來(lái)戶內(nèi)網(wǎng)亦可以利用本地通信網(wǎng)的組網(wǎng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。電視、空調(diào)等家用電器將會(huì)通過(guò)Wireless HART無(wú)線技術(shù)組網(wǎng)，采集器之間、采集器和集中器之間也會(huì)采用 Wireless HART無(wú)線通信組網(wǎng)，它們將隸屬于2個(gè)Wireless HART網(wǎng)絡(luò)集群，由網(wǎng)絡(luò)密鑰加密。

2 網(wǎng)絡(luò)性能分析

按照美國(guó)能源部報(bào)告中針對(duì)現(xiàn)代電網(wǎng)所提出的一些要求，智能電網(wǎng)必須具備以下基本特征：自愈、安全、交互、高效、集成等［3］。目前比較常見的智能用電無(wú)線方案是采用ZigBee技術(shù)的無(wú)線抄表系統(tǒng)［4］。下面，本文將詳細(xì)探討采用 Wireless HART技術(shù)組建本地通信網(wǎng)的關(guān)鍵指標(biāo)，并和ZigBee組網(wǎng)進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)比分析。

2.1 可信傳輸

2.1.1 安全性

Wireless HART網(wǎng)絡(luò)設(shè)有專門的安全管理器，安全管理器與網(wǎng)絡(luò)管理器協(xié)同工作以保證Wireless HART網(wǎng)絡(luò)免受敵對(duì)威脅。安全管理器負(fù)責(zé)生成和管理Wireless HART網(wǎng)絡(luò)所用到的各種密鑰。此外，在網(wǎng)絡(luò)層，Wireless HART會(huì)對(duì)有效載荷進(jìn)行CCM＊加密算法，接收到信息的節(jié)點(diǎn)只有進(jìn)行了基于CCM＊的MIC解密認(rèn)證才能獲取明文信息，進(jìn)一步保證了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

Wireless HART網(wǎng)絡(luò)還設(shè)定了設(shè)備黑名單和信道黑名單，一旦被確認(rèn)惡意攻擊，節(jié)點(diǎn)將會(huì)被加入黑名單；當(dāng)某個(gè)通信鏈路被非法偵聽，該信道也將被列入黑名單，進(jìn)一步確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

而在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，沒有獨(dú)立的高性能安全管理器，密鑰等信息僅僅存儲(chǔ)在簇頭節(jié)點(diǎn)中，一旦簇頭節(jié)點(diǎn)的信息丟失，網(wǎng)絡(luò)密鑰和明文數(shù)據(jù)將很容易被竊取。

2.1.2 可靠性

Wireless HART無(wú)線組網(wǎng)方式靈活多變、可提供冗余，保證在發(fā)生大擾動(dòng)或故障時(shí)，電網(wǎng)仍能保證對(duì)用戶供電，不發(fā)生大面積的停電事故。此外，Wireless HART利用多種復(fù)用技術(shù)來(lái)保證通信的高可靠性，而這些卻都是ZigBee所沒有的。

（1）時(shí)分復(fù)用：所有非廣播報(bào)文都要求接收方在同一時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行確認(rèn)，當(dāng)傳輸失敗的時(shí)候，重傳機(jī)制將會(huì)被啟動(dòng)。

（2）空間（路徑）復(fù)用：Wireless HART網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是網(wǎng)狀的，并且采用圖路由的分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證了每對(duì)端到端的通信至少有2條以上的可用路徑。

（3）頻率復(fù)用：Wireless HART標(biāo)準(zhǔn)提供了16個(gè)信道的調(diào)頻技術(shù)，節(jié)點(diǎn)以偽隨機(jī)碼的形式選擇當(dāng)前使用的信道，避免了信道的干擾，例如藍(lán)牙等，確保了傳輸?shù)母呖煽啃浴?/p>

2.2 高度自愈

利用Wireless HART來(lái)組建本地通信網(wǎng)的最大好處在于Wireless HART的網(wǎng)絡(luò)自愈能力。當(dāng)有設(shè)備節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)管理器會(huì)立刻知道故障設(shè)備位置，并且實(shí)時(shí)地更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系依然正常運(yùn)行。當(dāng)有節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)管理器會(huì)給節(jié)點(diǎn)分配地址和密鑰，并廣播給所有鄰居節(jié)點(diǎn)，告知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。Wireless HART網(wǎng)絡(luò)管理器由于是獨(dú)立于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的，因此具有較大的調(diào)度自由性和可擴(kuò)展性，能夠隨時(shí)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，并作出最優(yōu)的通信鏈路分配，確保網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。

相比而言，ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建的用電方案沒有進(jìn)行集中管理，難以實(shí)時(shí)高效地響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化，也難以作出最優(yōu)的調(diào)度方案。

2.3 實(shí)時(shí)有效

智能用電系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)用戶用電信息的實(shí)時(shí)發(fā)布和傳輸。利用Wireless HART組建的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)采用了TDMA和FHSS技術(shù)，在同一時(shí)隙內(nèi)網(wǎng)絡(luò)可以有16條通信鏈路工作在不同的頻段內(nèi)。此外，Wireless HART采用集中控制原則，節(jié)點(diǎn)之間的通信被預(yù)先設(shè)定，基本避免了數(shù)據(jù)沖突和長(zhǎng)時(shí)間的延時(shí)等待。根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)提出的染色算法以及改進(jìn)型染色算法進(jìn)行通信鏈路調(diào)度，網(wǎng)絡(luò)的吞吐率有了很大改善，最大限度地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性傳輸［5］。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，只有一個(gè)固定的信道，這意味著同一時(shí)刻只能有一次通信過(guò)程存在，這無(wú)疑將大大降低數(shù)據(jù)吞吐率，增大了網(wǎng)絡(luò)延遲。

3 尚需改進(jìn)的地方

當(dāng)然，本文所設(shè)計(jì)的智能用電網(wǎng)絡(luò)體系也存在許多需要提高和改進(jìn)的地方，主要有：

（1）更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。實(shí)現(xiàn)事件信息完整記錄，故障信息長(zhǎng)期保存。這對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理提出了更高的要求。

（2）更全面的軟件功能。進(jìn)一步提高智能電表的智能化程度。

（3）更加強(qiáng)大的防御能力。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步強(qiáng)化數(shù)據(jù)之間相互傳輸?shù)募用苓^(guò)程，進(jìn)一步發(fā)揮調(diào)頻技術(shù)在數(shù)據(jù)收發(fā)中的重大作用。

4 結(jié)語(yǔ)

智能抄表是智能用電的重要組成部分。本文針對(duì)目前抄表系統(tǒng)存在的缺陷問(wèn)題，提出了一種基于Wireless HART網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并深入分析了整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能，相較于傳統(tǒng)的ZigBee抄表系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)方案有效提升了網(wǎng)絡(luò)可信性，并且使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)更加實(shí)時(shí)有效。

［1］張文亮，劉壯志，王明俊，等.智能電網(wǎng)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009（13）

［2］IEC62591 Industrial communication networks—Wireless communication network and communication profiles—Wireless HARTTM［S］，2007

［3］楊德昌，李勇，劉澤洪，等.中國(guó)式智能電網(wǎng)的構(gòu)成和發(fā)展規(guī)劃研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009（20）

［4］龍玉湘，章兢，戴瑜興.基于ZigBee的無(wú)線抄表系統(tǒng)的集中器設(shè)計(jì)［J］.低壓電器，2007（20）

［5］K.Dang，J.Shen，L.Dong，et al.A Graph Route-Based Superframe Scheduling Scheme in Wireless HART Mesh Networks for High Robustness［J］.Wireless Personal Communications，2012（6）