基于臨近表計無線Mesh組網(wǎng)的多表合一抄表系統(tǒng)設計

程瑛穎 ，周 峰 ，肖 冀 ，金志剛

（1.國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學研究院，重慶 401120；2.電能計量器具性能評估實驗室，重慶 401123；3.天津大學 電子信息工程學院，天津 300072）

為了對用戶使用的公共資源的消耗量準確計量，公用企業(yè)都在推廣一戶一表模式[1]。但由于各行業(yè)的計量自成體系，帶來了分頭建成的計量系統(tǒng)的資源不能共享，計量抄表工作量大等問題。

解決上述問題的關鍵技術手段是通過通信網(wǎng)絡來連接計量裝置，建設網(wǎng)絡化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。但是，不同公用企業(yè)的自動抄表系統(tǒng)是按各自行業(yè)標準建設的，會導致系統(tǒng)間的通信干擾[2]。因此，解決居民小區(qū)自動抄表問題只有突破行業(yè)管理壁壘，建設基于電表的多表合一系統(tǒng)，并且設計和實現(xiàn)支持微信、支付寶付費、用戶互聯(lián)網(wǎng)用量查詢、遠程負荷分析等“互聯(lián)網(wǎng)+”新服務的新型架構。

1 目前四表合一系統(tǒng)問題

基于集中器的集抄架構有兩方面的問題，一方面是集中器采集數(shù)據(jù)方式本質上是輪詢模式，通信效率比較低。另一方面，沒有考慮到“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下多種支付手段以及非侵入式負荷分析等高數(shù)據(jù)采集率等新業(yè)務的需要。隨著用戶大量通過支付寶、微信支付以及電網(wǎng)公司的手機APP等方式來購電，并且通過各種互聯(lián)網(wǎng)查詢工具對自己的用電（水、氣）情況進行高頻率的查詢，傳統(tǒng)的基于輪詢方式的集中器架構越來越難以支持用戶的個性化、網(wǎng)絡化的業(yè)務需求[3]。此外，將基于集中器模式的電表計量系統(tǒng)進一步擴展到四表合一系統(tǒng)將進一步增加集中器的負載[4]。在實際應用中，智能電表用戶僅僅進行電費數(shù)據(jù)采集與網(wǎng)絡下發(fā)新業(yè)務，已經(jīng)遇到通過支付寶等方式成功支付后短則幾分鐘，長到數(shù)十分鐘，相關支付的費控數(shù)據(jù)才下發(fā)到用戶表計中的問題。這些實際應用和通信瓶頸表明，需要設計新的通信手段和集抄模式。

2 多表合一數(shù)據(jù)集抄新機制

針對目前大規(guī)模居民用戶多表合一的數(shù)據(jù)采集、費用下發(fā)、網(wǎng)絡化管理的需求，在目前可用的網(wǎng)絡和通信技術支持下，為了使自動抄表控制系統(tǒng)更加科學有效、更加實用，提出將6LowPAN技術、無線Mesh組網(wǎng)等技術相結合的總體設想，并且基于IPv6數(shù)據(jù)采集協(xié)議將這些技術有機地融合在一起，構建一套雙向、通訊速度和效率高、安全可靠、安裝使用方便的自動抄表控制系統(tǒng)。特別是系統(tǒng)中智能電表的設計要求遠遠超出了普通電表的概念，不僅具備普通電表的計量功能，還擔負著水表、氣表、暖表數(shù)據(jù)的上傳下達和通訊中繼和自組織構成網(wǎng)絡實現(xiàn)智能化的四表合一通信與管理功能。

2.1 擴展智能電網(wǎng)的AMI系統(tǒng)

各種計量裝置如果支持網(wǎng)絡連接，就可以看作是傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點。與一般的無線傳感器網(wǎng)絡一樣，這些表計節(jié)點同樣需要解決長期穩(wěn)定的能源供應、可靠的通信和靈活可靠組網(wǎng)的問題。

高級量測體系（AMI）除了能向電力公司提供用戶的電能消費數(shù)據(jù)外，還能獲取客戶實時或準實時的電能量、需量、電壓和功率等重要信息，已成為智能電網(wǎng)的基礎性模塊[5]。論文將AMI進行擴展，將不同行業(yè)表計都看成AMI的管理對象，自組織的網(wǎng)絡電表將采集到的水、電、氣、暖表的數(shù)據(jù)分別上傳到各自的管理部門，各管理部門也將各自的命令數(shù)據(jù)通過電力的網(wǎng)絡計量系統(tǒng)下發(fā)到各自的計量表。從物理連接進度看，智能電表是AMI的直接管理節(jié)點，其他表計通過電表的無線網(wǎng)絡接入AMI系統(tǒng)；從邏輯連接看，不同表計是平等的地位，邏輯上連接到自己的系統(tǒng)中。

基于IPv6的通信技術能有效增強量測通信網(wǎng)絡的互操作性、可靠性和安全性，同時賦予海量智能設備獨立IP地址和網(wǎng)絡可管理能力，有利于實現(xiàn)各種業(yè)務端到端的管理和操作。另外利用IP網(wǎng)絡天然的開放特性，使得一個網(wǎng)絡可以同時承載多種業(yè)務，改變傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡的建設模式。因此，將基于IPv6的擴展型AMI作為新系統(tǒng)的基礎架構。

2.2 臨近表計自組網(wǎng)

6LoWPAN（IPv6 over low power wireless person al area network），即基于 IPv6的低速無線個域網(wǎng)。IETF已經(jīng)制定了相關技術標準，其中關鍵是RFC：《概述、假設、問題陳述和目標》（RFC4919：2007-08）和《基于IEEE802.15.4的IPv6報文傳送》（RFC4944：2007-09）。6LoWPAN 的物理層和 MAC 層采用IEEE 802.15.4標準，上層采用TCP/IPv6協(xié)議棧。

在相關標準中，6LoWPAN支持多無線頻率和對應的網(wǎng)絡傳輸能力，典型值為2.4 GHz、868 M/915 M 2個頻段對應250 kb/s、40 kb/s速率。為了不與居民家庭的WLAN無線網(wǎng)絡普遍采用的2.4 GHz頻段傳輸相互干擾，我們采用800/900 M的頻段，具體選擇需要根據(jù)相關部門的頻段資源分配和未來制定的技術標準。

為了實現(xiàn)四表合一的通信，同一個家庭以及相鄰的居民的表計之間形成無線Mesh網(wǎng)絡，這樣的自組織形式可以構成同一個家庭表計的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡，也可為相鄰用戶提高接入電網(wǎng)載波通信或者其他網(wǎng)絡的高可靠性，相互作為接入網(wǎng)絡的備份。

在此頻段下，用戶可以使用的通信傳輸能力為40 kb/s，并且僅僅需要對相鄰的居民的各種表計進行組網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集，至多每個構成的無線Mesh網(wǎng)絡中不超過幾百個網(wǎng)絡節(jié)點，其通信壓力大大減少。不再需要傳統(tǒng)的基于輪詢機制的集中器來進行抄表和下行通信。

3 多表合一系統(tǒng)安全架構與傳輸協(xié)議

3.1 虛擬網(wǎng)設計

由于需要在電力公司的單一支撐網(wǎng)絡上為多個不同公用服務企業(yè)的計量裝置建立網(wǎng)絡化計量系統(tǒng)，遇到的關鍵問題就是需要不同管理實體建立自己的虛擬網(wǎng)絡和認證中心，以實現(xiàn)安全性與各自獨立的可管理性。

為了實現(xiàn)上述功能，需要完成表計的身份認證和將一個物理實體物理映射為多個虛擬網(wǎng)絡。不同公用企業(yè)的表計和管理設備通過不同的證書與后臺管理系統(tǒng)，接入相互邏輯上獨立的虛擬網(wǎng)絡中。實現(xiàn)此機制的關鍵是基于身份的訪問控制。

在用戶通過認證之前，只能通過沒有訪問限制的開放的非受控端口與服務器連接，不能訪問網(wǎng)絡中的其他資源，唯一允許的就是進行認證。在用戶成功通過認證后，服務器在受控端口上建立邏輯通道，用戶通過此邏輯通道就可以訪問網(wǎng)絡資源。

IEEE 802.1x通過對端口進行控制可以實現(xiàn)無線網(wǎng)內(nèi)資源有效隔離，為AMI網(wǎng)絡資源隔離提供了一種解決方案。本文提出使用SCEP取代原有的EAP認證方式，來滿足多表合一環(huán)境下網(wǎng)絡化計量系統(tǒng)新的認證需求。不僅考慮到長期固定接入的智能電網(wǎng)終端（如智能電表等）的認證需求，還考慮到暫時接入的移動智能電網(wǎng)終端的認證需求。

新機制通過SCEP對用戶進行身份認證，并且將不同公用企業(yè)的計量裝置和網(wǎng)絡設備分配到一組與其他企業(yè)相互獨立的虛擬網(wǎng)絡中，如圖1所示。其中的Mesh節(jié)點是多個表計，它們組成多表合一抄表系統(tǒng)的網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)?；赟CEP協(xié)議的擴展IEEE 802.1x協(xié)議認證方式作為本文設計的安全架構的安全認證方式，其中包含智能電表、其他計量表等在內(nèi)的計量終端是SCEP協(xié)議中的端實體。選用處理能力較高的路由器作為RA，來處理網(wǎng)絡計量終端提交的SCEP認證請求申請。CA認證服務器置于防火墻后，由防火墻過濾源IP地址、目的IP地址、數(shù)據(jù)包協(xié)議等，保證CA服務器接收到的都是網(wǎng)絡計量終端允許IP地址段以及協(xié)議為SCEP的數(shù)據(jù)包，降低CA服務器被入侵的風險。

圖1 網(wǎng)絡安全架構Fig.1 Security scheme for authentication

基于SCEP協(xié)議的擴展IEEE 802.1x協(xié)議認證方式主要是用SCEP協(xié)議中的證書頒發(fā)和證書登記2個環(huán)節(jié)來擴展的，提供了一種IEEE 802.1x協(xié)議中新的具體的認證方式，此種認證方式更適用于多種計量屬于不同管理機構的認證體系。根據(jù)本文設計的安全認證方式，匯聚路由器提供IEEE 802.1x協(xié)議中AP的功能，代替計量終端發(fā)送接入網(wǎng)請求、SCEP證書頒發(fā)請求以及證書登記請求。另一方面，計量終端的證書查詢和證書吊銷則沒有擴展到IEEE 802.1x協(xié)議，與原SCEP協(xié)議保持一致。匯聚路由器將智能終端的SCEP證書查詢及吊銷請求發(fā)給前端路由器，前端路由器再轉發(fā)給CA和LDAP服務器，從而實現(xiàn)相關功能。圖2所示為證書流程。

在上述支持多公用企業(yè)虛擬私有網(wǎng)絡，以及大規(guī)模IPv6計量網(wǎng)絡基礎上，為了實現(xiàn)多種計量表的數(shù)據(jù)采集、身份認證和遠程服務購買與管理，進行了網(wǎng)絡化計量管理系統(tǒng)設計與驗證性實驗。

圖2 證書獲取流程Fig.2 Distribution of certificate

3.2 基于IPv6的信息采集

IEC 62056《電能計量—用于抄表、費率和負荷控制的數(shù)據(jù)交換》系列國際標準從通信的角度定義了對象標識（OBSI），建立了儀表的接口模型，統(tǒng)一了基于開放系統(tǒng)互聯(lián)模型要求的通訊協(xié)議—設備語言報文規(guī)范（DLMS）。因此，以IEC62056為基礎與標準來進行信息采集。

考慮到電表會有較大的數(shù)量，基于SNMPv6協(xié)議設計了電表的數(shù)據(jù)采集和管理協(xié)議。具體方法為將按照固定時間間隔的計量信息通過SNMP Polling報文來發(fā)送，將狀態(tài)變化、可能的故障信息和其他異常信息作為Trap來發(fā)送。

通過對電表計量等數(shù)據(jù)的性質和作用的分析可以知道，不同數(shù)據(jù)的可靠性要求不同，而且優(yōu)先級需求也不同。這就為合理利用網(wǎng)絡傳輸能力、減少Trap次數(shù)、壓縮輪詢數(shù)據(jù)包的發(fā)送數(shù)量帶來了可能。關鍵方法就是Trap合并機制，將重要性不高的Trap不是生成時就馬上發(fā)送和處理，而且延遲一段預先設定的方式，每個PDU只包括一個Trap消息，和此時段內(nèi)再次產(chǎn)生的Trap合并起來一起發(fā)送。這樣就可以減少發(fā)送數(shù)據(jù)包的次數(shù)，大大降低數(shù)據(jù)傳輸對網(wǎng)絡資源的影響。

4 系統(tǒng)驗證

論文提出的新四表合一架構的關鍵在于基于6LoWPAN的組網(wǎng)和基于SCPE的輕量級證書進行身份認證。為了驗證新架構的可行性與關鍵功能，我們搭建了驗證環(huán)境，采用圖3所示的拓撲結構進行原型系統(tǒng)驗證。

圖3 網(wǎng)絡基本拓撲Fig.3 Topology of authentication net

關鍵配置參數(shù)為

圖4所示為設備成功分配到證書的截圖以證。

通過多次實驗，驗證了設備的證書發(fā)放與身份驗證，實現(xiàn)了在同一個底層網(wǎng)絡支持下，不同表計各自虛擬構成網(wǎng)絡。同時，實現(xiàn)了臨近表計的無線自組網(wǎng)與拓撲管理，還實現(xiàn)了無線自組網(wǎng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集，對論文提出的新架構下的集抄系統(tǒng)主要功能實現(xiàn)了驗證。

圖4 認證效果Fig.4 Snapshot of experiment

5 結語

論文提出了將電表的通信網(wǎng)絡作為各種計量裝置的公用通信網(wǎng)絡，采用計量裝置形成無線Mesh網(wǎng)絡，電力公司的網(wǎng)絡構成虛擬專用網(wǎng)，并且基于SCEP協(xié)議和裝置的證書來接入計量網(wǎng)絡的方式。設計了基于IPv6的數(shù)據(jù)采集協(xié)議與Mesh網(wǎng)絡管理系統(tǒng)。實驗表明，可以通過網(wǎng)絡實現(xiàn)多計量裝置的拓撲發(fā)現(xiàn)，完成多表數(shù)據(jù)采集。

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[5]欒文鵬，王冠，徐大青.支持多種服務和業(yè)務融合的高級量測體系架構[J].中國電機工程學報，2014，34（29）：5088-5095.