面向智能電網(wǎng)的通信技術(shù)和路由算法研究

鄒志文

摘要：下一代電力系統(tǒng)—智能電網(wǎng)集成先進(jìn)的通信/網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以提高網(wǎng)絡(luò)的效率、適應(yīng)性和可持續(xù)性。智能電網(wǎng)通常是由電力系統(tǒng)和智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)組成。鄰域網(wǎng)部署在智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的中心，是一個(gè)關(guān)鍵組成部分。首先，全面分析了鄰域網(wǎng)的重要性，討論了在該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下可以采用的通信技術(shù)，并列出了各種通信技術(shù)適用的場(chǎng)景。然后，分析了適用于智能電網(wǎng)的路由協(xié)議，簡(jiǎn)單地介紹了HWMP路由協(xié)議和RPL路由協(xié)議。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；鄰域網(wǎng)；HWMP；RPL

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）33-0030-02

Abstract： Next generation power systems — Smart Grids should integrate advanced communications / networking technologies to improve efficiency， adaptability， and sustainability of network. Smart grids usually consist of a power system and the smart grid communications network. Neighborhood Area Network is deployed at the center of the smart grid communications network and is a key part of it. Firstly， a thorough analysis of Neighborhood Area Network was carried out， discussing the different communications technologies that could be employed. This article lists the different scenarios that various communication technologies could be applied. Then， this paper analyzes the routing protocols which is applicable to the smart grid and briefly introduces HWMP routing protocol and RPL routing protocol.

Key words： smart grids； Neighborhood Area Network； HWMP； RPL

1 引言

一般地，傳統(tǒng)電網(wǎng)將電力從少數(shù)中央發(fā)電機(jī)輸送至大量的用戶或消費(fèi)者。智能電網(wǎng)（Smart Grids， SG）是20世紀(jì)電網(wǎng)的升級(jí)，使用雙向電力流和信息流傳輸網(wǎng)絡(luò)。SG通常是由電力系統(tǒng)和智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)（Smart Grid Communications Network，SGCN）組成的設(shè)施。SGCN主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)和控制網(wǎng)絡(luò)，使整個(gè)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的功能。SGCN有三個(gè)代表性的組成部分：家庭局域網(wǎng)（HAN），鄰域網(wǎng)（NAN）和廣域網(wǎng)（WAN）[1]。NAN處于 SGCN的中間位置，是SGCN的關(guān)鍵部分。因此NAN網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量對(duì)SGCN的通信質(zhì)量有重要影響。在鄰域網(wǎng)的通信過(guò)程中存在著兩個(gè)影響因素：通信技術(shù)和路由協(xié)議。

2 鄰域網(wǎng)的通信技術(shù)

鄰域網(wǎng)主要負(fù)責(zé)運(yùn)輸大量不同類型的數(shù)據(jù)，在公用事業(yè)公司和大量設(shè)備之間分配控制信號(hào)。鄰域網(wǎng)是由異構(gòu)的、靜態(tài)的、覆蓋幾平方公里區(qū)域的智能電表（Smart Meters，SM）和數(shù)據(jù)聚合點(diǎn)組成[2]。根據(jù)電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和所采用的通信技術(shù)/協(xié)議，每個(gè)NAN集群中的SM的數(shù)量從幾百到幾千不等。

在多種可用通信技術(shù)中，適合鄰域網(wǎng)（NAN）的通信技術(shù)公認(rèn)為無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（WMN）。無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)多跳的方式擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，且具有低延遲、高吞吐量的服務(wù)質(zhì)量（QoS），所以電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)源傳輸數(shù)據(jù)到回程分配區(qū)。智能電網(wǎng)傳輸嚴(yán)格，需要考慮延遲、數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)包傳輸?shù)腝oS要求[3]。因此需要詳細(xì)分析網(wǎng)絡(luò)通信方式，確定在部署過(guò)程中何種通信方式更能滿足這些要求。

在NAN中，可以使用許多有線、無(wú)線通信技術(shù)，例如，通過(guò)電話線或有線電視服務(wù)的寬帶技術(shù)，電力線通訊技術(shù)，無(wú)線蜂窩技術(shù)和無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（Wireless Mesh Networking，WMN）技術(shù)。有線通信技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的比較見(jiàn)表1。在鄰域網(wǎng)中，使用的技術(shù)主要有傳統(tǒng)的PLC技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)。

一般來(lái)說(shuō)，有線通信更容易防止干擾和竊聽(tīng)的作用，有線設(shè)備通常比較便宜而且維護(hù)成本也比較低。但在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)安裝成本比較低，在廣泛的領(lǐng)域中可快速部署。隨著寬帶無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以提供與有線網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)速率和網(wǎng)絡(luò)容量。所以公用事業(yè)公司選擇無(wú)線技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)。

多種無(wú)線技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和主要應(yīng)用的領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)表2。具體的無(wú)線通信方式可根據(jù)實(shí)際的情況選擇使用無(wú)線技術(shù)。

3 路由協(xié)議

在智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)中，確定了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)通信方式后，還需要考慮路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。幾乎所有的智能電表都部署在惡劣的室外環(huán)境中，因此它們可能會(huì)失效，也可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)線連接在一段時(shí)間內(nèi)波動(dòng)。這些動(dòng)態(tài)問(wèn)題可能會(huì)阻礙網(wǎng)絡(luò)連接，降低數(shù)據(jù)通信的可靠性。合適的路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制可以找到高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)路徑。因此選擇一個(gè)合適的路由協(xié)議有著重要的意義。

近年來(lái)，許多學(xué)者已經(jīng)為低功耗有損網(wǎng)絡(luò)提出了多種路由協(xié)議，例如：混合式無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)路由協(xié)議（Hybrid Wireless Mesh Protocol，HWMP）[4]；分布式自治深度優(yōu)先路由算法（Distributed Autonomous Depth-first Routing，DADR）[5]；低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議（Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks，RPL）[6]等。

除了這些協(xié)議，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的通信需求，部分學(xué)者也提出了其他的路由協(xié)議并不斷修改，以適應(yīng)智能電網(wǎng)的雙向通信特性。接下來(lái)主要分析比較HWMP協(xié)議和RPL路由協(xié)議。

3.1 HWMP路由協(xié)議

為了允許不同生產(chǎn)商生產(chǎn)的設(shè)備可以互相操作，設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)了HWMP協(xié)議。HWMP協(xié)議是一種混合式無(wú)線路由協(xié)議。在IEEE 802.11s WLAN網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，默認(rèn)的路由協(xié)議就是HWMP協(xié)議。當(dāng)設(shè)備符合IEEE 802.11s標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，HWMP協(xié)議通過(guò)空中鏈路度量（Air Link Metric，ALM）進(jìn)行路徑選擇，從而在動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高效路由。

HWMP協(xié)議結(jié)合了反應(yīng)式路由協(xié)議和先驗(yàn)式路由協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，與兩種單一的路由協(xié)議相比，提高了一定的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性。雖然HWMP協(xié)議可以通過(guò)多跳的方式實(shí)現(xiàn)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信，但是在可靠性和延時(shí)方面仍然存在很大問(wèn)題。有部分工作人員也對(duì)HWMP協(xié)議做了一些的研究。例如，針對(duì)智能電網(wǎng)的問(wèn)題，Saputro N， Akkaya K[7]等人系統(tǒng)性地評(píng)估了HWMP協(xié)議的性能并改進(jìn)了協(xié)議的可靠性方面，解決了HWMP協(xié)議存在的部分問(wèn)題。

3.2 RPL路由協(xié)議

2008年，IETF建立了低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由（ROLL）的工作組。ROLL工作組提出了一種兼容IPv6的路由協(xié)議，即RPL協(xié)議。該協(xié)議正在迅速成為AMI網(wǎng)絡(luò)和FAN領(lǐng)域中最重要的網(wǎng)絡(luò)解決方案之一。

RPL協(xié)議是一種距離矢量型路由協(xié)議，主要通過(guò)ICMPv6控制消息完成協(xié)議的拓?fù)錁?gòu)建工作。不同于HWMP協(xié)議，RPL協(xié)議是先應(yīng)式路由協(xié)議，適用于從根節(jié)點(diǎn)傳輸或向根節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包的多跳傳輸。RPL協(xié)議中包含多個(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)，可以提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和鏈路質(zhì)量。例如，協(xié)議使用ETX度量可以提高鏈路質(zhì)量，增加鏈路可靠性。但是僅使用單一的度量標(biāo)準(zhǔn)并不能完全滿足智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的要求。該協(xié)議仍在研究中，需要不斷改進(jìn)，完善網(wǎng)絡(luò)的要求。幾種常見(jiàn)路由算法的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表3。

4 總結(jié)

智能電網(wǎng)通過(guò)可靠和安全的智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化現(xiàn)有電網(wǎng)。NAN作為智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的重要一部分，需要考慮網(wǎng)絡(luò)中所使用的通信技術(shù)和路由算法。本文分析了不同通信技術(shù)，HWMP協(xié)議和RPL協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)。在SGCN中仍存在許多挑戰(zhàn)，比如合適的無(wú)線網(wǎng)狀路由協(xié)議，數(shù)據(jù)處理，網(wǎng)絡(luò)安全性，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等，這些問(wèn)題還需要學(xué)者不斷地進(jìn)行研究。

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