基于輕量級(jí)IPv6的配電網(wǎng)智能通信單元設(shè)計(jì)

吳仲超，李建澤，朱明星

(國(guó)網(wǎng)蚌埠供電公司，安徽 蚌埠 233000)

配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的終端環(huán)節(jié)，具有面積大、設(shè)備多、種類(lèi)多，以及故障風(fēng)險(xiǎn)較高且發(fā)生頻率高、故障原因多種多樣的特點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為配電網(wǎng)的建設(shè)提供了巨大支撐，通過(guò)設(shè)備間的互聯(lián)互通做到全網(wǎng)數(shù)據(jù)融合；而輕量級(jí)IPv6協(xié)議的引入也為配電網(wǎng)的靈活與安全提供了保障。因此，配電網(wǎng)的智能通信既可以確保供電網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)運(yùn)行，又為設(shè)備數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)收集奠定了基礎(chǔ)，為后續(xù)的統(tǒng)計(jì)分析以及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供了數(shù)據(jù)參考。

1 配電物聯(lián)網(wǎng)通信需求分析

1.1 配電網(wǎng)通信現(xiàn)狀

配電網(wǎng)作為電力資源直接面向使用對(duì)象的價(jià)值體現(xiàn)渠道，建設(shè)成本大約占整個(gè)電網(wǎng)體系的六成，且80%左右的用電故障是由配電網(wǎng)引起，其中高壓線路之間的通信已經(jīng)比較成熟，但低壓臺(tái)區(qū)由于安裝位置原因?qū)е卢F(xiàn)有通信方式很難完全覆蓋，尤其是電纜分支箱。為了盡快定位故障點(diǎn)，查找故障原因，提升供電穩(wěn)定性，急需可以覆蓋全域的網(wǎng)絡(luò)通信方案，以此確保數(shù)據(jù)采集全面，分析結(jié)果準(zhǔn)確。

IPv6對(duì)配電網(wǎng)的提升影響

為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)與用電客戶間的雙向互動(dòng)，需要對(duì)各類(lèi)配電設(shè)備、傳感器、視頻設(shè)備、電表等的數(shù)據(jù)采集需要更為細(xì)化，如此一來(lái)，通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)IP地址數(shù)量的需求急劇增長(zhǎng)，IPv4已無(wú)法滿足數(shù)據(jù)傳輸及安全管控的需要。IPv6作為新一代互聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議，IP地址長(zhǎng)度為128位，在靈活性、移動(dòng)性以及地址數(shù)量等方面相較于IPv4來(lái)說(shuō)都有極大改進(jìn)，不但可以解決IP自動(dòng)配置問(wèn)題，安全性也更高。

通信網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)

QoS(Quality of Service)服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)是國(guó)際通用的衡量配電網(wǎng)通信質(zhì)量的依據(jù)，主要包括時(shí)延、帶寬、丟包率、利用率等。時(shí)延指的是用電業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)從發(fā)送到接收需要的時(shí)間，一般包括發(fā)送、傳播、處理、排隊(duì)幾個(gè)部分；帶寬是表征網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸能力的指標(biāo)，為單位時(shí)間內(nèi)某條鏈路可以承載的最大數(shù)據(jù)量；丟包率代表單位時(shí)間內(nèi)丟失數(shù)據(jù)的占比，是衡量數(shù)據(jù)傳輸完整性的指標(biāo)；利用率用以描述鏈路負(fù)載情況，對(duì)時(shí)延有一定影響。針對(duì)配電網(wǎng)的特性，根據(jù)《電力系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，提取本研究設(shè)計(jì)的基于輕量級(jí)IPv6的配電物聯(lián)網(wǎng)智能通信網(wǎng)絡(luò)各類(lèi)業(yè)務(wù)的QoS指標(biāo)，具體如表1所示。

表1 配電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)QoS指標(biāo)Tab.1 QoS indicator of distribution Internet of things

2 核心技術(shù)

2.1 輕量級(jí)IPv6協(xié)議

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)感知層中數(shù)量龐大的節(jié)點(diǎn)，IPv4地址難以滿足要求，分配IPv6地址已經(jīng)勢(shì)在必行。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線傳輸采用的是IEEE 802.15.4協(xié)議，對(duì)設(shè)備的消耗較小，適合低功耗的傳感器，在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用IPv6則需要利用6LoWPAN將IPv6協(xié)議適配至802.15.4的mac層以及phy層協(xié)議棧。而物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)空間不大，處理能力也較弱，因此需對(duì)IPv6協(xié)議進(jìn)行修改及簡(jiǎn)化，稱(chēng)為輕量級(jí)IPv6協(xié)議。通過(guò)對(duì)IPv6報(bào)頭實(shí)行壓縮處理，以此減輕負(fù)荷。

2.2 排隊(duì)論理論

排隊(duì)論理論是通過(guò)數(shù)學(xué)模型對(duì)排隊(duì)等待現(xiàn)象提取出的物理模型進(jìn)行描述與分析。通常情況下由服務(wù)對(duì)象到達(dá)、排隊(duì)規(guī)則以及服務(wù)機(jī)構(gòu)組成，服務(wù)對(duì)象到達(dá)可以單一到達(dá)也可以分批到達(dá)，需關(guān)注進(jìn)入排隊(duì)系統(tǒng)的規(guī)律即到達(dá)分布，包括到達(dá)過(guò)程和時(shí)間兩個(gè)變量；排隊(duì)規(guī)則主要是對(duì)服務(wù)對(duì)象作出排隊(duì)限制，通常包括等候制、損失只以及混合制。服務(wù)機(jī)構(gòu)通常包括服務(wù)者數(shù)量、結(jié)構(gòu)形式以及服務(wù)過(guò)程。排隊(duì)系統(tǒng)類(lèi)型比較通用的是Kendall模型，比如M/M/c/k系統(tǒng)則代表服務(wù)對(duì)象無(wú)窮，包含個(gè)服務(wù)者，最大容量上限為。

3 平均到達(dá)速度及網(wǎng)絡(luò)帶寬預(yù)測(cè)建模

3.1 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)平均到達(dá)速率算法

配電網(wǎng)采集業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)達(dá)到速率可表示:

=++++

其中，代表低壓集抄數(shù)據(jù)速率，計(jì)算公式為

=××

3.2 通信網(wǎng)絡(luò)帶寬預(yù)測(cè)模型

根據(jù)上一節(jié)的M/M/1/k模型，將帶寬利用率最大作為目標(biāo)函數(shù)，將時(shí)延()、丟包率()作為約束條件，以此尋求最佳預(yù)測(cè)帶寬，設(shè)和為丟包率和時(shí)延最小值，則參數(shù)計(jì)算方法如下：

(3)帶寬利用率：=，根據(jù)上述計(jì)算公式，建立帶寬預(yù)測(cè)模型：

4 配電物聯(lián)網(wǎng)智能通信單元組網(wǎng)設(shè)計(jì)

4.1 采集業(yè)務(wù)排隊(duì)論模型

因?yàn)榕潆娋W(wǎng)主要業(yè)務(wù)體現(xiàn)在各類(lèi)設(shè)備監(jiān)測(cè)以及信息采集，所以著重分析采集類(lèi)業(yè)務(wù)的帶寬占用。配電網(wǎng)的用電信息經(jīng)過(guò)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)奶幚磉^(guò)程與排隊(duì)論的過(guò)程相似，因此參照傳統(tǒng)排隊(duì)論模型，構(gòu)建配電網(wǎng)采集業(yè)務(wù)排隊(duì)論模型，具體如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)采集業(yè)務(wù)排隊(duì)論模型Fig.1 Queuing theory model of collection service in distribution network

由圖1可知，代表平均到達(dá)速率；代表網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)速率，B/s；代表考慮丟包率后的實(shí)際達(dá)到速率；為網(wǎng)關(guān)最大緩存量。處理原則取“緩存滿則丟棄”；轉(zhuǎn)發(fā)原則取“先到先服務(wù)”；整體配電物聯(lián)網(wǎng)采集業(yè)務(wù)模型負(fù)荷M/M/1/k模型，其中預(yù)測(cè)通信帶寬不能小于網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)速率，即應(yīng)滿足≥。

4.2 基于輕量級(jí)IPv6的通信單元組網(wǎng)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及云計(jì)算的引入，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨智能化，參考泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)，結(jié)合配電網(wǎng)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了包含“云-管-邊-端”4個(gè)層級(jí)的通信單元架構(gòu)，具體如圖2所示。充分考慮配電網(wǎng)設(shè)備多、范圍廣的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速部署以及業(yè)務(wù)集成，既滿足配電網(wǎng)的運(yùn)行需要，又滿足用電客戶的使用要求。

圖2 基于輕量級(jí)IPv6 配單物聯(lián)網(wǎng)通信模型Fig.2 Communication model based on lightweight IPV6 with a single Internet of things

由圖2可知，“云”層主要是配電物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的終端主站，基于云計(jì)算進(jìn)行信息融合，靈活調(diào)度“邊”層的資源，主要包括IaaS、PaaS、SaaS。IaaS主要利用容器技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源分配；PaaS主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換以及存儲(chǔ)；SaaS主要實(shí)現(xiàn)各類(lèi)供調(diào)用的服務(wù)；“管”層屬于數(shù)據(jù)傳輸途徑，連接“云”與“邊”，包括本地通信、遠(yuǎn)程通信；“邊”層主要實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算，便于協(xié)議轉(zhuǎn)換，不依賴(lài)其他要素，是網(wǎng)絡(luò)功能的外延。“端”層則主要是信息的載體以及主控單元，通過(guò)傳感器、芯片等實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的智能化，擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集范圍，確保配電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

5 配電物聯(lián)網(wǎng)智能通信網(wǎng)絡(luò)性能分析

5.1 參數(shù)配置

為驗(yàn)證本研究設(shè)計(jì)的智能通信網(wǎng)絡(luò)性能，選擇國(guó)內(nèi)某市包含上文模型中涉及的低壓集抄、環(huán)境監(jiān)測(cè)、設(shè)備監(jiān)測(cè)、配變監(jiān)測(cè)以及視頻監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的實(shí)際配電網(wǎng)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)例分析。該配電網(wǎng)包括5型配電房按照配置高低記作B1～B5，傳感終端及配電設(shè)備詳細(xì)配置如表2所示。

表2 配電網(wǎng)設(shè)備配置清單Tab.2 Distribution network equipment configuration list

5.2 性能分析

將用戶用電的業(yè)務(wù)流量按80 kb/s計(jì)算，環(huán)境及設(shè)備監(jiān)測(cè)的傳感器流量按1 kb/s計(jì)算，配變流量按13 B/s，視頻流量取2 000 kb/s。設(shè)最大丟包率=0.1%，最大實(shí)驗(yàn)=1 s，將參數(shù)帶入速率計(jì)算模型以及帶寬預(yù)測(cè)模型，計(jì)算的各型配電網(wǎng)預(yù)測(cè)帶寬以及時(shí)延、丟包率如表3所示。

表3 各型配電房網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)結(jié)果Tab.3 Results of network performance index for each type of distribution room

本研究設(shè)計(jì)的采用輕量級(jí)IPv6的配電物聯(lián)網(wǎng)智能通信網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)異，滿足QoS服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)要求，而且還可得出以下結(jié)論：

(1)丟包率取采集業(yè)務(wù)約束最大值10時(shí)，網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率最大；

(2)排隊(duì)時(shí)延與丟包率隨帶寬增大而減小，且丟包率降低速度快；

(3)配電房配置的傳感器越多，數(shù)據(jù)采集量越大，則時(shí)延越大，預(yù)測(cè)帶寬越大；

(4)配電房帶寬存在臨界值，配置值低于臨界值則無(wú)法滿足QoS指標(biāo)。

6 結(jié)語(yǔ)

為設(shè)計(jì)性能良好的配電物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從配電網(wǎng)的通信現(xiàn)狀著手，制定服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)，并基于排隊(duì)論理論進(jìn)行配電網(wǎng)采集業(yè)務(wù)建模，通過(guò)計(jì)算業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的平均到達(dá)速度實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬預(yù)測(cè)，根據(jù)實(shí)際案例數(shù)據(jù)分析證明帶寬利用率均達(dá)到80%以上，通信網(wǎng)絡(luò)滿足預(yù)設(shè)要求。但模型構(gòu)建時(shí)還應(yīng)考慮不同介質(zhì)中傳輸速率的補(bǔ)償，后續(xù)也將進(jìn)一步研究配電網(wǎng)的其他控制類(lèi)業(yè)務(wù)，使模型更完善，更全面。