Wi-SUN通信技術(shù)在先進計量架構(gòu)（AMI）中的應(yīng)用和實踐

孫文康

（威勝信息技術(shù)股份有限公司，湖南 長沙 410013）

0 引 言

伴隨類“碳達峰”與“碳中和”目標的減排目標在全球范圍內(nèi)為越來越多的政府和組織所接納，可再生能源的利用作為有效的“減排”手段在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。與此同時，可再生能源發(fā)電的不連續(xù)性這一問題也對接納其能源的電網(wǎng)調(diào)度帶來了沖擊，如何加強“需量管理”（Demand Management）以維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行成為了電力相關(guān)部門面臨的一大挑戰(zhàn)。先進計量架構(gòu)（Advanced Metering Infrastructure）作為“需量管理”的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，越來越被各電力公司和公用事業(yè)管理部門所重視，眾多AMI系統(tǒng)被部署在美洲、歐洲、亞洲等地的不同應(yīng)用場景中。

在這些場景中，先進計量架構(gòu)（AMI）部署的目標是通過智能電表（Smart Meters）的安裝使需量響應(yīng)、負荷管理和實時計價成為可能。先進計量架構(gòu)通常認為由智能電表、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成[1]。其中，通信網(wǎng)絡(luò)的主要功能是提供電表和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)缆罚岆娏净蚬檬聵I(yè)管理部門能夠監(jiān)控實時電力消耗并據(jù)此判斷用電趨勢，從而調(diào)整電力供應(yīng)。同時，也讓用戶可以獲取價格和控制信息。出于成本和性能的考慮，通信網(wǎng)絡(luò)通常又分為兩部分，其一是本地數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，其二是主干通信網(wǎng)絡(luò)。典型AMI通信網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 典型AMI通信網(wǎng)絡(luò)

本地數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的功能是建立智能電表和數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)或通信網(wǎng)關(guān)之間的通信信道，在該信道，數(shù)據(jù)傳輸量較小，在通常的應(yīng)用場景中，每個智能電表每15分鐘的有效數(shù)據(jù)約128字節(jié)（Byte），其對于通信帶寬和通信時延不敏感，但由于該通信模組數(shù)量是系統(tǒng)中最多的，所以對于價格高度敏感；主干通信網(wǎng)絡(luò)建立了數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)或通信網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)之間的通信信道，在該信道，數(shù)據(jù)量是本地數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的總和，其對于通信帶寬和通信時延更敏感[2]。

本文在介紹Wi-SUN無線通信技術(shù)這種當(dāng)前在海外電力市場中廣泛使用的本地數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點和應(yīng)用場景的基礎(chǔ)上，通過一個實際項目來說明部署過程中的應(yīng)用場景、實施步驟和后續(xù)消缺過程的處理方法。

1 Wi-SUN通信技術(shù)的優(yōu)勢

作為與電力線載波技術(shù)并駕齊驅(qū)的通信方式，無線通信技術(shù)在AMI的本地數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)部分有著廣泛的應(yīng)用。其與電力線載波技術(shù)相比，在應(yīng)對地理位置分散分布的智能電表應(yīng)用場景時具有先天優(yōu)勢：其一，無線技術(shù)不受電網(wǎng)噪音條件的影響，此點對于老舊電網(wǎng)尤顯突出；其二，由于電力線載波受技術(shù)原理的限制，難以穿透配電變壓器，所以本地通信網(wǎng)絡(luò)被限制在了一個“臺區(qū)”變壓器的配電范圍內(nèi)。而無線技術(shù)無此限制，此優(yōu)點對于桿上單相小容量變壓器的使用場景尤其突出，可以有效降低數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的數(shù)量，從而控制項目成本。針對無線技術(shù)中的主流無線通信免授權(quán)頻段有幾種技術(shù)方案，如圖2所示。

圖2 免授權(quán)頻段無線技術(shù)

從圖2中可知，Wi-SUN技術(shù)在保有較遠通信距離的前提下，仍然能夠保有較高的帶寬[3]。這兩點令其成為當(dāng)前應(yīng)用于AMI本地數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的主流方向，特別是在居民用電用戶分布分散，以小功率變壓器做為配網(wǎng)變壓器的南美，中北美及加勒比地區(qū)有著廣泛的應(yīng)用。

2 Wi-SUN通信技術(shù)簡介

Wi-SUN做為一種無線通信技術(shù)，遵循IEEE 802.15.4g和IPv6開放規(guī)范。出于行業(yè)生態(tài)的考量，2012年成立了Wi-SUN聯(lián)盟（Wi-SUN Alliance），到2022年，聯(lián)盟已經(jīng)聯(lián)接了全球超過300個會員，這些會員涵蓋了公用事業(yè)管理局、通信芯片制造商、軟件開發(fā)商、系統(tǒng)集成商、智能計量和物聯(lián)網(wǎng)供應(yīng)商等AMI產(chǎn)業(yè)的上下游企業(yè)。通過聯(lián)盟認證，讓多個供應(yīng)商的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通，有效降低設(shè)備集成的技術(shù)難度和成本。

在技術(shù)規(guī)范上，每個Wi-SUN節(jié)點都可以作為協(xié)調(diào)器，使得每個節(jié)點都可以成為中間路由，使整個Wi-SUN網(wǎng)絡(luò)能夠成為一個具備多級路由和自恢復(fù)功能的通信網(wǎng)絡(luò)，任何一個路由節(jié)點的故障，都不會導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的崩塌，而其多級級聯(lián)的模式，也足以讓其保有超過5 km的實用有效通信距離。其架構(gòu)存在幾種變體，如圖3所示。

圖3 Wi-SUN 協(xié)議總體架構(gòu)

EchoNet模式下，單點只支持星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即使通過部分節(jié)點的中繼功能，也只能形成樹狀結(jié)構(gòu)，這種特性讓這種模式主要用于設(shè)備比較集中的場合。

JUTA模式下，節(jié)點多數(shù)時間處于睡眠狀態(tài)，通過定期喚醒模式來達到省電效果，該模式通信實時性較差，多用于燃氣表和水表等使用電池供電的場合。

FAN模 式 下，Wi-SUN FAN采 用RPL（IPv6 Routing Protocol for Low Power and Low Network）協(xié)議，通過RPL協(xié)議很快找到最佳通信路徑，快速形成樹型自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。同時，由于FAN采用了RADIUS/AAA認證機制，認證方式采用EAP-TLE，增強了系統(tǒng)安全性[4]。所以該模式在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)能力和數(shù)據(jù)安全性兩方面都有較大優(yōu)勢，不足之處在于其功耗相對較大[5]，但考慮到針對電力系統(tǒng)AMI應(yīng)用場景為電能量數(shù)據(jù)采集，本身就具備長期供電條件，所以該劣勢無需特別關(guān)注。當(dāng)前在北美和南美主流AMI系統(tǒng)中，均采用Wi-SUN FAN模式進行本地數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)通信。本文所描述的具體項目也基于FAN模式進行。

3 Wi-SUN通信技術(shù)在AMI中的應(yīng)用實例

本文描述的項目位于巴西南部，是其州電力公司首個AMI項目，項目涵蓋約4萬個電力計量用戶，為先導(dǎo)驗證項目。

巴西政府從2019年開始在國內(nèi)大規(guī)模部署智能電網(wǎng)項目，以解決其國內(nèi)能源調(diào)度和需量均衡的問題，項目所在城市總常住人口約6萬人，面積約30萬平方千米，人口密度較低。居民住房以獨立住宅為主，除市中心以外較少高層建筑，符合前文描述的Wi-SUN部署特性[6]。項目總體通信方案技術(shù)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 總體通信方案架構(gòu)

如圖4所示，智能電表通過Wi-SUN技術(shù)組成的本地數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)以網(wǎng)狀網(wǎng)連接到數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)連接數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的主干通信網(wǎng)絡(luò)采用4G/5G公網(wǎng)通信，以VPN模式接入電力公司網(wǎng)絡(luò)。以下主要討論Wi-SUN本地數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)部分的實施步驟和注意事項。整個實施過程分為無線規(guī)劃、現(xiàn)場部署、調(diào)整消缺三個階段。

3.1 無線規(guī)劃

在該階段要解決“安裝在什么位置”的問題，即根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛埠徒ㄖ锾卣鬟M行無線規(guī)劃，確定通信設(shè)備的分布。在這個過程中，主要從以下3個方面進行布局考量：

（1）智能電表與數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)之間的Wi-SUN通信條件；

（2）互為Mesh節(jié)點的智能電表之間的Wi-SUN通信條件；

（3）數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的部署位置，總體原則是盡可能減少傳輸衰減。

由于傳輸衰減主要是由基礎(chǔ)衰減、地貌衰減、透射衰減和繞射衰減組成，無線規(guī)劃的主要目的是減少地貌衰減和透射衰減對總體性能的影響，在保證通信穩(wěn)定可靠的前提下，盡量降低成本投入[7]。

在實際場景中，由于用電用戶的房屋或場所所在位置和智能電表的位置固定，即Wi-SUN終端節(jié)點的位置固定，能夠進行位置規(guī)劃的將是數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和作為傳輸中繼節(jié)點加入的“轉(zhuǎn)發(fā)器”；此處引入“轉(zhuǎn)發(fā)器”的概念，“轉(zhuǎn)發(fā)器”是一個擁有和智能電表完全一致的Wi-SUN功能的設(shè)備，該設(shè)備不帶計量功能，其主要作用是作為中繼節(jié)點，將不能處于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的部分“孤島”節(jié)點引入總體網(wǎng)絡(luò)。由于該設(shè)備是新裝設(shè)備，不受居民用戶電表安裝位置的限制，可以靈活確定安裝位置，從而達到建立穩(wěn)定本地數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的目的[8]。

首先根據(jù)項目部署位置的地貌進行數(shù)據(jù)分析，結(jié)合Wi-SUN通信模塊的性能特性，將整體數(shù)據(jù)節(jié)點分為若干區(qū)域，每個區(qū)域中確立一個在通信開銷上處于均衡位置的可行地理位置作為數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的安裝位置。為確保無線通信的菲涅爾區(qū)不接觸地面，避免信號大幅衰減，應(yīng)盡可能將數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)安裝到遠離地面的位置。類似也可以確認“轉(zhuǎn)發(fā)器”的位置[9]。

地貌數(shù)據(jù)影響量從高到底可以分為數(shù)字高度模型（DHM），包含有建筑和主要植被高程數(shù)據(jù)；土地利用分布圖（DLU），包括土地的使用用途；數(shù)字地形模型（DTM），包含地形高度數(shù)據(jù)。在進行Wi-SUN通信架構(gòu)的無線規(guī)劃時也需要充分考慮Mesh網(wǎng)絡(luò)的中繼級數(shù)，數(shù)量大的中繼級數(shù)意味著更高的時延和更多的通信開銷，反之則需要增加數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的數(shù)量，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)數(shù)量的增大意味著價格昂貴的主干通信網(wǎng)絡(luò)將增加，如何在數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的數(shù)量和Mesh通信級數(shù)之間尋找平衡是在規(guī)劃通信網(wǎng)絡(luò)時需要考量的問題。圖5、圖6和圖7分別體現(xiàn)了實施地點的計量點位置、當(dāng)?shù)氐匦?、?guī)劃后的Wi-SUN通信覆蓋圖。

圖5 計量點位置

圖6 當(dāng)?shù)財?shù)字地形模型

圖7 Wi-SUN通信覆蓋情況

3.2 現(xiàn)場部署

當(dāng)無線規(guī)劃完畢之后，即可依照規(guī)劃中確定的安裝地點進行設(shè)備現(xiàn)場安裝部署。在部署過程中，應(yīng)該按照分區(qū)部署的原則進行設(shè)備安裝和調(diào)試。對所有電力計量點按照無線規(guī)劃過程中所確立的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)下轄的區(qū)域范圍，將全部計量節(jié)點劃分為若干個分區(qū)，每個分區(qū)中的通信設(shè)備包括一個網(wǎng)關(guān)和該網(wǎng)關(guān)下轄的計量節(jié)點，如需要，還應(yīng)包含相應(yīng)的“轉(zhuǎn)發(fā)器”。分區(qū)逐個安裝，避免節(jié)點跨區(qū)前往其他主節(jié)點進行無效注冊，以提升首次組網(wǎng)效率并降低后續(xù)排查難度，及時發(fā)現(xiàn)無線規(guī)劃中不合理的部分。在每一個分區(qū)中，安裝部署過程也應(yīng)該先從節(jié)點（智能電表、轉(zhuǎn)發(fā)器）后主節(jié)點（區(qū)域數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)），便于從節(jié)點在計算路由時能夠充分考量全部的可行路徑，從中擇優(yōu)選取[10]。

當(dāng)安裝完一個區(qū)域后，應(yīng)該從數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)通信測試，遍歷該分區(qū)中的所有節(jié)點，一旦發(fā)現(xiàn)不能完成通信連接的節(jié)點將立即調(diào)整消缺。

3.3 調(diào)整消缺

部署完成后，即可分區(qū)域進行調(diào)整消缺，在實際工作中主要有以下幾種典型情況和處理方法。最常見的本地通信網(wǎng)絡(luò)不良情況表現(xiàn)為：終端節(jié)點無法接入網(wǎng)絡(luò)，該情況有幾種可能，其一是該節(jié)點處在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)能夠抵達的范圍之外。此時首先應(yīng)查看其周邊是否有屬于另一個網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)片區(qū)的可用節(jié)點，如果有，則可以通過手工調(diào)整的方式將該節(jié)點的歸屬關(guān)系調(diào)整至另一個片區(qū)，如果周邊無可用節(jié)點，則可以考量在其與本區(qū)域可用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)立轉(zhuǎn)發(fā)器，以達到令終端節(jié)點入網(wǎng)的目的，如圖8所示。在無線規(guī)劃階段，因為地貌數(shù)據(jù)中部分數(shù)據(jù)的準確性不足或者存在錯誤，導(dǎo)致最初的無線規(guī)劃存在差錯，最終在實際實施中出現(xiàn)部分節(jié)點無法出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的現(xiàn)象。另外一種情況是，部分節(jié)點或區(qū)域節(jié)點通信不穩(wěn)定，通常是由于周邊存在干擾，因Wi-SUN使用的是非授權(quán)頻率（915 MHz頻點附近），所以在同一個區(qū)域內(nèi)可能有其他使用該頻點的設(shè)備并存，此時可以調(diào)整該區(qū)域Wi-SUN使用的頻點，以避開干擾或者改變通信在時間上的間隔并增加重傳機制，以最大限度減少干擾。

圖8 轉(zhuǎn)發(fā)器的作用示例

4 結(jié) 語

作為智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)感知部分和控制部分，處于能源用戶和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)之間的通信部分，其穩(wěn)定性和效率對于電網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取和分戶控制有著性能上的決定性作用。而這其中又因本地通信網(wǎng)絡(luò)在設(shè)備數(shù)量上最多，制約條件復(fù)雜，因此在技術(shù)上最具挑戰(zhàn)性。

本文選取了當(dāng)前應(yīng)對低密度分布用戶較有優(yōu)勢的Wi-SUN通信技術(shù)，結(jié)合實際項目實例對該部分進行了說明，其中既簡要說明了Wi-SUN在技術(shù)方面的適用性，也說明了如何分區(qū)域進行項目部署，并就可能出現(xiàn)的問題給出了解決方法和思路。本方法已經(jīng)在真實項目中進行了實踐，取得了良好的效果。

伴隨物聯(lián)網(wǎng)場景在工業(yè)和民用應(yīng)用中的普及，Wi-SUN作為一種可在類似場景中廣泛應(yīng)用的通信技術(shù)，其應(yīng)用價值將進一步凸顯，希望本文可以給該技術(shù)的應(yīng)用帶來一些參考。