基于臨近表計(jì)無(wú)線Mesh組網(wǎng)的多表合一抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程瑛穎 ，周 峰 ，肖 冀 ，金志剛

（1.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶 401120；2.電能計(jì)量器具性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)室，重慶 401123；3.天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072）

為了對(duì)用戶使用的公共資源的消耗量準(zhǔn)確計(jì)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(jì)量自成體系，帶來(lái)了分頭建成的計(jì)量系統(tǒng)的資源不能共享，計(jì)量抄表工作量大等問(wèn)題。

解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)手段是通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)連接計(jì)量裝置，建設(shè)網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。但是，不同公用企業(yè)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)是按各自行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)間的通信干擾[2]。因此，解決居民小區(qū)自動(dòng)抄表問(wèn)題只有突破行業(yè)管理壁壘，建設(shè)基于電表的多表合一系統(tǒng)，并且設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)支持微信、支付寶付費(fèi)、用戶互聯(lián)網(wǎng)用量查詢、遠(yuǎn)程負(fù)荷分析等“互聯(lián)網(wǎng)+”新服務(wù)的新型架構(gòu)。

1 目前四表合一系統(tǒng)問(wèn)題

基于集中器的集抄架構(gòu)有兩方面的問(wèn)題，一方面是集中器采集數(shù)據(jù)方式本質(zhì)上是輪詢模式，通信效率比較低。另一方面，沒(méi)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(fù)荷分析等高數(shù)據(jù)采集率等新業(yè)務(wù)的需要。隨著用戶大量通過(guò)支付寶、微信支付以及電網(wǎng)公司的手機(jī)APP等方式來(lái)購(gòu)電，并且通過(guò)各種互聯(lián)網(wǎng)查詢工具對(duì)自己的用電（水、氣）情況進(jìn)行高頻率的查詢，傳統(tǒng)的基于輪詢方式的集中器架構(gòu)越來(lái)越難以支持用戶的個(gè)性化、網(wǎng)絡(luò)化的業(yè)務(wù)需求[3]。此外，將基于集中器模式的電表計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展到四表合一系統(tǒng)將進(jìn)一步增加集中器的負(fù)載[4]。在實(shí)際應(yīng)用中，智能電表用戶僅僅進(jìn)行電費(fèi)數(shù)據(jù)采集與網(wǎng)絡(luò)下發(fā)新業(yè)務(wù)，已經(jīng)遇到通過(guò)支付寶等方式成功支付后短則幾分鐘，長(zhǎng)到數(shù)十分鐘，相關(guān)支付的費(fèi)控?cái)?shù)據(jù)才下發(fā)到用戶表計(jì)中的問(wèn)題。這些實(shí)際應(yīng)用和通信瓶頸表明，需要設(shè)計(jì)新的通信手段和集抄模式。

2 多表合一數(shù)據(jù)集抄新機(jī)制

針對(duì)目前大規(guī)模居民用戶多表合一的數(shù)據(jù)采集、費(fèi)用下發(fā)、網(wǎng)絡(luò)化管理的需求，在目前可用的網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)支持下，為了使自動(dòng)抄表控制系統(tǒng)更加科學(xué)有效、更加實(shí)用，提出將6LowPAN技術(shù)、無(wú)線Mesh組網(wǎng)等技術(shù)相結(jié)合的總體設(shè)想，并且基于IPv6數(shù)據(jù)采集協(xié)議將這些技術(shù)有機(jī)地融合在一起，構(gòu)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(dòng)抄表控制系統(tǒng)。特別是系統(tǒng)中智能電表的設(shè)計(jì)要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了普通電表的概念，不僅具備普通電表的計(jì)量功能，還擔(dān)負(fù)著水表、氣表、暖表數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)和通訊中繼和自組織構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智能化的四表合一通信與管理功能。

2.1 擴(kuò)展智能電網(wǎng)的AMI系統(tǒng)

各種計(jì)量裝置如果支持網(wǎng)絡(luò)連接，就可以看作是傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。與一般的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一樣，這些表計(jì)節(jié)點(diǎn)同樣需要解決長(zhǎng)期穩(wěn)定的能源供應(yīng)、可靠的通信和靈活可靠組網(wǎng)的問(wèn)題。

高級(jí)量測(cè)體系（AMI）除了能向電力公司提供用戶的電能消費(fèi)數(shù)據(jù)外，還能獲取客戶實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)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(chǔ)性模塊[5]。論文將AMI進(jìn)行擴(kuò)展，將不同行業(yè)表計(jì)都看成AMI的管理對(duì)象，自組織的網(wǎng)絡(luò)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(mén)，各管理部門(mén)也將各自的命令數(shù)據(jù)通過(guò)電力的網(wǎng)絡(luò)計(jì)量系統(tǒng)下發(fā)到各自的計(jì)量表。從物理連接進(jìn)度看，智能電表是AMI的直接管理節(jié)點(diǎn)，其他表計(jì)通過(guò)電表的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入AMI系統(tǒng)；從邏輯連接看，不同表計(jì)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(shù)能有效增強(qiáng)量測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)的互操作性、可靠性和安全性，同時(shí)賦予海量智能設(shè)備獨(dú)立IP地址和網(wǎng)絡(luò)可管理能力，有利于實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)端到端的管理和操作。另外利用IP網(wǎng)絡(luò)天然的開(kāi)放特性，使得一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)承載多種業(yè)務(wù)，改變傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)模式。因此，將基于IPv6的擴(kuò)展型AMI作為新系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)。

2.2 臨近表計(jì)自組網(wǎng)

6LoWPAN（IPv6 over low power wireless person al area network），即基于 IPv6的低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)。IETF已經(jīng)制定了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其中關(guān)鍵是RFC：《概述、假設(shè)、問(wèn)題陳述和目標(biāo)》（RFC4919：2007-08）和《基于IEEE802.15.4的IPv6報(bào)文傳送》（RFC4944：2007-09）。6LoWPAN 的物理層和 MAC 層采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，上層采用TCP/IPv6協(xié)議棧。

在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，6LoWPAN支持多無(wú)線頻率和對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，典型值為2.4 GHz、868 M/915 M 2個(gè)頻段對(duì)應(yīng)250 kb/s、40 kb/s速率。為了不與居民家庭的WLAN無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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(guān)部門(mén)的頻段資源分配和未來(lái)制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

為了實(shí)現(xiàn)四表合一的通信，同一個(gè)家庭以及相鄰的居民的表計(jì)之間形成無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)，這樣的自組織形式可以構(gòu)成同一個(gè)家庭表計(jì)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，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(luò)的高可靠性，相互作為接入網(wǎng)絡(luò)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(duì)相鄰的居民的各種表計(jì)進(jìn)行組網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集，至多每個(gè)構(gòu)成的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中不超過(guò)幾百個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其通信壓力大大減少。不再需要傳統(tǒng)的基于輪詢機(jī)制的集中器來(lái)進(jìn)行抄表和下行通信。

3 多表合一系統(tǒng)安全架構(gòu)與傳輸協(xié)議

3.1 虛擬網(wǎng)設(shè)計(jì)

由于需要在電力公司的單一支撐網(wǎng)絡(luò)上為多個(gè)不同公用服務(wù)企業(yè)的計(jì)量裝置建立網(wǎng)絡(luò)化計(jì)量系統(tǒng)，遇到的關(guān)鍵問(wèn)題就是需要不同管理實(shí)體建立自己的虛擬網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)證中心，以實(shí)現(xiàn)安全性與各自獨(dú)立的可管理性。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，需要完成表計(jì)的身份認(rèn)證和將一個(gè)物理實(shí)體物理映射為多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)。不同公用企業(yè)的表計(jì)和管理設(shè)備通過(guò)不同的證書(shū)與后臺(tái)管理系統(tǒng)，接入相互邏輯上獨(dú)立的虛擬網(wǎng)絡(luò)中。實(shí)現(xiàn)此機(jī)制的關(guān)鍵是基于身份的訪問(wèn)控制。

在用戶通過(guò)認(rèn)證之前，只能通過(guò)沒(méi)有訪問(wèn)限制的開(kāi)放的非受控端口與服務(wù)器連接，不能訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)中的其他資源，唯一允許的就是進(jìn)行認(rèn)證。在用戶成功通過(guò)認(rèn)證后，服務(wù)器在受控端口上建立邏輯通道，用戶通過(guò)此邏輯通道就可以訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)資源。

IEEE 802.1x通過(guò)對(duì)端口進(jìn)行控制可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)內(nèi)資源有效隔離，為AMI網(wǎng)絡(luò)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(rèn)證方式，來(lái)滿足多表合一環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)化計(jì)量系統(tǒng)新的認(rèn)證需求。不僅考慮到長(zhǎng)期固定接入的智能電網(wǎng)終端（如智能電表等）的認(rèn)證需求，還考慮到暫時(shí)接入的移動(dòng)智能電網(wǎng)終端的認(rèn)證需求。

新機(jī)制通過(guò)SCEP對(duì)用戶進(jìn)行身份認(rèn)證，并且將不同公用企業(yè)的計(jì)量裝置和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分配到一組與其他企業(yè)相互獨(dú)立的虛擬網(wǎng)絡(luò)中，如圖1所示。其中的Mesh節(jié)點(diǎn)是多個(gè)表計(jì)，它們組成多表合一抄表系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。基于SCEP協(xié)議的擴(kuò)展IEEE 802.1x協(xié)議認(rèn)證方式作為本文設(shè)計(jì)的安全架構(gòu)的安全認(rèn)證方式，其中包含智能電表、其他計(jì)量表等在內(nèi)的計(jì)量終端是SCEP協(xié)議中的端實(shí)體。選用處理能力較高的路由器作為RA，來(lái)處理網(wǎng)絡(luò)計(jì)量終端提交的SCEP認(rèn)證請(qǐng)求申請(qǐng)。CA認(rèn)證服務(wù)器置于防火墻后，由防火墻過(guò)濾源IP地址、目的IP地址、數(shù)據(jù)包協(xié)議等，保證CA服務(wù)器接收到的都是網(wǎng)絡(luò)計(jì)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(wù)器被入侵的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)Fig.1 Security scheme for authentication

基于SCEP協(xié)議的擴(kuò)展IEEE 802.1x協(xié)議認(rèn)證方式主要是用SCEP協(xié)議中的證書(shū)頒發(fā)和證書(shū)登記2個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)擴(kuò)展的，提供了一種IEEE 802.1x協(xié)議中新的具體的認(rèn)證方式，此種認(rèn)證方式更適用于多種計(jì)量屬于不同管理機(jī)構(gòu)的認(rèn)證體系。根據(jù)本文設(shè)計(jì)的安全認(rèn)證方式，匯聚路由器提供IEEE 802.1x協(xié)議中AP的功能，代替計(jì)量終端發(fā)送接入網(wǎng)請(qǐng)求、SCEP證書(shū)頒發(fā)請(qǐng)求以及證書(shū)登記請(qǐng)求。另一方面，計(jì)量終端的證書(shū)查詢和證書(shū)吊銷(xiāo)則沒(méi)有擴(kuò)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(shū)查詢及吊銷(xiāo)請(qǐng)求發(fā)給前端路由器，前端路由器再轉(zhuǎn)發(fā)給CA和LDAP服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。圖2所示為證書(shū)流程。

在上述支持多公用企業(yè)虛擬私有網(wǎng)絡(luò)，以及大規(guī)模IPv6計(jì)量網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)多種計(jì)量表的數(shù)據(jù)采集、身份認(rèn)證和遠(yuǎn)程服務(wù)購(gòu)買(mǎi)與管理，進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)化計(jì)量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

圖2 證書(shū)獲取流程Fig.2 Distribution of certificate

3.2 基于IPv6的信息采集

IEC 62056《電能計(jì)量—用于抄表、費(fèi)率和負(fù)荷控制的數(shù)據(jù)交換》系列國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)從通信的角度定義了對(duì)象標(biāo)識(shí)（OBSI），建立了儀表的接口模型，統(tǒng)一了基于開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型要求的通訊協(xié)議—設(shè)備語(yǔ)言報(bào)文規(guī)范（DLMS）。因此，以IEC62056為基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行信息采集。

考慮到電表會(huì)有較大的數(shù)量，基于SNMPv6協(xié)議設(shè)計(jì)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(shí)間間隔的計(jì)量信息通過(guò)SNMP Polling報(bào)文來(lái)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T(mén)rap來(lái)發(fā)送。

通過(guò)對(duì)電表計(jì)量等數(shù)據(jù)的性質(zhì)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(jí)需求也不同。這就為合理利用網(wǎng)絡(luò)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(lái)了可能。關(guān)鍵方法就是Trap合并機(jī)制，將重要性不高的Trap不是生成時(shí)就馬上發(fā)送和處理，而且延遲一段預(yù)先設(shè)定的方式，每個(gè)PDU只包括一個(gè)Trap消息，和此時(shí)段內(nèi)再次產(chǎn)生的Trap合并起來(lái)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(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的影響。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

論文提出的新四表合一架構(gòu)的關(guān)鍵在于基于6LoWPAN的組網(wǎng)和基于SCPE的輕量級(jí)證書(shū)進(jìn)行身份認(rèn)證。為了驗(yàn)證新架構(gòu)的可行性與關(guān)鍵功能，我們搭建了驗(yàn)證環(huán)境，采用圖3所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行原型系統(tǒng)驗(yàn)證。

圖3 網(wǎng)絡(luò)基本拓?fù)銯ig.3 Topology of authentication net

關(guān)鍵配置參數(shù)為

圖4所示為設(shè)備成功分配到證書(shū)的截圖以證。

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)備的證書(shū)發(fā)放與身份驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了在同一個(gè)底層網(wǎng)絡(luò)支持下，不同表計(jì)各自虛擬構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了臨近表計(jì)的無(wú)線自組網(wǎng)與拓?fù)涔芾恚€實(shí)現(xiàn)了無(wú)線自組網(wǎng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集，對(duì)論文提出的新架構(gòu)下的集抄系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)了驗(yàn)證。

圖4 認(rèn)證效果Fig.4 Snapshot of experiment

5 結(jié)語(yǔ)

論文提出了將電表的通信網(wǎng)絡(luò)作為各種計(jì)量裝置的公用通信網(wǎng)絡(luò)，采用計(jì)量裝置形成無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)，電力公司的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成虛擬專用網(wǎng)，并且基于SCEP協(xié)議和裝置的證書(shū)來(lái)接入計(jì)量網(wǎng)絡(luò)的方式。設(shè)計(jì)了基于IPv6的數(shù)據(jù)采集協(xié)議與Mesh網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多計(jì)量裝置的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，完成多表數(shù)據(jù)采集。

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