Wi-SUN通信技術在先進計量架構（AMI）中的應用和實踐

孫文康

（威勝信息技術股份有限公司，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”手段在全球范圍內得到了廣泛應用。與此同時，可再生能源發電的不連續性這一問題也對接納其能源的電網調度帶來了沖擊，如何加強“需量管理”（Demand Management）以維持電力系統穩定運行成為了電力相關部門面臨的一大挑戰。先進計量架構（Advanced Metering Infrastructure）作為“需量管理”的基礎數據采集環節，越來越被各電力公司和公用事業管理部門所重視，眾多AMI系統被部署在美洲、歐洲、亞洲等地的不同應用場景中。

在這些場景中，先進計量架構（AMI）部署的目標是通過智能電表（Smart Meters）的安裝使需量響應、負荷管理和實時計價成為可能。先進計量架構通常認為由智能電表、通信網絡、數據管理系統組成[1]。其中，通信網絡的主要功能是提供電表和數據管理系統之間的雙向數據傳輸道路，讓電力公司或公用事業管理部門能夠監控實時電力消耗并據此判斷用電趨勢，從而調整電力供應。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，通信網絡通常又分為兩部分，其一是本地數據通信網絡，其二是主干通信網絡。典型AMI通信網絡如圖1所示。

圖1 典型AMI通信網絡

本地數據通信網絡的功能是建立智能電表和數據網關或通信網關之間的通信信道，在該信道，數據傳輸量較小，在通常的應用場景中，每個智能電表每15分鐘的有效數據約128字節（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量是系統中最多的，所以對于價格高度敏感；主干通信網絡建立了數據網關或通信網關和數據管理系統之間的通信信道，在該信道，數據量是本地數據通信網絡中數據的總和，其對于通信帶寬和通信時延更敏感[2]。

本文在介紹Wi-SUN無線通信技術這種當前在海外電力市場中廣泛使用的本地數據通信網絡技術的特點和應用場景的基礎上，通過一個實際項目來說明部署過程中的應用場景、實施步驟和后續消缺過程的處理方法。

1 Wi-SUN通信技術的優勢

作為與電力線載波技術并駕齊驅的通信方式，無線通信技術在AMI的本地數據通信網絡部分有著廣泛的應用。其與電力線載波技術相比，在應對地理位置分散分布的智能電表應用場景時具有先天優勢：其一，無線技術不受電網噪音條件的影響，此點對于老舊電網尤顯突出；其二，由于電力線載波受技術原理的限制，難以穿透配電變壓器，所以本地通信網絡被限制在了一個“臺區”變壓器的配電范圍內。而無線技術無此限制，此優點對于桿上單相小容量變壓器的使用場景尤其突出，可以有效降低數據網關的數量，從而控制項目成本。針對無線技術中的主流無線通信免授權頻段有幾種技術方案，如圖2所示。

圖2 免授權頻段無線技術

從圖2中可知，Wi-SUN技術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]。這兩點令其成為當前應用于AMI本地數據通信網絡的主流方向，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變壓器的南美，中北美及加勒比地區有著廣泛的應用。

2 Wi-SUN通信技術簡介

Wi-SUN做為一種無線通信技術，遵循IEEE 802.15.4g和IPv6開放規范。出于行業生態的考量，2012年成立了Wi-SUN聯盟（Wi-SUN Alliance），到2022年，聯盟已經聯接了全球超過300個會員，這些會員涵蓋了公用事業管理局、通信芯片制造商、軟件開發商、系統集成商、智能計量和物聯網供應商等AMI產業的上下游企業。通過聯盟認證，讓多個供應商的設備能夠實現互聯互通，有效降低設備集成的技術難度和成本。

在技術規范上，每個Wi-SUN節點都可以作為協調器，使得每個節點都可以成為中間路由，使整個Wi-SUN網絡能夠成為一個具備多級路由和自恢復功能的通信網絡，任何一個路由節點的故障，都不會導致通信網絡結構的崩塌，而其多級級聯的模式，也足以讓其保有超過5 km的實用有效通信距離。其架構存在幾種變體，如圖3所示。

圖3 Wi-SUN 協議總體架構

EchoNet模式下，單點只支持星型網絡結構，即使通過部分節點的中繼功能，也只能形成樹狀結構，這種特性讓這種模式主要用于設備比較集中的場合。

JUTA模式下，節點多數時間處于睡眠狀態，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）協議，通過RPL協議很快找到最佳通信路徑，快速形成樹型自組網網絡架構。同時，由于FAN采用了RADIUS/AAA認證機制，認證方式采用EAP-TLE，增強了系統安全性[4]。所以該模式在網狀網絡組網能力和數據安全性兩方面都有較大優勢，不足之處在于其功耗相對較大[5]，但考慮到針對電力系統AMI應用場景為電能量數據采集，本身就具備長期供電條件，所以該劣勢無需特別關注。當前在北美和南美主流AMI系統中，均采用Wi-SUN FAN模式進行本地數據通信網絡通信。本文所描述的具體項目也基于FAN模式進行。

3 Wi-SUN通信技術在AMI中的應用實例

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，為先導驗證項目。

巴西政府從2019年開始在國內大規模部署智能電網項目，以解決其國內能源調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架構如圖4所示。

圖4 總體通信方案架構

如圖4所示，智能電表通過Wi-SUN技術組成的本地數據通信網絡以網狀網連接到數據網關，數據網關連接數據管理系統的主干通信網絡采用4G/5G公網通信，以VPN模式接入電力公司網絡。以下主要討論Wi-SUN本地數據通信網絡部分的實施步驟和注意事項。整個實施過程分為無線規劃、現場部署、調整消缺三個階段。

3.1 無線規劃

在該階段要解決“安裝在什么位置”的問題，即根據當地的地形地貌和建筑物特征進行無線規劃，確定通信設備的分布。在這個過程中，主要從以下3個方面進行布局考量：

（1）智能電表與數據網關之間的Wi-SUN通信條件；

（2）互為Mesh節點的智能電表之間的Wi-SUN通信條件；

（3）數據網關的部署位置，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衰減、地貌衰減、透射衰減和繞射衰減組成，無線規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終端節點的位置固定，能夠進行位置規劃的將是數據網關和作為傳輸中繼節點加入的“轉發器”；此處引入“轉發器”的概念，“轉發器”是一個擁有和智能電表完全一致的Wi-SUN功能的設備，該設備不帶計量功能，其主要作用是作為中繼節點，將不能處于網狀網絡的部分“孤島”節點引入總體網絡。由于該設備是新裝設備，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，從而達到建立穩定本地數據通信網絡的目的[8]。

首先根據項目部署位置的地貌進行數據分析，結合Wi-SUN通信模塊的性能特性，將整體數據節點分為若干區域，每個區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據網關的安裝位置。為確保無線通信的菲涅爾區不接觸地面，避免信號大幅衰減，應盡可能將數據網關安裝到遠離地面的位置。類似也可以確認“轉發器”的位置[9]。

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

圖5 計量點位置

圖6 當地數字地形模型

圖7 Wi-SUN通信覆蓋情況

3.2 現場部署

當無線規劃完畢之后，即可依照規劃中確定的安裝地點進行設備現場安裝部署。在部署過程中，應該按照分區部署的原則進行設備安裝和調試。對所有電力計量點按照無線規劃過程中所確立的數據網關下轄的區域范圍，將全部計量節點劃分為若干個分區，每個分區中的通信設備包括一個網關和該網關下轄的計量節點，如需要，還應包含相應的“轉發器”。分區逐個安裝，避免節點跨區前往其他主節點進行無效注冊，以提升首次組網效率并降低后續排查難度，及時發現無線規劃中不合理的部分。在每一個分區中，安裝部署過程也應該先從節點（智能電表、轉發器）后主節點（區域數據網關），便于從節點在計算路由時能夠充分考量全部的可行路徑，從中擇優選取[10]。

當安裝完一個區域后，應該從數據管理系統中進行數據通信測試，遍歷該分區中的所有節點，一旦發現不能完成通信連接的節點將立即調整消缺。

3.3 調整消缺

部署完成后，即可分區域進行調整消缺，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絡不良情況表現為：終端節點無法接入網絡，該情況有幾種可能，其一是該節點處在網狀網絡能夠抵達的范圍之外。此時首先應查看其周邊是否有屬于另一個網狀網絡片區的可用節點，如果有，則可以通過手工調整的方式將該節點的歸屬關系調整至另一個片區，如果周邊無可用節點，則可以考量在其與本區域可用網狀網絡之間設立轉發器，以達到令終端節點入網的目的，如圖8所示。在無線規劃階段，因為地貌數據中部分數據的準確性不足或者存在錯誤，導致最初的無線規劃存在差錯，最終在實際實施中出現部分節點無法出現在網絡覆蓋范圍內的現象。另外一種情況是，部分節點或區域節點通信不穩定，通常是由于周邊存在干擾，因Wi-SUN使用的是非授權頻率（915 MHz頻點附近），所以在同一個區域內可能有其他使用該頻點的設備并存，此時可以調整該區域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 轉發器的作用示例

4 結 語

作為智能電網的基礎感知部分和控制部分，處于能源用戶和數據管理系統之間的通信部分，其穩定性和效率對于電網的數據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絡在設備數量上最多，制約條件復雜，因此在技術上最具挑戰性。

本文選取了當前應對低密度分布用戶較有優勢的Wi-SUN通信技術，結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在技術方面的適用性，也說明了如何分區域進行項目部署，并就可能出現的問題給出了解決方法和思路。本方法已經在真實項目中進行了實踐，取得了良好的效果。

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