Wireless HART網絡技術在智能用電中的應用

麥 青 洪 剛 張 盛

（1.北海供電局，廣西 北海536000；2.清華大學深圳研究生院智能傳感網絡工程中心，廣東 深圳518055）

0 引言

智能用電是智能電網中電力管理者和用戶聯系最為緊密的部分，是實現實時監控、提高用電效率的重要手段［1］。這一理念的提出符合當前國家的能源政策，能夠提高電能利用率，具有節能減排的重大意義。智能用電系統主要由戶內網、本地通信網和遠程通信網構成，如圖1所示。本地通信網負責數據的采集和融合，是智能用電系統中最為關鍵的一部分。本文將介紹一種利用Wireless HART網絡協議設計智能用電本地通信網的方案。

圖1 智能用電系統網絡構架

Wireless HART物理層采用ISM 2.4 GHz頻段，數據傳輸速率為250 kb／s；數據鏈路層采用TDMA和FHSS技術，能夠避免數據沖突，提高網絡可靠性。此外，在鏈路層通過時隙和信道的合理分配能夠避免數據沖突，提高網絡吞吐率，發揮集中式管理綠色智能的技術優點；網絡層采用圖路由（Graph Route）技術，增強了數據傳輸的可靠性；傳輸層建立端到端的傳輸通道，保證數據的正確傳輸［2］。

在本地通信網中，Wireless HART現場設備充當采集器，通過RS485接口和若干個電表相連，采集用電數據，不同采集器組成網狀網絡。Wireless HART網絡管理器充當集中器，負責數據融合，組建、配置和維護整個網絡，起到控制中心的作用。

本文主要提供本地通信網的組建方案，實現采集器到集中器之間的下行通信，要求數據可靠、安全傳輸，同時盡可能實時有效地傳輸。

1 智能配電系統中的WirelessHART網絡構架

根據智能用電網絡構成，設計如圖2所示的無線抄表系統。本地通信網采用Wireless HART技術，采集器之間以網狀拓撲結構連接，對于脫離網絡的節點可以通過增加路由節點來連接。采集器采集到的用電數據發送至集中器，集中器將數據打包，周期性發送給電力門戶。集中器是抄表系統的橋梁，它既要完成與前端智能電表的數據通信，又要完成與上級電力局主站之間的數據傳輸。集中器作為協調器負責建立和維護Wireless HART網絡。一個采集器可以懸掛50臺電表，一個樓宇內可以安裝若干個采集器，一個小區的若干樓宇可以共用一個集中器，對于超出通信范圍的樓宇可以安裝路由器。采集器之間可以采用網狀拓撲結構，增加冗余路徑可以提高數據傳輸可靠性，抵抗環境干擾。集中器中內置GPRS模塊，通過3G網絡傳輸給電力門戶，電力門戶進行數據分析，同時給集中器下達命令，集中器可以集中式管理各個采集器。

圖2 基于W irelessHART的智能抄表系統

此外，未來戶內網亦可以利用本地通信網的組網方式來實現。電視、空調等家用電器將會通過Wireless HART無線技術組網，采集器之間、采集器和集中器之間也會采用 Wireless HART無線通信組網，它們將隸屬于2個Wireless HART網絡集群，由網絡密鑰加密。

2 網絡性能分析

按照美國能源部報告中針對現代電網所提出的一些要求，智能電網必須具備以下基本特征：自愈、安全、交互、高效、集成等［3］。目前比較常見的智能用電無線方案是采用ZigBee技術的無線抄表系統［4］。下面，本文將詳細探討采用 Wireless HART技術組建本地通信網的關鍵指標，并和ZigBee組網進行相應的對比分析。

2.1 可信傳輸

2.1.1 安全性

Wireless HART網絡設有專門的安全管理器，安全管理器與網絡管理器協同工作以保證Wireless HART網絡免受敵對威脅。安全管理器負責生成和管理Wireless HART網絡所用到的各種密鑰。此外，在網絡層，Wireless HART會對有效載荷進行CCM＊加密算法，接收到信息的節點只有進行了基于CCM＊的MIC解密認證才能獲取明文信息，進一步保證了網絡的安全性。

Wireless HART網絡還設定了設備黑名單和信道黑名單，一旦被確認惡意攻擊，節點將會被加入黑名單；當某個通信鏈路被非法偵聽，該信道也將被列入黑名單，進一步確保了數據傳輸的安全性。

而在ZigBee網絡中，沒有獨立的高性能安全管理器，密鑰等信息僅僅存儲在簇頭節點中，一旦簇頭節點的信息丟失，網絡密鑰和明文數據將很容易被竊取。

2.1.2 可靠性

Wireless HART無線組網方式靈活多變、可提供冗余，保證在發生大擾動或故障時，電網仍能保證對用戶供電，不發生大面積的停電事故。此外，Wireless HART利用多種復用技術來保證通信的高可靠性，而這些卻都是ZigBee所沒有的。

（1）時分復用：所有非廣播報文都要求接收方在同一時隙內進行確認，當傳輸失敗的時候，重傳機制將會被啟動。

（2）空間（路徑）復用：Wireless HART網絡的拓撲結構是網狀的，并且采用圖路由的分層拓撲結構，保證了每對端到端的通信至少有2條以上的可用路徑。

（3）頻率復用：Wireless HART標準提供了16個信道的調頻技術，節點以偽隨機碼的形式選擇當前使用的信道，避免了信道的干擾，例如藍牙等，確保了傳輸的高可靠性。

2.2 高度自愈

利用Wireless HART來組建本地通信網的最大好處在于Wireless HART的網絡自愈能力。當有設備節點故障時，網絡管理器會立刻知道故障設備位置，并且實時地更新網絡拓撲結構，保證整個網絡體系依然正常運行。當有節點加入網絡時，網絡管理器會給節點分配地址和密鑰，并廣播給所有鄰居節點，告知網絡拓撲結構的變化。Wireless HART網絡管理器由于是獨立于現場設備節點的，因此具有較大的調度自由性和可擴展性，能夠隨時響應網絡結構的變化，并作出最優的通信鏈路分配，確保網絡正常運行。

相比而言，ZigBee網絡組建的用電方案沒有進行集中管理，難以實時高效地響應網絡結構變化，也難以作出最優的調度方案。

2.3 實時有效

智能用電系統需要實現用戶用電信息的實時發布和傳輸。利用Wireless HART組建的網狀網絡采用了TDMA和FHSS技術，在同一時隙內網絡可以有16條通信鏈路工作在不同的頻段內。此外，Wireless HART采用集中控制原則，節點之間的通信被預先設定，基本避免了數據沖突和長時間的延時等待。根據研究團隊提出的染色算法以及改進型染色算法進行通信鏈路調度，網絡的吞吐率有了很大改善，最大限度地實現了數據的實時性傳輸［5］。在ZigBee網絡中，只有一個固定的信道，這意味著同一時刻只能有一次通信過程存在，這無疑將大大降低數據吞吐率，增大了網絡延遲。

3 尚需改進的地方

當然，本文所設計的智能用電網絡體系也存在許多需要提高和改進的地方，主要有：

（1）更強大的數據存儲能力。實現事件信息完整記錄，故障信息長期保存。這對數據的存儲和管理提出了更高的要求。

（2）更全面的軟件功能。進一步提高智能電表的智能化程度。

（3）更加強大的防御能力。應當進一步強化數據之間相互傳輸的加密過程，進一步發揮調頻技術在數據收發中的重大作用。

4 結語

智能抄表是智能用電的重要組成部分。本文針對目前抄表系統存在的缺陷問題，提出了一種基于Wireless HART網絡技術的自動抄表系統的設計方案，并深入分析了整個系統的結構和性能，相較于傳統的ZigBee抄表系統，本設計方案有效提升了網絡可信性，并且使網絡數據更加實時有效。

［1］張文亮，劉壯志，王明俊，等.智能電網的研究進展及發展趨勢［J］.電網技術，2009（13）

［2］IEC62591 Industrial communication networks—Wireless communication network and communication profiles—Wireless HARTTM［S］，2007

［3］楊德昌，李勇，劉澤洪，等.中國式智能電網的構成和發展規劃研究［J］.電網技術，2009（20）

［4］龍玉湘，章兢，戴瑜興.基于ZigBee的無線抄表系統的集中器設計［J］.低壓電器，2007（20）

［5］K.Dang，J.Shen，L.Dong，et al.A Graph Route-Based Superframe Scheduling Scheme in Wireless HART Mesh Networks for High Robustness［J］.Wireless Personal Communications，2012（6）