基于輕量級IPv6的配電網智能通信單元設計

吳仲超，李建澤，朱明星

(國網蚌埠供電公司，安徽 蚌埠 233000)

配電網作為電力系統的終端環節，具有面積大、設備多、種類多，以及故障風險較高且發生頻率高、故障原因多種多樣的特點。物聯網技術的發展為配電網的建設提供了巨大支撐，通過設備間的互聯互通做到全網數據融合；而輕量級IPv6協議的引入也為配電網的靈活與安全提供了保障。因此，配電網的智能通信既可以確保供電網絡的平穩運行，又為設備數據、運行數據收集奠定了基礎，為后續的統計分析以及網絡規劃提供了數據參考。

1 配電物聯網通信需求分析

1.1 配電網通信現狀

配電網作為電力資源直接面向使用對象的價值體現渠道，建設成本大約占整個電網體系的六成，且80%左右的用電故障是由配電網引起，其中高壓線路之間的通信已經比較成熟，但低壓臺區由于安裝位置原因導致現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，查找故障原因，提升供電穩定性，急需可以覆蓋全域的網絡通信方案，以此確保數據采集全面，分析結果準確。

IPv6對配電網的提升影響

為實現配電網與用電客戶間的雙向互動，需要對各類配電設備、傳感器、視頻設備、電表等的數據采集需要更為細化，如此一來，通信網絡對IP地址數量的需求急劇增長，IPv4已無法滿足數據傳輸及安全管控的需要。IPv6作為新一代互聯網的通信協議，IP地址長度為128位，在靈活性、移動性以及地址數量等方面相較于IPv4來說都有極大改進，不但可以解決IP自動配置問題，安全性也更高。

通信網絡QoS指標

QoS(Quality of Service)服務質量指標是國際通用的衡量配電網通信質量的依據，主要包括時延、帶寬、丟包率、利用率等。時延指的是用電業務數據從發送到接收需要的時間，一般包括發送、傳播、處理、排隊幾個部分；帶寬是表征網絡數據傳輸能力的指標，為單位時間內某條鏈路可以承載的最大數據量；丟包率代表單位時間內丟失數據的占比，是衡量數據傳輸完整性的指標；利用率用以描述鏈路負載情況，對時延有一定影響。針對配電網的特性，根據《電力系統通信設計技術規定》，提取本研究設計的基于輕量級IPv6的配電物聯網智能通信網絡各類業務的QoS指標，具體如表1所示。

表1 配電物聯網業務QoS指標Tab.1 QoS indicator of distribution Internet of things

2 核心技術

2.1 輕量級IPv6協議

對于物聯網感知層中數量龐大的節點，IPv4地址難以滿足要求，分配IPv6地址已經勢在必行。網絡節點間的無線傳輸采用的是IEEE 802.15.4協議，對設備的消耗較小，適合低功耗的傳感器，在物聯網中應用IPv6則需要利用6LoWPAN將IPv6協議適配至802.15.4的mac層以及phy層協議棧。而物聯網節點存儲空間不大，處理能力也較弱，因此需對IPv6協議進行修改及簡化，稱為輕量級IPv6協議。通過對IPv6報頭實行壓縮處理，以此減輕負荷。

2.2 排隊論理論

排隊論理論是通過數學模型對排隊等待現象提取出的物理模型進行描述與分析。通常情況下由服務對象到達、排隊規則以及服務機構組成，服務對象到達可以單一到達也可以分批到達，需關注進入排隊系統的規律即到達分布，包括到達過程和時間兩個變量；排隊規則主要是對服務對象作出排隊限制，通常包括等候制、損失只以及混合制。服務機構通常包括服務者數量、結構形式以及服務過程。排隊系統類型比較通用的是Kendall模型，比如M/M/c/k系統則代表服務對象無窮，包含個服務者，最大容量上限為。

3 平均到達速度及網絡帶寬預測建模

3.1 業務數據平均到達速率算法

配電網采集業務數據的評價達到速率可表示:

=++++

其中，代表低壓集抄數據速率，計算公式為

=××

3.2 通信網絡帶寬預測模型

根據上一節的M/M/1/k模型，將帶寬利用率最大作為目標函數，將時延()、丟包率()作為約束條件，以此尋求最佳預測帶寬，設和為丟包率和時延最小值，則參數計算方法如下：

(3)帶寬利用率：=，根據上述計算公式，建立帶寬預測模型：

4 配電物聯網智能通信單元組網設計

4.1 采集業務排隊論模型

因為配電網主要業務體現在各類設備監測以及信息采集，所以著重分析采集類業務的帶寬占用。配電網的用電信息經過物聯網關傳輸的處理過程與排隊論的過程相似，因此參照傳統排隊論模型，構建配電網采集業務排隊論模型，具體如圖1所示。

圖1 配電網采集業務排隊論模型Fig.1 Queuing theory model of collection service in distribution network

由圖1可知，代表平均到達速率；代表網關轉發速率，B/s；代表考慮丟包率后的實際達到速率；為網關最大緩存量。處理原則取“緩存滿則丟棄”；轉發原則取“先到先服務”；整體配電物聯網采集業務模型負荷M/M/1/k模型，其中預測通信帶寬不能小于網關轉發速率，即應滿足≥。

4.2 基于輕量級IPv6的通信單元組網

隨著物聯網技術以及云計算的引入，配電網結構日趨智能化，參考泛在電力物聯網的層次結構，結合配電網的實際需求，設計了包含“云-管-邊-端”4個層級的通信單元架構，具體如圖2所示。充分考慮配電網設備多、范圍廣的特點，實現快速部署以及業務集成，既滿足配電網的運行需要，又滿足用電客戶的使用要求。

圖2 基于輕量級IPv6 配單物聯網通信模型Fig.2 Communication model based on lightweight IPV6 with a single Internet of things

由圖2可知，“云”層主要是配電物聯網通信網絡的終端主站，基于云計算進行信息融合，靈活調度“邊”層的資源，主要包括IaaS、PaaS、SaaS。IaaS主要利用容器技術實現資源分配；PaaS主要實現數據的格式轉換以及存儲；SaaS主要實現各類供調用的服務；“管”層屬于數據傳輸途徑，連接“云”與“邊”，包括本地通信、遠程通信；“邊”層主要實現邊緣計算，便于協議轉換，不依賴其他要素，是網絡功能的外延。“端”層則主要是信息的載體以及主控單元，通過傳感器、芯片等實現配電網的智能化，擴展數據采集范圍，確保配電網穩定運行。

5 配電物聯網智能通信網絡性能分析

5.1 參數配置

為驗證本研究設計的智能通信網絡性能，選擇國內某市包含上文模型中涉及的低壓集抄、環境監測、設備監測、配變監測以及視頻監測業務的實際配電網項目進行實例分析。該配電網包括5型配電房按照配置高低記作B1～B5，傳感終端及配電設備詳細配置如表2所示。

表2 配電網設備配置清單Tab.2 Distribution network equipment configuration list

5.2 性能分析

將用戶用電的業務流量按80 kb/s計算，環境及設備監測的傳感器流量按1 kb/s計算，配變流量按13 B/s，視頻流量取2 000 kb/s。設最大丟包率=0.1%，最大實驗=1 s，將參數帶入速率計算模型以及帶寬預測模型，計算的各型配電網預測帶寬以及時延、丟包率如表3所示。

表3 各型配電房網絡性能指標結果Tab.3 Results of network performance index for each type of distribution room

本研究設計的采用輕量級IPv6的配電物聯網智能通信網絡性能優異，滿足QoS服務質量指標要求，而且還可得出以下結論：

(1)丟包率取采集業務約束最大值10時，網絡帶寬利用率最大；

(2)排隊時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，數據采集量越大，則時延越大，預測帶寬越大；

(4)配電房帶寬存在臨界值，配置值低于臨界值則無法滿足QoS指標。

6 結語

為設計性能良好的配電物聯網通信網絡，從配電網的通信現狀著手，制定服務質量指標，并基于排隊論理論進行配電網采集業務建模，通過計算業務數據的平均到達速度實現網絡帶寬預測，根據實際案例數據分析證明帶寬利用率均達到80%以上，通信網絡滿足預設要求。但模型構建時還應考慮不同介質中傳輸速率的補償，后續也將進一步研究配電網的其他控制類業務，使模型更完善，更全面。