Wireless HART网络技术在智能用电中的应用

麦 青 洪 刚 张 盛

（1.北海供电局，广西 北海536000；2.清华大学深圳研究生院智能传感网络工程中心，广东 深圳518055）

0 引言

智能用电是智能电网中电力管理者和用户联系最为紧密的部分，是实现实时监控、提高用电效率的重要手段［1］。这一理念的提出符合当前国家的能源政策，能够提高电能利用率，具有节能减排的重大意义。智能用电系统主要由户内网、本地通信网和远程通信网构成，如图1所示。本地通信网负责数据的采集和融合，是智能用电系统中最为关键的一部分。本文将介绍一种利用Wireless HART网络协议设计智能用电本地通信网的方案。

图1 智能用电系统网络构架

Wireless HART物理层采用ISM 2.4 GHz频段，数据传输速率为250 kb／s；数据链路层采用TDMA和FHSS技术，能够避免数据冲突，提高网络可靠性。此外，在链路层通过时隙和信道的合理分配能够避免数据冲突，提高网络吞吐率，发挥集中式管理绿色智能的技术优点；网络层采用图路由（Graph Route）技术，增强了数据传输的可靠性；传输层建立端到端的传输通道，保证数据的正确传输［2］。

在本地通信网中，Wireless HART现场设备充当采集器，通过RS485接口和若干个电表相连，采集用电数据，不同采集器组成网状网络。Wireless HART网络管理器充当集中器，负责数据融合，组建、配置和维护整个网络，起到控制中心的作用。

本文主要提供本地通信网的组建方案，实现采集器到集中器之间的下行通信，要求数据可靠、安全传输，同时尽可能实时有效地传输。

1 智能配电系统中的WirelessHART网络构架

根据智能用电网络构成，设计如图2所示的无线抄表系统。本地通信网采用Wireless HART技术，采集器之间以网状拓扑结构连接，对于脱离网络的节点可以通过增加路由节点来连接。采集器采集到的用电数据发送至集中器，集中器将数据打包，周期性发送给电力门户。集中器是抄表系统的桥梁，它既要完成与前端智能电表的数据通信，又要完成与上级电力局主站之间的数据传输。集中器作为协调器负责建立和维护Wireless HART网络。一个采集器可以悬挂50台电表，一个楼宇内可以安装若干个采集器，一个小区的若干楼宇可以共用一个集中器，对于超出通信范围的楼宇可以安装路由器。采集器之间可以采用网状拓扑结构，增加冗余路径可以提高数据传输可靠性，抵抗环境干扰。集中器中内置GPRS模块，通过3G网络传输给电力门户，电力门户进行数据分析，同时给集中器下达命令，集中器可以集中式管理各个采集器。

图2 基于W irelessHART的智能抄表系统

此外，未来户内网亦可以利用本地通信网的组网方式来实现。电视、空调等家用电器将会通过Wireless HART无线技术组网，采集器之间、采集器和集中器之间也会采用 Wireless HART无线通信组网，它们将隶属于2个Wireless HART网络集群，由网络密钥加密。

2 网络性能分析

按照美国能源部报告中针对现代电网所提出的一些要求，智能电网必须具备以下基本特征：自愈、安全、交互、高效、集成等［3］。目前比较常见的智能用电无线方案是采用ZigBee技术的无线抄表系统［4］。下面，本文将详细探讨采用 Wireless HART技术组建本地通信网的关键指标，并和ZigBee组网进行相应的对比分析。

2.1 可信传输

2.1.1 安全性

Wireless HART网络设有专门的安全管理器，安全管理器与网络管理器协同工作以保证Wireless HART网络免受敌对威胁。安全管理器负责生成和管理Wireless HART网络所用到的各种密钥。此外，在网络层，Wireless HART会对有效载荷进行CCM＊加密算法，接收到信息的节点只有进行了基于CCM＊的MIC解密认证才能获取明文信息，进一步保证了网络的安全性。

Wireless HART网络还设定了设备黑名单和信道黑名单，一旦被确认恶意攻击，节点将会被加入黑名单；当某个通信链路被非法侦听，该信道也将被列入黑名单，进一步确保了数据传输的安全性。

而在ZigBee网络中，没有独立的高性能安全管理器，密钥等信息仅仅存储在簇头节点中，一旦簇头节点的信息丢失，网络密钥和明文数据将很容易被窃取。

2.1.2 可靠性

Wireless HART无线组网方式灵活多变、可提供冗余，保证在发生大扰动或故障时，电网仍能保证对用户供电，不发生大面积的停电事故。此外，Wireless HART利用多种复用技术来保证通信的高可靠性，而这些却都是ZigBee所没有的。

（1）时分复用：所有非广播报文都要求接收方在同一时隙内进行确认，当传输失败的时候，重传机制将会被启动。

（2）空间（路径）复用：Wireless HART网络的拓扑结构是网状的，并且采用图路由的分层拓扑结构，保证了每对端到端的通信至少有2条以上的可用路径。

（3）频率复用：Wireless HART标准提供了16个信道的调频技术，节点以伪随机码的形式选择当前使用的信道，避免了信道的干扰，例如蓝牙等，确保了传输的高可靠性。

2.2 高度自愈

利用Wireless HART来组建本地通信网的最大好处在于Wireless HART的网络自愈能力。当有设备节点故障时，网络管理器会立刻知道故障设备位置，并且实时地更新网络拓扑结构，保证整个网络体系依然正常运行。当有节点加入网络时，网络管理器会给节点分配地址和密钥，并广播给所有邻居节点，告知网络拓扑结构的变化。Wireless HART网络管理器由于是独立于现场设备节点的，因此具有较大的调度自由性和可扩展性，能够随时响应网络结构的变化，并作出最优的通信链路分配，确保网络正常运行。

相比而言，ZigBee网络组建的用电方案没有进行集中管理，难以实时高效地响应网络结构变化，也难以作出最优的调度方案。

2.3 实时有效

智能用电系统需要实现用户用电信息的实时发布和传输。利用Wireless HART组建的网状网络采用了TDMA和FHSS技术，在同一时隙内网络可以有16条通信链路工作在不同的频段内。此外，Wireless HART采用集中控制原则，节点之间的通信被预先设定，基本避免了数据冲突和长时间的延时等待。根据研究团队提出的染色算法以及改进型染色算法进行通信链路调度，网络的吞吐率有了很大改善，最大限度地实现了数据的实时性传输［5］。在ZigBee网络中，只有一个固定的信道，这意味着同一时刻只能有一次通信过程存在，这无疑将大大降低数据吞吐率，增大了网络延迟。

3 尚需改进的地方

当然，本文所设计的智能用电网络体系也存在许多需要提高和改进的地方，主要有：

（1）更强大的数据存储能力。实现事件信息完整记录，故障信息长期保存。这对数据的存储和管理提出了更高的要求。

（2）更全面的软件功能。进一步提高智能电表的智能化程度。

（3）更加强大的防御能力。应当进一步强化数据之间相互传输的加密过程，进一步发挥调频技术在数据收发中的重大作用。

4 结语

智能抄表是智能用电的重要组成部分。本文针对目前抄表系统存在的缺陷问题，提出了一种基于Wireless HART网络技术的自动抄表系统的设计方案，并深入分析了整个系统的结构和性能，相较于传统的ZigBee抄表系统，本设计方案有效提升了网络可信性，并且使网络数据更加实时有效。

［1］张文亮，刘壮志，王明俊，等.智能电网的研究进展及发展趋势［J］.电网技术，2009（13）

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

［3］杨德昌，李勇，刘泽洪，等.中国式智能电网的构成和发展规划研究［J］.电网技术，2009（20）

［4］龙玉湘，章兢，戴瑜兴.基于ZigBee的无线抄表系统的集中器设计［J］.低压电器，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）