Wi-SUN通信技术在先进计量架构（AMI）中的应用和实践

孙文康

（威胜信息技术股份有限公司，湖南 长沙 410013）

0 引 言

伴随类“碳达峰”与“碳中和”目标的减排目标在全球范围内为越来越多的政府和组织所接纳，可再生能源的利用作为有效的“减排”手段在全球范围内得到了广泛应用。与此同时，可再生能源发电的不连续性这一问题也对接纳其能源的电网调度带来了冲击，如何加强“需量管理”（Demand Management）以维持电力系统稳定运行成为了电力相关部门面临的一大挑战。先进计量架构（Advanced Metering Infrastructure）作为“需量管理”的基础数据采集环节，越来越被各电力公司和公用事业管理部门所重视，众多AMI系统被部署在美洲、欧洲、亚洲等地的不同应用场景中。

在这些场景中，先进计量架构（AMI）部署的目标是通过智能电表（Smart Meters）的安装使需量响应、负荷管理和实时计价成为可能。先进计量架构通常认为由智能电表、通信网络、数据管理系统组成[1]。其中，通信网络的主要功能是提供电表和数据管理系统之间的双向数据传输道路，让电力公司或公用事业管理部门能够监控实时电力消耗并据此判断用电趋势，从而调整电力供应。同时，也让用户可以获取价格和控制信息。出于成本和性能的考虑，通信网络通常又分为两部分，其一是本地数据通信网络，其二是主干通信网络。典型AMI通信网络如图1所示。

图1 典型AMI通信网络

本地数据通信网络的功能是建立智能电表和数据网关或通信网关之间的通信信道，在该信道，数据传输量较小，在通常的应用场景中，每个智能电表每15分钟的有效数据约128字节（Byte），其对于通信带宽和通信时延不敏感，但由于该通信模组数量是系统中最多的，所以对于价格高度敏感；主干通信网络建立了数据网关或通信网关和数据管理系统之间的通信信道，在该信道，数据量是本地数据通信网络中数据的总和，其对于通信带宽和通信时延更敏感[2]。

本文在介绍Wi-SUN无线通信技术这种当前在海外电力市场中广泛使用的本地数据通信网络技术的特点和应用场景的基础上，通过一个实际项目来说明部署过程中的应用场景、实施步骤和后续消缺过程的处理方法。

1 Wi-SUN通信技术的优势

作为与电力线载波技术并驾齐驱的通信方式，无线通信技术在AMI的本地数据通信网络部分有着广泛的应用。其与电力线载波技术相比，在应对地理位置分散分布的智能电表应用场景时具有先天优势：其一，无线技术不受电网噪音条件的影响，此点对于老旧电网尤显突出；其二，由于电力线载波受技术原理的限制，难以穿透配电变压器，所以本地通信网络被限制在了一个“台区”变压器的配电范围内。而无线技术无此限制，此优点对于杆上单相小容量变压器的使用场景尤其突出，可以有效降低数据网关的数量，从而控制项目成本。针对无线技术中的主流无线通信免授权频段有几种技术方案，如图2所示。

图2 免授权频段无线技术

从图2中可知，Wi-SUN技术在保有较远通信距离的前提下，仍然能够保有较高的带宽[3]。这两点令其成为当前应用于AMI本地数据通信网络的主流方向，特别是在居民用电用户分布分散，以小功率变压器做为配网变压器的南美，中北美及加勒比地区有着广泛的应用。

2 Wi-SUN通信技术简介

Wi-SUN做为一种无线通信技术，遵循IEEE 802.15.4g和IPv6开放规范。出于行业生态的考量，2012年成立了Wi-SUN联盟（Wi-SUN Alliance），到2022年，联盟已经联接了全球超过300个会员，这些会员涵盖了公用事业管理局、通信芯片制造商、软件开发商、系统集成商、智能计量和物联网供应商等AMI产业的上下游企业。通过联盟认证，让多个供应商的设备能够实现互联互通，有效降低设备集成的技术难度和成本。

在技术规范上，每个Wi-SUN节点都可以作为协调器，使得每个节点都可以成为中间路由，使整个Wi-SUN网络能够成为一个具备多级路由和自恢复功能的通信网络，任何一个路由节点的故障，都不会导致通信网络结构的崩塌，而其多级级联的模式，也足以让其保有超过5 km的实用有效通信距离。其架构存在几种变体，如图3所示。

图3 Wi-SUN 协议总体架构

EchoNet模式下，单点只支持星型网络结构，即使通过部分节点的中继功能，也只能形成树状结构，这种特性让这种模式主要用于设备比较集中的场合。

JUTA模式下，节点多数时间处于睡眠状态，通过定期唤醒模式来达到省电效果，该模式通信实时性较差，多用于燃气表和水表等使用电池供电的场合。

FAN模 式 下，Wi-SUN FAN采 用RPL（IPv6 Routing Protocol for Low Power and Low Network）协议，通过RPL协议很快找到最佳通信路径，快速形成树型自组网网络架构。同时，由于FAN采用了RADIUS/AAA认证机制，认证方式采用EAP-TLE，增强了系统安全性[4]。所以该模式在网状网络组网能力和数据安全性两方面都有较大优势，不足之处在于其功耗相对较大[5]，但考虑到针对电力系统AMI应用场景为电能量数据采集，本身就具备长期供电条件，所以该劣势无需特别关注。当前在北美和南美主流AMI系统中，均采用Wi-SUN FAN模式进行本地数据通信网络通信。本文所描述的具体项目也基于FAN模式进行。

3 Wi-SUN通信技术在AMI中的应用实例

本文描述的项目位于巴西南部，是其州电力公司首个AMI项目，项目涵盖约4万个电力计量用户，为先导验证项目。

巴西政府从2019年开始在国内大规模部署智能电网项目，以解决其国内能源调度和需量均衡的问题，项目所在城市总常住人口约6万人，面积约30万平方千米，人口密度较低。居民住房以独立住宅为主，除市中心以外较少高层建筑，符合前文描述的Wi-SUN部署特性[6]。项目总体通信方案技术架构如图4所示。

图4 总体通信方案架构

如图4所示，智能电表通过Wi-SUN技术组成的本地数据通信网络以网状网连接到数据网关，数据网关连接数据管理系统的主干通信网络采用4G/5G公网通信，以VPN模式接入电力公司网络。以下主要讨论Wi-SUN本地数据通信网络部分的实施步骤和注意事项。整个实施过程分为无线规划、现场部署、调整消缺三个阶段。

3.1 无线规划

在该阶段要解决“安装在什么位置”的问题，即根据当地的地形地貌和建筑物特征进行无线规划，确定通信设备的分布。在这个过程中，主要从以下3个方面进行布局考量：

（1）智能电表与数据网关之间的Wi-SUN通信条件；

（2）互为Mesh节点的智能电表之间的Wi-SUN通信条件；

（3）数据网关的部署位置，总体原则是尽可能减少传输衰减。

由于传输衰减主要是由基础衰减、地貌衰减、透射衰减和绕射衰减组成，无线规划的主要目的是减少地貌衰减和透射衰减对总体性能的影响，在保证通信稳定可靠的前提下，尽量降低成本投入[7]。

在实际场景中，由于用电用户的房屋或场所所在位置和智能电表的位置固定，即Wi-SUN终端节点的位置固定，能够进行位置规划的将是数据网关和作为传输中继节点加入的“转发器”；此处引入“转发器”的概念，“转发器”是一个拥有和智能电表完全一致的Wi-SUN功能的设备，该设备不带计量功能，其主要作用是作为中继节点，将不能处于网状网络的部分“孤岛”节点引入总体网络。由于该设备是新装设备，不受居民用户电表安装位置的限制，可以灵活确定安装位置，从而达到建立稳定本地数据通信网络的目的[8]。

首先根据项目部署位置的地貌进行数据分析，结合Wi-SUN通信模块的性能特性，将整体数据节点分为若干区域，每个区域中确立一个在通信开销上处于均衡位置的可行地理位置作为数据网关的安装位置。为确保无线通信的菲涅尔区不接触地面，避免信号大幅衰减，应尽可能将数据网关安装到远离地面的位置。类似也可以确认“转发器”的位置[9]。

地貌数据影响量从高到底可以分为数字高度模型（DHM），包含有建筑和主要植被高程数据；土地利用分布图（DLU），包括土地的使用用途；数字地形模型（DTM），包含地形高度数据。在进行Wi-SUN通信架构的无线规划时也需要充分考虑Mesh网络的中继级数，数量大的中继级数意味着更高的时延和更多的通信开销，反之则需要增加数据网关的数量，数据网关数量的增大意味着价格昂贵的主干通信网络将增加，如何在数据网关的数量和Mesh通信级数之间寻找平衡是在规划通信网络时需要考量的问题。图5、图6和图7分别体现了实施地点的计量点位置、当地地形、规划后的Wi-SUN通信覆盖图。

图5 计量点位置

图6 当地数字地形模型

图7 Wi-SUN通信覆盖情况

3.2 现场部署

当无线规划完毕之后，即可依照规划中确定的安装地点进行设备现场安装部署。在部署过程中，应该按照分区部署的原则进行设备安装和调试。对所有电力计量点按照无线规划过程中所确立的数据网关下辖的区域范围，将全部计量节点划分为若干个分区，每个分区中的通信设备包括一个网关和该网关下辖的计量节点，如需要，还应包含相应的“转发器”。分区逐个安装，避免节点跨区前往其他主节点进行无效注册，以提升首次组网效率并降低后续排查难度，及时发现无线规划中不合理的部分。在每一个分区中，安装部署过程也应该先从节点（智能电表、转发器）后主节点（区域数据网关），便于从节点在计算路由时能够充分考量全部的可行路径，从中择优选取[10]。

当安装完一个区域后，应该从数据管理系统中进行数据通信测试，遍历该分区中的所有节点，一旦发现不能完成通信连接的节点将立即调整消缺。

3.3 调整消缺

部署完成后，即可分区域进行调整消缺，在实际工作中主要有以下几种典型情况和处理方法。最常见的本地通信网络不良情况表现为：终端节点无法接入网络，该情况有几种可能，其一是该节点处在网状网络能够抵达的范围之外。此时首先应查看其周边是否有属于另一个网状网络片区的可用节点，如果有，则可以通过手工调整的方式将该节点的归属关系调整至另一个片区，如果周边无可用节点，则可以考量在其与本区域可用网状网络之间设立转发器，以达到令终端节点入网的目的，如图8所示。在无线规划阶段，因为地貌数据中部分数据的准确性不足或者存在错误，导致最初的无线规划存在差错，最终在实际实施中出现部分节点无法出现在网络覆盖范围内的现象。另外一种情况是，部分节点或区域节点通信不稳定，通常是由于周边存在干扰，因Wi-SUN使用的是非授权频率（915 MHz频点附近），所以在同一个区域内可能有其他使用该频点的设备并存，此时可以调整该区域Wi-SUN使用的频点，以避开干扰或者改变通信在时间上的间隔并增加重传机制，以最大限度减少干扰。

图8 转发器的作用示例

4 结 语

作为智能电网的基础感知部分和控制部分，处于能源用户和数据管理系统之间的通信部分，其稳定性和效率对于电网的数据获取和分户控制有着性能上的决定性作用。而这其中又因本地通信网络在设备数量上最多，制约条件复杂，因此在技术上最具挑战性。

本文选取了当前应对低密度分布用户较有优势的Wi-SUN通信技术，结合实际项目实例对该部分进行了说明，其中既简要说明了Wi-SUN在技术方面的适用性，也说明了如何分区域进行项目部署，并就可能出现的问题给出了解决方法和思路。本方法已经在真实项目中进行了实践，取得了良好的效果。

伴随物联网场景在工业和民用应用中的普及，Wi-SUN作为一种可在类似场景中广泛应用的通信技术，其应用价值将进一步凸显，希望本文可以给该技术的应用带来一些参考。