吳仲超，李建澤，朱明星

(國網(wǎng)蚌埠供電公司，安徽 蚌埠 233000)

配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的終端環(huán)節(jié)，具有面積大、設(shè)備多、種類多，以及故障風(fēng)險較高且發(fā)生頻率高、故障原因多種多樣的特點。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為配電網(wǎng)的建設(shè)提供了巨大支撐，通過設(shè)備間的互聯(lián)互通做到全網(wǎng)數(shù)據(jù)融合；而輕量級IPv6協(xié)議的引入也為配電網(wǎng)的靈活與安全提供了保障。因此，配電網(wǎng)的智能通信既可以確保供電網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)運行，又為設(shè)備數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)收集奠定了基礎(chǔ)，為后續(xù)的統(tǒng)計分析以及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供了數(shù)據(jù)參考。

1 配電物聯(lián)網(wǎng)通信需求分析

1.1 配電網(wǎng)通信現(xiàn)狀

配電網(wǎng)作為電力資源直接面向使用對象的價值體現(xiàn)渠道，建設(shè)成本大約占整個電網(wǎng)體系的六成，且80%左右的用電故障是由配電網(wǎng)引起，其中高壓線路之間的通信已經(jīng)比較成熟，但低壓臺區(qū)由于安裝位置原因?qū)е卢F(xiàn)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(wěn)定性，急需可以覆蓋全域的網(wǎng)絡(luò)通信方案，以此確保數(shù)據(jù)采集全面，分析結(jié)果準(zhǔn)確。

IPv6對配電網(wǎng)的提升影響

為實現(xiàn)配電網(wǎng)與用電客戶間的雙向互動，需要對各類配電設(shè)備、傳感器、視頻設(shè)備、電表等的數(shù)據(jù)采集需要更為細化，如此一來，通信網(wǎng)絡(luò)對IP地址數(shù)量的需求急劇增長，IPv4已無法滿足數(shù)據(jù)傳輸及安全管控的需要。IPv6作為新一代互聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議，IP地址長度為128位，在靈活性、移動性以及地址數(shù)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(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)

QoS(Quality of Service)服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)是國際通用的衡量配電網(wǎng)通信質(zhì)量的依據(jù)，主要包括時延、帶寬、丟包率、利用率等。時延指的是用電業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)從發(fā)送到接收需要的時間，一般包括發(fā)送、傳播、處理、排隊幾個部分；帶寬是表征網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸能力的指標(biāo)，為單位時間內(nèi)某條鏈路可以承載的最大數(shù)據(jù)量；丟包率代表單位時間內(nèi)丟失數(shù)據(jù)的占比，是衡量數(shù)據(jù)傳輸完整性的指標(biāo)；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(wǎng)的特性，根據(jù)《電力系統(tǒng)通信設(shè)計技術(shù)規(guī)定》，提取本研究設(shè)計的基于輕量級IPv6的配電物聯(lián)網(wǎng)智能通信網(wǎng)絡(luò)各類業(yè)務(wù)的QoS指標(biāo)，具體如表1所示。

表1 配電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)QoS指標(biāo)Tab.1 QoS indicator of distribution Internet of things

2 核心技術(shù)

2.1 輕量級IPv6協(xié)議

對于物聯(lián)網(wǎng)感知層中數(shù)量龐大的節(jié)點，IPv4地址難以滿足要求，分配IPv6地址已經(jīng)勢在必行。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的無線傳輸采用的是IEEE 802.15.4協(xié)議，對設(shè)備的消耗較小，適合低功耗的傳感器，在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用IPv6則需要利用6LoWPAN將IPv6協(xié)議適配至802.15.4的mac層以及phy層協(xié)議棧。而物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點存儲空間不大，處理能力也較弱，因此需對IPv6協(xié)議進行修改及簡化，稱為輕量級IPv6協(xié)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(shù)學(xué)模型對排隊等待現(xiàn)象提取出的物理模型進行描述與分析。通常情況下由服務(wù)對象到達、排隊規(guī)則以及服務(wù)機構(gòu)組成，服務(wù)對象到達可以單一到達也可以分批到達，需關(guān)注進入排隊系統(tǒng)的規(guī)律即到達分布，包括到達過程和時間兩個變量；排隊規(guī)則主要是對服務(wù)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(wù)機構(gòu)通常包括服務(wù)者數(shù)量、結(jié)構(gòu)形式以及服務(wù)過程。排隊系統(tǒng)類型比較通用的是Kendall模型，比如M/M/c/k系統(tǒng)則代表服務(wù)對象無窮，包含個服務(wù)者，最大容量上限為。

3 平均到達速度及網(wǎng)絡(luò)帶寬預(yù)測建模

3.1 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)平均到達速率算法

配電網(wǎng)采集業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的評價達到速率可表示:

=++++

其中，代表低壓集抄數(shù)據(jù)速率，計算公式為

=××

3.2 通信網(wǎng)絡(luò)帶寬預(yù)測模型

根據(jù)上一節(jié)的M/M/1/k模型，將帶寬利用率最大作為目標(biāo)函數(shù)，將時延()、丟包率()作為約束條件，以此尋求最佳預(yù)測帶寬，設(shè)和為丟包率和時延最小值，則參數(shù)計算方法如下：

(3)帶寬利用率：=，根據(jù)上述計算公式，建立帶寬預(yù)測模型：

4 配電物聯(lián)網(wǎng)智能通信單元組網(wǎng)設(shè)計

4.1 采集業(yè)務(wù)排隊論模型

因為配電網(wǎng)主要業(yè)務(wù)體現(xiàn)在各類設(shè)備監(jiān)測以及信息采集，所以著重分析采集類業(yè)務(wù)的帶寬占用。配電網(wǎng)的用電信息經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)奶幚磉^程與排隊論的過程相似，因此參照傳統(tǒng)排隊論模型，構(gòu)建配電網(wǎng)采集業(yè)務(wù)排隊論模型，具體如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)采集業(yè)務(wù)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(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)速率，B/s；代表考慮丟包率后的實際達到速率；為網(wǎng)關(guān)最大緩存量。處理原則取“緩存滿則丟棄”；轉(zhuǎn)發(fā)原則取“先到先服務(wù)”；整體配電物聯(lián)網(wǎng)采集業(yè)務(wù)模型負荷M/M/1/k模型，其中預(yù)測通信帶寬不能小于網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)速率，即應(yīng)滿足≥。

4.2 基于輕量級IPv6的通信單元組網(wǎng)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及云計算的引入，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨智能化，參考泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)，結(jié)合配電網(wǎng)的實際需求，設(shè)計了包含“云-管-邊-端”4個層級的通信單元架構(gòu)，具體如圖2所示。充分考慮配電網(wǎng)設(shè)備多、范圍廣的特點，實現(xiàn)快速部署以及業(yè)務(wù)集成，既滿足配電網(wǎng)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(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的終端主站，基于云計算進行信息融合，靈活調(diào)度“邊”層的資源，主要包括IaaS、PaaS、SaaS。IaaS主要利用容器技術(shù)實現(xiàn)資源分配；PaaS主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換以及存儲；SaaS主要實現(xiàn)各類供調(diào)用的服務(wù)；“管”層屬于數(shù)據(jù)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(xiàn)邊緣計算，便于協(xié)議轉(zhuǎn)換，不依賴其他要素，是網(wǎng)絡(luò)功能的外延?！岸恕睂觿t主要是信息的載體以及主控單元，通過傳感器、芯片等實現(xiàn)配電網(wǎng)的智能化，擴展數(shù)據(jù)采集范圍，確保配電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

5 配電物聯(lián)網(wǎng)智能通信網(wǎng)絡(luò)性能分析

5.1 參數(shù)配置

為驗證本研究設(shè)計的智能通信網(wǎng)絡(luò)性能，選擇國內(nèi)某市包含上文模型中涉及的低壓集抄、環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備監(jiān)測、配變監(jiān)測以及視頻監(jiān)測業(yè)務(wù)的實際配電網(wǎng)項目進行實例分析。該配電網(wǎng)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(shè)備詳細配置如表2所示。

表2 配電網(wǎng)設(shè)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(yè)務(wù)流量按80 kb/s計算，環(huán)境及設(shè)備監(jiān)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(shè)最大丟包率=0.1%，最大實驗=1 s，將參數(shù)帶入速率計算模型以及帶寬預(yù)測模型，計算的各型配電網(wǎng)預(yù)測帶寬以及時延、丟包率如表3所示。

表3 各型配電房網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)結(jié)果Tab.3 Results of network performance index for each type of distribution room

本研究設(shè)計的采用輕量級IPv6的配電物聯(lián)網(wǎng)智能通信網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)異，滿足QoS服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)要求，而且還可得出以下結(jié)論：

(1)丟包率取采集業(yè)務(wù)約束最大值10時，網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)采集量越大，則時延越大，預(yù)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(biāo)。

6 結(jié)語

為設(shè)計性能良好的配電物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從配電網(wǎng)的通信現(xiàn)狀著手，制定服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)，并基于排隊論理論進行配電網(wǎng)采集業(yè)務(wù)建模，通過計算業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的平均到達速度實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬預(yù)測，根據(jù)實際案例數(shù)據(jù)分析證明帶寬利用率均達到80%以上，通信網(wǎng)絡(luò)滿足預(yù)設(shè)要求。但模型構(gòu)建時還應(yīng)考慮不同介質(zhì)中傳輸速率的補償，后續(xù)也將進一步研究配電網(wǎng)的其他控制類業(yè)務(wù)，使模型更完善，更全面。