基于IPv6的多接入智能電網網關設計（電力）

            向敏，黃盛剛，田力，黃浩林，何金星，唐亮，朱大鵬

       (重慶郵電大學工業物聯網與網絡化控制教育部重點實驗室，重慶400065)

摘要：針對智能電網網關中本地通信接入方式單一且本地通信IPv6技術應用較少的現狀，設計了一種基于IPv6的多接入智能電網新型網關，網關基于STM32F107高速處理器和C/Os -Ⅱ嵌入式操作系統，采用自主研發的IPv6協議棧，實現了支持IPv6的多種本地通信方式(電力線載波、433 M Hz. 470 MHz、780 MHz、2.4 C Hz)接人以及以太網、CPRS遠程輸出，支持數據的保存與網關動態參數配置功能。測試結果表明，網關設汁方案可行，可實現多種本地通信方式的IPv6接入，能夠適應多種通信環境。

關鍵詞：智能電網：IPv6；多接入網關：電力線載波通信：微功率無線

中圖分類號：TM73;TP23  DOI：10.11930/j．issn．1004-9649.2016.05,123.06

0引言

    智能電網是將先進的傳感器量測、信息通信、自動控制等技術與現有電網基礎設施高度集成的新型電網，是當今世界電網發展的必然趨勢。智能電網在發、變、輸、配、用電環節需要對大量終端節點進行信息采集與控制，但各環節電力通信網的布設環境差異較大，采集網絡須采用不同介質的接入網。其中網關是連接本地終端節點和遠程控制中心的關鍵設備。智能電網中本地通信方式主要有“電力線載波通信(power linecommunication,   PLC)”和433 MHz、470 MHz、780MHz、2.4 GHz等微功率無線通信。目前國內智能電網非骨干通信網網關往往只支持單一的本地通信方式，不能滿足對存在多種通信方式電網環境中終端數據監控的需求。

    “互聯網協議版本6 (Internet Protocol Version6，IPv6)”作為下一代互聯網核心技術，是互聯網的最新標準協議。IPv6技術可以實現電網中每個終端都具有全網唯一的IPv6地址，速度快、傳輸效率高、網絡安全性好，其無狀態地址自動分配機制可以支持新添設備快速入網。因此，將IPv6與本地PLC和微功率無線通信網絡相結合，實現電力通信終端節點IP化，是智能電網電力通信網絡的發展趨勢。然而，目前國內IPv6技術在輸變電狀態監測系統、配電網系統、用電信息采集等系統中的應用相對匱乏。

    針對以上2個問題，本文提出了一種能夠應用于智能電網、支持多種接人方式和IPv6的網關設計方案。該方案能支持本地PLC及多頻段微功率無線IPv6傳感網的接入，以及GPRS、以太網接口經電力通信網絡與遠程控制中心的互通．

1  總體設計方案

    網關通過PLC，433 MHz、470 MHz、780 MHz、2.4 GHz頻段傳感網接收來自智能電網巾的電表、變壓器、智能家用電器等智能終端節點的數據．同時通過GPRS和以太網接口經電力通信網絡與遠程控制中心進行信息交互，是整個通信系統的控制樞紐?？傮w設計方案如圖1所示。

2硬件設計

    網關硬件平臺主要包括主控制器最小系統模塊、電力線載波模塊、多頻段微功率無線模塊、以太網模塊、電源模塊等組成，其硬件結構框圖如圖2所示。

2.1  主控制器最小系統模塊

    本設計的主控采用32位高速互聯網型微控制器芯片STM32F107VCT6,主頻最高可達72 MHz,自帶256 kB FLASH、64 kB SRAM、5路串口、2路SPI。其多路通信接U和自身集成以太網MAC層控制器的優點符合本設計的要求。

2.2  電力線載波模塊

    電力線載波模塊作為網關上PLC網絡的邊界路由器，負責載波終端節點的組網和數據交互。通過串口直接和主控相連。采用SSC1650作為電力線載波模塊。采用OFDM調制解凋技術．典型通信頻段為303.13～357.81  kHz。該芯片的使用減小了載波模塊的體積，并提高了通信穩定性。

2.3  多頻段微功率無線模塊

    多頻段微功率無線模塊為網關上各個頻段微功率通信網絡的邊界路由器，負責無線終端節點的組網和數據交互。經工業運用廣泛的串口擴展芯片GM8142通過SPI接口和主控通信。

2.4以太網模塊

    以太網模塊采用10 MHz/100 MHz自適應的物理層網絡控制芯片DM9161AEP,通過“簡化媒體獨立接口(reduced media independent interface，RMII)”和主控的MAC層直接相連。RMII的1個端口只要求7根數據線，所有數據端口共用1個時鐘進行所有端口的數據收發，參考時鐘為50 MHz。網口采用白帶隔離變壓器的HR911105A。

2.5電源模塊

    電源方案是設計中的一大特色，解決了PLC對電源要求極高和對電力線噪聲非常敏感的問題。電源模塊包括底板電源和PLC電源。PLC電源采用ESSPS-B02S12電源模塊。而底板電源采用開關頻率為60 kHz的LHIO_10D0512-02ER2電源模塊，將220 V交流轉換、降壓為12 V直流和SV直流。該模塊在輸出功率達到滿載的12%以E時．開關頻率可以維持在60 kHz，在12%以下時會在60 kHz附近波動。假如某時刻丁作在63 kHz,其5倍頻以后將達到315 kHz，顯然處于電力線載波典型通信頻段內，將會對載波通信產生干擾。因此采用FC-LOID2模塊對底板電源進行了EMC處理，以防底板電源噪聲對PLC產生干擾。

3軟件設計

    網關的軟件要對多個通信模塊進行調度管理．需使用操作系統進行多任務管理，本文沒計選用實時性和可靠性高、專為嵌入式應用設計的μC/OS -Ⅱ嵌入式實時操作系統。網關分別為PLC、微功率無線通信、以太網通信、GPRS通信模塊創建任務。通過協議棧實現各個通信任務中報文解析、處理及數據包的封裝等功能。其中，PLC和微功率無線通信采用輕量級IPv6協議棧．以太網通信采用經自主開發后能夠實現IPv6到IPv4協議轉換的LwIP協議棧。

3.1  網關軟件結構

    網關軟件結構如圖3所示。主要包括硬件驅動層、底層功能函數和嵌入式操作系統層、應用層3個層次。

    硬件驅動層主要包括PLC模塊、無線通信模塊、以太網控制器及串口擴展等驅動。主要完成對網卡、電力線載波、無線通信、GPRS及串口擴展芯片的配置和初始化。

    底層功能函數層主要有以太網通信、串行通信、存儲等功能函數，為應用層提供相應的接U函數。嵌入式操作系統層主要包括任務、時問和信號量等管理。

    應用層主要包括以太網與遠程控制巾心通信、GPRS與遠程控制中心通信、電力線載波與終端節點通信、微功率無線與終端節點通信等任務。各任務之間通過信號量、消息隊列和事件標志組完成通信。

3.2  PLC及微功率無線的IPv6通信

    IPv6主要是為解決網絡設備地址空間受限而制定的網絡層協議，比IPv4具有更大的地址空問、更高的數據報文處理性能和更好的路由選擇效率等優點。IPv6數據報文由一個IPv6報頭、多個擴展報頭、上層協議數據單元組成，其結構如圖4所示。

    在實際電網環境中．PLC終端節點和無線終端節點通常分別組成Mesh拓撲結構的通信網絡，如圖5所示。

    Mesh網絡是一種多跳網絡，通信子網中所有終端節點都可作為。中繼節點。為了使IPv6報文快速、可靠地傳輸，針對該拓撲，采用了“draft-load”草案設計的LOAD (6LoWPAN Ad Hoc on-demand distance, vector routing)協議。  LOAD是一種用源節點到日標節點累積的路由代價作為路徑抉擇判斷標準的按需路由協議。其位于6LoWPAN(IPv6 0ver low-power wireless personal area networks)適配層上，因此，IPv6網絡層能將6LoWPAN作為單跳子網，并使用MAC層的16位短地址或EUI- 64位長地址進行路由的創建。但是．LOAD路由協議并未確切規定計算節點之問鏈路代價的相應參數，本設計結合PLC信道和無線通信信道的特征，采用節點的路由跳數和信號強度兩者的綜合支持度決定LOAD路由的傳輸路徑，可表示為

    依據式(1)計算通信網絡中各節點之間的路徑抉擇“開銷”，并在2個節點間選擇最佳的通信路徑，從而進行一個完整獨立路由傳輸網絡的建立，

    IPv6報文中的適配層頭部有多種封裝格式。為了實現電網數據進行LOAD路由的轉發。設計網關中完整的IPv6報文數據幀格式，如圖6所示。

    MAC層采用HIEEE802.15.4標準，可以實現一跳范圍內的路由轉發。Mesh頭的Mesh分派值高4位為1011。源地址和目的地址分別為LOAD路由的源、目的地址，都是基于MAC層的16位短地址。分片頭被用作數據的分片和重組。IPv6頭含有源和目的IPv6地址，節點可根據分配到的16位短地址，結合其與IPv6接口標志的映射得到IPv6接口標志，再通過添加子網的網絡前綴得到節點的128位IPv6地址。

    將IPv6技術應用于智能電網中PLC和微功率無線傳感網通信，關鍵是要解決IPv6報文在MAC層IEEE802.15.4標準上傳輸的難題。為此需設計符合PLC和微功率無線Mesh拓撲的IPv6通信架構，其IPv6通信實現如圖7所示。

    在f7中，基于UDP的傳輸層、IPv6協議的網絡層、6LoWPAN的適配層、IEEE802.15.4MAC層以及PLC／無線的物理層共同組成了IPv6協議棧。

    PLC／無線終端節點將要傳輸的電網數據作為應用層負載，依次封裝應用層頭、UDP頭、IPv6頭、分片頭、Mesh頭、MAC頭，封好的IPv6報文經電力線或者無線信道傳輸到中繼節點。通過中繼節點的6LoWPAN適配層進行分片重組和LOAD路由進行尋址，最終轉發到網關上的PLC／無線邊界路由器。邊界路由器依次解析報文的各個首部，并將解析出的網絡層IP數據報文交給網關主控中的LwIP協議棧處理。LwIP協議棧對邊界路由器轉發的報文進行解析，使用IPv6/IPv4地址映射機制將IPv6報文中的地址轉換為IPv4地址，再封裝成IPv4報文發送給IPv4上位機。

    應用層面向實際的需求，設計時需遵照智能電網中相應標準和規定。如在用電信息采集系統進行抄表時應該采用DL/T 645-2007規約和376.2協議。

    傳輸層采用UDP協議，該協議無連接、占用資源較少，能建立和銷毀UDP連接，封裝和解析UDP報文。

    網絡層主要使用IPv6協議、ICMPv6協議、鄰居發現協議和無狀態地址自動配置機制。能夠完成IPv6協議擴展頭、地址解析、重復地址檢測、路由器發現、網絡前綴發現以及IPv6報文的封裝與解析功能。

3.3上行通信過程

    上行通信為智能電網中終端節點發送數據由網關上傳至遠程控制中心的過程。其通信流程如圖8所示。網關上邊界路由器運行輕量級IPv6協議棧創建IPv6子網，并向入網的終端節點分配IPv6地址。節點向網關發送數據，網關調用串行通信接收函數，接收邊界路由器從節點獲取到的數據報文，待數據接收完成，把數據存儲在建好的信號量中。與此同時，主控調用電力線載波／無線與終端節點通信任務，此任務始終處于循環等待狀態，直到新的信號量發生，再從信號量中取出數據并判斷其是否需要保存。若需保存．則調用存儲功能函數對數據進行存儲，再調用以太網與控制中心通信任務，通過在LwIP協議棧中建立UDP套接字經網口傳送到遠程控制中心：或者調用GPRS與控制中心通信任務，經GPRS將其傳送到遠程。若不需要保存，則直接發送至遠程。

3.4下行通信過程

    下行通信為遠程控制中心發送指令經網關下發給各終端節點的過程。其通信流程如圖9所示。若網關從GPRS通信接口收到數據，則調用GPRS與控制中心通信任務接收下行報文并完成解析；若從網口接收到數據，則調用以太網與控制中心通信任務接收下行報文并發送到LwIP協議棧進行解析。若是網關配置指令，則直接對網關進行動態參數配置：若是需要轉發給終端的指令．則判斷報文中的地址是屬于PLC子網還是微功率無線通信子網，再調用電力線載波／無線與終端節點通信任務通過電力線載波模塊或微功率無線模塊中的IPv6協議棧封裝成IPv6數據包發往終端節點。

4測試

    為了驗證所設計網關能夠支持多種本地通信的IPv6接入功能，將電力線載波IPv6和多頻段微功率無線IPv6通信網絡進行組網測試。

    僅以電力線載波IPv6通信為例，多頻段微功率無線通信不再贅述。載波終端節點成功加入網關建立的網絡，網關為中繼節點分配MAC層16位短地址，中繼節點為普通節點分配短地址。通信過程中，載波普通節點將IPv6數據發送給中繼節點．再經中繼節點轉發給網關。電力線載波IPv6通信數據如圖10所示，從通信交互的數據可知，網關短地址為0x000 0，IPv6地址為FE80::1147:00FF:FE00:0000其為中繼節點分配的短地址為0x000 1．中繼節點為載波普通節點分配的短地址為0x059 A, IPv6地址為FE80::1147:00FF:FE00:059A。

    測試結果表明該網關能夠支持PLC和多頻段微功率無線通信的IPv6接入功能。

5結語

    本文設計了一款應用于智能電網的IPv6多接入通信網關．詳細介紹了硬件和軟件設計方案，并進行了測試。結果表明，網關能夠支持PLC和微功率無線的IPv6通信，有效地解決智能電網中本地通信接入方式受限和數量巨大的終端設備IP化的問題。網關還可以根據智能電網不同的應用場景，對應用層規約進行相應的切換以完成不同的通信任務。本設計在智能電網中的通信領域具有一定的借鑒價值。