邹志文

摘要：下一代电力系统—智能电网集成先进的通信/网络技术以提高网络的效率、适应性和可持续性。智能电网通常是由电力系统和智能电网通信网络组成。邻域网部署在智能电网通信网络的中心，是一个关键组成部分。首先，全面分析了邻域网的重要性，讨论了在该网络环境下可以采用的通信技术，并列出了各种通信技术适用的场景。然后，分析了适用于智能电网的路由协议，简单地介绍了HWMP路由协议和RPL路由协议。

关键词：智能电网；邻域网；HWMP；RPL

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）33-0030-02

Abstract： Next generation power systems — Smart Grids should integrate advanced communications / networking technologies to improve efficiency， adaptability， and sustainability of network. Smart grids usually consist of a power system and the smart grid communications network. Neighborhood Area Network is deployed at the center of the smart grid communications network and is a key part of it. Firstly， a thorough analysis of Neighborhood Area Network was carried out， discussing the different communications technologies that could be employed. This article lists the different scenarios that various communication technologies could be applied. Then， this paper analyzes the routing protocols which is applicable to the smart grid and briefly introduces HWMP routing protocol and RPL routing protocol.

Key words： smart grids； Neighborhood Area Network； HWMP； RPL

1 引言

一般地，传统电网将电力从少数中央发电机输送至大量的用户或消费者。智能电网（Smart Grids， SG）是20世纪电网的升级，使用双向电力流和信息流传输网络。SG通常是由电力系统和智能电网通信网络（Smart Grid Communications Network，SGCN）组成的设施。SGCN主要负责监测和控制网络，使整个电网实现自动化的功能。SGCN有三个代表性的组成部分：家庭局域网（HAN），邻域网（NAN）和广域网（WAN）[1]。NAN处于 SGCN的中间位置，是SGCN的关键部分。因此NAN网络的通信质量对SGCN的通信质量有重要影响。在邻域网的通信过程中存在着两个影响因素：通信技术和路由协议。

2 邻域网的通信技术

邻域网主要负责运输大量不同类型的数据，在公用事业公司和大量设备之间分配控制信号。邻域网是由异构的、静态的、覆盖几平方公里区域的智能电表（Smart Meters，SM）和数据聚合点组成[2]。根据电网的拓扑结构和所采用的通信技术/协议，每个NAN集群中的SM的数量从几百到几千不等。

在多种可用通信技术中，适合邻域网（NAN）的通信技术公认为无线网状网络（WMN）。无线网状网络可以通过多跳的方式扩展网络覆盖范围，且具有低延迟、高吞吐量的服务质量（QoS），所以电网可以实现业务源传输数据到回程分配区。智能电网传输严格，需要考虑延迟、数据速率和数据包传输的QoS要求[3]。因此需要详细分析网络通信方式，确定在部署过程中何种通信方式更能满足这些要求。

在NAN中，可以使用许多有线、无线通信技术，例如，通过电话线或有线电视服务的宽带技术，电力线通讯技术，无线蜂窝技术和无线网状网络（Wireless Mesh Networking，WMN）技术。有线通信技术和无线通信技术的比较见表1。在邻域网中，使用的技术主要有传统的PLC技术和无线通信技术。

一般来说，有线通信更容易防止干扰和窃听的作用，有线设备通常比较便宜而且维护成本也比较低。但在无线网络中，節点安装成本比较低，在广泛的领域中可快速部署。随着宽带无线技术的发展，无线网络可以提供与有线网络相当的数据速率和网络容量。所以公用事业公司选择无线技术应用于智能电网。

多种无线技术的优缺点和主要应用的领域网络见表2。具体的无线通信方式可根据实际的情况选择使用无线技术。

3 路由协议

在智能电网通信网络中，确定了网络拓扑结构和网络通信方式后，还需要考虑路由和数据转发机制。几乎所有的智能电表都部署在恶劣的室外环境中，因此它们可能会失效，也可能会导致无线连接在一段时间内波动。这些动态问题可能会阻碍网络连接，降低数据通信的可靠性。合适的路由选择和数据转发机制可以找到高质量的网络路径。因此选择一个合适的路由协议有着重要的意义。

近年来，许多学者已经为低功耗有损网络提出了多种路由协议，例如：混合式无线网状网路由协议（Hybrid Wireless Mesh Protocol，HWMP）[4]；分布式自治深度优先路由算法（Distributed Autonomous Depth-first Routing，DADR）[5]；低功耗有损网络路由协议（Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks，RPL）[6]等。

除了这些协议，根据网络的通信需求，部分学者也提出了其他的路由协议并不断修改，以适应智能电网的双向通信特性。接下来主要分析比较HWMP协议和RPL路由协议。

3.1 HWMP路由协议

为了允许不同生产商生产的设备可以互相操作，设计人员开发了HWMP协议。HWMP协议是一种混合式无线路由协议。在IEEE 802.11s WLAN网状网络中，默认的路由协议就是HWMP协议。当设备符合IEEE 802.11s标准时，HWMP协议通过空中链路度量（Air Link Metric，ALM）进行路径选择，从而在动态网络环境中实现高效路由。

HWMP协议结合了反应式路由协议和先验式路由协议的优点，与两种单一的路由协议相比，提高了一定的网络实时性。虽然HWMP协议可以通过多跳的方式实现两个节点的通信，但是在可靠性和延时方面仍然存在很大问题。有部分工作人员也对HWMP协议做了一些的研究。例如，针对智能电网的问题，Saputro N， Akkaya K[7]等人系统性地评估了HWMP协议的性能并改进了协议的可靠性方面，解决了HWMP协议存在的部分问题。

3.2 RPL路由协议

2008年，IETF建立了低功耗有损网络路由（ROLL）的工作组。ROLL工作组提出了一种兼容IPv6的路由协议，即RPL协议。该协议正在迅速成为AMI网络和FAN领域中最重要的网络解决方案之一。

RPL协议是一种距离矢量型路由协议，主要通过ICMPv6控制消息完成协议的拓扑构建工作。不同于HWMP协议，RPL协议是先应式路由协议，适用于从根节点传输或向根节点传输数据包的多跳传输。RPL协议中包含多个度量标准，可以提高网络稳定性和链路质量。例如，协议使用ETX度量可以提高链路质量，增加链路可靠性。但是仅使用单一的度量标准并不能完全满足智能电网网络的要求。该协议仍在研究中，需要不断改进，完善网络的要求。几种常见路由算法的优缺点见表3。

4 总结

智能电网通过可靠和安全的智能电网通信网络优化现有电网。NAN作为智能电网通信网络的重要一部分，需要考虑网络中所使用的通信技术和路由算法。本文分析了不同通信技术，HWMP协议和RPL协议的优缺点。在SGCN中仍存在许多挑战，比如合适的无线网状路由协议，数据处理，网络安全性，网络设计等，这些问题还需要学者不断地进行研究。

参考文献：

[1] Ho Q D， Gao Y， Rajalingham G， et al. Robustness of the routing protocol for low-power and lossy networks （RPL） in smart grid's neighbor-area networks[C]. IEEE International Conference on Communications， 2015： 826-831.

[2] Rajalingham G， Gao Y， Ho Q D， et al. Quality of service differentiation for smart grid neighbor area networks through multiple RPL instances[C]. ACM Symposium on Qos and Security for Wireless and Mobile Networks， 2014： 17-24.

[3] Qasem M， Altawssi H， Yassien M B， et al. Performance Evaluation of RPL Objective Functions[C]. IEEE International Conference on Computer and Information Technology； Ubiquitous Computing and Communications； Dependable， Autonomic and Secure Computing； Pervasive Intelligence and Computing， 2015： 1606-1613.

[4] Bari S M S， Anwar F， Masud M H. Performance study of hybrid Wireless Mesh Protocol （HWMP） for IEEE 802.11s WLAN mesh networks[C]. International Conference on Computer and Communication Engineering， 2012： 712-716.

[5] Iwao T， Yamada K， Yura M， et al. Dynamic Data Forwarding in Wireless Mesh Networks[C]. IEEE International Conference on Smart Grid Communications， 2010： 385-390.

[6] Ancillotti E， Bruno R， Conti M. The role of the RPL routing protocol for smart grid communications[J]. Communications Magazine IEEE， 2013， 51（1）： 75-83.

[7] Saputro N， Akkaya K. An Efficient and Secure ARP for Large-Scale IEEE 802.11s-based Smart Grid Networks[M]. Springer International Publishing， 2014： 214-228.

[8] Rajalingham G， Ho Q D， Le-Ngoc T. Evaluation of an efficient Smart Grid communication system at the neighbor area level[C]. IEEE Consumer Communications and NETWORKING Conference， 2014： 426-431.

【通聯编辑：代影】