基于IPv6的多接入智能电网网关设计（电力）

            向敏，黄盛刚，田力，黄浩林，何金星，唐亮，朱大鹏

       (重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室，重庆400065)

摘要：针对智能电网网关中本地通信接入方式单一且本地通信IPv6技术应用较少的现状，设计了一种基于IPv6的多接入智能电网新型网关，网关基于STM32F107高速处理器和C/Os -Ⅱ嵌入式操作系统，采用自主研发的IPv6协议栈，实现了支持IPv6的多种本地通信方式(电力线载波、433 M Hz. 470 MHz、780 MHz、2.4 C Hz)接人以及以太网、CPRS远程输出，支持数据的保存与网关动态参数配置功能。测试结果表明，网关设汁方案可行，可实现多种本地通信方式的IPv6接入，能够适应多种通信环境。

关键词：智能电网：IPv6；多接入网关：电力线载波通信：微功率无线

中图分类号：TM73;TP23  DOI：10.11930/j．issn．1004-9649.2016.05,123.06

0引言

    智能电网是将先进的传感器量测、信息通信、自动控制等技术与现有电网基础设施高度集成的新型电网，是当今世界电网发展的必然趋势。智能电网在发、变、输、配、用电环节需要对大量终端节点进行信息采集与控制，但各环节电力通信网的布设环境差异较大，采集网络须采用不同介质的接入网。其中网关是连接本地终端节点和远程控制中心的关键设备。智能电网中本地通信方式主要有“电力线载波通信(power linecommunication,   PLC)”和433 MHz、470 MHz、780MHz、2.4 GHz等微功率无线通信。目前国内智能电网非骨干通信网网关往往只支持单一的本地通信方式，不能满足对存在多种通信方式电网环境中终端数据监控的需求。

    “互联网协议版本6 (Internet Protocol Version6，IPv6)”作为下一代互联网核心技术，是互联网的最新标准协议。IPv6技术可以实现电网中每个终端都具有全网唯一的IPv6地址，速度快、传输效率高、网络安全性好，其无状态地址自动分配机制可以支持新添设备快速入网。因此，将IPv6与本地PLC和微功率无线通信网络相结合，实现电力通信终端节点IP化，是智能电网电力通信网络的发展趋势。然而，目前国内IPv6技术在输变电状态监测系统、配电网系统、用电信息采集等系统中的应用相对匮乏。

    针对以上2个问题，本文提出了一种能够应用于智能电网、支持多种接人方式和IPv6的网关设计方案。该方案能支持本地PLC及多频段微功率无线IPv6传感网的接入，以及GPRS、以太网接口经电力通信网络与远程控制中心的互通．

1  总体设计方案

    网关通过PLC，433 MHz、470 MHz、780 MHz、2.4 GHz频段传感网接收来自智能电网巾的电表、变压器、智能家用电器等智能终端节点的数据．同时通过GPRS和以太网接口经电力通信网络与远程控制中心进行信息交互，是整个通信系统的控制枢纽。总体设计方案如图1所示。

2硬件设计

    网关硬件平台主要包括主控制器最小系统模块、电力线载波模块、多频段微功率无线模块、以太网模块、电源模块等组成，其硬件结构框图如图2所示。

2.1  主控制器最小系统模块

    本设计的主控采用32位高速互联网型微控制器芯片STM32F107VCT6,主频最高可达72 MHz,自带256 kB FLASH、64 kB SRAM、5路串口、2路SPI。其多路通信接U和自身集成以太网MAC层控制器的优点符合本设计的要求。

2.2  电力线载波模块

    电力线载波模块作为网关上PLC网络的边界路由器，负责载波终端节点的组网和数据交互。通过串口直接和主控相连。采用SSC1650作为电力线载波模块。采用OFDM调制解凋技术．典型通信频段为303.13～357.81  kHz。该芯片的使用减小了载波模块的体积，并提高了通信稳定性。

2.3  多频段微功率无线模块

    多频段微功率无线模块为网关上各个频段微功率通信网络的边界路由器，负责无线终端节点的组网和数据交互。经工业运用广泛的串口扩展芯片GM8142通过SPI接口和主控通信。

2.4以太网模块

    以太网模块采用10 MHz/100 MHz自适应的物理层网络控制芯片DM9161AEP,通过“简化媒体独立接口(reduced media independent interface，RMII)”和主控的MAC层直接相连。RMII的1个端口只要求7根数据线，所有数据端口共用1个时钟进行所有端口的数据收发，参考时钟为50 MHz。网口采用白带隔离变压器的HR911105A。

2.5电源模块

    电源方案是设计中的一大特色，解决了PLC对电源要求极高和对电力线噪声非常敏感的问题。电源模块包括底板电源和PLC电源。PLC电源采用ESSPS-B02S12电源模块。而底板电源采用开关频率为60 kHz的LHIO_10D0512-02ER2电源模块，将220 V交流转换、降压为12 V直流和SV直流。该模块在输出功率达到满载的12%以E时．开关频率可以维持在60 kHz，在12%以下时会在60 kHz附近波动。假如某时刻丁作在63 kHz,其5倍频以后将达到315 kHz，显然处于电力线载波典型通信频段内，将会对载波通信产生干扰。因此采用FC-LOID2模块对底板电源进行了EMC处理，以防底板电源噪声对PLC产生干扰。

3软件设计

    网关的软件要对多个通信模块进行调度管理．需使用操作系统进行多任务管理，本文没计选用实时性和可靠性高、专为嵌入式应用设计的μC/OS -Ⅱ嵌入式实时操作系统。网关分别为PLC、微功率无线通信、以太网通信、GPRS通信模块创建任务。通过协议栈实现各个通信任务中报文解析、处理及数据包的封装等功能。其中，PLC和微功率无线通信采用轻量级IPv6协议栈．以太网通信采用经自主开发后能够实现IPv6到IPv4协议转换的LwIP协议栈。

3.1  网关软件结构

    网关软件结构如图3所示。主要包括硬件驱动层、底层功能函数和嵌入式操作系统层、应用层3个层次。

    硬件驱动层主要包括PLC模块、无线通信模块、以太网控制器及串口扩展等驱动。主要完成对网卡、电力线载波、无线通信、GPRS及串口扩展芯片的配置和初始化。

    底层功能函数层主要有以太网通信、串行通信、存储等功能函数，为应用层提供相应的接U函数。嵌入式操作系统层主要包括任务、时问和信号量等管理。

    应用层主要包括以太网与远程控制巾心通信、GPRS与远程控制中心通信、电力线载波与终端节点通信、微功率无线与终端节点通信等任务。各任务之间通过信号量、消息队列和事件标志组完成通信。

3.2  PLC及微功率无线的IPv6通信

    IPv6主要是为解决网络设备地址空间受限而制定的网络层协议，比IPv4具有更大的地址空问、更高的数据报文处理性能和更好的路由选择效率等优点。IPv6数据报文由一个IPv6报头、多个扩展报头、上层协议数据单元组成，其结构如图4所示。

    在实际电网环境中．PLC终端节点和无线终端节点通常分别组成Mesh拓扑结构的通信网络，如图5所示。

    Mesh网络是一种多跳网络，通信子网中所有终端节点都可作为。中继节点。为了使IPv6报文快速、可靠地传输，针对该拓扑，采用了“draft-load”草案设计的LOAD (6LoWPAN Ad Hoc on-demand distance, vector routing)协议。  LOAD是一种用源节点到日标节点累积的路由代价作为路径抉择判断标准的按需路由协议。其位于6LoWPAN(IPv6 0ver low-power wireless personal area networks)适配层上，因此，IPv6网络层能将6LoWPAN作为单跳子网，并使用MAC层的16位短地址或EUI- 64位长地址进行路由的创建。但是．LOAD路由协议并未确切规定计算节点之问链路代价的相应参数，本设计结合PLC信道和无线通信信道的特征，采用节点的路由跳数和信号强度两者的综合支持度决定LOAD路由的传输路径，可表示为

    依据式(1)计算通信网络中各节点之间的路径抉择“开销”，并在2个节点间选择最佳的通信路径，从而进行一个完整独立路由传输网络的建立，

    IPv6报文中的适配层头部有多种封装格式。为了实现电网数据进行LOAD路由的转发。设计网关中完整的IPv6报文数据帧格式，如图6所示。

    MAC层采用HIEEE802.15.4标准，可以实现一跳范围内的路由转发。Mesh头的Mesh分派值高4位为1011。源地址和目的地址分别为LOAD路由的源、目的地址，都是基于MAC层的16位短地址。分片头被用作数据的分片和重组。IPv6头含有源和目的IPv6地址，节点可根据分配到的16位短地址，结合其与IPv6接口标志的映射得到IPv6接口标志，再通过添加子网的网络前缀得到节点的128位IPv6地址。

    将IPv6技术应用于智能电网中PLC和微功率无线传感网通信，关键是要解决IPv6报文在MAC层IEEE802.15.4标准上传输的难题。为此需设计符合PLC和微功率无线Mesh拓扑的IPv6通信架构，其IPv6通信实现如图7所示。

    在f7中，基于UDP的传输层、IPv6协议的网络层、6LoWPAN的适配层、IEEE802.15.4MAC层以及PLC／无线的物理层共同组成了IPv6协议栈。

    PLC／无线终端节点将要传输的电网数据作为应用层负载，依次封装应用层头、UDP头、IPv6头、分片头、Mesh头、MAC头，封好的IPv6报文经电力线或者无线信道传输到中继节点。通过中继节点的6LoWPAN适配层进行分片重组和LOAD路由进行寻址，最终转发到网关上的PLC／无线边界路由器。边界路由器依次解析报文的各个首部，并将解析出的网络层IP数据报文交给网关主控中的LwIP协议栈处理。LwIP协议栈对边界路由器转发的报文进行解析，使用IPv6/IPv4地址映射机制将IPv6报文中的地址转换为IPv4地址，再封装成IPv4报文发送给IPv4上位机。

    应用层面向实际的需求，设计时需遵照智能电网中相应标准和规定。如在用电信息采集系统进行抄表时应该采用DL/T 645-2007规约和376.2协议。

    传输层采用UDP协议，该协议无连接、占用资源较少，能建立和销毁UDP连接，封装和解析UDP报文。

    网络层主要使用IPv6协议、ICMPv6协议、邻居发现协议和无状态地址自动配置机制。能够完成IPv6协议扩展头、地址解析、重复地址检测、路由器发现、网络前缀发现以及IPv6报文的封装与解析功能。

3.3上行通信过程

    上行通信为智能电网中终端节点发送数据由网关上传至远程控制中心的过程。其通信流程如图8所示。网关上边界路由器运行轻量级IPv6协议栈创建IPv6子网，并向入网的终端节点分配IPv6地址。节点向网关发送数据，网关调用串行通信接收函数，接收边界路由器从节点获取到的数据报文，待数据接收完成，把数据存储在建好的信号量中。与此同时，主控调用电力线载波／无线与终端节点通信任务，此任务始终处于循环等待状态，直到新的信号量发生，再从信号量中取出数据并判断其是否需要保存。若需保存．则调用存储功能函数对数据进行存储，再调用以太网与控制中心通信任务，通过在LwIP协议栈中建立UDP套接字经网口传送到远程控制中心：或者调用GPRS与控制中心通信任务，经GPRS将其传送到远程。若不需要保存，则直接发送至远程。

3.4下行通信过程

    下行通信为远程控制中心发送指令经网关下发给各终端节点的过程。其通信流程如图9所示。若网关从GPRS通信接口收到数据，则调用GPRS与控制中心通信任务接收下行报文并完成解析；若从网口接收到数据，则调用以太网与控制中心通信任务接收下行报文并发送到LwIP协议栈进行解析。若是网关配置指令，则直接对网关进行动态参数配置：若是需要转发给终端的指令．则判断报文中的地址是属于PLC子网还是微功率无线通信子网，再调用电力线载波／无线与终端节点通信任务通过电力线载波模块或微功率无线模块中的IPv6协议栈封装成IPv6数据包发往终端节点。

4测试

    为了验证所设计网关能够支持多种本地通信的IPv6接入功能，将电力线载波IPv6和多频段微功率无线IPv6通信网络进行组网测试。

    仅以电力线载波IPv6通信为例，多频段微功率无线通信不再赘述。载波终端节点成功加入网关建立的网络，网关为中继节点分配MAC层16位短地址，中继节点为普通节点分配短地址。通信过程中，载波普通节点将IPv6数据发送给中继节点．再经中继节点转发给网关。电力线载波IPv6通信数据如图10所示，从通信交互的数据可知，网关短地址为0x000 0，IPv6地址为FE80::1147:00FF:FE00:0000其为中继节点分配的短地址为0x000 1．中继节点为载波普通节点分配的短地址为0x059 A, IPv6地址为FE80::1147:00FF:FE00:059A。

    测试结果表明该网关能够支持PLC和多频段微功率无线通信的IPv6接入功能。

5结语

    本文设计了一款应用于智能电网的IPv6多接入通信网关．详细介绍了硬件和软件设计方案，并进行了测试。结果表明，网关能够支持PLC和微功率无线的IPv6通信，有效地解决智能电网中本地通信接入方式受限和数量巨大的终端设备IP化的问题。网关还可以根据智能电网不同的应用场景，对应用层规约进行相应的切换以完成不同的通信任务。本设计在智能电网中的通信领域具有一定的借鉴价值。