基于終端通信質(zhì)量的10 kV電力線通信組網(wǎng)方法

胡正偉，謝志遠，郭以賀，劉 珊

（華北電力大學 電子與通信工程系，河北 保定 071003）

0 引言

電力線通信由于不需重復鋪設(shè)線路，且具有投資小、可靠性高、靈活性強等優(yōu)點，成為城市配電自動化通信的首選方式之一［1］。但是由于電力線信道具有高衰減、強噪聲、阻抗不匹配等特點，使電力線通信的使用受到了一定的限制。為了實現(xiàn)可靠、高效的電力線通信，國內(nèi)外很多學者、機構(gòu)對電力線通信進行了大量的研究：按電壓等級劃分，研究主要集中在低壓 220 V［1-13］和中壓 10 kV［14-16］2 個電壓等級；按提高電力線通信的可靠性方面劃分，研究主要集中在增強物理層通信能力［1-6］和建立網(wǎng)絡(luò)中繼［7-16］兩大方向。增強物理層通信能力的相關(guān)研究主要集中在信道特性、噪聲、衰減、信源和信道編碼、信號調(diào)制方式等。建立網(wǎng)絡(luò)中繼的相關(guān)研究主要集中在組網(wǎng)的算法研究，文獻［7-8］利用蟻群算法進行組網(wǎng)，文獻［9-10］利用分簇算法進行組網(wǎng)，文獻［11］提出了基于QoS的電力線通信組網(wǎng)算法。本文從工程實用角度出發(fā)，針對10 kV電力線通信的特點，提出了統(tǒng)計各個終端與系統(tǒng)中其他終端的通信質(zhì)量來選擇最優(yōu)中繼站，從而實現(xiàn)電力線通信組網(wǎng)。與文獻［7-11］中的算法實現(xiàn)相比，該方法具備簡單易實現(xiàn)、計算量小等優(yōu)點。

本文的研究是在陜西某10 kV電力線示范網(wǎng)配網(wǎng)自動化工程的基礎(chǔ)之上進行的。工程采用ARM控制器和專用電力線載波芯片實現(xiàn)了10 kV電力線通信嵌入式系統(tǒng)。當前現(xiàn)場運行采用信息管理后臺人工指定固定中繼站的方式實現(xiàn)組網(wǎng)，因此存在很多弊端。為了能夠根據(jù)電網(wǎng)實際運行情況實現(xiàn)動態(tài)組網(wǎng)，本文提出了基于終端通信質(zhì)量的動態(tài)組網(wǎng)方法。

1 10 kV電力線通信的拓撲結(jié)構(gòu)

一般情況下，電力線通信以一個集中器為核心，通過電力線與終端進行通信，其總線拓撲一般呈樹形結(jié)構(gòu)，圖1為陜西省某10 kV中壓配電網(wǎng)的實際網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖。圖中1—14為通信終端的ID，集中器與終端之間通過電力線進行信息交換。由于集中器與所有的終端使用電力線這一公共資源，原則上它們之間可以直接通信，但是由于電力線信道具有衰減、噪聲、阻抗不匹配等特點，超過一定距離后，集中器與終端之間無法進行直接通信，此時需要通過選擇中繼進行組網(wǎng)實現(xiàn)通信。

圖1 10 kV電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Topological structure of 10 kV power grid

2 算法的適用條件

a.系統(tǒng)工作在主從模式，即集中器發(fā)起通信，終端響應(yīng)集中器的命令，并發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)給集中器。集中器在規(guī)定的時間內(nèi)，收到正確的終端數(shù)據(jù)后，發(fā)起下次通信，否則認為通信失敗。

b.通信協(xié)議支持統(tǒng)計數(shù)據(jù)由終端發(fā)送至集中器。在一個統(tǒng)計周期結(jié)束后，集中器發(fā)送一條征集每個終端與其他終端的通信成功次數(shù)的命令。每個終端按照一定的格式把數(shù)據(jù)發(fā)送給集中器。集中器根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析計算，為每個終端選擇最佳通信路由。

通過設(shè)置圖2（a）中的功能碼，定制征調(diào)統(tǒng)計數(shù)據(jù)命令。中繼路由表除了標識集中器到目的終端的路由信息外，還標識了目的終端的中繼級數(shù)及數(shù)據(jù)的上行/下行方向。圖2（b）中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為相應(yīng)的通信成功次數(shù)。

圖2 通信協(xié)議的幀格式Fig.2 Frame format of communication protocol

c.因為實際工程中可以通過制定專用的通信協(xié)議并對嵌入式處理器進行編程統(tǒng)計終端之間通信成功次數(shù)，所以選擇通信成功率作為通信質(zhì)量的衡量標準：

通信成功率=通信成功次數(shù)/通信總次數(shù)×100%

3 算法組網(wǎng)原理

假設(shè)系統(tǒng)包含N個終端，每個終端具有唯一的站號標識ID。假設(shè)ID為1、2、…、N，依此定義集合F=｛1，2，…，N｝。系統(tǒng)工作在主從模式下，集中器以廣播的形式發(fā)送命令給終端。終端接收到命令后，進行以下分析：首先比較目的終端ID與自身ID是否一致，若一致則根據(jù)具體命令向集中器發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)；若不一致，再比較中繼路由表中是否存在中繼ID與自身ID一致，若存在則作為中繼站將接收的數(shù)據(jù)按照路由表進行傳遞。若該終端ID與其收到命令的目的終端ID、中繼列表中的ID都不一致，則該終端在本次通信中不進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，只判斷收到的數(shù)據(jù)來自哪個終端或集中器，并進行計數(shù)。

3.1 初始路由生成

在時限Tm內(nèi)，集中器按終端ID從小到大依次嘗試直接與所有終端進行通信。定義能夠與集中器直接進行通信的終端集合為R1，集合R1中的終端個數(shù)為nR1。若nR1=N，表示R1=F，則停止分層；否則，集中器按ID從小到大的順序依次選擇剩余終端作為目的終端。對于每個目的終端，同樣按照ID從小到大的順序選擇集合R1中的終端作為1級中繼站，嘗試與當前目的終端進行通信。選擇第1個能與當前目的終端建立通信的集合R1中的終端作為1級中繼站，將該目的終端歸為1級中繼通信終端集合，并停止對其的嘗試，轉(zhuǎn)而嘗試其他剩余終端。若集合R1中的所有終端都不能與當前目的終端建立通信，則放棄對其的1級中繼通信嘗試。

定義經(jīng)過集合R1中的終端進行1級中繼后能夠建立通信的終端集合為R2，集合R2中的終端個數(shù)為 nR2。若 nR1+nR2=N，表示 R1∪R2=F，則停止分層；否則，集中器以集合R1中的終端為1級中繼站，以集合R2中終端為2級中繼站，嘗試與剩余終端進行通信，方法與1級中繼站的選擇相同。依此類推，直到所有終端與集中器之間都建立起通信。圖3為根據(jù)上述分層方法，將系統(tǒng)中所有終端進行分層得到的分層結(jié)果示意圖，假設(shè)共分為L層，每層的終端個數(shù)分別為 nRk（k＝1，2，…，L）。

圖3 分層結(jié)果示意圖Fig.3 Result of layering

由以上分析可以發(fā)現(xiàn)，k級通信終端集合是k+1級通信終端的k級中繼站集合。當k=1時，直接通信的終端集合R1為1級中繼站集合；當1＜k＜L時，Rk為k級中繼通信終端集合，且為k+1級中繼站集合；當k=L時，Rk為k級中繼通信終端集合，由于分層結(jié)束，不再作為中繼站集合使用。

3.2 最優(yōu)路徑選擇

經(jīng)過初始分層得到的路由不一定是最佳的，如何得到最佳的通信路徑是本文所要解決的問題。在圖3中，第k層與第k+1層之間通過k級（1≤k≤L-1）中繼路由選擇機制進行最佳路由選擇，本文的方法可以看作是一種中繼路由選擇機制。

假設(shè)在尋找最佳路由的過程中，所有通信終端的通信狀態(tài)，即與集中器之間的中繼級數(shù)不發(fā)生改變，本算法表現(xiàn)為每一層對應(yīng)的集合中的元素不發(fā)生改變。這個假設(shè)在實際工程中具有一定的合理性，因為當通信質(zhì)量下降時，首先考慮的是進行通信頻率的切換，其次才考慮中繼的更換。因此，可以認為中繼級數(shù)在一定的時間段內(nèi)保持穩(wěn)定。

為了方便介紹該算法，定義以下幾個參數(shù)。

a.輪詢周期Tp：集中器把N個終端依次輪詢一遍的時間。1個輪詢周期內(nèi)，集中器共發(fā)送N條指令，每個終端統(tǒng)計是否能夠收到其他終端發(fā)出的信息。Tp的大小與集中器管理的終端個數(shù)、終端的中繼級數(shù)有關(guān)：終端個數(shù)越多，Tp越大；中繼級數(shù)越多，Tp越大。

b.統(tǒng)計周期Ts：定義M個輪詢周期為1個統(tǒng)計周期，即Ts=MTp。M可以根據(jù)電網(wǎng)的實際情況設(shè)置為定值，也可以進行動態(tài)調(diào)整。

c.通信成功次數(shù)Cij：統(tǒng)計周期內(nèi)站號ID為i的終端收到站號ID為j的終端的次數(shù)，其中i，j∈F且j≠i。

3.2.1 通信質(zhì)量的獲取

通信成功次數(shù)的獲得，需要集中器和相互通信的2個終端合作進行。

集中器負責分析在1個統(tǒng)計周期內(nèi)，每個終端參與通信的次數(shù)，包括作為目的終端和中繼站的次數(shù)，每發(fā)送1條指令分析1次。每個終端作為目的終端的次數(shù)即為M，而每個終端作為中繼站的次數(shù)S要通過分析通信協(xié)議幀格式的中繼路由表字段得到。因此，在1個統(tǒng)計周期內(nèi)，每個終端參與通信的總次數(shù)為2S+M，S乘2的原因是中繼站在一次通信過程中包含上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)2次發(fā)送過程。

因為本文方法是為了尋找最優(yōu)路由，所以不關(guān)心同一層終端之間的互相統(tǒng)計結(jié)果，而只關(guān)心本層內(nèi)的終端與相鄰層內(nèi)的終端的雙向通信成功率，即統(tǒng)計集合Rk-1的終端與集合Rk的終端之間相互通信成功率。只有能夠進行雙向通信，才認為通信成功。因為集中器具備管理所有終端的功能，每個終端所處的分層集合是可知的。但層內(nèi)的相互通信統(tǒng)計結(jié)果是必要的，因為終端可能隨電力線信道特性出現(xiàn)從一個分層到另一個分層的變換。

假設(shè) i、j為終端的 ID，且 i∈Rk-1，j∈Rk。Cij為終端i成功接收終端j的發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)，同理，Cji為終端j成功接收終端i的發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)。

在一個統(tǒng)計周期結(jié)束后，集中器發(fā)送征調(diào)各個終端的統(tǒng)計數(shù)據(jù)的命令，各個終端將其統(tǒng)計數(shù)據(jù)上傳給集中器，集中器負責進行統(tǒng)計結(jié)果分析與處理。

根據(jù)以上分析，可以得到終端j與終端i的通信質(zhì)量表達式為：

其中，2Sj、2Si分別為在統(tǒng)計周期內(nèi)終端j與終端i作為中繼站發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)；當k=L時，Sj=0。

3.2.2 通信質(zhì)量的分析

處在不同集合中的終端，其通信質(zhì)量的決定因素也不同。下面首先分析特殊集合中的終端通信質(zhì)量表達式，然后得到終端的通信質(zhì)量的一般表達式。

3.2.2.1 直接通信的終端

直接通信的終端與集中器之間不需要中繼站。在該方法中，直接通信的終端與集中器之間在統(tǒng)計周期Ts內(nèi)的通信質(zhì)量，記為

3.2.2.2 1級中繼通信的終端

1級中繼通信終端與集中器之間，經(jīng)過1級中繼站進行通信。因此，1級中繼通信終端的通信質(zhì)量取決于2條路徑。

a.路徑1：集中器與1級中繼站集合R1中的終端的通信質(zhì)量

b.路徑2：1級中繼站集合R1中的終端與目的終端的通信質(zhì)量（C 為常數(shù)），目的終端為1級中繼通信終端集合R2中的任一終端。

ID為i2（i2∈R2）的終端的最優(yōu)1級中繼站的選取算法為：

即目的終端的通信質(zhì)量取決于1級中繼站的上行鏈路和下行鏈路二者中的通信質(zhì)量最小值，而最優(yōu)1級中繼站為通信質(zhì)量為最大值時對應(yīng)的1級中繼站。

3.2.2.3 2級中繼通信的終端

2級中繼通信終端與集中器之間經(jīng)過兩級中繼進行通信，其通信質(zhì)量取決于3條路徑：

a.路徑1是集中器與1級中繼站集合R1中的終端的通信質(zhì)量

b.路徑2是1級中繼站集合R1中的終端與2級中繼站集合R2中的終端的通信質(zhì)量

c.路徑3是2級中繼站集合R2中的終端與目的終端的通信質(zhì)量

ID為k（k∈R3）的終端的最優(yōu)通信路徑選取算法為：

將式（1）代入式（2）可得：

3.2.2.4 L級中繼通信終端

L級中繼通信終端與集中器之間經(jīng)過L－1級中繼進行通信，其通信質(zhì)量取決于L－1條路徑。根據(jù)前文得出的結(jié)論，可得ID為iL（iL∈RL）的L級中繼通信終端的最優(yōu)通信路徑選取算法為：

其中，iL-1m為L-1級中繼通信終端的最優(yōu)通信路徑。

由此，該算法的一般表達式如下：

4 算法復雜度分析

采用運算復雜度來衡量本文算法的復雜度。本文算法主要執(zhí)行數(shù)值比較運算和除法運算，比較運算的算法復雜度為O（n），而除法運算的復雜度為O（n2），n為執(zhí)行運算的次數(shù)。由前面的定義可知每級終端的個數(shù)為 nRk（k=1，2，…，L），滿足 nR1+nR2+nR3+…+nRL=N。

a.直接通信不需要組網(wǎng)，其算法復雜度O1（N）為：

b.1級中繼通信的算法復雜度O2（N）為：

c.2級中繼通信的算法復雜度O3（N）為：

d.L級中繼通信的算法復雜度OL（N）為：

由于受終端總數(shù)N為定值的制約，算法復雜度與層數(shù)不是正比例關(guān)系。除了與層數(shù)有關(guān)外，算法復雜度還與每層的終端個數(shù)有關(guān)。

5 算法仿真

本文以兩級中繼通信為例驗證所提算法的有效性。取 N=11，即 nR1+nR2+nR3=11，且 nR1、nR2、nR3∈［1，9］。表1描述了nR1、nR2、nR3的所有組合及其復雜度。

表1 N=11 時 nR1、nR2、nR3取值及相應(yīng)復雜度Tab.1 Setting of nR1，nR2，nR3 and corresponding complexity when N=11

從表1中可以發(fā)現(xiàn)復雜度最大值為208，此時nR1＝1，nR2＝9，nR3＝1；復雜度最小為 24，此時 nR1＝1，nR2＝1，nR3＝9。

本文以 nR1＝5、nR2＝5、nR3＝1 為例進行分析，此時算法復雜度為184。假設(shè)初始組網(wǎng)得到的網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖如圖 4 所示，可知集合 R1=｛1，2，3，4，5｝，集合R2=｛6，7，8，9，10｝，集合 R3=｛11｝。

若選擇100個輪詢周期作為1個統(tǒng)計周期，則M=100，在圖4所示的拓撲結(jié)構(gòu)下，各終端的發(fā)送次數(shù)如表2所示。

圖4 初始組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Topology of original networking

表2 M=100時各終端的發(fā)送次數(shù)Tab.2 Sending times of different terminals when M=100

統(tǒng)計周期結(jié)束后，集中器得到統(tǒng)計數(shù)據(jù)并進行計算，可以得到通信質(zhì)量數(shù)據(jù)。實際中通信質(zhì)量的高低與電力線信道的信噪比成正比。信號強度的大小決定于線路對信號的衰減，由于線路上負載的開關(guān)影響線路的阻抗匹配，導致了信號的衰減呈現(xiàn)隨機特性；負載的運行及開關(guān)都會產(chǎn)生各種噪聲，導致了噪聲呈現(xiàn)隨機特性，因此信噪比具有隨機特性，與信噪比相對應(yīng)的通信質(zhì)量也呈現(xiàn)出隨機特性，其值可以為1～100內(nèi)的任意數(shù)據(jù)，因此可以假設(shè)得到一組如表3—5所示的數(shù)據(jù)。Qi表示集合R1中的終端作為目的終端的通信質(zhì)量，Qj-i表示ID為j的終端與ID為i的終端的通信質(zhì)量，Qk-j表示ID為k的終端與 ID 為 j的終端的通信質(zhì)量，其中，i∈R1，j∈R2，k∈R3。

表3 直接通信終端通信質(zhì)量QiTab.3 Terminal communication quality of direct communication

表4 集合R1與R2終端之間的通信質(zhì)量Qj-iTab.4 Communication quality between R1and R2

表5 集合R3與R2終端之間的通信質(zhì)量Qk-jTab.5 Communication quality between R3and R2

得到通信質(zhì)量數(shù)據(jù)后，需要根據(jù)算法進行最佳路由選擇，具體方法如下。

a.首先為集合R2中的終端在集合R1中選擇最優(yōu)的1級中繼站。

① 對表3和表4執(zhí)行算法1，得到表6的結(jié)果，陰影表示與表4相比被改寫的部分。算法1中用數(shù)組表示通信質(zhì)量。這一步實現(xiàn)了1級中繼站上行鏈路和下行鏈路的通信質(zhì)量的比較，整個鏈路的通信質(zhì)量取二者的最小值。算法1如下：

表6 對表4數(shù)據(jù)執(zhí)行算法1后的結(jié)果Tab.6 Data of tab.4 processed with algorithm 1

② 對表6中的數(shù)據(jù)執(zhí)行算法2，可以得到表 7的數(shù)據(jù)，陰影部分的行ID為列ID的中繼站，并且所有鏈路的通信質(zhì)量的最大值都寫入了第1行。算法2如下：

表7 對表6數(shù)據(jù)執(zhí)行算法2后的結(jié)果Tab.7 Data of tab.6 processed with algorithm 2

b.為集合R3中的終端在集合R2中選擇最優(yōu)的2級中繼站。

① 對表5和表7執(zhí)行算法3，得到表8的結(jié)果。陰影表示與表5相比被改寫部分。算法3如下：

表8 對表5數(shù)據(jù)執(zhí)行算法3后的結(jié)果Tab.8 Data of tab.5 processed with algorithm 3

②對表8執(zhí)行算法4，得到表9所示結(jié)果。陰影部分對應(yīng)的列ID為行ID的2級中繼站，最大值寫入第1列。算法4如下：

表9 對表8數(shù)據(jù)執(zhí)行算法4后的結(jié)果Tab.9 Data of tab.8 processed with algorithm 4

c.經(jīng)過前面算法處理，可以得到當前統(tǒng)計周期結(jié)束后，如圖5所示的組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。比較圖5和圖 4可以發(fā)現(xiàn)，該方法實現(xiàn)了對終端7、9、10、11的路由進行了優(yōu)化。

當R3含有多個終端時，按照終端11尋找最佳路由的原理，得到其他終端的最佳通信路由。同理，也可以為L級通信選擇最優(yōu)通信路由。

圖5 優(yōu)化的組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Topology of optimized networking

在實際工程應(yīng)用中，本方法還可以從以下幾個方面降低復雜度：

a.在上行鏈路和下行鏈路對稱的工程應(yīng)用中，只需統(tǒng)計單向通信質(zhì)量即可；

b.設(shè)置通信質(zhì)量閾值，只有當某一目的終端的通信質(zhì)量低于該閾值時，才征調(diào)與該目的終端相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其他不相關(guān)數(shù)據(jù)不進行傳輸，降低通信復雜度，但以降低實時最優(yōu)為代價；

c.在實際的10 kV配電網(wǎng)中可以合理地為每個集中器分配其管理的終端個數(shù)來控制算法的復雜度。

6 結(jié)論

本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)，提出了一種通過統(tǒng)計終端與其他終端的通信質(zhì)量來選擇最優(yōu)通信路徑的方法。該算法具有計算量小、易實現(xiàn)等優(yōu)點，其運行需要通信協(xié)議支持、終端具備統(tǒng)計功能、集中器具備數(shù)據(jù)分析功能。本文算法的正確性和有效性已經(jīng)在理論上得到驗證，因此對工程實踐具有一定的參考價值。下一步的研究工作將在10 kV電力線配電網(wǎng)中運行算法，以實際運行數(shù)據(jù)作為依據(jù)對其做進一步的改進和提高。