基于PLC技術(shù)的集中抄表系統(tǒng)設(shè)計方法

雷 敏，彭亞雄,蔣朝惠

(1．貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

基于PLC技術(shù)的集中抄表系統(tǒng)設(shè)計方法

雷 敏1，彭亞雄1,蔣朝惠2

(1．貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

針對集中式抄表系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓磻?yīng)慢導(dǎo)致抄度效率低的問題，結(jié)合PLC技術(shù)、低壓電網(wǎng)的信道特性和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型的分析，提出了利用動態(tài)連接載波節(jié)點的系統(tǒng)改進(jìn)方法。通過仿真實驗與分析驗證了設(shè)計的有效性，并提高了抄度效率。

集中抄表；組網(wǎng)路由；電力載波；動態(tài)中繼

電力線作為能源傳輸?shù)闹饕d體，分布廣、覆蓋面積大，有著無需重新施工布線的優(yōu)勢，在信息傳輸中應(yīng)用廣泛。電力線信道環(huán)境復(fù)雜，多分支情況下衰減嚴(yán)重，傳輸距離受限[1-2]，且低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)通信距離具有時變行和有限性，組網(wǎng)路由算法在電力線通信系統(tǒng)中必不可少，現(xiàn)有研究算法與方案有采用群智能算法[3-11]。本系統(tǒng)利用有動態(tài)中繼特性，得出每次組網(wǎng)的最優(yōu)路徑。

1 PLC系統(tǒng)框架和拓?fù)淠Ｐ?/h2>

1.1 PLC 信道特性

電力線不同于其他有線通信介質(zhì)，屬于共享信道，其信道混雜多種噪聲，信號衰減嚴(yán)重，存在多徑性、電磁干擾等特點，且電力線信道上負(fù)載設(shè)備隨時在變化，電力線通信比一般網(wǎng)絡(luò)要復(fù)雜。電力線接入信道存在的沖突無法檢測，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錈o法固定，信道類似無線信道。本系統(tǒng)采用CSMA/CA網(wǎng)絡(luò)接入算法，退避時間采用基于表地址做的隨機(jī)退避。本系統(tǒng)選用彌亞微MI2012芯片載波芯片，通信頻點可選為76.8/230.4/ 307.2(kHz)，通信速率為100 bit·s-1～6.4 kbit·s-1，支持最大幀長512 Byte，通常傳輸速率為800 bit·s-1。

1.2 plc系統(tǒng)框圖及模型

集中抄表系統(tǒng)中主站一般采用國網(wǎng)376.1協(xié)議，通過GPRS的通訊方式與集中器連接；集中器通過串口執(zhí)行國網(wǎng)376.2協(xié)議與各廠家的路由板連接；路由板一般都安裝在集中器上，路由板通過電力線根據(jù)各廠家的載波通信協(xié)議與裝在電表上的載波表模塊連接通信；表模塊通過串口與電表連接通信。系統(tǒng)各部分協(xié)議框圖，如圖1所示。

圖2 plc單相拓?fù)鋱D

由于電力線三相之間衰減大，必須加上耦合器方可通信，因此，可看成是彼此獨立的信道。如圖2所示，一種簡單的現(xiàn)場二次變壓器下集中器與載波電表安裝框圖，其中集中器安裝在載波節(jié)點集中區(qū)域，即節(jié)點多集中在集中器的周圍。

網(wǎng)絡(luò)模型假設(shè)：(1)所有節(jié)點分布在一矩形區(qū)域內(nèi)，位置已知；(2)節(jié)點多數(shù)分布在中心節(jié)點 周圍；(3)每個節(jié)點傳輸功率、傳輸距離相同。

將電力載波網(wǎng)絡(luò)表示為一個有向圖G(E,V)，其中V={v0,v1,v2,…,vn}表示所有節(jié)點的集合，簡稱端集；E={e1,e2,…,em}為所有邊的集合,簡稱邊集。令r為節(jié)點v∈V的發(fā)射范圍，L表示相鄰節(jié)點間的距離。v0(即控制節(jié)點 )為主節(jié)點，表節(jié)點(v1,v2,…,vn)為從節(jié)點。

2 集抄系統(tǒng)實現(xiàn)方式

集中抄表系統(tǒng)主要任務(wù)在集中器與路由板上，其處理任務(wù)比較大，一般用帶Linux系統(tǒng)的ARM芯片運行。本系統(tǒng)路由板采用ARM920t芯片，并移植Linux 2.6.20操作系統(tǒng)。系統(tǒng)主站負(fù)責(zé)管理各個臺區(qū)下的集中器，集中器發(fā)起日常輪抄任務(wù)，路由板負(fù)責(zé)處理集中器發(fā)起的輪抄任務(wù)與組網(wǎng)路由的管理，電表上的載波表模塊主要負(fù)責(zé)與路由板的通信及通信中節(jié)點對信道的訪問控制、計算各個電表上報數(shù)據(jù)的退避時間。

圖3 構(gòu)建事務(wù)

路由版在處理應(yīng)用層數(shù)據(jù)任務(wù)時，首先封裝為一個事件，再構(gòu)造為一個事務(wù)并放在事務(wù)鏈表中，如圖3所示。采用狀態(tài)機(jī)處理傳輸層各個事務(wù)，查詢事務(wù)鏈表，處理各個事務(wù)，如圖4所示，負(fù)責(zé)報文數(shù)據(jù)的傳輸控制、匹配、重傳控制等。網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)、路徑的優(yōu)化、路徑的計算、路徑的獲取。數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的控制，管理的載波通信協(xié)議與下層(物理層)的數(shù)據(jù)交互。

圖4 狀態(tài)機(jī)事務(wù)處理

2.1 系統(tǒng)輪抄方案

輪抄是集抄系統(tǒng)的基本任務(wù)。輪抄任務(wù)為集中器發(fā)起輪抄開始命令后由路由板決定抄讀具體的某塊電表，集中器決定抄讀電表的數(shù)據(jù)項。路由板根據(jù)電表檔案輪詢抄度每一塊電表，一輪結(jié)束后統(tǒng)計當(dāng)前抄讀成功率，下一輪則從抄讀失敗的電表中輪詢抄讀每一塊電表，再次統(tǒng)計成功率。

2.2 檔案管理方案

考慮系統(tǒng)移植性的要求，設(shè)計使用miniDB數(shù)據(jù)庫。主要使用3個數(shù)據(jù)庫：信息數(shù)據(jù)庫、節(jié)點數(shù)據(jù)庫、路徑數(shù)據(jù)庫。分別用來存放：集中器下載的檔案信息、組網(wǎng)后上報的節(jié)點信息、組網(wǎng)得出的路徑信息。每個節(jié)點設(shè)計存10條路徑，若節(jié)點有1 000個，那么路徑則有10 000，這就使得系統(tǒng)路徑查找速度慢，所以將路徑數(shù)據(jù)庫設(shè)計成10個，使查找的速度更快。

信息數(shù)據(jù)庫格式：

Addr:c12|No:n4|Type:n4|Depth:n4|Quary:n4|Phase:n4|ReadFlag:n4|AutoRegFlag:n4|ReadFailedNum:n4|

節(jié)點數(shù)據(jù)庫：為路徑管理視圖提供函數(shù)接口，供其獲取、添加和刪除節(jié)點信息。其數(shù)據(jù)庫格式：

Addr:c12|NodeID:n8|Layer:n4|Phase:n4|Type:n4|ConfigState:n4|

路徑數(shù)據(jù)庫：為路徑管理視圖提供函數(shù)接口，供其替換、獲取和添加路徑信息。其格式：

Addr:c12|Relay1:c12|Relay2:c12|Relay3:c12|Relay4:c12|Relay5:c12|Relay6:c12|Relay7:c12|Relay8:c12|Relay9:c12|Index:n4|BoudRate:n4|Order: n4|

2.3 載波組網(wǎng)算法方案

算法描述：

(1)DC節(jié)點v0發(fā)起廣播組網(wǎng)；

(2)聽到節(jié)點v0廣播的節(jié)點(v1,v2,…,vm)將自己地址上報給v0，v0將其配置一個網(wǎng)絡(luò)ID設(shè)為第一層，并記錄節(jié)點(v1,v2,…,vm)的直抄路徑；

(3)再以第一層中的節(jié)點(v1,v2,…,vm)以輪詢方式依次發(fā)起廣播組網(wǎng)，主節(jié)點v0為上報的節(jié)點(vm+1,vm+2,…,vk)(m≤k≤n)配置一個網(wǎng)絡(luò)ID設(shè)為第二層，并記錄節(jié)點的路徑；

(4)以第2層中的節(jié)點依次輪訓(xùn)廣播尋找第3層節(jié)點，配置響應(yīng)的節(jié)點并記錄3層節(jié)點路徑,…，直到無節(jié)點響應(yīng)，完成組網(wǎng)。

如圖5所示，系統(tǒng)中載波組網(wǎng)采用邏輯拓?fù)洌捎诰W(wǎng)絡(luò)的時變性，節(jié)點網(wǎng)絡(luò)號選擇唯一(不重復(fù))的隨機(jī)數(shù)表示，為保證組網(wǎng)得出更多路徑，利用在每次組網(wǎng)以不同順序的n層節(jié)點進(jìn)行廣播。由于邏輯組網(wǎng)特性，節(jié)點多集中在第1層，節(jié)點呈現(xiàn)逐層遞減模式，整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ蜑槁┒沸巍?/p>

圖5 集中組網(wǎng)邏輯拓?fù)鋱D

第n層組網(wǎng)所花費時間(s)

(1)

其中，1.75為單層單個報文(175 B)傳輸延遲，m為第n層共有m個響應(yīng)節(jié)點，tib為第i只電表退避時間，Tc為每層組網(wǎng)最大等待時間。

方案1 在進(jìn)行每一輪輪抄后計算當(dāng)前抄度成功率，成功率低于設(shè)置百分比則啟動組網(wǎng)。

方案2 當(dāng)啟動輪抄時，首先檢測路徑數(shù)據(jù)庫是否為空，為空則啟動組網(wǎng)，讓輪抄與組網(wǎng)同時進(jìn)行；在輪抄時，發(fā)現(xiàn)如果是直抄上來的表就放在路徑第1層中；當(dāng)組網(wǎng)形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲幸呀M有某載波節(jié)點v，但輪抄載波節(jié)點v時卻失敗3次,這時，在一輪結(jié)束后，統(tǒng)計抄讀失敗的節(jié)點及其所在網(wǎng)絡(luò)層次，啟動失敗節(jié)點中最小的層的上一層節(jié)點vj發(fā)起廣播組網(wǎng)，若節(jié)點vj廣播組網(wǎng)不成功，則啟動從節(jié)點vj的上一層節(jié)點vh開始發(fā)起廣播組網(wǎng)。

2.4 系統(tǒng)路徑優(yōu)先級值更新機(jī)制

系統(tǒng)各個節(jié)點路徑最大存儲M條，節(jié)點路徑優(yōu)先級采用成功率與跳數(shù)作為評判依據(jù)，由于路徑一旦確定跳數(shù)就固定不變，因此將路徑跳數(shù)設(shè)為初始路徑優(yōu)先級的一個權(quán)系數(shù)。若新組網(wǎng)中出現(xiàn)了>M+1條路徑則根據(jù)路徑優(yōu)先級計算原則，將M+1的路徑替換掉優(yōu)先級最低的路徑并將其優(yōu)先級設(shè)為默認(rèn)值。路徑的優(yōu)先級由數(shù)據(jù)表中的ORDER表示，數(shù)值越小，優(yōu)先級越高，設(shè)置其值最小為4，表示最高優(yōu)先級，同時最低優(yōu)先級為18。更新原則：

(1)新添加路徑其優(yōu)先級默認(rèn)為N；N默認(rèn)是(10+路徑跳數(shù))，N最大是20；

(2)當(dāng)所有路徑的優(yōu)先級都為最高優(yōu)先級4時，需要將所有路徑的優(yōu)先值統(tǒng)一更新為N-1；

(3)當(dāng)所有路徑的優(yōu)先級都為最低優(yōu)先級時，即為N+M時，需要將所有路徑的優(yōu)先級值統(tǒng)一更新為N+1；

(4)取N=M；

(5)到某個節(jié)點的最大條數(shù)M為10。

(6)優(yōu)先級計算策略：

如下:(ACC_LPF為計算得到信度值，即權(quán)值，Priority為優(yōu)先級值)

上次通信成功，置Last_Comm_Success = 0

上次通信失敗，置Last_Comm_Success = 1

Comm_weight = ( Last_Comm_Success - 0.5 ) * 0.9 + 0.5;

if(Last_Comm_Success == 0) // Successful

{

ACC_LPF = 0.15 * Comm_weight + 0.85 * ACC_LPF_D;

} else// Failed

{

ACC_LPF = 0.35 * Comm_weight + 0.65 * ACC_LPF_D;

}

ACC_LPF_D = ACC_LPF ;

Priority = ACC_LPF * M * 2;

3 實驗仿真

實驗環(huán)境選擇Matlab，共取50個節(jié)點。分別對組網(wǎng)僅1層、2層(前35個在第1層，其余在第2層)、3層(前35個在第1層，10個在第2層，其余在第3層)的時間花費進(jìn)行仿真。

圖6 網(wǎng)絡(luò)延時與節(jié)點數(shù)關(guān)系曲線

從圖6可看出不同節(jié)點數(shù)、不同組網(wǎng)層次與組網(wǎng)時間關(guān)系。層次越多組網(wǎng)所需時間越長。

選取不同跳數(shù)優(yōu)先級曲線，分別對初始為10與14進(jìn)行仿真，如圖所示。

圖7 初始優(yōu)先級為10

圖8 初始優(yōu)先級為14

圖7為初始優(yōu)先級為10的優(yōu)先級曲線升降圖，圖8為初始優(yōu)先級為14的優(yōu)先級曲線升降圖。圖中，0～50為當(dāng)路徑使用成功，優(yōu)先級升高過程，優(yōu)先級升高最大為4；50～70為當(dāng)路徑使用失敗，優(yōu)先級降低，最低為18；70～100為再次路徑使用成功，優(yōu)先級升高?？梢?，優(yōu)先級曲線隨著抄度次數(shù)成功緩慢升高，隨著抄度次數(shù)失敗快速下降。 系統(tǒng)路徑可靠性。

圖8為路徑連續(xù)使用成功次數(shù)與可靠性的關(guān)系曲線圖9為路徑連續(xù)使用失敗次數(shù)與可靠性的關(guān)系曲線。從圖8中可以看到成功曲線在連續(xù)成功8次時，其可靠性會快速增加到約90%，但之后可靠性增加的越來越平緩，并最后等于100%。如圖9所示，連續(xù)使用失敗的次數(shù)達(dá)到5次時，其可靠性已經(jīng)降到約25%；當(dāng)連續(xù)失敗次數(shù)達(dá)到10次時，可靠性已經(jīng)降到8%。

圖9 路徑連續(xù)使用成功

圖10 路徑連續(xù)使用失敗

4 結(jié)束語

系統(tǒng)組網(wǎng)完成后，可直接從數(shù)據(jù)庫或者內(nèi)存得到路徑，無需像蟻群算法等智能算法每次抄度都需計算路徑，節(jié)省了時間開銷。系統(tǒng)組網(wǎng)方案2也減少了不必要的邏輯層組網(wǎng)時間，節(jié)約了組網(wǎng)時間花費。由于次組網(wǎng)以不同順序的n層節(jié)點進(jìn)行廣播，增加了系統(tǒng)可選路徑，且采用跳數(shù)與路徑使用的成功狀態(tài)作為路徑優(yōu)先級度量參數(shù)符合實際情況，保證了抄度時實際采用的最高優(yōu)先級的路徑與理論上計算的最優(yōu)一致，系統(tǒng)實現(xiàn)了每塊電表成功抄度，得到較為高效抄度效率。但系統(tǒng)載波節(jié)點達(dá)到300節(jié)點以上、規(guī)模比較大時，存在不能快速適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓?、抄度效率難以得到大幅提高。其中，輪抄與組網(wǎng)同時進(jìn)行，存在大量數(shù)據(jù)的下上行容易造成數(shù)據(jù)在信道上沖突，可能導(dǎo)致本在n層的節(jié)點邏輯上卻在n+1層中，這對節(jié)點接入算法提出了更高的要求。

本系統(tǒng)芯片選擇為窄帶芯片，但隨著電力線應(yīng)用的不斷深入，在圖像傳輸如在安防領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的要求，電力線通信對傳輸速率要求越來越高，未來寬帶電力通信將是主要發(fā)展趨勢。

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Research on Power Line Carrier Centralized Meter Reading System Design

LEI Min1，PENG Yaxiong1，JIANG Chaohui2

(1.School of Big Data and Information Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025, China;2.School of Computer Science and Technology,Guizhou University,Guiyang 550025,China)

Due to the centralized meter reading system responds slowly to network topology changes, thus leads to poor reading efficiency, combined with the analysis of channel characteristics and network model of and low-voltage grid system , proposed system improvements method of using dynamic link carrier-node. Simulation results verify the design and analysis effectively and improved of the copy efficiency.

centralized meter reading; networking&routing algorithm; power line carrier; dynamic relay

2016- 04- 29

貴州省基礎(chǔ)研究重大項目子課題(黔科合JZ字【2014】2001-21)

雷敏(1991-)，女，碩士研究生。研究方向：嵌入式通信等。彭亞雄(1963-)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：網(wǎng)絡(luò)安全等。蔣朝惠(1965-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：通信網(wǎng)絡(luò)與信息安全。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.024

TN926+.23；TN915.04

A

1007-7820(2017)03-086-05