電力遠程抄表系統(tǒng)的混合通信和中繼技術研究

于 浩， 卓文合， 孔英會， 李建超

(1.國網安徽省電力公司 信息通信分公司 安徽 合肥 230061；2.華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

電力遠程抄表系統(tǒng)對于智能電網建設起到至關重要的作用，建立可靠的本地通信系統(tǒng)是保證抄表數(shù)據(jù)完整性的重要環(huán)節(jié)。目前電力遠程抄表系統(tǒng)的本地通信大都采用電力線或微功率無線的通信方式，但兩者各有自己的優(yōu)勢和不足。單一的通信方式難以提供可靠的通信質量，還有本地通信環(huán)境的惡劣導致通信的性能進一步惡化，無法保證抄表的成功率，而采用混合的通信技術[1-6]，并引入中繼技術[7-8]，可以顯著提升通信質量。一些研究單位進行了細致的分析探索，文獻[9] 分析了影響電力線通信遠程抄表系統(tǒng)質量的因素，如用戶用電負載造成的線路衰減變化及噪聲影響。其他文獻也采取了一些具體的措施保證通信質量，為問題的解決提供了有益的指導。

本文針對電力遠程抄表系統(tǒng)的本地通信問題，從2個方面進行了詳細地研究和實驗：一方面建立電力線與無線通信混合通信網，設計了基于接收信號強度(RSSI)進行自適應信道選擇的電力/無線混合通信模塊，提高電力遠程抄表通信系統(tǒng)的綜合性能；另一方面引入中繼技術，采用了基于RSSI的中繼選擇算法，可以依據(jù)鏈路質量自適應選擇中繼節(jié)點。測試結果表明，采用基于RSSI的自適應混合通信和中繼節(jié)點選擇的本地通信系統(tǒng)可以明顯提高抄表的成功率。

1 混合通信遠程抄表系統(tǒng)設計

具有自適應信道選擇的電力/無線混合通信功能的電力遠程抄表系統(tǒng)結構如圖1所示，該系統(tǒng)包括主站、遠程通信和本地通信3個部分。其中遠程通信通過公網或專網實現(xiàn)前端集中器與后臺管理機之間通信[ 10]。而本地通信采用電力/無線混合通信方式，核心部件是電力/無線自適應混合通信和中繼節(jié)點單元模塊，不斷監(jiān)測2種通信的RSSI，根據(jù)本地通信環(huán)境情況自適應選擇通信方式和中繼節(jié)點，通過發(fā)現(xiàn)和選擇優(yōu)質通信鏈路提高通信的成功率。

圖1 電力遠程抄表系統(tǒng)結構

2 電力線/無線混合通信單元模塊的軟硬件設計

2.1 硬件設計

為了實現(xiàn)電力線/無線混合通信功能，單元模塊的硬件包括無線通信模塊CC2530、電力線通信模塊BWP31和處理器模塊STM32F103，如圖2所示。其中處理器模塊控制選擇無線通信模塊或電力線通信模塊進行通信[10]。

圖2 電力線/無線混合通信硬件結構

(1)處理器模塊

處理器STM32F103模塊的外圍電路包括模數(shù)轉換ADC、定時器、串行外設接口SPI、通用同步/異步串行接收/發(fā)送器USART設備。處理器使用串口完成無線通信CC2530模塊和電力線BWP31模塊的信息采集。

(2)無線通信模塊

無線通信模塊選擇Zigbee芯片CC2530，該模塊具有非常好的性能，功耗低，最為重要的是提供接收信號強度(RSSI)指示。

STM32F103通過串口連接Zigbee無線通信芯片CC2530，一方面控制無線通信信道的數(shù)據(jù)采集，并對采集的無線通信信道數(shù)據(jù)進行分析。

(3)電力線通信模塊

電力線通信模塊選擇BWP31，該模塊除了提供基本的通信功能外，也提供精確的接收信號強度(RSSI)指示。

BWP31模塊也通過串口與處理器STM32F103連接，實現(xiàn)處理器對電力線通信信道的數(shù)據(jù)采集與分析。

2.2 軟件設計

軟件設計思想是處理器通過讀取電力線/無線通信模塊的接收信號強度(RSSI)數(shù)值分析并確定信道狀態(tài), 根據(jù)信道狀態(tài)好壞自適應選擇電力線/無線通信信道。軟件設計流程如圖3所示，圖中處理器控制源節(jié)點采集數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，等待目的節(jié)點返回測試幀，若成功收到測試幀，則根據(jù)信道接收信號強度RSSI選擇電力線/無線通信信道, 同時將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)送給目的節(jié)點。

圖3 電力線/無線混合通信模塊軟件流程

電力線/無線信道自適應選擇算法的思路是對電力線/無線2種通信方式的接收信號強度RSSI值進行比較，選擇質量較好的信道通信。經反復測試確定的選擇規(guī)則是：當無線通信模塊CC2530的接收信號強度RSSI值大于-75 dB時選擇無線信道；當電力線通信模塊KWP31RSSI的接收信號強度RSSI值大于14 dB時選擇電力線信道，而因成本低廉無線信道選擇優(yōu)先。算法流程如圖4所示。

圖4 RSSI處理流程圖

3 中繼節(jié)點模塊設計與中繼選擇算法

本文電力/無線混合通信的終端模塊和中繼節(jié)點模塊硬件和軟件功能基本一致，都具備電力線/無線2種通信功能。不同的是中繼節(jié)點模塊的軟件中要增加中繼節(jié)點選擇算法，以實現(xiàn)選擇是否需要中繼節(jié)點參與通信或者哪些中繼節(jié)點參與通信。中繼節(jié)點的選擇采用協(xié)作通信技術的研究成果[11-15]，目前中繼節(jié)點選擇方案有3種[13]：基于位置信息、基于信噪比、基于瞬時信道狀態(tài)信息，其中后者適應于結構不固定的網絡，可以獲得較好的通信質量。針對瞬時信道狀態(tài)的判斷，文獻[14]提出了最大化最小信噪比準則，該準則可以在大信噪比情況下達到較高的通信可靠性[15]，不足是小信噪比條件性能稍差。本文主要考慮本地通信的情況，認為滿足大信噪比條件。

中繼節(jié)點的選擇依據(jù)是無線/電力混合通信信道的實時狀態(tài)信息。本文設計了一種基于接收信號強度RSSI的中繼選擇算法，其思路是根據(jù)源節(jié)點(S)到中繼節(jié)點(R)以及中繼節(jié)點到目的節(jié)點(D)間的鏈路信息選取，選擇過程中將各個鏈路的質量信息進行比較，利用最大化最小信噪比準則選出最優(yōu)的中繼節(jié)點，選擇的指標為鏈路RSSI的值。源節(jié)點S發(fā)送數(shù)據(jù)之前，首先要確定通信路徑，選出最優(yōu)中繼節(jié)點，然后通過中繼節(jié)點將數(shù)據(jù)轉發(fā)到目的節(jié)點，由于中繼節(jié)點到目的節(jié)點之間存在無線通信和電力線通信2條路徑，所以在中繼節(jié)點到目的節(jié)點間路徑的選擇時，需要利用2.2中介紹的基于RSSI的信道選擇算法選擇出合適的通信方式，以保證利用質量最好的鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸。

中繼節(jié)點的選擇基于圖5中的多中繼網絡模型，圖5模型包含一個源節(jié)點S、一個目的節(jié)點D和多個中繼節(jié)點R1，R2，…，Rl。

圖5 多中繼網絡模型

基于RSSI的自適應中繼選擇算法的工作過程如下：

(1)源節(jié)點S發(fā)送請求報文RTS0，中繼節(jié)點Ri(i=1,2,…，l)接收到RTS0后啟用定時器T。

(2)如果目的節(jié)點D接收到RST0，且鏈路的RSSI質量較好，則目的節(jié)點D以無線通信的方式向所有的節(jié)點發(fā)送確認報文CTS0，中繼節(jié)點Ri(i=1,2,…，l)接收到目的節(jié)點D的CTS0后取消定時器T。源節(jié)點將所要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過直連鏈路直接發(fā)送到目的節(jié)點D。

(3)如果目的節(jié)點D沒有收到RST0或者直連鏈路的RSSI質量較差，且中繼節(jié)點Ri(i=1,2,…，l)定時時間到未收到目的節(jié)點的確認報文CTS0，中繼節(jié)點以電力線和無線通信雙通道發(fā)送報文RTS1(包含源節(jié)點到中繼節(jié)點的RSSI)到目的節(jié)點D。

(4)目的節(jié)點D收到中繼節(jié)點Ri(i=1,2,…，l)的請求報文RTS1后，首先利用2.2的基于RSSI的信道選擇算法，選擇出中繼節(jié)點到目的節(jié)點D每條鏈路的最優(yōu)通信方式，然后目的節(jié)點D從數(shù)據(jù)包中提取出源節(jié)點S到中繼節(jié)點的鏈路RSSI以及中繼節(jié)點到目的節(jié)點的RSSI(最優(yōu)通信方式的RSSI)。

(5)目的節(jié)點將各鏈路的RSSI進行比較，利用最大化最小信噪比準則選出最優(yōu)的中繼節(jié)點，如式(1)所示：

i=argmax{min{rssisi,rssiid}}

(1)

式中：i表示中繼節(jié)點的編號；rssisi為源節(jié)點S到中繼節(jié)點的接收信號強度；rssiid表示中繼節(jié)點到目的節(jié)點D的接收信號強度(電力線和無線信道中較好信道的接收信號強度)。通過上述過程可以完成中繼節(jié)點及通信方式選擇。

(6)目的節(jié)點D發(fā)送CTS1到Ra(Ra表示選出的最優(yōu)中繼節(jié)點)，Ra轉發(fā)CTS1到源節(jié)點S，CTS1中包含著中繼節(jié)點的信息以及中繼節(jié)點到目的節(jié)點D的最優(yōu)通信方式。S接收到CTS1，分析協(xié)議信息，然后發(fā)送信息到最優(yōu)中繼節(jié)點Ra，Ra以最優(yōu)的通信方式轉發(fā)接收到的源節(jié)點的數(shù)據(jù)到目的節(jié)點D。

(7)目的節(jié)點D接收到消息后，通信任務完成。

4 實驗及結果分析

對電力線通信而言，距離大小、用戶負載多少、網絡拓撲結構都會影響通信質量；而對無線通信而言，距離和障礙物會影響通信質量。本文實驗內容包括2個部分，分別為電力/無線混合雙通道選擇和中繼選擇，每組實驗對通信中的丟包率進行多次測試。

(1)電力/無線混合雙通道選擇實驗

實驗內容有3個，即：①源節(jié)點只采用無線通信發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送間隔為5 s，發(fā)送次數(shù)1 000，在目的節(jié)點計算丟包率；②源節(jié)點只采用電力線通信發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送間隔為5 s，發(fā)送次數(shù)1 000，在目的節(jié)點計算丟包率；③源節(jié)點只采用自適應電力線/無線混合通信，發(fā)送間隔為5 s，發(fā)送次數(shù) 1 000，在目的節(jié)點計算丟包率。實驗結果如表1所示，結果表明電力/無線混合通信成功率高于單一的通信方式。

(2)中繼節(jié)點選擇實驗

基于圖5的測試模型，對確定的自適應中繼選擇算法進行實驗測試，實際測試時配置可能的中繼節(jié)點3個，即系統(tǒng)由一個源節(jié)點S、3個中繼節(jié)點和一個目的節(jié)點D構成。實驗中目的節(jié)點和3個中繼節(jié)點位置固定，源節(jié)點S為無線通信節(jié)點位置不固定，中繼算法實驗場景如圖6所示。分不同時間段進行測試，源節(jié)點S的位置可在實驗場景圖中A、B、C、E處(分別對應試驗序號1、2、3、4)，源節(jié)點S每5 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)，共發(fā)送 1 000 次。測試結果如表2所示。

表1 通道選擇實驗結果(丟包率/%)

圖6 中繼算法實驗場景圖

實驗序號目的節(jié)點D收到數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)包來源節(jié)點及個數(shù)源節(jié)點S中繼節(jié)點R1中繼節(jié)點R2中繼節(jié)點R3丟包率/%1100092772100299809366200.239950272705180.54993043026870.7

從表2可以看出，目的節(jié)點D接收到的數(shù)據(jù)來自不同的中繼節(jié)點，當無線節(jié)點接近目的節(jié)點時，此時直連鏈路的RSSI較好，大部分數(shù)據(jù)來自直連鏈路，少部分來自中繼節(jié)點R1和R2；當無線節(jié)點在B處時，中繼R1到目的節(jié)點的鏈路RSSI較好，接收的數(shù)據(jù)多數(shù)來自中繼R1，少數(shù)來自中繼R2；當無線節(jié)點在C處時，中繼R2到目的節(jié)點的鏈路RSSI較好，接收的數(shù)據(jù)多數(shù)來自中繼R2，少數(shù)來自中繼R1和R3；當無線節(jié)點在E處時，中繼R3到目的節(jié)點的鏈路RSSI較好，接收的數(shù)據(jù)多數(shù)來自中繼R3，少數(shù)來自中繼R2和R1?；赗SSI的自適應中繼選擇算法第二種方案能基于RSSI自適應選擇中繼節(jié)點，通信成功率高，當電力線通信信道質量較差時也能保證系統(tǒng)能可靠通信。

5 結論

對于電力遠程抄表系統(tǒng)而言，單一通信方式存在局限性，影響抄表成功率。本文采用電力線/無線通信混合組網，首先設計了基于接收信號強度RSSI的自適應混合通信單元模塊的軟硬件，并設計了中繼選擇算法，實現(xiàn)了電力線/無線通信信道自適應選擇和中繼節(jié)點選擇。測試結果表明，本文基于RSSI的無線/電力線混合通信遠程抄表系統(tǒng)能根據(jù)通信鏈路質量自適應選擇信道與中繼節(jié)點，適應性好，可以明顯提高遠程抄表的通信成功率。

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