基于平衡混合路由的智能電表通信方法

臧麗煒， 王榕， 宋廣千， 李皎， 陳燦

(國(guó)家電網(wǎng)有限公司信息通信分公司, 北京 1000761)

隨著我國(guó)售電市場(chǎng)的逐步放開，越來越多的售電公司參與到配電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)服務(wù)中，造成售電市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈[1]；因此，迫切需要售電公司提供更精準(zhǔn)的配電臺(tái)區(qū)用戶監(jiān)測(cè)與分析服務(wù)[2]。長(zhǎng)期以來，我國(guó)的配電臺(tái)區(qū)受限于窄帶電力載波的通信速率，監(jiān)測(cè)手段僅限于對(duì)電表每日一次的電量采集[3]，缺少對(duì)用戶電表多類型、高頻度的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，不能為用戶提供多類型的增值服務(wù)；因此，亟需提高用戶智能電表的通信速率，滿足用戶智能電表多類型、高頻度的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)要求，為向用戶提供多類型增值服務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐。

為此，許多學(xué)者研究了提高智能電表通信速率的方法。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于壓縮感知的、信道與脈沖的多輸入多輸出電力線載波通信項(xiàng)目，采用快速塊稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)算法的信道與脈沖噪聲聯(lián)合估計(jì)方法，提高電力線載波通信成功率。文獻(xiàn)[5]提出了一種擴(kuò)頻調(diào)制的電力線載波通信方法，采用擴(kuò)頻調(diào)制芯片，防止采集多用戶電表信息時(shí)可能產(chǎn)生的共享信道沖突，以此提高智能電表的通信成功率。文獻(xiàn)[6]提出了一種多態(tài)脈沖相位調(diào)制的研發(fā)方法，采用隨機(jī)多態(tài)脈沖相位調(diào)制方法，構(gòu)建電力載波通信調(diào)制模型，實(shí)現(xiàn)內(nèi)調(diào)制與外調(diào)制2種調(diào)制通信方法，以提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩岣咻d波通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[7]提出了一種多輸入多輸出寬帶電力線載波通信的方法，考慮了多輸入多輸出載波信道的空間相關(guān)性，采用了自上而下和自下而上2種混合信道模型，提高了電力線載波數(shù)據(jù)傳輸速率。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于5.8 GHz載波的電力通信網(wǎng)絡(luò)方法，采用特征加權(quán)的方式計(jì)算出通信覆蓋率，結(jié)合歸一化電力線載波信號(hào)干擾噪聲比，實(shí)現(xiàn)電力載波自適應(yīng)覆蓋，從而提高電力線載波傳輸抗干擾能力。文獻(xiàn)[9]提出了一種電力線寬帶載波通信干擾過濾技術(shù)，通過過濾技術(shù)分解數(shù)據(jù)信息,利用多條通道進(jìn)行信息數(shù)據(jù)流的并行傳輸，提升數(shù)據(jù)傳輸速率。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于高速載波(high power line communication, HPLC)的通信方法，通過升級(jí)智能電表本地通信模塊方式，實(shí)現(xiàn)用戶電表日96點(diǎn)電氣數(shù)據(jù)采集。由此可見，提高智能電表通信方法多樣且取得了一定的成果，但上述研究局限于對(duì)電力載波單一通信方式，缺少對(duì)配電臺(tái)區(qū)低壓電力載波遠(yuǎn)距離通信的分析。

為解決智能電表HPLC通信存在中繼多、遠(yuǎn)距離傳輸衰減大、可靠性差的問題，本文提出了一種基于平衡混合路由的電表通信方法，該方法重點(diǎn)采用HPLC與微功率無線平衡混合路由的方式，實(shí)現(xiàn)電表數(shù)據(jù)的快速傳輸。首先，通過電表通信連接關(guān)系分析，建立用電信息采集集中器與智能電表的鄰居關(guān)系表，形成用電信息采集集中器與智能電表的拓?fù)潢P(guān)系圖；其次，通過可靠傳輸路徑，為配電臺(tái)區(qū)中每一塊智能電表保存重傳路由表；再次，基于平衡混合路由算法，實(shí)現(xiàn)智能電表HPLC與微功率無線通信的動(dòng)態(tài)路由切換和最佳路徑選擇；最后，通過對(duì)本方法的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證其可行性與有效性。

1 平衡混合路由通信框架

本文提出一種基于平衡混合路由的電表通信方法，該方法重點(diǎn)考慮智能電表數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)乃俾屎涂煽啃?。該方法的框架如圖1所示。該框架主要包括4個(gè)環(huán)節(jié)，智能電表HPLC與微功率無線雙模通信傳輸模式的改造、電表通信關(guān)系、傳輸路徑分析和平衡混合路由。

圖1 平衡混合路由通信框架

在智能電表傳輸模式改造環(huán)節(jié)中，首先對(duì)智能電表的本地通信模塊進(jìn)行改造，將傳統(tǒng)的窄帶電力載波通信模塊更換為HPLC與微功率無線通信模塊，以便在通信受阻時(shí)能切換網(wǎng)絡(luò)；然后進(jìn)行智能電表模塊時(shí)鐘校準(zhǔn)，以獲得配電臺(tái)區(qū)內(nèi)各電表的相同時(shí)間戳，避免因?yàn)闀r(shí)間不一致導(dǎo)致的數(shù)據(jù)問題。在電表通信關(guān)系環(huán)節(jié)，首先對(duì)電表直接的路由可行距離進(jìn)行測(cè)量，從而建立配電臺(tái)區(qū)的用電信息采集集中器與智能電表和智能電表之間的鄰居關(guān)系表，并以此為基礎(chǔ)，形成用電信息采集集中器與智能電表之間的拓?fù)潢P(guān)系圖。在傳輸路徑分析環(huán)節(jié)，首先對(duì)智能電表的可靠性傳輸路徑進(jìn)行分析，評(píng)估傳輸路徑的傳輸準(zhǔn)確性；其次，對(duì)于傳輸過程中失敗較多的路徑進(jìn)行分析，獲取傳輸失效的原因；最后，對(duì)于傳輸失敗的路徑，建立智能電表重新上傳數(shù)據(jù)的重傳路由表。在平衡路由環(huán)節(jié)，智能電表根據(jù)歷史傳輸情況，進(jìn)行最佳的路由傳輸路徑選擇；然后，根據(jù)電力線HPLC和微功率無線的傳輸信號(hào)強(qiáng)度及抗干擾力進(jìn)行路由平衡分析，獲取當(dāng)前時(shí)刻的最優(yōu)傳輸路徑；最后，根據(jù)最優(yōu)傳輸路徑進(jìn)行路由的動(dòng)態(tài)切換。

2 智能電表通信模型

基于平衡混合路由的智能電表通信方法充分考慮電力線HPLC和微功率無線雙模信道傳輸特性，并采用自尋優(yōu)平衡混合路由算法，可計(jì)及當(dāng)前通信時(shí)刻信道的傳輸現(xiàn)狀，進(jìn)行路由動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

2.1 雙模通信傳輸模式改造

我國(guó)傳統(tǒng)的電表通信方式普遍采用窄帶電力線載波或者HPLC方式進(jìn)行通信[11-13]，數(shù)據(jù)通信均為電力線載波。但低壓載波通信存在數(shù)據(jù)傳輸抗干擾能力差、傳輸距離近的問題，因此，低壓載波傳輸?shù)挠行Ь嚯x約為2 km。

電網(wǎng)公司為解決配電臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡問題，采用了換相開關(guān)三相負(fù)荷不平衡治理裝置。換相開關(guān)裝在配電臺(tái)區(qū)不同的分支處。換相開關(guān)三相負(fù)荷不平衡治理裝置每一次換相，將造成電力線載波通信中斷一次[14]，影響了電力線載波通信成功率。所以文中對(duì)配電臺(tái)區(qū)智能電表通信方式進(jìn)行雙模改造，通過微功率無線和智能電表HPLC混合組網(wǎng)的方式，來解決智能電表數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。首先，對(duì)2013年標(biāo)準(zhǔn)智能電表本地通信模塊進(jìn)行改造，在HPLC的基礎(chǔ)上，增加2.4 GHz頻段的微功率無線電路，實(shí)現(xiàn)智能電表的雙通道通信[15-17]，以便在HPLC通信受阻的時(shí)候，能夠自動(dòng)切換到2.4 GHz頻段的微功率無線通道，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?；然后?duì)智能電表的時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，以解決通信時(shí)鐘同步的問題。

智能電表更換為HPLC和2.4 GHz頻段的微功率無線通道雙模通信后，在配電臺(tái)區(qū)內(nèi)進(jìn)行智能電表時(shí)鐘校準(zhǔn)[18-19]。首先，通過用電信息采集集中器下發(fā)電表對(duì)時(shí)指令，在配電臺(tái)區(qū)內(nèi)所有的智能電表接收到指令后，將自身的時(shí)鐘調(diào)整為統(tǒng)一時(shí)鐘[20]，確保配電臺(tái)區(qū)內(nèi)所有的智能電表時(shí)間戳相同，避免時(shí)間不一致導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信中存在的問題。

2.2 電表通信連接關(guān)系分析

在電表通信連接關(guān)系分析方面，首先對(duì)電表直接的路由可行距離進(jìn)行測(cè)量。設(shè)Ma為電表HPLC模塊的通信帶寬，調(diào)制方式為正交頻分復(fù)用，通信速率為6 Mbit/s；Mb為微功率無線模塊通信帶寬，通信速率為512 Kbit/s；Fa為數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，取值范圍為0～10 s；傳輸信道數(shù)n為256；La為傳輸?shù)目煽啃?，取值范圍?～100%；Lbi為i信道下的傳輸負(fù)載，取值范圍為0～100%；則電表直接的路由可行距離

(1)

通過直接測(cè)量電表的路由可行度量距離，建立配電臺(tái)區(qū)用電信息采集集中器與智能電表之間的鄰居關(guān)系表。設(shè)配電臺(tái)區(qū)電表中路由級(jí)數(shù)為nc，取值范圍為0～64級(jí)，則鄰里關(guān)系數(shù)

ns=nc(nc-1)/2，

(2)

取值范圍為0～1 024。

將所有的電表進(jìn)行鄰里關(guān)系分析，可獲得用電信息采集集中器與智能電表之間的拓?fù)潢P(guān)系圖。

2.3 傳輸路徑分析

在傳輸路徑分析環(huán)節(jié)，首先對(duì)智能電表的可靠性傳輸路徑進(jìn)行分析，評(píng)估傳輸路徑的傳輸準(zhǔn)確性，設(shè)電表i傳輸可靠性為ri，電表的數(shù)量nt，傳輸可靠性

(3)

然后，對(duì)傳輸路徑中失敗較多的路徑進(jìn)行分析，獲取路徑中各節(jié)點(diǎn)存在的問題及傳輸失敗的具體分析樣本數(shù)據(jù)；最后再次生成智能電表的重新上傳路徑的路由表。

2.4 平衡混合路由

在平衡路由環(huán)節(jié)，智能電表根據(jù)歷史傳輸情況，進(jìn)行最佳的路由傳輸路徑選擇，設(shè)通信次數(shù)為nr，歷史傳輸有效周期內(nèi)的路徑次數(shù)

(4)

式中：Sri為第i次通信的路由路徑有效期；Zri為第i次通信的路徑傳輸率。

設(shè)活躍通道數(shù)為Tr，通信丟失率

(5)

式中：Cri為第i次通信的傳輸有效周期路徑次數(shù)；Tri為第i次通信的活躍通道數(shù)。

數(shù)據(jù)傳輸命中率

(6)

歷史傳輸有效周期內(nèi)的數(shù)據(jù)命中最高的路徑即為最優(yōu)路由傳輸路徑。

然后根據(jù)電力線HPLC和微功率無線的傳輸信號(hào)強(qiáng)度及抗干擾力進(jìn)行路由平衡分析，設(shè)有nb個(gè)通道，抗干擾系數(shù)

(7)

式中：Ptsi為通道i的輸入噪聲功率；Ptui為通道i的輸出噪聲功率。

抗干擾系數(shù)最小的路徑即為當(dāng)前時(shí)刻的最優(yōu)傳輸路徑，最后根據(jù)最優(yōu)傳輸路徑進(jìn)行路由的動(dòng)態(tài)切換。

3 智能電表通信仿真流程

為驗(yàn)證智能電表通信模型的可行性，本文在仿真系統(tǒng)中搭建了智能電表的仿真流程，通過對(duì)仿真的結(jié)果分析，可對(duì)智能電表通信模型進(jìn)行驗(yàn)證，為后續(xù)實(shí)際驗(yàn)證奠定基礎(chǔ)。

首先對(duì)于輸入的電表通信數(shù)據(jù)進(jìn)行路由可行度量策略，然后建立鄰居關(guān)系表并生成拓?fù)潢P(guān)系圖；其次，判斷傳輸路徑是否最優(yōu)，若傳輸路徑非最優(yōu)，則進(jìn)行通道切換，仿真流程如圖2所示。

圖2 智能電表仿真通信流程

仿真流程為：

步驟1：測(cè)量用戶智能電表直接的路由可行度量距離，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果建立配電臺(tái)區(qū)的用電信息采集集中器與智能電表之間的鄰居關(guān)系表。

步驟2：在智能電表之間的鄰居關(guān)系表的基礎(chǔ)上，建立用電信息采集集中器與智能電表之間的拓?fù)潢P(guān)系圖。

步驟3：首先對(duì)智能電表的可靠性傳輸路徑進(jìn)行分析，評(píng)估傳輸路徑的傳輸準(zhǔn)確性；其次，對(duì)于傳輸過程中失敗較多的路徑進(jìn)行分析，獲取傳輸失效的原因，并進(jìn)行記錄，以便在下一次路由時(shí)繞開此類問題，縮短路由時(shí)間；最后，對(duì)于傳輸失敗的路徑，建立智能電表重新上傳數(shù)據(jù)的重傳路由表。

步驟4：智能電表根據(jù)歷史傳輸情況，進(jìn)行最佳的路由傳輸路徑選擇；然后，根據(jù)電力線HPLC和微功率無線的傳輸信號(hào)強(qiáng)度及抗干擾力進(jìn)行路由平衡分析，獲取當(dāng)前時(shí)刻的最優(yōu)傳輸路徑。

步驟5：最后根據(jù)最優(yōu)傳輸路徑進(jìn)行路由的動(dòng)態(tài)切換。

4 算例分析

為驗(yàn)證文中所提的基于平衡混合路由的智能電表通信方法的有效性，搭建了試驗(yàn)環(huán)境。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為Windows server 2016版，中央處理器型號(hào)規(guī)格為Intel 至強(qiáng)E3-1200v5 、4核、3.0 GHz，內(nèi)存為32 GB，采用NS2搭建的仿真環(huán)境。采用本文所提方法在某地區(qū)供電公司進(jìn)行驗(yàn)證，傳輸路徑是指智能電表到集中器的路由中繼關(guān)系表。

4.1 傳輸路徑分析

采用HPLC通信和微功率無線通信，均由電表之間形成路由中繼，若該路徑出現(xiàn)傳輸失敗的情況，則重新選擇另外一個(gè)路徑傳輸。文中的傳輸路徑切換次數(shù)，是衡量通信信道的關(guān)鍵指標(biāo)，該指標(biāo)越小越好。

本文所提的基于平衡混合路由的智能電表通信方法與HPLC進(jìn)行傳輸路徑切換次數(shù)比較，選擇配電臺(tái)區(qū)電表數(shù)量為300個(gè)，數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)分別為100、500、1 000次，首先通過集中器向電表發(fā)送凍結(jié)電量上報(bào)指令，智能電表接收道指令后，向集中器發(fā)送電量數(shù)據(jù)。傳輸過程的傳輸路徑切換次數(shù)見表1。

表1 傳輸路徑切換次數(shù)

由表1可見，在不同樣本的傳輸路徑切換次數(shù)分析中，文中所提基于平衡混合路由的智能電表通信方法的傳輸路徑切換次數(shù)少于HPLC方式，因此，文中所提基于平衡混合路由的智能電表通信方法通信性能更優(yōu)。

4.2 通信成功率分析

通信成功率是衡量智能電表通信的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收有效性的核心指標(biāo)，其計(jì)算方式有：①智能電表接收成功的集中器發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)量除以集中器向該智能電表發(fā)送數(shù)據(jù)包的總數(shù)；②集中器接收成功的智能電表發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)量除以智能電表向集中器發(fā)送數(shù)據(jù)包的總數(shù)。該指標(biāo)數(shù)值越大，通信成功率越高。

采用本文所提的基于平衡混合路由的智能電表通信方法與HPLC進(jìn)行傳輸成功率比較，選擇配電臺(tái)區(qū)電表數(shù)量為200個(gè)，分別選擇100、200、300、500、800、1 000、2 000組通信數(shù)據(jù)。從采用集中器向智能電表發(fā)送100組數(shù)據(jù)包，然后從智能電表向集中器發(fā)送200組數(shù)據(jù)包，智能電表和集中器分別接收成功的數(shù)據(jù)包數(shù)量除以發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)，即為通信成功率。通信成功率見表2。

表2 智能電表通信成功率

由表2可見，在不同通信組數(shù)的測(cè)試中，文中所提基于平衡混合路由的智能電表通信方法的通信成功率均優(yōu)于HPLC方式。

4.3 通信速率分析

通信速率是衡量智能電表數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)傳輸快慢的重要指標(biāo)，其計(jì)算方法為配電臺(tái)區(qū)智能電表與集中器平均的上下行通信速率。由于HPLC是多級(jí)路由，路由級(jí)數(shù)越多，通信速率越低。該指標(biāo)數(shù)值越大，通信速率越快。

采用本文所提的基于平衡混合路由的智能電表通信方法與HPLC進(jìn)行通信數(shù)據(jù)速率分析，選擇配電臺(tái)區(qū)電表數(shù)量為200個(gè)，分別發(fā)送和接收2 000組數(shù)據(jù)，電表的平均通信速率見表3。

表3 智能電表通信速率

由表3可見，在通信速率測(cè)試中，文中所提基于平衡混合路由的智能電表通信方法通信速率優(yōu)于HPLC。

4.4 通信數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率分析

通信數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率是衡量智能電表數(shù)據(jù)通信中傳輸數(shù)據(jù)是否正確的核心指標(biāo)，其計(jì)算方式有：①智能電表接收到集中器發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并將此數(shù)據(jù)包與集中器發(fā)送數(shù)據(jù)包進(jìn)行比較，用正確的數(shù)據(jù)包數(shù)量除以集中器發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)；②集中器接收智能電表發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并將此數(shù)據(jù)包值與智能發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)值進(jìn)行比較，用正確的數(shù)據(jù)包數(shù)量除以智能電表發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)。準(zhǔn)確率數(shù)值越大，通信成功率越高。

采用本文所提的基于平衡混合路由的智能電表通信方法與HPLC方法進(jìn)行通信數(shù)據(jù)正確率分析，選擇電表數(shù)量為200個(gè)，分別發(fā)送100、200、300、500、800、1 000、2 000組數(shù)據(jù)。首先采用集中器向智能電表發(fā)送100組數(shù)據(jù)包，然后采用智能電表向集中器發(fā)送200組數(shù)據(jù)包。通信準(zhǔn)確率如圖3所示。

圖3 智能電表通信數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率分析

由圖3可見，在不同通信組數(shù)的測(cè)試中，文中所提方法的通信數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率優(yōu)于HPLC。

5 結(jié)束語

為解決智能電表HPLC通信存在的遠(yuǎn)距離傳輸衰減大、誤碼率高的問題，本文提出了一種基于平衡混合路由的電表通信方法，設(shè)計(jì)了一種基于平衡混合路由的電表通信模型，在對(duì)通信路徑分析的基礎(chǔ)上，采用自尋優(yōu)的路徑選擇，進(jìn)行通信信道切換，然后對(duì)智能電表通信進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，所提方法的通信成功率、通信速率、通信數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率均優(yōu)于普通的HPLC。

下一步，將結(jié)合配電臺(tái)區(qū)開關(guān)等多級(jí)通信組網(wǎng)，進(jìn)行多層級(jí)的平衡路由分析。