低壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)自動組網(wǎng)技術(shù)

龔勇

摘 要 為拓寬低壓電力線載波網(wǎng)絡(luò)的通信范圍及提升通信安全性 文章全面分析低壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)拓撲模型和組網(wǎng)特征 創(chuàng)新低壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù) 并促進該技術(shù)向自動化方向發(fā)展 提高自動組網(wǎng)技術(shù)的簡易性和可靠性 同時 結(jié)合實際案例 真實仿真自動組網(wǎng)方法 研究結(jié)果證明 該組網(wǎng)方法耗時量較少 能縮短不同節(jié)點間的通信距離 提高網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的實時性

關(guān)鍵詞 電力線通信 拓撲結(jié)構(gòu) 自動路由 邏輯分層 路由重構(gòu)

中圖法分類號tp18? ?文獻標(biāo)識碼a

１ 引言

隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，相關(guān)部門提高了對低壓電力線管理的重視程度，針對低壓電力線運行制定了各種相關(guān)政策，以保證低壓電力線運行安全性能達到預(yù)期標(biāo)準。為進一步拓展通信范圍，研究各種動態(tài)組網(wǎng)算法，如蟻群算法、非交疊分簇的路由算法、邏輯拓撲結(jié)構(gòu)算法等，均能實現(xiàn)路由的自動中繼工作。其中，蟻群算法具備并列運行、分布式計算等特征，但在日常應(yīng)用中很容易出現(xiàn)資源浪費問題，應(yīng)合理控制組網(wǎng)時間和結(jié)點數(shù)量，優(yōu)化帶寬內(nèi)容；邏輯拓撲結(jié)構(gòu)的組織方法應(yīng)用流程簡單，由于路由動態(tài)重構(gòu)方法過于滯后，導(dǎo)致其自愈能力無法達到預(yù)期標(biāo)準；非交疊分簇的路由算法基于信道質(zhì)量動態(tài)數(shù)據(jù)分析各種低壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)新路由優(yōu)化方法，因為其操作環(huán)境過于復(fù)雜，整個路由重構(gòu)流程較多，給通信工作帶來較高的延遲性，無形中增加了錯誤概率，降低了組網(wǎng)運行速度。

２ 集中抄表系統(tǒng)

２．１ 采集系統(tǒng)的邏輯通信拓撲結(jié)構(gòu)

集中抄表系統(tǒng)主要包括采集系統(tǒng)、主站、遠程信道等環(huán)節(jié)。其中采集系統(tǒng)有低壓電力線和各種通信終端，集中器和載波電表呈主?從關(guān)系，集中器通常設(shè)置在臺區(qū)變壓器低壓一側(cè)，主要負責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的存儲和收集工作，其邏輯拓撲是一種樹形的混合型拓撲結(jié)構(gòu)。由于變壓器鐵芯對信號起到高衰減作用，從邏輯角度來看，三相間處于相互獨立狀態(tài)，因此在研究中將一相作為研究對象，能體現(xiàn)出研究數(shù)據(jù)的準確性。

２．２ 集中抄表系統(tǒng)中采集系統(tǒng)的組網(wǎng)特征

在集中抄表系統(tǒng)運行過程中，采集系統(tǒng)組網(wǎng)的各種復(fù)雜特點如下。（１）通信邏輯拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜。信號傳輸數(shù)據(jù)波動易影響低壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)，加上接入各種電氣隨機開關(guān)，導(dǎo)致通信信道出現(xiàn)不同程度的變化，影響到通信邏輯拓撲結(jié)構(gòu)，進而對組網(wǎng)算法自愈性能和抗毀性提出更高標(biāo)準。（２）實時性要求較低。電力集中抄表系統(tǒng)目的是全面覆蓋實際用戶用電數(shù)據(jù)和控制信息，但由于電力集中抄表系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)量小，無形中降低了數(shù)據(jù)實時性要求，電力抄表系統(tǒng)長期處在空閑狀態(tài)。（３）組網(wǎng)算法和硬件簡單。由于我國電力用戶數(shù)量較大，因此要降低硬件控制投資成本。為充分發(fā)揮采集系統(tǒng)的組網(wǎng)特征，要將所有工作內(nèi)容放置在集中器，優(yōu)化采集器和載波電表的硬件結(jié)構(gòu)，結(jié)合采集系統(tǒng)的組網(wǎng)特征，提出低壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)的自動組網(wǎng)算法［１］ 。

２．３ 電力抄表系統(tǒng)載波通信自動組網(wǎng)算法

２．３．１ 基礎(chǔ)理論

在低壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)運行過程中，通信信號的信噪比和低壓電力線各方面因素有直接聯(lián)系，如網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、物理長度、負載狀況等，信號信噪比越高，其抗干擾能力越強，能夠有效提高通信成功率。因此，在采集系統(tǒng)中，終端和集中器通信采用主?從半雙工通信方法，集中器在整個通信中占主要地位，集中器和下屬終端通信由集中器提出，集中器結(jié)構(gòu)中儲存詳細的路由表，致使整個組網(wǎng)流程在集中器中進行。集中器先邏輯分層下屬終端，構(gòu)建起初始路由，進一步優(yōu)化路由表，以保證通信上下行路徑基本相同。

２．３．２ 幀格式

為提高組網(wǎng)幀格式的應(yīng)用范圍，在分析多功能電表通信標(biāo)準規(guī)范后，將６８ Ｈ 作為第一幀，地址域主要包括存放幀的源地址、中繼地質(zhì)、目的地質(zhì)等，存放幀表示傳播方向，數(shù)據(jù)域用來儲存各種數(shù)據(jù)，其中最常見的是信噪比數(shù)據(jù)。校驗碼是指第一幀到校驗碼前全部字符的模２５６ 相加，結(jié)束符用１６ Ｈ 表示。規(guī)范組網(wǎng)幀格式內(nèi)容如圖１ 所示。

２．３．３ 組網(wǎng)的前提條件

（１）在通信網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置ｎ 個通信終端，且保證ｎ始終大于１，在集中器中儲存終端編碼。

（２）集中器擁有計算檢測信號信噪比的能力。

（３）假設(shè)集中器和終端在通信中不產(chǎn)生沖突事件為Ｔｍ，Ｔｍ 主要包括報文保護時間、處理時間、反應(yīng)時間等，該數(shù)據(jù)通常在實踐測試中取得。

（４）任何終端能和一個終端電氣進行連接，且在有效通信范圍中避免出現(xiàn)通信孤島作用。

（５）組網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量基本相同。

２．３．４ 具體算法和步驟

２．４ 建立終端的邏輯分層和初始路由表

先提前規(guī)范通信路徑的信號信噪比，當(dāng)信噪比高于Ｐ 時，說明通信路基穩(wěn)定性滿足行業(yè)標(biāo)準。組網(wǎng)實施步驟如下。

首先，在時間片Ｔｍ 中，集中器依次向下屬終端傳輸尋呼報文，若中繼地址和ＩＤ 相同，則轉(zhuǎn)載該報文；若目的地址和物理ＩＤ 相同，則利用原有尋呼報文路徑向集中器傳輸應(yīng)答報文。集中器接收到信號后，查詢通信信號的信噪比，若信號信噪比滿足行業(yè)標(biāo)準，則自動記錄終端定值和通信信號信噪比，若第１ 輪所有環(huán)節(jié)符合要求，則將信號終端為邏輯層１；若集中器在尋呼報文發(fā)送后，未能接收到報文信息，則說明報文信號覆蓋范圍距離集中器有一段距離，集中器無法完成邏輯分層工作，要對其他終端進行邏輯分層。

其次，在第２ 輪邏輯分層中要注重集中器工作效率，通過邏輯層１ 終端完成尋呼工作工作，分析不同終端所在具體位置。同時，為充分發(fā)揮中繼效率，要合理控制邏輯分層數(shù)量，將邏輯層１ 中最低終端全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹欣^終端，信噪比小的終端轉(zhuǎn)換成中繼中端，根據(jù)上述內(nèi)容進行以此類推，直到所有邏輯層１ 終端為中繼中端。而在進行集中器終端分層時，自動跳過已分層的終端；在報文回傳時，通過集中器收集通信信號的信噪比，將信噪比條件終端作為邏輯層２，詳細記錄通信數(shù)據(jù)。當(dāng)全部終端被發(fā)現(xiàn)，說明終端邏輯分層任務(wù)完成，不用進行邏輯分層工作［２］ 。

最后，要對剩余終端進行第３ 輪尋呼，將中繼深度為１ 的通信路徑作為中繼終端，終端列為邏輯層３，實施步驟和上述基本相同。當(dāng)所有終端被查出，說明分層任務(wù)通過，如果未全部發(fā)現(xiàn)，要將剩余終端進行邏輯分層（如圖２ 所示）。

２．５ 初始路由表的優(yōu)化

初始路由表決定著通信網(wǎng)絡(luò)性能，改善初始路由表能提高通信穩(wěn)定性。如果將優(yōu)化后的終端和邏輯層終端間通信路徑定位為Ｓ 條，初始路由表優(yōu)化過程如下。首先，如果通信網(wǎng)絡(luò)的信道質(zhì)量在組網(wǎng)中不出現(xiàn)任何變化，工作人員可直接優(yōu)化邏輯層２ 終端路由，能有效縮短運行時間。實際優(yōu)化中，要測試每個邏輯層２ 中的終端，判斷其通信路徑的信噪比，如通過路由表初始化后，終端ａ，ｂ，ｃ，ｄ 全部在邏輯層１中，終端ｑ，ｈ，ｆ，ｔ 在邏輯層２，在優(yōu)化終端ｑ 的路徑時，要提前測量路徑的通信信號信噪比。如果僅有單條路徑滿足行業(yè)要求，即是原有初始路由表中的那條。如果多條路徑符合條件，要記錄信噪比較高的通信路徑［３］ 。

其次，要優(yōu)化邏輯層３ 中的所有終端路由，實施步驟和上述步驟相同，要測試每個邏輯層３ 中的終端，判斷其通信路徑的信噪比，如通過路由表初始化后，終端ｇ，ｌ，ｒ 全部在邏輯層３ 中，終端ｄ，ｆ，ｒ 在邏輯層３，在優(yōu)化終端ｑ 的路徑時，要提前測量路徑的通信信號信噪比［４］ 。如果僅有單條路徑滿足行業(yè)要求，即是原有初始路由表中的那條。如果多條路徑符合條件，要記錄信噪比較高的通信路徑。工作人員要持續(xù)進行上述步驟，直到所有終端完成路由優(yōu)化作業(yè)（如圖３ 所示）。

２．６ 路由表的動態(tài)更新和重構(gòu)策略

在路由表結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，工作人員要保證低壓表通信網(wǎng)絡(luò)滿足各種通信環(huán)境，才能進行接下來的操作。如果在終端通信和集中器相互連接時，終端和集中器的通信路徑較多，要優(yōu)先應(yīng)用信噪比最高的通信路徑。如果通信交流失敗，要選擇信噪比較低的路徑，直到能自由通信。同時，在通信中集中器自動測量通信路徑的信噪比參數(shù)，實時更新數(shù)據(jù)內(nèi)容，標(biāo)記通信不成功路徑。如果該路徑無法在規(guī)定時間內(nèi)通信，要及時刪除該通信路徑所有數(shù)據(jù)，重構(gòu)該終端的路由表結(jié)構(gòu)。在路由重構(gòu)過程中，要先刪除終端的通信路徑，利用上述方法確定終端的邏輯分層和初始通信路由，優(yōu)化路由結(jié)構(gòu)。如果終端在整個網(wǎng)絡(luò)中都不能被發(fā)現(xiàn)，要將其作為嚴重損壞的路由，在網(wǎng)絡(luò)中進行移除，即是闡述終端物理ＩＤ。而動態(tài)組網(wǎng)方法能通過人為手段控制低壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)，加強網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。對于通信環(huán)境較佳的網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)中要設(shè)置較?。?值和信噪比限值，合理降低集中器的硬件要求和邏輯分層數(shù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境過于惡劣時，要設(shè)置較大信噪比限制和Ｓ 值，增加終端邏輯分層數(shù)，提高對集中器硬件的要求［５］ 。

３ 仿真和分析

３．１ 仿真條件和參數(shù)

在Ｍａｔｌａｂ 中以坐標(biāo)平面為基礎(chǔ)，隨機布置點替換實際低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)中的隨機分布終端，仿真點數(shù)量設(shè)置為６０ 個，集中器在坐標(biāo)（０，０）位置；每個點均能和其他點進行相互通信，有效解決孤島現(xiàn)象；當(dāng)最高有效通信距離相同時，兩點間距離縮短，抗干擾能力越強，通信成功率呈現(xiàn)直線上升趨勢［６］ 。

３．２ 抗干擾性能分析

當(dāng)Ｓ ＝１，最高通信距離ｌ ＝ ５ 時，為了對終端進行邏輯分層和對通信拓撲結(jié)構(gòu)進行分析，優(yōu)化初始路由表，明顯提高了整個網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力，并在不改變中繼深度基礎(chǔ)上，加強了通信可靠性。比如，點（－８，８）在路由優(yōu)化前的通信路徑長度為１３．６０，優(yōu)化后的通信路徑長度為１１．６６。路由表優(yōu)化前的通信拓撲結(jié)構(gòu)如圖４ 所示。

為準確體現(xiàn)出抗干擾能力，定義參數(shù)ｒ：

ｒ ＝（ｌ－Ｌ） ／ ｌ （１）

式中，ｌ 表示組網(wǎng)組最高有效通信距離；Ｌ 表示實際路由的平均通信距離。通過分析上述公式，發(fā)現(xiàn)ｒ 值越大，通信網(wǎng)絡(luò)抗性越高［７］ 。

當(dāng)Ｓ ＝１ 時，通過調(diào)節(jié)ｌ 值進行組網(wǎng)工作，經(jīng)過路由優(yōu)化，明顯加強了網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力，當(dāng)最高有效通信距離出現(xiàn)變化時，路由優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)ｒ 提升程度基本相同；當(dāng)Ｓ 大于１ 時，通過路由優(yōu)化后的通信路徑趨于多樣化；Ｓ ＝２ 時，通信拓撲內(nèi)容過于復(fù)雜，終端和集中器中有２ 條通信路徑，１ 條通信路徑失效，自動啟動剩余通信路徑，以避免影響路由重構(gòu)傳輸效率，加強通信實時性［８］ 。

３．３ 路由器優(yōu)化的耗時仿真分析

通過分析對比不同最大的有效通信距離和Ｓ 值下的優(yōu)化耗能，發(fā)現(xiàn)Ｓ 條件相同時，最高通信距離增加，路由優(yōu)化耗時呈現(xiàn)先增后減的趨勢；最高有效通信距離較小時，Ｓ 值優(yōu)化時間增加，不同Ｓ 值間的優(yōu)化時間差異縮短（如圖５ 所示）。

集中器中有２ 條通信路徑，１ 條通信路徑失效，自動啟動剩余通信路徑，以避免影響路由重構(gòu)傳輸效率，加強通信實時性［８］ 。

３．３ 路由器優(yōu)化的耗時仿真分析

通過分析對比不同最大的有效通信距離和Ｓ 值下的優(yōu)化耗能，發(fā)現(xiàn)Ｓ 條件相同時，最高通信距離增加，路由優(yōu)化耗時呈現(xiàn)先增后減的趨勢；最高有效通信距離較小時，Ｓ 值優(yōu)化時間增加，不同Ｓ 值間的優(yōu)化時間差異縮短（如圖５ 所示）。圖５ 不同最大的有效通信距離和Ｓ 值下的優(yōu)化耗能對比

４ 結(jié)束語

從目前低壓電力線通信情況來看，其存在很多方面的問題，如多徑效應(yīng)和反射、噪聲影響嚴重、信號衰減等。若縮短信號在低壓電力線上傳輸?shù)木嚯x，則減少了通信可靠性，針對該情況，工作人員應(yīng)從網(wǎng)絡(luò)層和物理層提高低壓載波通信的可靠性，保障低壓電力線順利運行。

參考文獻：

［１］ 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣東電力通信科技有限公司．一種低壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)安全防御方法及系統(tǒng)［Ｐ］．中國，ＣＮ２０２１１１１５５７８２．２，２０２２?０１?０７．

［２］ 崔瑩．基于改進遺傳蟻群算法的低壓ＰＬＣ 網(wǎng)絡(luò)路由方法［Ｊ］．電力自動化設(shè)備，２０２２，４２（３）：２１０?２１７．

［３］ 王清，荊臻，代燕杰，等．基于電力線載波通信協(xié)議的時鐘同步方法研究［Ｊ］．電測與儀表，２０２２，５９（１０）：１８４?１９０．

［４］ 山東梅格彤天電氣有限公司．基于ＩＰ 化寬帶載波通信的低壓拓撲自動識別方法及系統(tǒng)［ Ｐ ］． 中國，ＣＮ２０２２１０１５９３３０．Ｘ，２０２２?０４?２２．

［５］ 李思維．基于ＯＦＤＭ 的低壓電力線載波通信信道估計優(yōu)化算法的研究［Ｄ］．寧夏：寧夏大學(xué)，２０２１．

［６］ 李新家，宋煜，祝永晉，等．一種臺區(qū)本地雙模通信網(wǎng)絡(luò)信道與中繼節(jié)點選擇方法［Ｊ］．自動化與儀器儀表，２０２１（４）：１９４?１９８．

［７］ 中國電力科學(xué)研究院，國家電網(wǎng)公司．一種用于對低壓電力線寬帶載波通信互操作性進行測試的方法及系統(tǒng)［Ｐ］．中國，ＣＮ２０１７１０４１７９４４．２，２０２１?０６?１５．

［８］ 常富．基于ＺＹＮＱ 2０的寬帶電力線載波通信測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)