低壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)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?fù)淠Ｐ秃徒M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(jìn)該技術(shù)向自動(dòng)化方向發(fā)展 提高自動(dòng)組網(wǎng)技術(shù)的簡(jiǎn)易性和可靠性 同時(shí) 結(jié)合實(shí)際案例 真實(shí)仿真自動(dòng)組網(wǎng)方法 研究結(jié)果證明 該組網(wǎng)方法耗時(shí)量較少 能縮短不同節(jié)點(diǎn)間的通信距離 提高網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的實(shí)時(shí)性

關(guān)鍵詞 電力線通信 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 自動(dòng)路由 邏輯分層 路由重構(gòu)

中圖法分類號(hào)tp18? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼a

１ 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，相關(guān)部門提高了對(duì)低壓電力線管理的重視程度，針對(duì)低壓電力線運(yùn)行制定了各種相關(guān)政策，以保證低壓電力線運(yùn)行安全性能達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。為進(jìn)一步拓展通信范圍，研究各種動(dòng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)算法等，均能實(shí)現(xiàn)路由的自動(dòng)中繼工作。其中，蟻群算法具備并列運(yùn)行、分布式計(jì)算等特征，但在日常應(yīng)用中很容易出現(xiàn)資源浪費(fèi)問題，應(yīng)合理控制組網(wǎng)時(shí)間和結(jié)點(diǎn)數(shù)量，優(yōu)化帶寬內(nèi)容；邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組織方法應(yīng)用流程簡(jiǎn)單，由于路由動(dòng)態(tài)重構(gòu)方法過于滯后，導(dǎo)致其自愈能力無法達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)；非交疊分簇的路由算法基于信道質(zhì)量動(dòng)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?yàn)槠洳僮鳝h(huán)境過于復(fù)雜，整個(gè)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(cuò)誤概率，降低了組網(wǎng)運(yùn)行速度。

２ 集中抄表系統(tǒng)

２．１ 采集系統(tǒng)的邏輯通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

集中抄表系統(tǒng)主要包括采集系統(tǒng)、主站、遠(yuǎn)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(tái)區(qū)變壓器低壓一側(cè)，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和收集工作，其邏輯拓?fù)涫且环N樹形的混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于變壓器鐵芯對(duì)信號(hào)起到高衰減作用，從邏輯角度來看，三相間處于相互獨(dú)立狀態(tài)，因此在研究中將一相作為研究對(duì)象，能體現(xiàn)出研究數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(yùn)行過程中，采集系統(tǒng)組網(wǎng)的各種復(fù)雜特點(diǎn)如下。（１）通信邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜。信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)波動(dòng)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(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)組網(wǎng)算法自愈性能和抗毀性提出更高標(biāo)準(zhǔn)。（２）實(shí)時(shí)性要求較低。電力集中抄表系統(tǒng)目的是全面覆蓋實(shí)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(shí)時(shí)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(jiǎn)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(dòng)組網(wǎng)算法［１］ 。

２．３ 電力抄表系統(tǒng)載波通信自動(dòng)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(yùn)行過程中，通信信號(hào)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(fù)載狀況等，信號(hào)信噪比越高，其抗干擾能力越強(qiáng)，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(gè)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(chǔ)存詳細(xì)的路由表，致使整個(gè)組網(wǎng)流程在集中器中進(jìn)行。集中器先邏輯分層下屬終端，構(gòu)建起初始路由，進(jìn)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(zhǔn)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(chǔ)存各種數(shù)據(jù)，其中最常見的是信噪比數(shù)據(jù)。校驗(yàn)碼是指第一幀到校驗(yàn)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(gè)通信終端，且保證ｎ始終大于１，在集中器中儲(chǔ)存終端編碼。

（２）集中器擁有計(jì)算檢測(cè)信號(hào)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(bào)文保護(hù)時(shí)間、處理時(shí)間、反應(yīng)時(shí)間等，該數(shù)據(jù)通常在實(shí)踐測(cè)試中取得。

（４）任何終端能和一個(gè)終端電氣進(jìn)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(hào)信噪比，當(dāng)信噪比高于Ｐ 時(shí)，說明通信路基穩(wěn)定性滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。組網(wǎng)實(shí)施步驟如下。

首先，在時(shí)間片Ｔｍ 中，集中器依次向下屬終端傳輸尋呼報(bào)文，若中繼地址和ＩＤ 相同，則轉(zhuǎn)載該報(bào)文；若目的地址和物理ＩＤ 相同，則利用原有尋呼報(bào)文路徑向集中器傳輸應(yīng)答報(bào)文。集中器接收到信號(hào)后，查詢通信信號(hào)的信噪比，若信號(hào)信噪比滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，則自動(dòng)記錄終端定值和通信信號(hào)信噪比，若第１ 輪所有環(huán)節(jié)符合要求，則將信號(hào)終端為邏輯層１；若集中器在尋呼報(bào)文發(fā)送后，未能接收到報(bào)文信息，則說明報(bào)文信號(hào)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(duì)其他終端進(jìn)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(shí)，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(jìn)行以此類推，直到所有邏輯層１ 終端為中繼中端。而在進(jìn)行集中器終端分層時(shí)，自動(dòng)跳過已分層的終端；在報(bào)文回傳時(shí)，通過集中器收集通信信號(hào)的信噪比，將信噪比條件終端作為邏輯層２，詳細(xì)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(jìn)行邏輯分層工作［２］ 。

最后，要對(duì)剩余終端進(jìn)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(shí)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(jìn)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(yùn)行時(shí)間。實(shí)際優(yōu)化中，要測(cè)試每個(gè)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(shí)，要提前測(cè)量路徑的通信信號(hào)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(shí)施步驟和上述步驟相同，要測(cè)試每個(gè)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(shí)，要提前測(cè)量路徑的通信信號(hào)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(jìn)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(dòng)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(jìn)行接下來的操作。如果在終端通信和集中器相互連接時(shí)，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(shí)，在通信中集中器自動(dòng)測(cè)量通信路徑的信噪比參數(shù)，實(shí)時(shí)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(shí)間內(nèi)通信，要及時(shí)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(gè)網(wǎng)絡(luò)中都不能被發(fā)現(xiàn)，要將其作為嚴(yán)重?fù)p壞的路由，在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行移除，即是闡述終端物理ＩＤ。而動(dòng)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(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。對(duì)于通信環(huán)境較佳的網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)中要設(shè)置較小Ｓ 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(shí)，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(duì)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(jī)布置點(diǎn)替換實(shí)際低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)中的隨機(jī)分布終端，仿真點(diǎn)數(shù)量設(shè)置為６０ 個(gè)，集中器在坐標(biāo)（０，０）位置；每個(gè)點(diǎn)均能和其他點(diǎn)進(jìn)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(shí)，兩點(diǎn)間距離縮短，抗干擾能力越強(qiáng)，通信成功率呈現(xiàn)直線上升趨勢(shì)［６］ 。

３．２ 抗干擾性能分析

當(dāng)Ｓ ＝１，最高通信距離ｌ ＝ ５ 時(shí)，為了對(duì)終端進(jìn)行邏輯分層和對(duì)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，優(yōu)化初始路由表，明顯提高了整個(gè)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(qiáng)了通信可靠性。比如，點(diǎn)（－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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖４ 所示。

為準(zhǔn)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(shí)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(shí)，通過調(diào)節(jié)ｌ 值進(jìn)行組網(wǎng)工作，經(jīng)過路由優(yōu)化，明顯加強(qiáng)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(shí)，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(shí)，通過路由優(yōu)化后的通信路徑趨于多樣化；Ｓ ＝２ 時(shí)，通信拓?fù)鋬?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(dòng)啟動(dòng)剩余通信路徑，以避免影響路由重構(gòu)傳輸效率，加強(qiáng)通信實(shí)時(shí)性［８］ 。

３．３ 路由器優(yōu)化的耗時(shí)仿真分析

通過分析對(duì)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(shí)，最高通信距離增加，路由優(yōu)化耗時(shí)呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)；最高有效通信距離較小時(shí)，Ｓ 值優(yōu)化時(shí)間增加，不同Ｓ 值間的優(yōu)化時(shí)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(dòng)啟動(dòng)剩余通信路徑，以避免影響路由重構(gòu)傳輸效率，加強(qiáng)通信實(shí)時(shí)性［８］ 。

３．３ 路由器優(yōu)化的耗時(shí)仿真分析

通過分析對(duì)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(shí)，最高通信距離增加，路由優(yōu)化耗時(shí)呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)；最高有效通信距離較小時(shí)，Ｓ 值優(yōu)化時(shí)間增加，不同Ｓ 值間的優(yōu)化時(shí)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(duì)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(yán)重、信號(hào)衰減等。若縮短信號(hào)在低壓電力線上傳輸?shù)木嚯x，則減少了通信可靠性，針對(duì)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(yùn)行。

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