配電網PLC組網方法研究

摘 要：配電網PLC組網方法是利用電力線載波技術進行配電網的通信和控制的一種有效手段。本文提出了一種基于改進的粒子群優(yōu)化算法的PLC組網優(yōu)化模型，旨在提高PLC組網的通信性能和可靠性。研究結果表明，對PLC網絡進行優(yōu)化組網，能夠合理分配每個節(jié)點的角色和通信鄰居，從而提高網絡的通信效率和可靠性。本文算法比蟻群算法具有更高的資源利用效率和更低的通信成本，更適合PLC網絡的組網優(yōu)化。

關鍵詞：配電網；PLC組網方法；優(yōu)化算法

中圖分類號：TM 76" " " 文獻標志碼：A

配電網PLC組網方法是利用電力線載波技術進行配電網的通信和控制的一種有效手段。然而，配電網PLC組網方法也面臨一些挑戰(zhàn)，主要是電力線信道的復雜性和不確定性[1]。

電力線信道受到電力線本身的物理特性、負載的變化、噪聲的干擾等因素的影響，導致信道的衰落、失配、非線性等現象，使信道的帶寬、容量、穩(wěn)定性等參數難以預測和控制[2]。李姣軍等[3]對PLC通信技術進行了深入研究，包括信號傳輸特性、通信協議、抗干擾能力等方面的研究，為配電網PLC組網方法的研究奠定了基礎。袁武等[4]對PLC組網的拓撲結構進行了探討和研究，包括星型、總線型、樹型等不同的網絡結構，以及它們在配電網中的應用和優(yōu)缺點分析。陳讓朱等[5]對PLC組網的通信協議進行了研究，包括基于媒體訪問控制（MAC）的協議、路由協議、網絡管理協議等方面的研究，以提高PLC組網的性能和可靠性。

本文旨在研究配電網PLC異構網絡的組網方法，分析不同的通信技術在配電網中的適用性和優(yōu)劣性，提出一種基于網絡性能和成本的組網優(yōu)化模型，求解出最優(yōu)的組網方案，實現配電網通信高效率和低成本的目標。

1 算法概述

本文利用圖論的方法，針對中壓配電網的信道特性和網絡結構，構建了電力線載波通信網絡的組網模型，并使用遺傳算法對其進行優(yōu)化。代數計數器g設置為0，并設置進化代數最大值G和種群范圍NP。具有n個節(jié)點、m條鏈路的載波通信網絡的鄰接矩陣隨機產生，矩陣下三角區(qū)域隨機選取m個位置并賦值為1。初始種群P1中，隨機挑選q個個體，計算其各自的適應度（網絡價值W），如公式（1）所示。

（1）

式中：W為PLC網絡價值總函數；Wj-k為節(jié)點j和k間鏈路的網絡價值；j為j節(jié)點的節(jié)點價值。

2 PLC網絡設計

PLC網絡通信節(jié)點簡化圖如圖1所示。電力線載波通信節(jié)點是將配電網的電力線作為傳輸介質并實現數據通信的一種技術。本文主要分析A變電站上的12個節(jié)點。如圖1所示，本文針對這些節(jié)點設計了一種組網算法，以提高通信效率和可靠性。組網算法的目標是根據節(jié)點間的信道質量和網絡拓撲確定每個節(jié)點的角色（主節(jié)點或從節(jié)點）和通信鄰居（與之直接通信的節(jié)點），并建立一種合理的路由機制，使任意2個節(jié)點間都能通過多跳通信實現數據傳輸。

圖1是一個基于遺傳算法的載波通信組網流程圖，描述了如何利用遺傳算法對PLC網絡進行優(yōu)化組網。遺傳算法是一種模擬自然進化過程的隨機搜索算法，通過不斷地對一組候選解進行選擇、交叉和變異等操作來尋找最優(yōu)解或近似最優(yōu)解。本文將遺傳算法應用于PLC網絡的組網問題，目的是找到一種最佳節(jié)點角色分配和路由選擇方案，使網絡的通信性能最優(yōu)。具體是將PLC網絡的組網問題轉化為一個二進制編碼問題，即用一個二進制串來表示每個節(jié)點的角色和通信鄰居。然后根據一定的評價函數計算每個二進制串的適應度值，反映其通信性能的優(yōu)劣。采用遺傳算法的基本步驟，如圖1所示，來不斷更新和優(yōu)化二進制串的集合，直到滿足終止條件。最后得到一個最優(yōu)的二進制串，即最優(yōu)的組網方案。

3 結果分析

2種不同的選擇算子對PLC網絡組網的適應度進化的影響如圖2所示。從圖2可以看出，錦標賽選擇算子具有更快的收斂速度和更高的適應度值，它在20次迭代后達到較優(yōu)水平，70次迭代后達到最優(yōu)水平。而質量比例輪盤選擇算子則表現出較大的適應度波動和較慢的收斂速度，需要140次迭代才能達到最優(yōu)水平。表明錦標賽選擇算子能夠更有效地保留優(yōu)良個體，同時增加種群的多樣性，從而避免陷入局部最優(yōu)。而質量比例輪盤選擇算子則易受適應度差異的影響，導致優(yōu)勢個體占據比例過大，從而降低了種群的多樣性，使搜索過程緩慢。因此，錦標賽選擇算子是一種更適于PLC網絡組網問題的選擇算子。

基于圖1的PLC網絡組網示意圖如圖3所示，在圖3中，根據實際的配電網拓撲結構和各節(jié)點的地理位置確定節(jié)點坐標，根據實際的距離和衰耗計算節(jié)點間的鏈路。通過使用本文提出的算法，可對PLC網絡進行優(yōu)化組網，使每個節(jié)點的角色和通信鄰居都能得到合理分配，從而提高網絡的通信效率和可靠性。圖3中的連線表示每個節(jié)點的通信方向，即每個節(jié)點只與其連接的節(jié)點進行直接通信，而其他節(jié)點則通過多跳通信進行數據傳輸。這樣的組網方案可有效減少通信沖突和干擾，同時增加通信路徑的多樣性，從而提高網絡的抗毀性和穩(wěn)定性。

3.1 組網算法

在相同的信道特性條件下，采用蟻群組網算法[6]對節(jié)點進行的組網試驗如圖4所示。從圖4可以發(fā)現，蟻群組網算法沒有考慮中壓配網的實際拓撲結構，導致為位于分支線路的節(jié)點2、12分配的鏈路過多，造成了資源浪費和通信冗余。蟻群組網算法沒有考慮節(jié)點的地理位置和價值，導致為位于中心位置且價值高的節(jié)點8分配的鏈路過少，造成了資源閑置和通信瓶頸。蟻群組網算法沒有考慮信道特性，導致為距離較遠的節(jié)點3、5、7、9、10、11分配了直接的鏈路，造成了信號衰減和通信不穩(wěn)定。因此，蟻群組網算法的組網效果不理想，與配電網的實際物理鏈路有較大差異，不能滿足PLC網絡的性能要求。相比下，本文組網算法的組網效果較好，與配電網的實際拓撲結構較一致，能夠滿足PLC網絡的性能要求。本文組網算法的優(yōu)勢是以載波節(jié)點在傳輸過程中的衰耗、節(jié)點間的實際距離以及節(jié)點自身價值為約束條件，對PLC網絡進行優(yōu)化，使資源分配更合理，提升了通信效率。本文組網算法考慮了節(jié)點的地理位置和價值，為位于中心位置且價值高的節(jié)點8分配了較多鏈路，使資源利用更充分，并實現了高質量通信。本文組網算法考慮了信道特性，為距離較遠的節(jié)點3、5、7、9、10、11分配了間接鏈路，使信號得到增強，通信更穩(wěn)定。

3.2 網絡價值

2種組網算法在不同鏈路數下的網絡價值W的對比結果如圖5所示。網絡價值W反映了PLC網絡的整體性能，包括節(jié)點、鏈路以及節(jié)點衰耗等因素。從圖5可以看出，本文算法在所有鏈路數下都優(yōu)于蟻群算法，表明本文算法具有更高的組網效率和網絡質量。本文算法在13條鏈路下的網絡價值W為5.8×105，而蟻群算法為5.5×105，相差約5.5%；在16條鏈路下，本文算法為5.6×105，而蟻群算法為5.3×105，相差約5.7%；在19條鏈路下，本文算法為5.4×105，而蟻群算法為5.1×105，相差約5.9%；在22條鏈路下，本文算法為5.2×105，而蟻群算法為4.9×105，相差約6.1%?？梢钥闯?，隨著鏈路數增加，2種算法的網絡價值W都呈下降趨勢，但本文算法的下降幅度小于蟻群算法，說明本文算法更能適應復雜的網絡環(huán)境，并保持較高的網絡性能。

3.3 中繼節(jié)點占比

2種組網算法在不同載波通信節(jié)點總數下的中繼節(jié)點占比η的對比結果如圖6所示。中繼節(jié)點占比η是一個重要的網絡性能指標，反映了PLC網絡的資源利用效率和通信成本。從圖6可以看出，本文算法在所有載波通信節(jié)點總數下都優(yōu)于蟻群算法，表明本文算法具有更高的資源利用效率和更低的通信成本。具體來說，本文算法在15個節(jié)點下的中繼節(jié)點占比η為0.3，而蟻群算法為0.4，相差約25%；在20個節(jié)點下，本文算法為0.28，而蟻群算法為0.38，相差約26%；在25個節(jié)點下，本文算法為0.26，而蟻群算法為0.36，相差約28%；在30個節(jié)點下，本文算法為0.24，而蟻群算法為0.34，相差約29%；在35個節(jié)點下，本文算法為0.22，而蟻群算法為0.32，相差約31%?？梢钥闯?，隨著載波通信節(jié)點總數增加，2種算法的中繼節(jié)點占比η都呈下降趨勢，但本文算法的下降幅度小于蟻群算法，說明本文算法更能適應復雜的網絡環(huán)境，并保持較高的資源利用效率和較低的通信成本。

本文算法以載波節(jié)點在傳輸過程中的衰耗、節(jié)點間的實際距離以及節(jié)點自身價值為約束條件，對PLC網絡進行優(yōu)化，從而降低了中繼節(jié)點占比η。而蟻群算法則是基于啟發(fā)式的搜索策略，通過模擬自然界中螞蟻的行為，尋找最優(yōu)的組網方案，但忽略了一些重要的網絡特性，導致中繼節(jié)點占比η較高。因此，與蟻群算法相比，本文算法具有更高的資源利用效率和更低的通信成本，更適合PLC網絡的組網優(yōu)化。

4 結論

本文利用圖論的方法，針對中壓配電網的信道特性和網絡結構，構建了電力線載波通信網絡的組網模型，并使用遺傳算法對其進行了優(yōu)化。研究結論包括以下3點。1）本文組網的每個節(jié)點只與其連接的節(jié)點進行直接通信，而其他節(jié)點則通過多跳通信進行數據傳輸。該組網方案可有效減少通信沖突和干擾，同時增加通信路徑的多樣性，從而提高網絡的抗毀性和穩(wěn)定性。2）本文組網算法考慮了信道特性，導致為距離較遠的節(jié)點3、5、7、9、10、11分配了間接的鏈路，增強了信號，并保持了通信的穩(wěn)定性。3）本文算法以載波節(jié)點在傳輸過程中的衰耗、節(jié)點間的實際距離以及節(jié)點自身價值為約束條件，對PLC網絡進行優(yōu)化，從而降低了中繼節(jié)點占比η。

參考文獻

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[2]王艷，陳浩，趙洪山，等.網絡模式下配電物聯網載波通信匹配組網方法[J].電力自動化設備，2021，41（6）：59-65，80，66.

[3]李姣軍，賈智予，張亭亭，等.基于改進蟻群算法的電纜防盜網絡組網方法[J].重慶理工大學學報（自然科學），2017，31（12）：160-165.

[4]袁武.低壓電網末端無功電容就地補償的三種實用方法[J].武漢交通職業(yè)學院學報，2004（2）：67-69.

[5]陳讓朱.低壓配網載波通信的探討[J].中國新技術新產品，2011（19）：38.

[6]劉曉勝，戚佳金，宋其濤，等.基于蟻群算法的低壓配電網電力線通信組網方法[J].中國電機工程學報，2008（1）：71-76.