基于寬帶載波技術的集抄系統中傳輸延時預測方法

劉宣+劉志康+徐嘯飛+劉穎+鄭國權

摘 要： 寬帶載波通信技術在用電信息采集系統中的應用越來越多，抄表是寬帶載波通信在我國電網中的一項典型應用。然而目前寬帶載波通信產品之間兼容性差、缺乏統一的通信標準和協議，導致在使用寬帶載波通信產品時很難評價各類產品的優劣。抄表的平均傳輸延時是評價寬帶載波抄表的一項重要指標，較低的傳輸延時意味著穩定的網絡結構、快速的抄表響應和高效的數據傳輸等，提高用電信息系統中數據采集效率。為了合理評價集抄產品的性能，提出一種寬帶載波抄表傳輸延時的預測方法，利用多元線性回歸方法根據采樣時間和網絡拓撲結構對抄表的平均傳輸延時進行預測。實驗結果驗證了該預測方法的可行性和有效性。

關鍵詞： 寬帶載波通信； 平均傳輸延時； 集抄系統； 數據采集； 網絡拓撲； 多元線性回歸方法

中圖分類號： TN913.6?34； TP321.11 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）06?0079?03

Abstract： Wideband carrier communication technology is more and more widely applied in electricity information acquisition system， and meter reading is a typical application of wideband carrier communication in state power grid. However， it is difficult to evaluate the performance of wideband carrier communication products when using them due to the poor compatibility among current wideband carrier communication products and lack of the unified communication standard and protocol. The average transmission delay of meter reading is an important index for evaluating wideband carrier meter reading， and low transmission delay means stable network structure， fast reading response， and efficient data transmission， and can improve the data acquisition efficiency of electricity information system. To evaluate the performance of centralized meter reading products properly， a transmission delay prediction method for wideband carrier meter reading is proposed. According to the sampling time and network topology structure， the multiple linear regression method is adopted to predicate average transmission delay for meter reading. The experimental results verified the feasibility and effectiveness of the prediction method.

Keywords： wideband carrier communication； average transmission delay； centralized meter reading system； data acquisition； network topology； multiple linear regression

電力線通信（Power Line Communication，PLC）是指利用電力線作為媒介進行數據傳輸的一種通信技術，廣泛應用于遠程抄表、家居自動化等低速控制以及高速信息傳輸。電力線通信通常分為窄帶電力線通信和寬帶電力線通信。窄帶通信技術的研究較早，但受帶寬限制只能實現低速的數據傳輸，難以承載越來越高的業務數據傳輸要求。近年來，低壓側寬帶電力線通信技術不斷發展，傳輸的速率和穩定性不斷提高。

近年來隨著電力線寬帶通信技術的興起和發展，引起了國內學術界和國家電網公司的高度重視。但是由于我國低壓配電網的網絡結構、負荷特性、供電方式和國外有很大的不同，國外已有的理論研究成果和應用系統不能完全適應我國的電網需求。我國在寬帶載波通信的核心技術和應用產品方面做出了大量的研究。如郭麗莎設計了一種基于OFDM的寬帶電力線載波通信系統[1]；曹旺斌等人提出一種多輸入多輸出的寬帶電力線載波通信信道混合模型[2]；齊火箭等人對寬帶載波通信中的干擾過濾技術進行研究[3]；黃銀龍等人對格狀網結構的電力線載波通信的信道特性進行分析等[4]。

隨著國網管理要求的提升，以及“全采集、全覆蓋、全費控”目標的提出，在我國集中抄表系統中已經開始逐步使用寬帶載波通信技術。如文獻[5]設計一種基于電力線載波通信的智能用電管理系統，妙紅英等人對寬帶電力線載波通信技術在用電信息采集系統中的應用方向和前景進行了分析[6]，胡開文設計并實現了一個基于Homeplug Green PHY的寬帶電力線載波通信單元[7]，葛娟等人設計和實現了一個基于寬帶載波技術的集中抄表系統[8]。endprint

目前我國基于寬帶載波通信技術的集中抄表產品很多，但是各個產商的產品采用的標準不同，數據格式不同，產品之間很難做到互聯互通，使用者也很難從性能上區分各個產品的優劣。集中抄表機制中根據臺區電表檔案和所需抄讀的數據項，每小時啟動一輪抄讀，按順序將所需數據項抄回存儲，失敗的數據項和電表在約定的時間段內反復補抄。平均傳輸時延是評價抄表性能的一個重要指標，平均延時較低說明在很短時間內完成了抄表任務?；貧w分析方法是一種常用的數據預測方法，廣泛用于各個領域應用中[9?10]。本文提出一種對抄表平均延時的預測方法，采用多元回歸的方法對歷史數據進行分析，對未來一段時間內的抄表平均延時進行預測，為不同廠家的寬帶電力線載波方案評估、優化提供科學的數據支撐，同時也為系統的自動運維、故障感知提供數據服務。

1 傳輸延時預測方法

基于寬帶載波通信技術的集中抄表系統，其性能本質上取決于信道質量。國內電網信道在阻抗、衰減和噪聲等方面均具有特殊性，不同產商的集抄系統針對其中一種或多種因素進行優化，因此各類產品的外在性能存在差異。然而對用戶而言，很難從信道層面精確評價各類產品的抄表性能，平均傳輸延時是度量抄表性能的一項重要的外在指標。在集中抄表系統中，某輪抄表時段的平均傳輸延時等于抄表實際耗費時間與抄讀成功的電表數量的比值，即抄表時間越短、抄讀成功電表越多則平均傳輸延時越小。在基于寬帶載波通信的集中抄表過程中，每個集中器負責多個電表數據的抄讀。不同的產品將電表從邏輯上組成不同的拓撲結構，如圖1所示，而且這種拓撲結構在抄表過程中會實時發生變化。抄表過程中第一級電表直接將數據發送到集中器，而第二級電表需要通過第一級電表中繼才能將數據發送到集中器，第N級的電表需要經過N次中繼才能抄表完成。網絡拓撲的層級越多，抄表所需時間越多，因此網絡拓撲結構的穩定性是影響抄表平均延時的重要因素。通過對歷史拓撲結構信息和抄表的平均傳輸延時數據進行分析，可以發現平均傳輸時間與網絡拓撲結構的變化趨勢基本一致，第一級電表數量越多、層級越少，平均傳輸時間越短。而且每一天網絡拓撲結構的變化趨勢、平均傳輸時間的變化趨勢基本相同。

給定歷史抄表數據格式為（ti，ni1，ni2，…，nik，di），其中ti為相對于系統重置的相對時間，ni1，ni2，…，nik表示網絡拓撲中第1，2，…，n層電表數量，di表示平均傳輸延時。采用多元線性回歸方法，假設平均傳輸時間[d=β0+β1n1+β2n2+…βknk+βk+1t+μ]，其中[μ]為誤差變量。設[β0，β1，…，βk′]為參數[β0，β1，…，βk′]的估計值，其中[k′=k+1]，則回歸值[di]與觀測值di的殘差為：[ei=di-di=di-β0+β1ni1+β2ni2+…+βknik+βk′ti]。

由最小二乘法可知[β0，β1，…，βk′]應使殘差ei的平方和最小，即[Q=e2i=di-di2]最小。對Q依次求[β0，β1，…，βk′]的一階偏導并令其為0，進而可以解得[β=X′X-1X′D]，式中：

[β=（β0，β1，…，βk′）][X=1，n11，n12，…，n1k，t11，n21，n22，…，n2k，t2 ? ? ? ? ? ?1，nm1，nm2，…，nmk，tm，X′=1， 1， …， 1n11，n21，…，nm1n12，n22，…，nm2 ? ? ? ?t1， t2，…， tm，D=d1d2 ?dm]

求解得到[β0，β1，…，βk′]后即可進行平均傳輸延時的預測。如果在預測過程中對網絡拓撲信息未知，則可以根據歷史數據推測出拓撲信息，因為對于同一類產品在每個測量周期內的網絡拓撲信息的變化趨勢基本相同。當前周期內ti時刻的網絡拓撲第j級電表數量nij近似為前s個周期內相同時刻同一級電表數量的平均值，即[nij=ni-1，j+ni-2，j+…+ni-s，js]，其中s的值由用戶指定。

2 實驗結果分析

實驗選取某臺區36個電表為測試對象，每小時采集1次網絡拓撲信息和平均傳輸時間信息，集中抄表采用寬帶載波通信方式，每天為1個抄表周期，每個抄表周期內設備重置1次。以連續采集的100 h數據為測試數據集，網絡拓撲結構的變化如圖2所示?？梢钥闯雒刻欤ㄍ粋€周期內）網絡拓撲第一級電表數量的變化趨勢基本相同，同時網絡拓撲級數并不發生變化，只是每一級的電表數量發生變化。

對于抄表平均傳輸延時的預測結果如圖3所示，圖例中預測值1表示已知采樣時間和網絡拓撲結構時的預測值，而預測值2表示網絡拓撲結構未知時，先通過歷史信息推測得到拓撲信息再進行平均傳輸延時的預測結果。可以看出兩種預測結果的變化趨勢與實際觀測值的變化趨勢基本一致，表明該預測方法是可行的。同時可以看出網絡拓撲結構已知時的預測結果與實際值非常接近，而拓撲結構未知時的預測值與觀測值的差異較大，但預測值的精度基本在可接受范圍內，該結果也表明了該預測方法的有效性。

3 結 語

基于寬帶載波通信技術的抄表系統在我國電網中的應用越來越廣泛，但是各個產品的標準和數據格式不同，用戶很難科學地比較和評價產品的性能。本文提出一種基于寬帶載波技術的抄表傳輸延時預測方法，根據網絡拓撲結構和采樣時間對抄表的平均傳輸延時進行預測，有助于科學的評價產品的性能。實驗結果驗證了該方法的可行性和有效性。

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