低壓電力線載波通信網絡自動組網技術

龔勇

摘 要 為拓寬低壓電力線載波網絡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絡拓撲模型和組網特征 創新低壓電力線載波通信網絡組網技術 并促進該技術向自動化方向發展 提高自動組網技術的簡易性和可靠性 同時 結合實際案例 真實仿真自動組網方法 研究結果證明 該組網方法耗時量較少 能縮短不同節點間的通信距離 提高網絡應用的實時性

關鍵詞 電力線通信 拓撲結構 自動路由 邏輯分層 路由重構

中圖法分類號tp18? ?文獻標識碼a

１ 引言

隨著社會經濟不斷發展，相關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政策，以保證低壓電力線運行安全性能達到預期標準。為進一步拓展通信范圍，研究各種動態組網算法，如蟻群算法、非交疊分簇的路由算法、邏輯拓撲結構算法等，均能實現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，但在日常應用中很容易出現資源浪費問題，應合理控制組網時間和結點數量，優化帶寬內容；邏輯拓撲結構的組織方法應用流程簡單，由于路由動態重構方法過于滯后，導致其自愈能力無法達到預期標準；非交疊分簇的路由算法基于信道質量動態數據分析各種低壓電力線載波通信網絡，創新路由優化方法，因為其操作環境過于復雜，整個路由重構流程較多，給通信工作帶來較高的延遲性，無形中增加了錯誤概率，降低了組網運行速度。

２ 集中抄表系統

２．１ 采集系統的邏輯通信拓撲結構

集中抄表系統主要包括采集系統、主站、遠程信道等環節。其中采集系統有低壓電力線和各種通信終端，集中器和載波電表呈主?從關系，集中器通常設置在臺區變壓器低壓一側，主要負責網絡數據的存儲和收集工作，其邏輯拓撲是一種樹形的混合型拓撲結構。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，因此在研究中將一相作為研究對象，能體現出研究數據的準確性。

２．２ 集中抄表系統中采集系統的組網特征

在集中抄表系統運行過程中，采集系統組網的各種復雜特點如下。（１）通信邏輯拓撲結構復雜。信號傳輸數據波動易影響低壓電力線載波通信網絡，加上接入各種電氣隨機開關，導致通信信道出現不同程度的變化，影響到通信邏輯拓撲結構，進而對組網算法自愈性能和抗毀性提出更高標準。（２）實時性要求較低。電力集中抄表系統目的是全面覆蓋實際用戶用電數據和控制信息，但由于電力集中抄表系統通信數據量小，無形中降低了數據實時性要求，電力抄表系統長期處在空閑狀態。（３）組網算法和硬件簡單。由于我國電力用戶數量較大，因此要降低硬件控制投資成本。為充分發揮采集系統的組網特征，要將所有工作內容放置在集中器，優化采集器和載波電表的硬件結構，結合采集系統的組網特征，提出低壓電力線載波通信網絡的自動組網算法［１］ 。

２．３ 電力抄表系統載波通信自動組網算法

２．３．１ 基礎理論

在低壓電力線載波通信網絡運行過程中，通信信號的信噪比和低壓電力線各方面因素有直接聯系，如網絡結構、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，集中器結構中儲存詳細的路由表，致使整個組網流程在集中器中進行。集中器先邏輯分層下屬終端，構建起初始路由，進一步優化路由表，以保證通信上下行路徑基本相同。

２．３．２ 幀格式

為提高組網幀格式的應用范圍，在分析多功能電表通信標準規范后，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、目的地質等，存放幀表示傳播方向，數據域用來儲存各種數據，其中最常見的是信噪比數據。校驗碼是指第一幀到校驗碼前全部字符的模２５６ 相加，結束符用１６ Ｈ 表示。規范組網幀格式內容如圖１ 所示。

２．３．３ 組網的前提條件

（１）在通信網絡中設置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）假設集中器和終端在通信中不產生沖突事件為Ｔｍ，Ｔｍ 主要包括報文保護時間、處理時間、反應時間等，該數據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通信孤島作用。

（５）組網中網絡信道質量基本相同。

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

先提前規范通信路徑的信號信噪比，當信噪比高于Ｐ 時，說明通信路基穩定性滿足行業標準。組網實施步驟如下。

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標準，則自動記錄終端定值和通信信號信噪比，若第１ 輪所有環節符合要求，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，為充分發揮中繼效率，要合理控制邏輯分層數量，將邏輯層１ 中最低終端全部轉變為中繼終端，信噪比小的終端轉換成中繼中端，根據上述內容進行以此類推，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，詳細記錄通信數據。當全部終端被發現，說明終端邏輯分層任務完成，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。當所有終端被查出，說明分層任務通過，如果未全部發現，要將剩余終端進行邏輯分層（如圖２ 所示）。

２．５ 初始路由表的優化

初始路由表決定著通信網絡性能，改善初始路由表能提高通信穩定性。如果將優化后的終端和邏輯層終端間通信路徑定位為Ｓ 條，初始路由表優化過程如下。首先，如果通信網絡的信道質量在組網中不出現任何變化，工作人員可直接優化邏輯層２ 終端路由，能有效縮短運行時間。實際優化中，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。工作人員要持續進行上述步驟，直到所有終端完成路由優化作業（如圖３ 所示）。

２．６ 路由表的動態更新和重構策略

在路由表結構優化過程中，工作人員要保證低壓表通信網絡滿足各種通信環境，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，要優先應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，實時更新數據內容，標記通信不成功路徑。如果該路徑無法在規定時間內通信，要及時刪除該通信路徑所有數據，重構該終端的路由表結構。在路由重構過程中，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，優化路由結構。如果終端在整個網絡中都不能被發現，要將其作為嚴重損壞的路由，在網絡中進行移除，即是闡述終端物理ＩＤ。而動態組網方法能通過人為手段控制低壓電力線載波通信網絡，加強網絡的穩定性。對于通信環境較佳的網絡，組網中要設置較小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。當網絡通信環境過于惡劣時，要設置較大信噪比限制和Ｓ 值，增加終端邏輯分層數，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

在Ｍａｔｌａｂ 中以坐標平面為基礎，隨機布置點替換實際低壓電力線通信網絡中的隨機分布終端，仿真點數量設置為６０ 個，集中器在坐標（０，０）位置；每個點均能和其他點進行相互通信，有效解決孤島現象；當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，通信成功率呈現直線上升趨勢［６］ 。

３．２ 抗干擾性能分析

當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構進行分析，優化初始路由表，明顯提高了整個網絡的抗干擾能力，并在不改變中繼深度基礎上，加強了通信可靠性。比如，點（－８，８）在路由優化前的通信路徑長度為１３．６０，優化后的通信路徑長度為１１．６６。路由表優化前的通信拓撲結構如圖４ 所示。

為準確體現出抗干擾能力，定義參數ｒ：

ｒ ＝（ｌ－Ｌ） ／ ｌ （１）

式中，ｌ 表示組網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，發現ｒ 值越大，通信網絡抗性越高［７］ 。

當Ｓ ＝１ 時，通過調節ｌ 值進行組網工作，經過路由優化，明顯加強了網絡抗干擾能力，當最高有效通信距離出現變化時，路由優化后的網絡ｒ 提升程度基本相同；當Ｓ 大于１ 時，通過路由優化后的通信路徑趨于多樣化；Ｓ ＝２ 時，通信拓撲內容過于復雜，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傳輸效率，加強通信實時性［８］ 。

３．３ 路由器優化的耗時仿真分析

通過分析對比不同最大的有效通信距離和Ｓ 值下的優化耗能，發現Ｓ 條件相同時，最高通信距離增加，路由優化耗時呈現先增后減的趨勢；最高有效通信距離較小時，Ｓ 值優化時間增加，不同Ｓ 值間的優化時間差異縮短（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傳輸效率，加強通信實時性［８］ 。

３．３ 路由器優化的耗時仿真分析

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

４ 結束語

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的距離，則減少了通信可靠性，針對該情況，工作人員應從網絡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：

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［８］ 常富．基于ＺＹＮＱ 2０的寬帶電力線載波通信測試系統的設計與實現