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基于宽带电力线载波通信的路由技术研究
2018智能电网增刊
张 捷,张思建,党三磊,刘 健,李 健
广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东 广州 510080
摘要: 电力线载波通信(Power Line Communications,PLC)是指电力线为媒介进行信息的传输。在实践中,电力线通信环境恶劣,具有高衰减、强噪声、高阻抗等特点,因此想要实现可靠的数据传输,需要网络层通过中继路由技术来解决。本文设计了一套分布式路由方案,具备自组网能力,可以对抗强噪声干扰,面对信道变化可以实时进行网络重构,具有良好的抗摧毁能力。
中图分类号: TM73;TN913.6
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2018.S1.003
Abstract:
Key words :

0  引言

    随着电网信息技术和计算机技术应用的不断发展,在经济社会发展中,智能电网技术从传统的电量采集向高效、经济、智能化的电网应用转变,成为电力行业中发展的必然趋势[1]。最近几年,电力线宽带载波通信技术发展迅速,而网络应用技术也突飞猛进。现代化智能电网平台以载波通信为基础,实现了数据远距离的飞速传输,利用电力通信技术发展智能电网,实现电网发展方式的转变,加快智能化用电社区的建设,并提供智能化用电服务[2]

    电力线主要是为了输电而架设的,主要功能并不是相互通讯。因此,电力线信道混杂多种噪声,信号衰减厉害,存在多径干扰、电磁干扰等。

    为了使得低压电力网网络通信更加可靠,本文提出了以下两方面来解决该问题:(1)提高从中压变电站到用户电表的一点对多点通信能力,大力发展OFDM宽带技术;(2)为了提高通信的可靠性,选用中继路由的方式,增加通信距离。

1  低压电力线配电网络特点

1.1  低压集抄系统介绍

    用电信息采集低压集抄系统[5]从物理上可根据部署位置分为以下三部分。系统示意图如图1所示。

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    (1)主站

    为了保证系统的信息安全,通常给系统主站部分建立独立的局域网,从而利用防火墙技术,使得主站与其他应用系统、公网信道隔离开来。

    (2)通信信道

    通信信道是指系统主站与集中器之间的远程通信信道,主要包括GPRS/CDMA无线公网信道、光纤信道、以太网信道等。

    (3)采集设备

    现场采集设备是集中器、采集器、多功能电表、以及用户电能表计等。本地信道主要是电力线载波、微功率无线(470-510M)、485等。

1.2  低压电力线网络逻辑结构

    低压电力线网络中存在着很多分支,每个分支具有不同的拓扑连接不同的用户数量。用户密度不同,对称或非对称地分布在低压网络中或各个分支上,分支的长度也不相同。整个网络和它的分支都具有树形拓扑。为此,本文采用中继节点来进行数据转发。

    如图2所示,节点2、3、4与中心节点1可以直接通信,处于网络的第1层级,节点5~节点11与中心节点1距离较远,无法直接通信,选取1层级的节点作为中继,处于网络的第2层级,同理节点12、13处于3层级。因为信道的突然变化,使得节点12与节点8之间通信中断,为此,选择节点6作为新的中继来进行数据转发。

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2  宽带载波通信的基本性能

    (1)工作频带,终端电力线宽带载波的基本频带为2 MHz~30 MHz,可支持分段使用。

    (2)功率频谱密度,发送功率频谱密度在工作频带内不大于-45 dBm/Hz,工作频带外不大于-75 dBm/Hz。

    (3)通信速率,在隔离电源、屏蔽标准测试环境下,通信速率应不小于1 Mb/s。

    (4)抗衰减性能,在标准测试环境下,隔离电源、屏蔽环境、丢包率小于 10%(业务报文包长<100 B)、带内发射功率谱密度为-45 dBm/Hz 的条件下,其抗衰减性能应不小于85 dB。

3  路由方案实现

    路由方案思想,每个节点不断交换周围邻居节点信息,这样每个节点可以掌握整个网络的通信状态,进而从邻居节点中选出最佳的中继。被选为中继的节点升级为簇头,其子节点为簇员节点,簇头节点负责其下所有子节点的数据转发。本方案是一种分布式中继路由方案,每个节点自动去寻找最优通信路径。

    宽带载波通信单元具备在本地网络中唯一的节点地址标识,用于建立中继路由关系。在无人工干预情况下,自动管理下属节点的中继路由关系,下属节点数量很多。支持本地通信单元白名单管理机制,允许白名单地址入网,剔除不在白名单地址范围的节点。宽带载波通信单元应支持台区终端主动方式抄表、路由主动方式抄表及并发方式抄表。

    单网络组网主要是CCO通过发送中央信标和安排发现信标发送,以及代理信标的发送,触发逐层级的STA的网络接入请求,来完成整个组网过程。CCO需要给已经入网的STA站点分配TEI,CCO的TEI固定为1,广播报文TEI为0x FFF,本标准CCO分配TEI范围为1~1015,其他地址作为保留,后续扩展使用。

    宽带电力线载波通信网络中CCO上电后,开启网络组网过程。CCO在信标时隙发送中央信标,触发一级站点入网。未入网站点收到中央信标帧后,需等到CSMA时隙方可发起关联请求。CCO收到关联请求后需要先通过白名单进行认证,并将关联请求的处理结果,通过关联确认报文或者管理汇总指示报文告知给未入网站点。未入网站点收到关联确认报文,若解析到关联确认报文结果为“入网成功”,获得CCO为其分配的TEI,站点入网成功;若解析到关联确认报文结果为“入网失败”,可根据重新关联时间,等待一段间隔后再次请求入网,也可选择另外一个网络申请加入。当前信标周期结束后,CCO为新入网的站点安排信标时隙,触发其周围站点入网。待CCO白名单中全部站点入网成功后,可以认为组网完成。

    需要注意的时,在多级站点入网时,由于待入网站点此时尚未配置TEI,所以CCO在处理该STA的关联请求后,先将处理结果携带在生成的关联确认报文里,通过逐跳转发的方式将关联确认报文发送给该STA的代理站点,再由该代理站点以广播的方式通知给入网请求的STA站点。单网络组网机制是基于队列实现的。站点入网成功后,被加入到已入网队列;当站点角色变为PCO时,将被加入PCO队列。CCO每次安排信标帧发送时,在中央信标帧中需要指定所有PCO和适量STA的信标发送时隙。受物理块大小限制,若CCO无法在一个信标帧中为所有站点指定信标时隙,则需要对STA进行轮询,每次安排部分STA进行发现信标的发送。

    观察现象:(1)随着网络规模的增大,组网耗时增加;(2)站点数目一定,初始退避窗口对组网耗时之间无明显相关关系。

    原因分析:(1)站点数目增多意味着,组网过程需要交互的报文数目增加,组网耗时增加;(2)初始退避窗口对组网耗时有两个方面的影响:一方面在站点数目一定的情况下,增大退避窗口意味着报文的碰撞概率降低,减少重传,组网耗时减少;另一方面,退避窗口的增大,意味着退避带来的时间损耗期望增大,且由于争用时间τ较长(τ为4个OFDM符号),退避影响不能忽略,这又导致了组网耗时的增加。在站点数较多时,两方面的因素相互作用使得组网耗时和初始退避窗口之间无明显相关关系。

4  仿真数据与分析

4.1  仿真条件

    为了全面体现网络的性能,构造了1 000个节点的场景进行仿真。分别进行了如下配置,并做了对比仿真:

    (1)网络正常情况下网络运行数据;

    (2)构造某一簇头节点失效,来仿真业务中断和路由的恢复能力;

    (3)加入模拟噪声,仿真本方案抗噪声干扰能力。

4.2  仿真结果分析

    图3为1 000个节点场景下的节点入网情况。可以看出,业务层级大致分为3层或以上,并且因为节点的分布状况类似于橄榄型,所以在第二层级的节点数目多,所有节点在200 s以内入网。

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    根据网络正常运行时的输出拓扑,选取了一级节点簇头节点4,及其簇员节点1,使用每5 s产生一次的业务数据。可以通过图4、图5看出,当一级节点簇头4失效时,某些子节点立刻切换簇头恢复网络,有些节点经过15 s左右恢复网络,最长不超过25 s全部节点恢复网络。同时,业务帧也仅丢失2帧。

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    图6为无噪声节点和有噪声节点情况下节点的入网情况,可以看出受噪声节点的影响,第3级之后网络的入网速度变缓,经过对照物理拓扑图发现噪声节点位置在第三级网络节点的周围。噪声对网络运行影响非常小,本方案有良好的抗噪声能力。

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5  结束语

    低压电力线载波通信信道具有高衰减、高阻抗、强噪声和强时变性的特性,导致信号的传输距离有限。需要通过网络层的中继路由技术来解决点对点通信距离近的问题,提升端到端的通信距离。本方案是一种分布式路由方案,具有良好的自适应性和扩展性,能够对抗强的噪声干扰,具有良好的自愈能力。

参考文献

[1] 耿亮,袁洲,王一蓉. 智能电网电力线宽带通信性能研究[J].电力系统通信, 2012, 33(10): 118-123.

[2] 辛耀中. 智能电网调度控制系统现状与技术展望[J]. 电力系统自动化,2015, 39(1). 

[3] 石俊福.电力线通信在智能电网中的应用[J]. 工业控制计算机,2014, 27(2).

[4] 张文亮, 刘壮志, 王明俊, 等. 智能电网的研究进展及发展趋势[J]. 电网技术, 2009, 33(13): 1-11.

[5] 胡江溢,祝恩国,杜新纲,等. 用户信息采集系统用用现状及发展趋势[J]. 电力系统自动化, 2014, 38(2): 131-135.



作者信息:

张  捷,张思建,党三磊,刘  健,李  健

(广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东 广州 510080)