0  引言

    隨著電網(wǎng)信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中，智能電網(wǎng)技術(shù)從傳統(tǒng)的電量采集向高效、經(jīng)濟(jì)、智能化的電網(wǎng)應(yīng)用轉(zhuǎn)變，成為電力行業(yè)中發(fā)展的必然趨勢(shì)^[1]。最近幾年，電力線(xiàn)寬帶載波通信技術(shù)發(fā)展迅速，而網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)也突飛猛進(jìn)。現(xiàn)代化智能電網(wǎng)平臺(tái)以載波通信為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離的飛速傳輸，利用電力通信技術(shù)發(fā)展智能電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，加快智能化用電社區(qū)的建設(shè)，并提供智能化用電服務(wù)^[2]。

    電力線(xiàn)主要是為了輸電而架設(shè)的，主要功能并不是相互通訊。因此，電力線(xiàn)信道混雜多種噪聲，信號(hào)衰減厲害，存在多徑干擾、電磁干擾等。

    為了使得低壓電力網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信更加可靠，本文提出了以下兩方面來(lái)解決該問(wèn)題：（1）提高從中壓變電站到用戶(hù)電表的一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信能力，大力發(fā)展OFDM寬帶技術(shù)；（2）為了提高通信的可靠性，選用中繼路由的方式，增加通信距離。

1  低壓電力線(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

1.1  低壓集抄系統(tǒng)介紹

    用電信息采集低壓集抄系統(tǒng)[5]從物理上可根據(jù)部署位置分為以下三部分。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

    （1）主站

    為了保證系統(tǒng)的信息安全，通常給系統(tǒng)主站部分建立獨(dú)立的局域網(wǎng)，從而利用防火墻技術(shù)，使得主站與其他應(yīng)用系統(tǒng)、公網(wǎng)信道隔離開(kāi)來(lái)。

    （2）通信信道

    通信信道是指系統(tǒng)主站與集中器之間的遠(yuǎn)程通信信道，主要包括GPRS/CDMA無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)信道、光纖信道、以太網(wǎng)信道等。

    （3）采集設(shè)備

    現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備是集中器、采集器、多功能電表、以及用戶(hù)電能表計(jì)等。本地信道主要是電力線(xiàn)載波、微功率無(wú)線(xiàn)（470-510M）、485等。

1.2  低壓電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)

    低壓電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中存在著很多分支，每個(gè)分支具有不同的拓?fù)溥B接不同的用戶(hù)數(shù)量。用戶(hù)密度不同，對(duì)稱(chēng)或非對(duì)稱(chēng)地分布在低壓網(wǎng)絡(luò)中或各個(gè)分支上，分支的長(zhǎng)度也不相同。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)和它的分支都具有樹(shù)形拓?fù)?。為此，本文采用中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

    如圖2所示，節(jié)點(diǎn)2、3、4與中心節(jié)點(diǎn)1可以直接通信，處于網(wǎng)絡(luò)的第1層級(jí)，節(jié)點(diǎn)5~節(jié)點(diǎn)11與中心節(jié)點(diǎn)1距離較遠(yuǎn)，無(wú)法直接通信，選取1層級(jí)的節(jié)點(diǎn)作為中繼，處于網(wǎng)絡(luò)的第2層級(jí)，同理節(jié)點(diǎn)12、13處于3層級(jí)。因?yàn)樾诺赖耐蝗蛔兓沟霉?jié)點(diǎn)12與節(jié)點(diǎn)8之間通信中斷，為此，選擇節(jié)點(diǎn)6作為新的中繼來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

2  寬帶載波通信的基本性能

    （1）工作頻帶，終端電力線(xiàn)寬帶載波的基本頻帶為2 MHz～30 MHz，可支持分段使用。

    （2）功率頻譜密度，發(fā)送功率頻譜密度在工作頻帶內(nèi)不大于-45 dBm/Hz，工作頻帶外不大于-75 dBm/Hz。

    （3）通信速率，在隔離電源、屏蔽標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境下，通信速率應(yīng)不小于1 Mb/s。

    （4）抗衰減性能，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境下，隔離電源、屏蔽環(huán)境、丟包率小于 10%(業(yè)務(wù)報(bào)文包長(zhǎng)＜100 B)、帶內(nèi)發(fā)射功率譜密度為-45 dBm/Hz 的條件下，其抗衰減性能應(yīng)不小于85 dB。

3  路由方案實(shí)現(xiàn)

    路由方案思想，每個(gè)節(jié)點(diǎn)不斷交換周?chē)従庸?jié)點(diǎn)信息，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以掌握整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信狀態(tài)，進(jìn)而從鄰居節(jié)點(diǎn)中選出最佳的中繼。被選為中繼的節(jié)點(diǎn)升級(jí)為簇頭，其子節(jié)點(diǎn)為簇員節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)其下所有子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。本方案是一種分布式中繼路由方案，每個(gè)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)去尋找最優(yōu)通信路徑。

    寬帶載波通信單元具備在本地網(wǎng)絡(luò)中唯一的節(jié)點(diǎn)地址標(biāo)識(shí)，用于建立中繼路由關(guān)系。在無(wú)人工干預(yù)情況下，自動(dòng)管理下屬節(jié)點(diǎn)的中繼路由關(guān)系，下屬節(jié)點(diǎn)數(shù)量很多。支持本地通信單元白名單管理機(jī)制，允許白名單地址入網(wǎng)，剔除不在白名單地址范圍的節(jié)點(diǎn)。寬帶載波通信單元應(yīng)支持臺(tái)區(qū)終端主動(dòng)方式抄表、路由主動(dòng)方式抄表及并發(fā)方式抄表。

    單網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)主要是CCO通過(guò)發(fā)送中央信標(biāo)和安排發(fā)現(xiàn)信標(biāo)發(fā)送，以及代理信標(biāo)的發(fā)送，觸發(fā)逐層級(jí)的STA的網(wǎng)絡(luò)接入請(qǐng)求，來(lái)完成整個(gè)組網(wǎng)過(guò)程。CCO需要給已經(jīng)入網(wǎng)的STA站點(diǎn)分配TEI，CCO的TEI固定為1，廣播報(bào)文TEI為0x FFF，本標(biāo)準(zhǔn)CCO分配TEI范圍為1~1015，其他地址作為保留，后續(xù)擴(kuò)展使用。

    寬帶電力線(xiàn)載波通信網(wǎng)絡(luò)中CCO上電后，開(kāi)啟網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)過(guò)程。CCO在信標(biāo)時(shí)隙發(fā)送中央信標(biāo)，觸發(fā)一級(jí)站點(diǎn)入網(wǎng)。未入網(wǎng)站點(diǎn)收到中央信標(biāo)幀后，需等到CSMA時(shí)隙方可發(fā)起關(guān)聯(lián)請(qǐng)求。CCO收到關(guān)聯(lián)請(qǐng)求后需要先通過(guò)白名單進(jìn)行認(rèn)證，并將關(guān)聯(lián)請(qǐng)求的處理結(jié)果，通過(guò)關(guān)聯(lián)確認(rèn)報(bào)文或者管理匯總指示報(bào)文告知給未入網(wǎng)站點(diǎn)。未入網(wǎng)站點(diǎn)收到關(guān)聯(lián)確認(rèn)報(bào)文，若解析到關(guān)聯(lián)確認(rèn)報(bào)文結(jié)果為“入網(wǎng)成功”，獲得CCO為其分配的TEI，站點(diǎn)入網(wǎng)成功；若解析到關(guān)聯(lián)確認(rèn)報(bào)文結(jié)果為“入網(wǎng)失敗”，可根據(jù)重新關(guān)聯(lián)時(shí)間，等待一段間隔后再次請(qǐng)求入網(wǎng)，也可選擇另外一個(gè)網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng)加入。當(dāng)前信標(biāo)周期結(jié)束后，CCO為新入網(wǎng)的站點(diǎn)安排信標(biāo)時(shí)隙，觸發(fā)其周?chē)军c(diǎn)入網(wǎng)。待CCO白名單中全部站點(diǎn)入網(wǎng)成功后，可以認(rèn)為組網(wǎng)完成。

    需要注意的時(shí)，在多級(jí)站點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)，由于待入網(wǎng)站點(diǎn)此時(shí)尚未配置TEI，所以CCO在處理該STA的關(guān)聯(lián)請(qǐng)求后，先將處理結(jié)果攜帶在生成的關(guān)聯(lián)確認(rèn)報(bào)文里，通過(guò)逐跳轉(zhuǎn)發(fā)的方式將關(guān)聯(lián)確認(rèn)報(bào)文發(fā)送給該STA的代理站點(diǎn)，再由該代理站點(diǎn)以廣播的方式通知給入網(wǎng)請(qǐng)求的STA站點(diǎn)。單網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)機(jī)制是基于隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的。站點(diǎn)入網(wǎng)成功后，被加入到已入網(wǎng)隊(duì)列；當(dāng)站點(diǎn)角色變?yōu)镻CO時(shí)，將被加入PCO隊(duì)列。CCO每次安排信標(biāo)幀發(fā)送時(shí)，在中央信標(biāo)幀中需要指定所有PCO和適量STA的信標(biāo)發(fā)送時(shí)隙。受物理塊大小限制，若CCO無(wú)法在一個(gè)信標(biāo)幀中為所有站點(diǎn)指定信標(biāo)時(shí)隙，則需要對(duì)STA進(jìn)行輪詢(xún)，每次安排部分STA進(jìn)行發(fā)現(xiàn)信標(biāo)的發(fā)送。

    觀(guān)察現(xiàn)象：（1）隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，組網(wǎng)耗時(shí)增加；（2）站點(diǎn)數(shù)目一定，初始退避窗口對(duì)組網(wǎng)耗時(shí)之間無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系。

    原因分析：（1）站點(diǎn)數(shù)目增多意味著，組網(wǎng)過(guò)程需要交互的報(bào)文數(shù)目增加，組網(wǎng)耗時(shí)增加；（2）初始退避窗口對(duì)組網(wǎng)耗時(shí)有兩個(gè)方面的影響：一方面在站點(diǎn)數(shù)目一定的情況下，增大退避窗口意味著報(bào)文的碰撞概率降低，減少重傳，組網(wǎng)耗時(shí)減少；另一方面，退避窗口的增大，意味著退避帶來(lái)的時(shí)間損耗期望增大，且由于爭(zhēng)用時(shí)間τ較長(zhǎng)（τ為4個(gè)OFDM符號(hào)），退避影響不能忽略，這又導(dǎo)致了組網(wǎng)耗時(shí)的增加。在站點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，兩方面的因素相互作用使得組網(wǎng)耗時(shí)和初始退避窗口之間無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系。

4  仿真數(shù)據(jù)與分析

4.1  仿真條件

    為了全面體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的性能，構(gòu)造了1 000個(gè)節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景進(jìn)行仿真。分別進(jìn)行了如下配置，并做了對(duì)比仿真：

    （1）網(wǎng)絡(luò)正常情況下網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行數(shù)據(jù)；

    （2）構(gòu)造某一簇頭節(jié)點(diǎn)失效，來(lái)仿真業(yè)務(wù)中斷和路由的恢復(fù)能力；

    （3）加入模擬噪聲，仿真本方案抗噪聲干擾能力。

4.2  仿真結(jié)果分析

    圖3為1 000個(gè)節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景下的節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)情況。可以看出，業(yè)務(wù)層級(jí)大致分為3層或以上，并且因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的分布狀況類(lèi)似于橄欖型，所以在第二層級(jí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目多，所有節(jié)點(diǎn)在200 s以?xún)?nèi)入網(wǎng)。

    根據(jù)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時(shí)的輸出拓?fù)洌x取了一級(jí)節(jié)點(diǎn)簇頭節(jié)點(diǎn)4，及其簇員節(jié)點(diǎn)1，使用每5 s產(chǎn)生一次的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。可以通過(guò)圖4、圖5看出，當(dāng)一級(jí)節(jié)點(diǎn)簇頭4失效時(shí)，某些子節(jié)點(diǎn)立刻切換簇頭恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)，有些節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)15 s左右恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)，最長(zhǎng)不超過(guò)25 s全部節(jié)點(diǎn)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，業(yè)務(wù)幀也僅丟失2幀。

    圖6為無(wú)噪聲節(jié)點(diǎn)和有噪聲節(jié)點(diǎn)情況下節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)情況，可以看出受噪聲節(jié)點(diǎn)的影響，第3級(jí)之后網(wǎng)絡(luò)的入網(wǎng)速度變緩，經(jīng)過(guò)對(duì)照物理拓?fù)鋱D發(fā)現(xiàn)噪聲節(jié)點(diǎn)位置在第三級(jí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的周?chē)Ｔ肼晫?duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行影響非常小，本方案有良好的抗噪聲能力。

5  結(jié)束語(yǔ)

    低壓電力線(xiàn)載波通信信道具有高衰減、高阻抗、強(qiáng)噪聲和強(qiáng)時(shí)變性的特性，導(dǎo)致信號(hào)的傳輸距離有限。需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層的中繼路由技術(shù)來(lái)解決點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信距離近的問(wèn)題，提升端到端的通信距離。本方案是一種分布式路由方案，具有良好的自適應(yīng)性和擴(kuò)展性，能夠?qū)箯?qiáng)的噪聲干擾，具有良好的自愈能力。

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作者信息:

張  捷，張思建，黨三磊，劉  健，李  健

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080）