基于PLC技术的集中抄表系统设计方法

雷 敏，彭亚雄,蒋朝惠

(1．贵州大学 大数据与信息工程学院，贵州 贵阳 550025；2. 贵州大学 计算机科学与技术学院，贵州 贵阳 550025)

基于PLC技术的集中抄表系统设计方法

雷 敏1，彭亚雄1,蒋朝惠2

(1．贵州大学 大数据与信息工程学院，贵州 贵阳 550025；2. 贵州大学 计算机科学与技术学院，贵州 贵阳 550025)

针对集中式抄表系统对网络拓扑变化反应慢导致抄度效率低的问题，结合PLC技术、低压电网的信道特性和系统网络模型的分析，提出了利用动态连接载波节点的系统改进方法。通过仿真实验与分析验证了设计的有效性，并提高了抄度效率。

集中抄表；组网路由；电力载波；动态中继

电力线作为能源传输的主要载体，分布广、覆盖面积大，有着无需重新施工布线的优势，在信息传输中应用广泛。电力线信道环境复杂，多分支情况下衰减严重，传输距离受限[1-2]，且低压配电网系统通信距离具有时变行和有限性，组网路由算法在电力线通信系统中必不可少，现有研究算法与方案有采用群智能算法[3-11]。本系统利用有动态中继特性，得出每次组网的最优路径。

1 PLC系统框架和拓扑模型

1.1 PLC 信道特性

电力线不同于其他有线通信介质，属于共享信道，其信道混杂多种噪声，信号衰减严重，存在多径性、电磁干扰等特点，且电力线信道上负载设备随时在变化，电力线通信比一般网络要复杂。电力线接入信道存在的冲突无法检测，网络拓扑无法固定，信道类似无线信道。本系统采用CSMA/CA网络接入算法，退避时间采用基于表地址做的随机退避。本系统选用弥亚微MI2012芯片载波芯片，通信频点可选为76.8/230.4/ 307.2(kHz)，通信速率为100 bit·s-1～6.4 kbit·s-1，支持最大帧长512 Byte，通常传输速率为800 bit·s-1。

1.2 plc系统框图及模型

集中抄表系统中主站一般采用国网376.1协议，通过GPRS的通讯方式与集中器连接；集中器通过串口执行国网376.2协议与各厂家的路由板连接；路由板一般都安装在集中器上，路由板通过电力线根据各厂家的载波通信协议与装在电表上的载波表模块连接通信；表模块通过串口与电表连接通信。系统各部分协议框图，如图1所示。

图2 plc单相拓扑图

由于电力线三相之间衰减大，必须加上耦合器方可通信，因此，可看成是彼此独立的信道。如图2所示，一种简单的现场二次变压器下集中器与载波电表安装框图，其中集中器安装在载波节点集中区域，即节点多集中在集中器的周围。

网络模型假设：(1)所有节点分布在一矩形区域内，位置已知；(2)节点多数分布在中心节点 周围；(3)每个节点传输功率、传输距离相同。

将电力载波网络表示为一个有向图G(E,V)，其中V={v0,v1,v2,…,vn}表示所有节点的集合，简称端集；E={e1,e2,…,em}为所有边的集合,简称边集。令r为节点v∈V的发射范围，L表示相邻节点间的距离。v0(即控制节点 )为主节点，表节点(v1,v2,…,vn)为从节点。

2 集抄系统实现方式

集中抄表系统主要任务在集中器与路由板上，其处理任务比较大，一般用带Linux系统的ARM芯片运行。本系统路由板采用ARM920t芯片，并移植Linux 2.6.20操作系统。系统主站负责管理各个台区下的集中器，集中器发起日常轮抄任务，路由板负责处理集中器发起的轮抄任务与组网路由的管理，电表上的载波表模块主要负责与路由板的通信及通信中节点对信道的访问控制、计算各个电表上报数据的退避时间。

图3 构建事务

路由版在处理应用层数据任务时，首先封装为一个事件，再构造为一个事务并放在事务链表中，如图3所示。采用状态机处理传输层各个事务，查询事务链表，处理各个事务，如图4所示，负责报文数据的传输控制、匹配、重传控制等。网络层主要负责网络的维护、路径的优化、路径的计算、路径的获取。数据链路层负责数据流的控制，管理的载波通信协议与下层(物理层)的数据交互。

图4 状态机事务处理

2.1 系统轮抄方案

轮抄是集抄系统的基本任务。轮抄任务为集中器发起轮抄开始命令后由路由板决定抄读具体的某块电表，集中器决定抄读电表的数据项。路由板根据电表档案轮询抄度每一块电表，一轮结束后统计当前抄读成功率，下一轮则从抄读失败的电表中轮询抄读每一块电表，再次统计成功率。

2.2 档案管理方案

考虑系统移植性的要求，设计使用miniDB数据库。主要使用3个数据库：信息数据库、节点数据库、路径数据库。分别用来存放：集中器下载的档案信息、组网后上报的节点信息、组网得出的路径信息。每个节点设计存10条路径，若节点有1 000个，那么路径则有10 000，这就使得系统路径查找速度慢，所以将路径数据库设计成10个，使查找的速度更快。

信息数据库格式：

Addr:c12|No:n4|Type:n4|Depth:n4|Quary:n4|Phase:n4|ReadFlag:n4|AutoRegFlag:n4|ReadFailedNum:n4|

节点数据库：为路径管理视图提供函数接口，供其获取、添加和删除节点信息。其数据库格式：

Addr:c12|NodeID:n8|Layer:n4|Phase:n4|Type:n4|ConfigState:n4|

路径数据库：为路径管理视图提供函数接口，供其替换、获取和添加路径信息。其格式：

Addr:c12|Relay1:c12|Relay2:c12|Relay3:c12|Relay4:c12|Relay5:c12|Relay6:c12|Relay7:c12|Relay8:c12|Relay9:c12|Index:n4|BoudRate:n4|Order: n4|

2.3 载波组网算法方案

算法描述：

(1)DC节点v0发起广播组网；

(2)听到节点v0广播的节点(v1,v2,…,vm)将自己地址上报给v0，v0将其配置一个网络ID设为第一层，并记录节点(v1,v2,…,vm)的直抄路径；

(3)再以第一层中的节点(v1,v2,…,vm)以轮询方式依次发起广播组网，主节点v0为上报的节点(vm+1,vm+2,…,vk)(m≤k≤n)配置一个网络ID设为第二层，并记录节点的路径；

(4)以第2层中的节点依次轮训广播寻找第3层节点，配置响应的节点并记录3层节点路径,…，直到无节点响应，完成组网。

如图5所示，系统中载波组网采用逻辑拓扑，由于网络的时变性，节点网络号选择唯一(不重复)的随机数表示，为保证组网得出更多路径，利用在每次组网以不同顺序的n层节点进行广播。由于逻辑组网特性，节点多集中在第1层，节点呈现逐层递减模式，整个网络拓扑模型为漏斗形。

图5 集中组网逻辑拓扑图

第n层组网所花费时间(s)

(1)

其中，1.75为单层单个报文(175 B)传输延迟，m为第n层共有m个响应节点，tib为第i只电表退避时间，Tc为每层组网最大等待时间。

方案1 在进行每一轮轮抄后计算当前抄度成功率，成功率低于设置百分比则启动组网。

方案2 当启动轮抄时，首先检测路径数据库是否为空，为空则启动组网，让轮抄与组网同时进行；在轮抄时，发现如果是直抄上来的表就放在路径第1层中；当组网形成的网络拓扑中已组有某载波节点v，但轮抄载波节点v时却失败3次,这时，在一轮结束后，统计抄读失败的节点及其所在网络层次，启动失败节点中最小的层的上一层节点vj发起广播组网，若节点vj广播组网不成功，则启动从节点vj的上一层节点vh开始发起广播组网。

2.4 系统路径优先级值更新机制

系统各个节点路径最大存储M条，节点路径优先级采用成功率与跳数作为评判依据，由于路径一旦确定跳数就固定不变，因此将路径跳数设为初始路径优先级的一个权系数。若新组网中出现了>M+1条路径则根据路径优先级计算原则，将M+1的路径替换掉优先级最低的路径并将其优先级设为默认值。路径的优先级由数据表中的ORDER表示，数值越小，优先级越高，设置其值最小为4，表示最高优先级，同时最低优先级为18。更新原则：

(1)新添加路径其优先级默认为N；N默认是(10+路径跳数)，N最大是20；

(2)当所有路径的优先级都为最高优先级4时，需要将所有路径的优先值统一更新为N-1；

(3)当所有路径的优先级都为最低优先级时，即为N+M时，需要将所有路径的优先级值统一更新为N+1；

(4)取N=M；

(5)到某个节点的最大条数M为10。

(6)优先级计算策略：

如下:(ACC_LPF为计算得到信度值，即权值，Priority为优先级值)

上次通信成功，置Last_Comm_Success = 0

上次通信失败，置Last_Comm_Success = 1

Comm_weight = ( Last_Comm_Success - 0.5 ) * 0.9 + 0.5;

if(Last_Comm_Success == 0) // Successful

{

ACC_LPF = 0.15 * Comm_weight + 0.85 * ACC_LPF_D;

} else// Failed

{

ACC_LPF = 0.35 * Comm_weight + 0.65 * ACC_LPF_D;

}

ACC_LPF_D = ACC_LPF ;

Priority = ACC_LPF * M * 2;

3 实验仿真

实验环境选择Matlab，共取50个节点。分别对组网仅1层、2层(前35个在第1层，其余在第2层)、3层(前35个在第1层，10个在第2层，其余在第3层)的时间花费进行仿真。

图6 网络延时与节点数关系曲线

从图6可看出不同节点数、不同组网层次与组网时间关系。层次越多组网所需时间越长。

选取不同跳数优先级曲线，分别对初始为10与14进行仿真，如图所示。

图7 初始优先级为10

图8 初始优先级为14

图7为初始优先级为10的优先级曲线升降图，图8为初始优先级为14的优先级曲线升降图。图中，0～50为当路径使用成功，优先级升高过程，优先级升高最大为4；50～70为当路径使用失败，优先级降低，最低为18；70～100为再次路径使用成功，优先级升高。可见，优先级曲线随着抄度次数成功缓慢升高，随着抄度次数失败快速下降。 系统路径可靠性。

图8为路径连续使用成功次数与可靠性的关系曲线图9为路径连续使用失败次数与可靠性的关系曲线。从图8中可以看到成功曲线在连续成功8次时，其可靠性会快速增加到约90%，但之后可靠性增加的越来越平缓，并最后等于100%。如图9所示，连续使用失败的次数达到5次时，其可靠性已经降到约25%；当连续失败次数达到10次时，可靠性已经降到8%。

图9 路径连续使用成功

图10 路径连续使用失败

4 结束语

系统组网完成后，可直接从数据库或者内存得到路径，无需像蚁群算法等智能算法每次抄度都需计算路径，节省了时间开销。系统组网方案2也减少了不必要的逻辑层组网时间，节约了组网时间花费。由于次组网以不同顺序的n层节点进行广播，增加了系统可选路径，且采用跳数与路径使用的成功状态作为路径优先级度量参数符合实际情况，保证了抄度时实际采用的最高优先级的路径与理论上计算的最优一致，系统实现了每块电表成功抄度，得到较为高效抄度效率。但系统载波节点达到300节点以上、规模比较大时，存在不能快速适应网络的拓扑变化、抄度效率难以得到大幅提高。其中，轮抄与组网同时进行，存在大量数据的下上行容易造成数据在信道上冲突，可能导致本在n层的节点逻辑上却在n+1层中，这对节点接入算法提出了更高的要求。

本系统芯片选择为窄带芯片，但随着电力线应用的不断深入，在图像传输如在安防领域的大数据业务的要求，电力线通信对传输速率要求越来越高，未来宽带电力通信将是主要发展趋势。

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Research on Power Line Carrier Centralized Meter Reading System Design

LEI Min1，PENG Yaxiong1，JIANG Chaohui2

(1.School of Big Data and Information Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025, China;2.School of Computer Science and Technology,Guizhou University,Guiyang 550025,China)

Due to the centralized meter reading system responds slowly to network topology changes, thus leads to poor reading efficiency, combined with the analysis of channel characteristics and network model of and low-voltage grid system , proposed system improvements method of using dynamic link carrier-node. Simulation results verify the design and analysis effectively and improved of the copy efficiency.

centralized meter reading; networking&routing algorithm; power line carrier; dynamic relay

2016- 04- 29

贵州省基础研究重大项目子课题(黔科合JZ字【2014】2001-21)

雷敏(1991-)，女，硕士研究生。研究方向：嵌入式通信等。彭亚雄(1963-)，男，副教授，硕士生导师。研究方向：网络安全等。蒋朝惠(1965-)，男，教授，硕士生导师。研究方向：通信网络与信息安全。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.024

TN926+.23；TN915.04

A

1007-7820(2017)03-086-05