基于电力线通信的工业供配电系统研究

臧军贺

（中钢石家庄工程设计研究院有限公司 石家庄 050021）

1 引言

当前智能电网对通信技术的依赖程度越来越高，工业化的供配电系统更需要复杂的智能电网技术的支撑［1］。通常将智能电网中的各种应用的通信技术分为三个层级：广域通信网、场域网络和家域网［2］。每种类型的网络包含了多种多样的通信技术来满足信息传输的需求。例如，光纤网络通常具有较高的通信速率和较低的时间延迟，通常用来满足广域通信网长距离大容量的信息传输［3］；无线网络由于灵活性强，在环境较为恶劣的场景下具有独特的优势；RS485在工业应用中较为常见，是由于能够在场域网络强干扰和噪声环境中能够提供稳定传输［4］。除此之外，电力线通信（PLC）作为电力系统特有的通信技术，因其安全性高、安装便捷、投资成本低［5］，成为工业供配电系统网络通信中最优竞争力的通信技术，已经有成熟的行业规范和标准应用［6］。

当前PLC路由协议大多照搬现有技术，忽视了PLC承担的混合通信业务，包括智能电网的窄带和宽带通信［7］。本文基于节点间信道状态信息，提出了一种基于相邻节点关系的信道传输，其相邻关系并不反映节点之间的物理距离，而是取决于其间的信道状态信息（CSI）。节点在传输容量需求和CSI的要求下选择其相邻节点作为潜在路由节点。通过选择合适的相邻节点，路由协议在避免往返重传，确定了数据传输的方向，避免了相邻节点之间的往返传输，同时实现了最小路由跳数到达目标节点，有效地减少了信息传输的延迟。

2 工业供配电系统

2.1 电力线通信模型（PLC）

由于电力线的结构决定了传递函数对频率传播敏锐性，在对频率进行选择的过程中通信节点会加剧传递函数在各分支和工业配电过程中的可变负载［8］。经典的电力线拓扑模型如图1所示。

由图1所示，频率与结构决定了信道传输的效率，以节点4与其他节点之间的传递函数为例，其幅值响应如图2所示。

图2 信道传输节点4的传递函数

由图2所示，当传递函数频段处在0～5MHz时，节点4和节点3之间的信号衰减最小，而节点4和节点2之间的信号衰减最大。这恰恰说明了传递函数对信号结构与频率选择具有依赖性［9］。当单一用户访问系统时，仅占用极少的信道即可满足接入的要求，进而对较宽的信道频宽造成资源上的浪费。当较多用户同时并发访问系统时，不同的信号指令指挥着信道中不同的收发节点，加速了多节点对同一信号的资源共享模式。

在实际的工业用电过程中，当接通或者断开设备操作时，非线性的电气设备同时运行将对PLC带来高频噪声影响［10］。频率在信道传输中不可避免地受到噪声源发出的噪声干扰，从而对于网络任意节点处同样具有频率选择特性。鉴于随机性的噪声资源和复杂性的网络传输，噪声与网络参数的关系描述变得尤为困难。利用数据统计方式可以得到噪声的特性，并证实了加性噪声是影响电力线中噪声周期和脉冲平稳的关键因素［11］。因此，若将总带宽B划分为K个子载波，第i个子载波上的信号发送功率为Pi，信道的传递函数为H(f)，噪声功率为PNi，则收发器之间第i个子载波上的信噪比（SNR）为

2.2 相邻节点识别

在工业供配电中，由于不同的电气设备架接的距离和接入的分支众多，其节点之间的通信是否能畅通，依赖于信号源发送功率、接收点处的噪声、分支点结构等因素。因此，仅以电力线通信的网络拓扑来判断节点之间的通信状态将会带来较大误差，并对工业用电带来安全隐患。

为了解决PLC信道的频率选择性和结构敏感性特征，本研究通过定义两节点间的阈值，若SNR大于给定阈值时则认为这两个节点为相邻节点。应对工业供配电网中负载随机性地接入、退出而导致的网络结构变化和信道状态变化方面，具有较强的灵活性。利用每次发送数据前的信噪比估计结果对当前相邻节点信息进行检查和更新，能够及时发现信道的变化而导致的节点间通信状态的变化，从而保证网络连接状态的可靠性和时效性。

3 电力线通信的跨层信息选择

3.1 跨层信息

在传统的主从（M-S）系统中的资源分配通常由中央协调器（CCo）执行，根据分配的结果从节点触发调整不同带宽上的功率分配［12］，这将给CCo带来过多的通信负载开销。在发送端获得与其相邻节点之间的信道响应进而对信道状态进行估计，利用信道资源分配算法能够在功率和带宽受限的条件下获得最大的信道容量［13］。因此，本研究采用多节点网络的分布式通信方式，即无须CCo节点协调仅通过自由竞争获得信道。根据香农定理，定义Bu和Bb分别代表带宽的上下限，Pk和PN,k(f)分别代表第k个子载波的信号功率和噪声功率PLC的信道容量为

对于每个发送端，最大功率分配通常采用注水（WF）算法来实现。然而WF协议相对于定功率分配优势并不明显，尤其是相邻节点之间的信道状态足够好（SNR大于阈值）的情况下，二者能够获得几乎相同的信道容量。因此，本研究每个发送端根据可用载波数量等分地注入功率。本文使用2MHz～30MHz带宽，并且注入功率谱密度的FCC限制为-60dBm/Hz，假设Pi,k和Pi_max分别代表第k个子载波的功率和节点i的总可用功率，PFCC表示子载波的最大功率限制。因此，每个子载波的发射功率为

由于总功率被平均分配，因此每个子载波具有相同的发送功率。通过资源分配，发送端的MAC层可以评估其与相邻节点间的信道容量［14］。因此，每个节点可构建一个相邻节点的本地路由器表，指示相邻节点信息以及可用带宽和信道容量，即从MAC层到网络层的跨层信息，如表1所示。

表1 路由信息表

通过表1可知，此时的MAC层寻址不仅考察节点连接信息，还需关注可用带宽、相关信道容量的物理层信息，此即为物理层和MAC层之间信息跨层的概念。当新的数据帧到来时，发送端检测目的节点地址，如果目的节点在本地路由表，表明发送端与接收端是相邻节点，无须其它路由节点转发，发送端直接从本地路由表中选择满足通信需求的子信道。发送端对子信道选择应遵循两个原则［15］：1）信道容量满足传输要求；2）获得尽可能高的带宽效率。带宽效率表示单位带宽的信道容量：

由上式可见，在多节点分布式混合业务通信网中，维持较高的带宽效率是极为必要的：既要保证不同的业务获得相应的宽带/窄带通信，又要尽可能实现节点间的公平接入。如果目的节点不在发送端的本地路由表中，需要选择相邻节点作为转发节点，启用基于跨层信息的路由协议。

3.2 避免网络重传

网络重传避免的目的是保证信息沿着有效路径传输。若接收端不在发送端的本地路由表中，需要启用路由过程。由于每个节点并不掌握全局的节点连接信息，不能区分其相邻节点的方向。网络重传可发生在源于中间和两侧位置，用S表示发送端，D表示接收端，节点N1、N2和S互为相邻节点。导致两种类型的网络重传如图3所示。

图3 网络重传图

由图3所示，（a）为路由节点收到信息后再次发给发送端，这在有线通信中较为常见，可以通过禁止路由节点向信息的来源端转发而避免。（b）中由于节点N1，N2和S彼此是相邻节点，它们可以选择彼此作为下一跳的潜在路由节点，S通过判断将信息发送给N1，而不是N2，但N1节点若将S发来的信息转发给N2将会形成无效的重传。为解决该问题，每个节点进行转发时，通过对比与相邻节点之间的信道容量，来避免局部的网络重传。PLC中，在整个带宽范围内，相邻节点的信道容量总是大于相隔离节点之间的信道容量，该结论可以通过电力线的串联级联特性得到证明［9］。据此，对（b）中的通信传输问题：如果节点N1从其它节点接收数据，对比其上一跳的本地路由器表和其相自身的本地路由表。假设分别代表节点N1到S，节点N1到节点N2和S到节点 N2的信道容量。若该节点N2不能成为下一跳的转发节点，则至少有一个节点满足以下条件：

3.3 最少跳数问题

由于电力网络的广播特性，并联在电力线上的节点可以监听到其它节点发送的信息，节点可以选择处理或忽略这些信息。在互联网中，若路由节点将接收到的信息忽略，那么意味着该信息在网络上被丢弃。然而在PLC中，由于多个节点能同时监听到该信息，选择距离接收端最近的节点作为路由节点，是减少转发跳数、节约时间开销的关键。

若节点想要向其相邻节点发送数据，从自身本地路由表中寻找能够满足通信需求的潜在路由节点，通过删除可能引起网络重传的节点，在剩下的潜在节点中，对比自身的本地路由表和潜在路由节点的本地路由表，依据在整个带宽范围内，相邻节点的信道容量总是大于相隔离节点之间的信道容量，表明节点N2比节点N1离D节点更远，而更靠近D节点，若要选择该节点作为下一跳路由，则需满足潜在路由节点：

其中，节点N1，节点N2和S的位置如图4中所示。

图4 最少跳数

由图4所示，节点N1和节点N2都是S的相邻节点。由于节点N2比节点N1更靠近目的节点，选择节点N2下一跳路由能够获得更高的效率，其中包含两方面原因：1）虽然S-N2之间的信道容量可能小于S-N1的信道容量，由于N2也是S的相邻节点，S-N2之间的信道条件能够满足通信需求；2）节点N2比节点N1更远离目发送端节点，并且我们可以将S-N1-N2缩短为S-N2，减少了传输跳数，缩短了通信延时。

4 仿真结果与讨论

通过转发跳数和带宽效率两个指标研究在不同仿真环境下本文路由协议的性能。结果与最短路径路由（SPR）和机会路由（OR）［5］进行比较，前者在每一跳中选择最佳链路，后者允许节点保持网络的全局连接信息来解决最小跳问题。

4.1 参数设置

在工业供配电的电力线拓扑通信中，设置主干长度L=50m，节点间连接的数量从1增加到25。一个节点的最大发射功率设置为Pmax=20mW，背景噪声为加性高斯白噪声，频谱密度PN=-110dBm/Hz。决定相邻节点关系的SNR阈值为23.1dB［23］。假设低速和高速应用分别具有200kps和100Mps的传输速率需求。

4.2 跳数检验

首先考虑收发端位于网络的两端，且具有高速率通信需求的情况。不同节点密度下的三个路由协议的跳数如图5所示。

图5 不同节点的跳数

由图5可见，SPR协议选择最佳链路作为下一跳，路径上每个节点都充当了路由节点。OR协议和本文的基于跨层信息的路由（CLR）在节点密度低时需要几乎相同的跳数。然而，随着节点数量的增加，信道条件更恶劣，CLR协议使用部分带宽以确保带宽效率，而OR协议使用整个带宽有助于获得与相邻节点更大的信道容量，因此OR能够获得更少跳数。

4.3 性能测试

为了研究工业用电的供配电系统的业务通信中的CLR协议性能，本文使用具有200m和25个节点的骨干网络，设计M对收发器，每对收发器具有低速率业务需求的概率为σ，高速率业务需求的概率为1-σ。每次仿真随机选择收发端位置，考察三种路由协议的带宽效率σ的变化关系，数值仿真1000次的结果取平均值如图6所示。

图6 不同路由协议下的带宽效率

由图6可见，SPR和OR协议基于CSMA/CA技术，并且每次只有一个节点可以使用整个信道。随着接入网络需求的增加，节点间的信道竞争恶化了网络传输性能。此外，在路由过程中，传输占用信道的时间越长，带宽效率越低。CLR协议能够提高传输性能，这是由于该协议能够保证两对收发端根据其自身信道特征同时占用信道进行传输，在混合通信系统中更具优势。

5 结语

路由协议主要任务是选择收发端之间的转发路径，电力网为信道共享型树状拓扑，任意两点间都存在直接的工业电气连接，最短路径较为直观即两点之间的线路距离，只要避免网络重传即可保证信息沿最短路径转发。除此之外，合理选择最短路径上的路由节点，可以获得从源到目的地更少的转发跳数，进而带来更小的路由延迟。因此，配电网载波通信的路由选择问题实质是网络重传的避免问题和最短路径上的最小跳数问题。本文提出了基于跨层信息的路由协议，利用本地路由器表构建与相邻节点之间的信道条件。通过局部最优逼近系统整体最优，实现以最小跳数达到目的地节点，从而获得最佳的转发路径。仿真结果表明，本文提出的路由协议在工业供配电系统的多用户混合业务的通信网中相较传统路由协议有更好的路由效果。