低压电力线载波通信网络自动组网技术

龚勇

摘 要 为拓宽低压电力线载波网络的通信范围及提升通信安全性 文章全面分析低压电力线载波通信网络拓扑模型和组网特征 创新低压电力线载波通信网络组网技术 并促进该技术向自动化方向发展 提高自动组网技术的简易性和可靠性 同时 结合实际案例 真实仿真自动组网方法 研究结果证明 该组网方法耗时量较少 能缩短不同节点间的通信距离 提高网络应用的实时性

关键词 电力线通信 拓扑结构 自动路由 逻辑分层 路由重构

中图法分类号tp18   文献标识码a

１ 引言

随着社会经济不断发展，相关部门提高了对低压电力线管理的重视程度，针对低压电力线运行制定了各种相关政策，以保证低压电力线运行安全性能达到预期标准。为进一步拓展通信范围，研究各种动态组网算法，如蚁群算法、非交叠分簇的路由算法、逻辑拓扑结构算法等，均能实现路由的自动中继工作。其中，蚁群算法具备并列运行、分布式计算等特征，但在日常应用中很容易出现资源浪费问题，应合理控制组网时间和结点数量，优化带宽内容；逻辑拓扑结构的组织方法应用流程简单，由于路由动态重构方法过于滞后，导致其自愈能力无法达到预期标准；非交叠分簇的路由算法基于信道质量动态数据分析各种低压电力线载波通信网络，创新路由优化方法，因为其操作环境过于复杂，整个路由重构流程较多，给通信工作带来较高的延迟性，无形中增加了错误概率，降低了组网运行速度。

２ 集中抄表系统

２．１ 采集系统的逻辑通信拓扑结构

集中抄表系统主要包括采集系统、主站、远程信道等环节。其中采集系统有低压电力线和各种通信终端，集中器和载波电表呈主?从关系，集中器通常设置在台区变压器低压一侧，主要负责网络数据的存储和收集工作，其逻辑拓扑是一种树形的混合型拓扑结构。由于变压器铁芯对信号起到高衰减作用，从逻辑角度来看，三相间处于相互独立状态，因此在研究中将一相作为研究对象，能体现出研究数据的准确性。

２．２ 集中抄表系统中采集系统的组网特征

在集中抄表系统运行过程中，采集系统组网的各种复杂特点如下。（１）通信逻辑拓扑结构复杂。信号传输数据波动易影响低压电力线载波通信网络，加上接入各种电气随机开关，导致通信信道出现不同程度的变化，影响到通信逻辑拓扑结构，进而对组网算法自愈性能和抗毁性提出更高标准。（２）实时性要求较低。电力集中抄表系统目的是全面覆盖实际用户用电数据和控制信息，但由于電力集中抄表系统通信数据量小，无形中降低了数据实时性要求，电力抄表系统长期处在空闲状态。（３）组网算法和硬件简单。由于我国电力用户数量较大，因此要降低硬件控制投资成本。为充分发挥采集系统的组网特征，要将所有工作内容放置在集中器，优化采集器和载波电表的硬件结构，结合采集系统的组网特征，提出低压电力线载波通信网络的自动组网算法［１］ 。

２．３ 电力抄表系统载波通信自动组网算法

２．３．１ 基础理论

在低压电力线载波通信网络运行过程中，通信信号的信噪比和低压电力线各方面因素有直接联系，如网络结构、物理长度、负载状况等，信号信噪比越高，其抗干扰能力越强，能够有效提高通信成功率。因此，在采集系统中，终端和集中器通信采用主?从半双工通信方法，集中器在整个通信中占主要地位，集中器和下属终端通信由集中器提出，集中器结构中储存详细的路由表，致使整个组网流程在集中器中进行。集中器先逻辑分层下属终端，构建起初始路由，进一步优化路由表，以保证通信上下行路径基本相同。

２．３．２ 帧格式

为提高组网帧格式的应用范围，在分析多功能电表通信标准规范后，将６８ Ｈ 作为第一帧，地址域主要包括存放帧的源地址、中继地质、目的地质等，存放帧表示传播方向，数据域用来储存各种数据，其中最常见的是信噪比数据。校验码是指第一帧到校验码前全部字符的模２５６ 相加，结束符用１６ Ｈ 表示。规范组网帧格式内容如图１ 所示。

２．３．３ 组网的前提条件

（１）在通信网络中设置ｎ 个通信终端，且保证ｎ始终大于１，在集中器中储存终端编码。

（２）集中器拥有计算检测信号信噪比的能力。

（３）假设集中器和终端在通信中不产生冲突事件为Ｔｍ，Ｔｍ 主要包括报文保护时间、处理时间、反应时间等，该数据通常在实践测试中取得。

（４）任何终端能和一个终端电气进行连接，且在有效通信范围中避免出现通信孤岛作用。

（５）组网中网络信道质量基本相同。

２．３．４ 具体算法和步骤

２．４ 建立终端的逻辑分层和初始路由表

先提前规范通信路径的信号信噪比，当信噪比高于Ｐ 时，说明通信路基稳定性满足行业标准。组网实施步骤如下。

首先，在时间片Ｔｍ 中，集中器依次向下属终端传输寻呼报文，若中继地址和ＩＤ 相同，则转载该报文；若目的地址和物理ＩＤ 相同，则利用原有寻呼报文路径向集中器传输应答报文。集中器接收到信号后，查询通信信号的信噪比，若信号信噪比满足行业标准，则自动记录终端定值和通信信号信噪比，若第１ 轮所有环节符合要求，则将信号终端为逻辑层１；若集中器在寻呼报文发送后，未能接收到报文信息，则说明报文信号覆盖范围距离集中器有一段距离，集中器无法完成逻辑分层工作，要对其他终端进行逻辑分层。

其次，在第２ 轮逻辑分层中要注重集中器工作效率，通过逻辑层１ 终端完成寻呼工作工作，分析不同终端所在具体位置。同时，为充分发挥中继效率，要合理控制逻辑分层数量，将逻辑层１ 中最低终端全部转变为中继终端，信噪比小的终端转换成中继中端，根据上述内容进行以此类推，直到所有逻辑层１ 终端为中继中端。而在进行集中器终端分层时，自动跳过已分层的终端；在报文回传时，通过集中器收集通信信号的信噪比，将信噪比条件终端作为逻辑层２，详细记录通信数据。当全部终端被发现，说明终端逻辑分层任务完成，不用进行逻辑分层工作［２］ 。

最后，要对剩余终端进行第３ 轮寻呼，将中继深度为１ 的通信路径作为中继终端，终端列为逻辑层３，实施步骤和上述基本相同。当所有终端被查出，说明分层任务通过，如果未全部发现，要将剩余终端进行逻辑分层（如图２ 所示）。

２．５ 初始路由表的优化

初始路由表决定着通信网络性能，改善初始路由表能提高通信稳定性。如果将优化后的终端和逻辑层终端间通信路径定位为Ｓ 条，初始路由表优化过程如下。首先，如果通信网络的信道质量在组网中不出现任何变化，工作人员可直接优化逻辑层２ 终端路由，能有效缩短运行时间。实际优化中，要测试每个逻辑层２ 中的终端，判断其通信路径的信噪比，如通过路由表初始化后，终端ａ，ｂ，ｃ，ｄ 全部在逻辑层１中，终端ｑ，ｈ，ｆ，ｔ 在逻辑层２，在优化终端ｑ 的路径时，要提前测量路径的通信信号信噪比。如果仅有单条路径满足行业要求，即是原有初始路由表中的那条。如果多条路径符合条件，要记录信噪比较高的通信路径［３］ 。

其次，要优化逻辑层３ 中的所有终端路由，实施步骤和上述步骤相同，要测试每个逻辑层３ 中的终端，判断其通信路径的信噪比，如通过路由表初始化后，终端ｇ，ｌ，ｒ 全部在逻辑层３ 中，终端ｄ，ｆ，ｒ 在逻辑层３，在优化终端ｑ 的路径时，要提前测量路径的通信信号信噪比［４］ 。如果仅有单条路径满足行业要求，即是原有初始路由表中的那条。如果多条路径符合条件，要记录信噪比较高的通信路径。工作人员要持续进行上述步骤，直到所有终端完成路由优化作业（如图３ 所示）。

２．６ 路由表的动态更新和重构策略

在路由表结构优化过程中，工作人员要保证低压表通信网络满足各种通信环境，才能进行接下来的操作。如果在终端通信和集中器相互连接时，终端和集中器的通信路径较多，要优先应用信噪比最高的通信路径。如果通信交流失败，要选择信噪比较低的路径，直到能自由通信。同时，在通信中集中器自动测量通信路径的信噪比参数，实时更新数据内容，标记通信不成功路径。如果该路径无法在规定时间内通信，要及时删除该通信路径所有数据，重构该终端的路由表结构。在路由重构过程中，要先删除终端的通信路径，利用上述方法确定终端的逻辑分层和初始通信路由，优化路由结构。如果终端在整个网络中都不能被发现，要将其作为严重损坏的路由，在网络中进行移除，即是阐述终端物理ＩＤ。而动态组网方法能通过人为手段控制低压电力线载波通信网络，加强网络的稳定性。对于通信环境较佳的网络，组网中要设置较小Ｓ 值和信噪比限值，合理降低集中器的硬件要求和逻辑分层数。当网络通信环境过于恶劣时，要设置较大信噪比限制和Ｓ 值，增加终端逻辑分层数，提高对集中器硬件的要求［５］ 。

３ 仿真和分析

３．１ 仿真条件和参数

在Ｍａｔｌａｂ 中以坐标平面为基础，随机布置点替换实际低压电力线通信网络中的随机分布终端，仿真点数量设置为６０ 个，集中器在坐标（０，０）位置；每个点均能和其他点进行相互通信，有效解决孤岛现象；当最高有效通信距离相同时，两点间距离缩短，抗干扰能力越强，通信成功率呈现直线上升趋势［６］ 。

３．２ 抗干扰性能分析

当Ｓ ＝１，最高通信距离ｌ ＝ ５ 时，为了对终端进行逻辑分层和对通信拓扑结构进行分析，优化初始路由表，明显提高了整个网络的抗干扰能力，并在不改变中继深度基础上，加强了通信可靠性。比如，点（－８，８）在路由优化前的通信路径长度为１３．６０，优化后的通信路径长度为１１．６６。路由表优化前的通信拓扑结构如图４ 所示。

为准确体现出抗干扰能力，定义参数ｒ：

ｒ ＝（ｌ－Ｌ） ／ ｌ （１）

式中，ｌ 表示组网组最高有效通信距离；Ｌ 表示实际路由的平均通信距离。通过分析上述公式，发现ｒ 值越大，通信网络抗性越高［７］ 。

当Ｓ ＝１ 时，通过调节ｌ 值进行组网工作，经过路由优化，明显加强了网络抗干扰能力，当最高有效通信距离出现变化时，路由优化后的网络ｒ 提升程度基本相同；當Ｓ 大于１ 时，通过路由优化后的通信路径趋于多样化；Ｓ ＝２ 时，通信拓扑内容过于复杂，终端和集中器中有２ 条通信路径，１ 条通信路径失效，自动启动剩余通信路径，以避免影响路由重构传输效率，加强通信实时性［８］ 。

３．３ 路由器优化的耗时仿真分析

通过分析对比不同最大的有效通信距离和Ｓ 值下的优化耗能，发现Ｓ 条件相同时，最高通信距离增加，路由优化耗时呈现先增后减的趋势；最高有效通信距离较小时，Ｓ 值优化时间增加，不同Ｓ 值间的优化时间差异缩短（如图５ 所示）。

集中器中有２ 条通信路径，１ 条通信路径失效，自动启动剩余通信路径，以避免影响路由重构传输效率，加强通信实时性［８］ 。

３．３ 路由器优化的耗时仿真分析

通过分析对比不同最大的有效通信距离和Ｓ 值下的优化耗能，发现Ｓ 条件相同时，最高通信距离增加，路由优化耗时呈现先增后减的趋势；最高有效通信距离较小时，Ｓ 值优化时间增加，不同Ｓ 值间的优化时间差异缩短（如图５ 所示）。图５ 不同最大的有效通信距离和Ｓ 值下的优化耗能对比

４ 结束语

从目前低压电力线通信情况来看，其存在很多方面的问题，如多径效应和反射、噪声影响严重、信号衰减等。若缩短信号在低压电力线上传输的距离，则减少了通信可靠性，针对该情况，工作人员应从网络层和物理层提高低压载波通信的可靠性，保障低压电力线顺利运行。

参考文献：

［１］ 广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东电力通信科技有限公司．一种低压电力线载波通信网络安全防御方法及系统［Ｐ］．中国，ＣＮ２０２１１１１５５７８２．２，２０２２?０１?０７．

［２］ 崔莹．基于改进遗传蚁群算法的低压ＰＬＣ 网络路由方法［Ｊ］．电力自动化设备，２０２２，４２（３）：２１０?２１７．

［３］ 王清，荆臻，代燕杰，等．基于电力线载波通信协议的时钟同步方法研究［Ｊ］．电测与仪表，２０２２，５９（１０）：１８４?１９０．

［４］ 山东梅格彤天电气有限公司．基于ＩＰ 化宽带载波通信的低压拓扑自动识别方法及系统［ Ｐ ］． 中国，ＣＮ２０２２１０１５９３３０．Ｘ，２０２２?０４?２２．

［５］ 李思维．基于ＯＦＤＭ 的低压电力线载波通信信道估计优化算法的研究［Ｄ］．宁夏：宁夏大学，２０２１．

［６］ 李新家，宋煜，祝永晋，等．一种台区本地双模通信网络信道与中继节点选择方法［Ｊ］．自动化与仪器仪表，２０２１（４）：１９４?１９８．

［７］ 中国电力科学研究院，国家电网公司．一种用于对低压电力线宽带载波通信互操作性进行测试的方法及系统［Ｐ］．中国，ＣＮ２０１７１０４１７９４４．２，２０２１?０６?１５．

［８］ 常富．基于ＺＹＮＱ 2０的宽带电力线载波通信测试系统的设计与实现