摘 要： 為提高電力線載波通信系統(tǒng)的可靠性和性能，論述了遠程抄表系統(tǒng)的架構(gòu)和特點，分析了路由算法研究的必要性，提出了基于遺傳算法的負(fù)載均衡路由算法。該算法通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點變化、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化目標(biāo)并自動組網(wǎng)。仿真與試驗結(jié)果表明，該算法能為電力線載波遠程抄表系統(tǒng)提供有效的自動組網(wǎng)方式，保證系統(tǒng)通信的負(fù)載均衡，與傳統(tǒng)編號順序查詢路由方式相比，減小網(wǎng)絡(luò)延遲性達20%以上，提高網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通性超過15%。
關(guān)鍵詞： 電力線載波通信；遠程抄表系統(tǒng)；路由算法；負(fù)載均衡；遺傳算法
近年來，電力行業(yè)的遠程自動抄表技術(shù)蓬勃發(fā)展。抄表系統(tǒng)從應(yīng)用環(huán)境劃分，可以分為面向企業(yè)的用電現(xiàn)場服務(wù)與管理系統(tǒng)和面向居民的遠程抄表系統(tǒng)RMS(Remote Meter-Reading System)。對于用電現(xiàn)場服務(wù)與管理系統(tǒng)，由于企業(yè)用戶每月的用電量巨大，除了抄讀用電現(xiàn)場的相關(guān)數(shù)據(jù)外，還需要具有防竊電以及用電調(diào)度等功能。在實際的應(yīng)用中，用電現(xiàn)場服務(wù)與管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是1個電表配備1個終端，終端通過GPRS/CDMA無線通信網(wǎng)絡(luò)將用電現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時地傳送到數(shù)據(jù)服務(wù)器。對于面向居民的遠程抄表系統(tǒng)，如果也像用電現(xiàn)場服務(wù)與管理系統(tǒng)一樣在每個電表上使用一個具有GPRS/CDMA無線通信功能的終端，昂貴的設(shè)備費用會令客戶無法承受。因此，在實際應(yīng)用中，面向居民的RMS常常使用電力線載波通信PLC(Power Line Communication)技術(shù)，從而形成了基于電力線載波的遠程抄表系統(tǒng)RMSPLC(Remote Meter-Reading System based on Power Line Communication)[1]。電力線載波通信通常根據(jù)電壓分為高(>100 kV)、中(1 kV～100 kV)、低(<1 kV)電壓網(wǎng)絡(luò)[2]，其中以低壓電力線載波通信的應(yīng)用最為廣泛。在家庭自動化和智能建筑里，電力線載波通信為各種傳感以及報警設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)鏈接。龐大的低壓電力線網(wǎng)絡(luò)為通信提供了良好的基礎(chǔ)，然而，電力線載波的信道很復(fù)雜，電力線對于通信感興趣的頻率衰減非常大，而且電力線載波網(wǎng)絡(luò)的噪聲會隨著接入電網(wǎng)儀器的數(shù)量和阻抗特性而改變[3-4]。因此，在基于電力線載波的集中抄表系統(tǒng)中，其通信網(wǎng)絡(luò)存在時變性、頻率選擇性、強干擾性等問題。所以，設(shè)計出有效的基于電力線載波的集中抄表系統(tǒng)有效的自動路由算法對提高系統(tǒng)的可靠性起到重要的作用[5]。
目前，對于PLC網(wǎng)絡(luò)路由算法的研究不多，少量的研究成果只考慮到了路由算法的智能化而忽略了系統(tǒng)硬件平臺的實際計算能力和存儲容量，因此，這些算法不宜使用在實際工程中。本文提出了基于遺傳算法的負(fù)載均衡路由算法。
1 基于電力線載波的遠程抄表系統(tǒng)
1.1 系統(tǒng)的架構(gòu)以及相關(guān)定義
基于電力線載波的遠程抄表系統(tǒng)由數(shù)據(jù)服務(wù)器、集中器SN(Sink Node)、采集器DCN(Data Collection Node)構(gòu)成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。在該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)服務(wù)器位于電力系統(tǒng)管理部門，用來存儲居民用電相關(guān)數(shù)據(jù)；集中器位于小區(qū)變壓器區(qū)，用來控制采集器采集電表數(shù)據(jù)并通過GPRS/CDMA無線網(wǎng)絡(luò)傳送相關(guān)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)服務(wù)器；采集器被安裝在電表箱中，通過RS485接口或者脈沖接口采集1個或者多個電表。集中器和采集器、采集器與采集器之間通過電力線載波進行通信。在實際的工程實現(xiàn)中，采集器的主控制芯片采用Atmega16L，集中器的主控制芯片采用Atmega64L，路由路徑和數(shù)據(jù)存儲采用AT45DB161B芯片。
為了對系統(tǒng)的路由算法進行描述，下面對算法相關(guān)的術(shù)語進行定義。
(1)采集器編號。每個采集器有一個類似于IP網(wǎng)絡(luò)的采集器編號，在一個集中器控制的電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)中，集中器的編號是唯一的。
(2)中繼。由于電力線載波通信的距離不遠，因此集中器不能和每一個采集器進行直接通信。當(dāng)集中器通過采集器A去讀取采集器B的數(shù)據(jù)時，稱采集器A為采集器B的中繼。
(3)中繼級數(shù)。采集器A通過N個采集器中繼后才能與集中器進行通信，則采集器A的中繼級數(shù)為N。
(4)中繼序號。采集器A是采集器B的中繼，則A的采集器編號是采集器B的中繼序號。
(5)采集器負(fù)載。采集器A被N個另外的采集器當(dāng)作中繼，則采集器A的采集器負(fù)載為N。
1.2 系統(tǒng)的特點
由于電力線載波通信具有時變性、頻率選擇性、強干擾性等特點，基于電力線載波的遠程抄表系統(tǒng)有自己的組網(wǎng)特點：
(1)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性差，通信丟包率高，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓蟆＿@些特點要求網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的容錯能力加強，在網(wǎng)絡(luò)的采集器出現(xiàn)通信失敗、增加新的采集器以及撤除了采集器后，通信協(xié)議要對網(wǎng)絡(luò)進行動態(tài)的管理。
(2)低成本要求導(dǎo)致的弱計算能力。由于遠程抄表系統(tǒng)的用戶是面向普通居民，所以成本必須被控制。低成本導(dǎo)致了硬件的計算能力很弱。這樣，路由算法只有在集中器實現(xiàn)，采集器不用保存路由路徑。
(3)路由算法的工程實現(xiàn)要求簡單。大部分智能路由算法其實是目標(biāo)優(yōu)化問題，而目標(biāo)優(yōu)化問題的代表算法包括遺傳算法和蟻群算法等[6-8]。這些算法的實現(xiàn)過程大多是經(jīng)過多次迭代，這樣導(dǎo)致計算資源被大量占用。所以弱計算能力的遠程抄表系統(tǒng)需要占用計算資源少的簡化路由算法。
1.3 路由算法對系統(tǒng)的作用
由于系統(tǒng)環(huán)境和硬件的特點，研究出易于實現(xiàn)、性能優(yōu)越的路由算法，對于提高系統(tǒng)的可靠性和通信的有效性是十分重要的。其作用主要體現(xiàn)在：
(1)系統(tǒng)的靈活性在路由算法的支持下得到提高。由于遠程抄表系統(tǒng)的設(shè)備是動態(tài)地增加或者減少的過程，一方面，采集器個數(shù)隨著用戶的增多而增加，另一方面，采集器可能隨著使用時間的變化而更新。這樣，電力線通信設(shè)備的拓?fù)涫莿討B(tài)變化的，只有動態(tài)的路由算法才能滿足拓?fù)渥兓男阅芤蟆?br />
(2)系統(tǒng)的適用性在路由算法的支持下加強。由于電力線載波通信的強衰減性，其直接通信距離十分有限。在路由算法的支持下，電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)將具有無線自組織網(wǎng)絡(luò)的多跳路由功能[9-10]。這樣，電力線載波網(wǎng)絡(luò)的通信距離被延長，系統(tǒng)的適用性得到加強。
(3)系統(tǒng)的抗干擾能力提高。電力系統(tǒng)的信道性能具有時變性，在信道存在較強的干擾源時，距離干擾源近的采集器的通信受到嚴(yán)重影響。當(dāng)某采集器通信因為受干擾而被中斷時，路由算法將對網(wǎng)絡(luò)的路由表進行動態(tài)調(diào)整，減少由于通信中斷采集器帶來的連鎖通信故障。
2 電力線載波抄表系統(tǒng)的路由算法
2.1 電力線載波抄表系統(tǒng)的路由算法流程
電力線載波抄表系統(tǒng)的路由算法分為集中器路由算法和采集器路由算法。集中器路由算法需要對整個網(wǎng)絡(luò)的路由路徑進行選擇和存儲，并在與采集器進行通信時，在數(shù)據(jù)報中指明路由路徑采集器之間進行通信。采集器路由算法不需要維護網(wǎng)絡(luò)的路由路徑，只需要按照2.4節(jié)的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳送。
集中器路由算法的流程圖如圖2所示。在圖2中，適應(yīng)度值的定義和遺傳算法的染色體選擇分別如2.2節(jié)和2.3節(jié)中描述。傳送數(shù)據(jù)按照2.4節(jié)的通信協(xié)議來對數(shù)據(jù)進行組包。
2.2 網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)度函數(shù)
在電力線載波網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浔淮_定后，網(wǎng)絡(luò)就具有了無線自組織網(wǎng)絡(luò)的一些特點。為了對網(wǎng)絡(luò)的性能進行評價，需要對采集器中繼適應(yīng)度函數(shù)、采集器存活適應(yīng)度函數(shù)、鏈路負(fù)載適應(yīng)度函數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)度函數(shù)進行計算，這些函數(shù)值被計算出來后，將作為遺傳算法相關(guān)操作的依據(jù)。這些適應(yīng)度函數(shù)的定義如下：
采集器中繼適應(yīng)度函數(shù)RF(Relay Fitness)用來評價采集器與集中器通信路徑的優(yōu)劣，其定義為：
式中，ρn是采集器的下一級子采集器個數(shù)，ρ是中繼級數(shù)相同的采集器的下一級平均采集器個數(shù)，其定義為：
式中，N1是同級的采集器個數(shù)，N2是下一級采集器總數(shù)。
網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)度函數(shù)NF(Network Fitness)是由節(jié)點選擇適應(yīng)度函數(shù)、節(jié)點存活率適應(yīng)度函數(shù)和鏈路負(fù)載適應(yīng)度函數(shù)通過加權(quán)而得到的評價函數(shù)，用來評價網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣，其定義為：
2.3 遺傳算法的染色體選擇
在本系統(tǒng)研究的路由算法中，采用簡化的遺傳算法進行路由路徑的優(yōu)化選擇。遺傳算法是模擬自然界生物進化機制發(fā)展起來的隨機全局搜索和優(yōu)化方法。遺傳算法中的個體或當(dāng)前近似解被編碼為由字母組成的串，即染色體，染色體的值被稱之為基因?；蚰茉谟驔Q策變量上被唯一地描述。在本系統(tǒng)的路由算法中，用1個8 bit二進制數(shù)字表示采集器的中繼編號，這個8 bit二進制數(shù)字被選為遺傳算法的基因。如果對應(yīng)采集器的中繼為集中器，其基因則為00000000。在集中器中，所有的基因根據(jù)采集器編號順序構(gòu)成一個染色體，基因所在染色體中的字節(jié)位置代表對應(yīng)采集器的編號。通過染色體，可以計算出采集器中繼適應(yīng)度函數(shù)、采集器存活適應(yīng)度函數(shù)、鏈路負(fù)載適應(yīng)度函數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)度函數(shù)的函數(shù)值，以供遺傳算法的選擇等操作中使用。同時，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的染色體確定后，電力線載波遠程抄表系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟脖淮_定下來。例如，如果電力線載波網(wǎng)絡(luò)的染色體為字符串a(chǎn)：0000000 00000000 00000000 00000001 00000010 00000011 00000011 00000100，其對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。
2.4 路由算法的通信協(xié)議
由于采集器和集中器的計算能力都是很有限的，因此路由表的維護都是在集中器進行。集中器在網(wǎng)絡(luò)初始的時候建立網(wǎng)絡(luò)路由表，在網(wǎng)絡(luò)正常運行時，對路由表進行動態(tài)維護。基于中繼路徑的通信協(xié)議數(shù)據(jù)包的地址域數(shù)據(jù)描述如圖4所示。
在圖4所示的通信協(xié)議數(shù)據(jù)包中，數(shù)據(jù)包分為上行數(shù)據(jù)包(數(shù)據(jù)從采集器發(fā)送到集中器)和下行數(shù)據(jù)包(數(shù)據(jù)從集中器發(fā)送到采集器)。數(shù)據(jù)包A為集中器發(fā)送的下行命令，其目標(biāo)地址為中繼地址1，中繼地址1、中繼地址2等是集中器與目標(biāo)地址采集器通信需要經(jīng)過的采集器編號，中繼地址n是需要上傳數(shù)據(jù)的目標(biāo)采集器地址。數(shù)據(jù)包B代表采集器地址為k-1的采集器在收到采集器地址為k-2的采集器的命令后，將數(shù)據(jù)包格式進行改變后的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包C為采集器地址為n的采集器收到采集器地址為n-1的采集器發(fā)送的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包D是采集器地址為n的采集器將數(shù)據(jù)回送給集中器的數(shù)據(jù)包的地址域地址，數(shù)據(jù)上行的處理過程與下行的處理過程是一樣的。
3 算法仿真
在算法的仿真中，考慮一棟10層樓，每層樓有10個采集器，采集器之間能否進行通信簡化成空間距離。考慮一棟大樓的布局規(guī)范，任意2個節(jié)點的坐標(biāo)由A1與A2給定，A1(x1，y，z1)與A2(x2，y，z2)的距離d通過公式(6)給定。假設(shè)L是采集器直接通信設(shè)定閾值，如果d≤L，則2個采集器之間可以直接進行通信，否則需要通過中繼方式進行通信。
3.1 負(fù)載均衡性
考慮到集中器的計算能力比較弱，在遺傳算法的實現(xiàn)過程中，首先對基于電力線載波的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M行確定，以保證公式(1)和公式(2)的要求。算法對拓?fù)涞拇_定過程是分層進行的，首先通過集中器選擇出能直接與集中器進行通信的采集器，歸為集合J1，然后通過J1選擇出中繼級數(shù)為1的采集器，歸為集合J2，依次類推，將所有的采集器接入到網(wǎng)絡(luò)中。在仿真中，AF=0。因此，算法的難點是通過動態(tài)優(yōu)化得到最小的LLF。圖(5)和圖(6)是用按順序和簡化遺傳算法進行選擇的采集器負(fù)載比較，從結(jié)果可以看出，簡化遺傳算法可以很大程度地提高系統(tǒng)的負(fù)載均衡性。
3.2 網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通性
采集器序號順序算法沒有考慮網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障的情況，而簡化遺傳算法充分考慮了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通性。從圖7所示的仿真結(jié)果來看，在20%采集器發(fā)生故障的情況下，簡化遺傳算法維持100%的聯(lián)通性，順序算法只有91%的聯(lián)通性；隨著故障點的增加，簡化遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通性均優(yōu)于順序算法。
3.3 網(wǎng)絡(luò)延遲性
網(wǎng)絡(luò)延遲是反映網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)的一個直觀指標(biāo)。在電力抄表系統(tǒng)中如果網(wǎng)絡(luò)延遲的閾值越大，抄表數(shù)據(jù)將不能及時更新。從如圖8所示的仿真結(jié)果來看，由于簡化遺傳算法動態(tài)考慮到網(wǎng)絡(luò)的距離和時間參數(shù)，形成中繼器，網(wǎng)絡(luò)延遲比順序算法減少了20%以上，網(wǎng)絡(luò)性能得到了大大的提高。
仿真的算法在實際系統(tǒng)中的應(yīng)用，效果證明，該路由算法在不增加系統(tǒng)成本的前提下對提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性有很大的作用，已經(jīng)被應(yīng)用在浙江省電力企業(yè)相關(guān)產(chǎn)品中。
在基于電力線載波的抄表系統(tǒng)中，路由算法對中繼的選擇往往沒有考慮到節(jié)點的負(fù)載均衡問題，選擇中繼一般以編號為順序查詢或隨機選取。這樣建立的路由表，有些采集器的負(fù)載很重，當(dāng)采集器通信發(fā)生故障時，大量的采集器通信會受影響。
本文為基于電力線載波的抄表系統(tǒng)提出了一種多目標(biāo)優(yōu)化的路由算法。這種路由算法考慮了系統(tǒng)的負(fù)載均衡問題并基于簡化的遺傳算法實現(xiàn)，減小了網(wǎng)絡(luò)的延遲性，提高了網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通性，非常適用于計算資源和存儲資源都不豐富的硬件平臺。通過仿真和實驗結(jié)果分析，算法能很好地提高基于電力線載波的抄表系統(tǒng)的性能。
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