0  引言

    隨著電網(wǎng)信息技術(shù)和計算機技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展，在經(jīng)濟社會發(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、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^[1]。最近幾年，電力線寬帶載波通信技術(shù)發(fā)展迅速，而網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)也突飛猛進。現(xiàn)代化智能電網(wǎng)平臺以載波通信為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠距離的飛速傳輸，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，電力線信道混雜多種噪聲，信號衰減厲害，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解決該問題：（1）提高從中壓變電站到用戶電表的一點對多點通信能力，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  低壓電力線配電網(wǎng)絡(luò)特點

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)信道隔離開來。

    （2）通信信道

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

    （3）采集設(shè)備

    現(xiàn)場采集設(shè)備是集中器、采集器、多功能電表、以及用戶電能表計等。本地信道主要是電力線載波、微功率無線（470-510M）、485等。

1.2  低壓電力線網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)

    低壓電力線網(wǎng)絡(luò)中存在著很多分支，每個分支具有不同的拓撲連接不同的用戶數(shù)量。用戶密度不同，對稱或非對稱地分布在低壓網(wǎng)絡(luò)中或各個分支上，分支的長度也不相同。整個網(wǎng)絡(luò)和它的分支都具有樹形拓撲。為此，本文采用中繼節(jié)點來進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

    如圖2所示，節(jié)點2、3、4與中心節(jié)點1可以直接通信，處于網(wǎng)絡(luò)的第1層級，節(jié)點5~節(jié)點11與中心節(jié)點1距離較遠，無法直接通信，選取1層級的節(jié)點作為中繼，處于網(wǎng)絡(luò)的第2層級，同理節(jié)點12、13處于3層級。因為信道的突然變化，使得節(jié)點12與節(jié)點8之間通信中斷，為此，選擇節(jié)點6作為新的中繼來進行數(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、屏蔽標準測試環(huán)境下，通信速率應(yīng)不小于1 Mb/s。

    （4）抗衰減性能，在標準測試環(huán)境下，隔離電源、屏蔽環(huán)境、丟包率小于 10%(業(yè)務(wù)報文包長＜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  路由方案實現(xiàn)

    路由方案思想，每個節(jié)點不斷交換周圍鄰居節(jié)點信息，這樣每個節(jié)點可以掌握整個網(wǎng)絡(luò)的通信狀態(tài)，進而從鄰居節(jié)點中選出最佳的中繼。被選為中繼的節(jié)點升級為簇頭，其子節(jié)點為簇員節(jié)點，簇頭節(jié)點負責其下所有子節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。本方案是一種分布式中繼路由方案，每個節(jié)點自動去尋找最優(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)點地址標識，用于建立中繼路由關(guān)系。在無人工干預(yù)情況下，自動管理下屬節(jié)點的中繼路由關(guān)系，下屬節(jié)點數(shù)量很多。支持本地通信單元白名單管理機制，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。寬帶載波通信單元應(yīng)支持臺區(qū)終端主動方式抄表、路由主動方式抄表及并發(fā)方式抄表。

    單網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)主要是CCO通過發(fā)送中央信標和安排發(fā)現(xiàn)信標發(fā)送，以及代理信標的發(fā)送，觸發(fā)逐層級的STA的網(wǎng)絡(luò)接入請求，來完成整個組網(wǎng)過程。CCO需要給已經(jīng)入網(wǎng)的STA站點分配TEI，CCO的TEI固定為1，廣播報文TEI為0x FFF，本標準CCO分配TEI范圍為1~1015，其他地址作為保留，后續(xù)擴展使用。

    寬帶電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)中CCO上電后，開啟網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)過程。CCO在信標時隙發(fā)送中央信標，觸發(fā)一級站點入網(wǎng)。未入網(wǎng)站點收到中央信標幀后，需等到CSMA時隙方可發(fā)起關(guān)聯(lián)請求。CCO收到關(guān)聯(lián)請求后需要先通過白名單進行認證，并將關(guān)聯(lián)請求的處理結(jié)果，通過關(guān)聯(lián)確認報文或者管理匯總指示報文告知給未入網(wǎng)站點。未入網(wǎng)站點收到關(guān)聯(lián)確認報文，若解析到關(guān)聯(lián)確認報文結(jié)果為“入網(wǎng)成功”，獲得CCO為其分配的TEI，站點入網(wǎng)成功；若解析到關(guān)聯(lián)確認報文結(jié)果為“入網(wǎng)失敗”，可根據(jù)重新關(guān)聯(lián)時間，等待一段間隔后再次請求入網(wǎng)，也可選擇另外一個網(wǎng)絡(luò)申請加入。當前信標周期結(jié)束后，CCO為新入網(wǎng)的站點安排信標時隙，觸發(fā)其周圍站點入網(wǎng)。待CCO白名單中全部站點入網(wǎng)成功后，可以認為組網(wǎng)完成。

    需要注意的時，在多級站點入網(wǎng)時，由于待入網(wǎng)站點此時尚未配置TEI，所以CCO在處理該STA的關(guān)聯(lián)請求后，先將處理結(jié)果攜帶在生成的關(guān)聯(lián)確認報文里，通過逐跳轉(zhuǎn)發(fā)的方式將關(guān)聯(lián)確認報文發(fā)送給該STA的代理站點，再由該代理站點以廣播的方式通知給入網(wǎng)請求的STA站點。單網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)機制是基于隊列實現(xiàn)的。站點入網(wǎng)成功后，被加入到已入網(wǎng)隊列；當站點角色變?yōu)镻CO時，將被加入PCO隊列。CCO每次安排信標幀發(fā)送時，在中央信標幀中需要指定所有PCO和適量STA的信標發(fā)送時隙。受物理塊大小限制，若CCO無法在一個信標幀中為所有站點指定信標時隙，則需要對STA進行輪詢，每次安排部分STA進行發(fā)現(xiàn)信標的發(fā)送。

    觀察現(xiàn)象：（1）隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，組網(wǎng)耗時增加；（2）站點數(shù)目一定，初始退避窗口對組網(wǎng)耗時之間無明顯相關(guān)關(guān)系。

    原因分析：（1）站點數(shù)目增多意味著，組網(wǎng)過程需要交互的報文數(shù)目增加，組網(wǎng)耗時增加；（2）初始退避窗口對組網(wǎng)耗時有兩個方面的影響：一方面在站點數(shù)目一定的情況下，增大退避窗口意味著報文的碰撞概率降低，減少重傳，組網(wǎng)耗時減少；另一方面，退避窗口的增大，意味著退避帶來的時間損耗期望增大，且由于爭用時間τ較長（τ為4個OFDM符號），退避影響不能忽略，這又導(dǎo)致了組網(wǎng)耗時的增加。在站點數(shù)較多時，兩方面的因素相互作用使得組網(wǎng)耗時和初始退避窗口之間無明顯相關(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個節(jié)點的場景進行仿真。分別進行了如下配置，并做了對比仿真：

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

    （2）構(gòu)造某一簇頭節(jié)點失效，來仿真業(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個節(jié)點場景下的節(jié)點入網(wǎng)情況?？梢钥闯?，業(yè)務(wù)層級大致分為3層或以上，并且因為節(jié)點的分布狀況類似于橄欖型，所以在第二層級的節(jié)點數(shù)目多，所有節(jié)點在200 s以內(nèi)入網(wǎng)。

    根據(jù)網(wǎng)絡(luò)正常運行時的輸出拓撲，選取了一級節(jié)點簇頭節(jié)點4，及其簇員節(jié)點1，使用每5 s產(chǎn)生一次的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^圖4、圖5看出，當一級節(jié)點簇頭4失效時，某些子節(jié)點立刻切換簇頭恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)，有些節(jié)點經(jīng)過15 s左右恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)，最長不超過25 s全部節(jié)點恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)。同時，業(yè)務(wù)幀也僅丟失2幀。

    圖6為無噪聲節(jié)點和有噪聲節(jié)點情況下節(jié)點的入網(wǎng)情況，可以看出受噪聲節(jié)點的影響，第3級之后網(wǎng)絡(luò)的入網(wǎng)速度變緩，經(jīng)過對照物理拓撲圖發(fā)現(xiàn)噪聲節(jié)點位置在第三級網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的周圍。噪聲對網(wǎng)絡(luò)運行影響非常小，本方案有良好的抗噪聲能力。

5  結(jié)束語

    低壓電力線載波通信信道具有高衰減、高阻抗、強噪聲和強時變性的特性，導(dǎo)致信號的傳輸距離有限。需要通過網(wǎng)絡(luò)層的中繼路由技術(shù)來解決點對點通信距離近的問題，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)性和擴展性，能夠?qū)箯姷脑肼暩蓴_，具有良好的自愈能力。

參考文獻

[1] 耿亮，袁洲，王一蓉. 智能電網(wǎng)電力線寬帶通信性能研究[J].電力系統(tǒng)通信, 2012, 33(10): 118-123.

[2] 辛耀中. 智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與技術(shù)展望[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2015, 39(１). 

[3] 石俊福.電力線通信在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)控制計算機，2014, 27(2).

[4] 張文亮, 劉壯志, 王明俊, 等. 智能電網(wǎng)的研究進展及發(fā)展趨勢[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2009, 33(13): 1-11.

[5] 胡江溢，祝恩國，杜新綱，等. 用戶信息采集系統(tǒng)用用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2014, 38(2): 131-135.

作者信息:

張  捷，張思建，黨三磊，劉  健，李  健

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