文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2018.S1.003
0 引言
隨著電網(wǎng)信息技術和計算機技術應用的不斷發(fā)展,在經(jīng)濟社會發(fā)展中,,智能電網(wǎng)技術從傳統(tǒng)的電量采集向高效,、經(jīng)濟、智能化的電網(wǎng)應用轉變,,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發(fā)展迅速,,而網(wǎng)絡應用技術也突飛猛進?,F(xiàn)代化智能電網(wǎng)平臺以載波通信為基礎,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠距離的飛速傳輸,,利用電力通信技術發(fā)展智能電網(wǎng),,實現(xiàn)電網(wǎng)發(fā)展方式的轉變,加快智能化用電社區(qū)的建設,,并提供智能化用電服務[2],。
電力線主要是為了輸電而架設的,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,;(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,,使得主站與其他應用系統(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)采集設備
現(xiàn)場采集設備是集中器,、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)絡邏輯結構
低壓電力線網(wǎng)絡中存在著很多分支,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)絡中或各個分支上,分支的長度也不相同,。整個網(wǎng)絡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)絡中唯一的節(jié)點地址標識,用于建立中繼路由關系,。在無人工干預情況下,,自動管理下屬節(jié)點的中繼路由關系,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)絡中CCO上電后,,開啟網(wǎng)絡組網(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)起關聯(lián)請求,。CCO收到關聯(lián)請求后需要先通過白名單進行認證,,并將關聯(lián)請求的處理結果,通過關聯(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)站點收到關聯(lián)確認報文,,若解析到關聯(lián)確認報文結果為“入網(wǎng)成功”,獲得CCO為其分配的TEI,,站點入網(wǎng)成功,;若解析到關聯(lián)確認報文結果為“入網(wǎng)失敗”,可根據(jù)重新關聯(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)絡申請加入。當前信標周期結束后,,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的關聯(lián)請求后,,先將處理結果攜帶在生成的關聯(lián)確認報文里,通過逐跳轉發(fā)的方式將關聯(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關系,。
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關系,。
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)絡的性能,構造了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)絡正常情況下網(wǎng)絡運行數(shù)據(jù);
(2)構造某一簇頭節(jié)點失效,,來仿真業(yè)務中斷和路由的恢復能力,;
(3)加入模擬噪聲,仿真本方案抗噪聲干擾能力,。
4.2 仿真結果分析
圖3為1 000個節(jié)點場景下的節(jié)點入網(wǎng)情況,。可以看出,,業(yè)務層級大致分為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網(wǎng)絡,,有些節(jié)點經(jīng)過15 s左右恢復網(wǎng)絡,最長不超過25 s全部節(jié)點恢復網(wǎng)絡,。同時,,業(yè)務幀也僅丟失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)絡節(jié)點的周圍,。噪聲對網(wǎng)絡運行影響非常小,,本方案有良好的抗噪聲能力。
5 結束語
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,導致信號的傳輸距離有限,。需要通過網(wǎng)絡層的中繼路由技術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,具有良好的自適應性和擴展性,,能夠對抗強的噪聲干擾,,具有良好的自愈能力。
參考文獻
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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研究院,廣東 廣州 510080)