0  引言

    隨著電網信息技術和計算機技術應用的不斷發展，在經濟社會發展中，智能電網技術從傳統的電量采集向高效、經濟、智能化的電網應用轉變，成為電力行業中發展的必然趨勢^[1]。最近幾年，電力線寬帶載波通信技術發展迅速，而網絡應用技術也突飛猛進。現代化智能電網平臺以載波通信為基礎，實現了數據遠距離的飛速傳輸，利用電力通信技術發展智能電網，實現電網發展方式的轉變，加快智能化用電社區的建設，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網絡通信更加可靠，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  低壓電力線配電網絡特點

1.1  低壓集抄系統介紹

    用電信息采集低壓集抄系統[5]從物理上可根據部署位置分為以下三部分。系統示意圖如圖1所示。

    （1）主站

    為了保證系統的信息安全，通常給系統主站部分建立獨立的局域網，從而利用防火墻技術，使得主站與其他應用系統、公網信道隔離開來。

    （2）通信信道

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

    （3）采集設備

    現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  低壓電力線網絡邏輯結構

    低壓電力線網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量。用戶密度不同，對稱或非對稱地分布在低壓網絡中或各個分支上，分支的長度也不相同。整個網絡和它的分支都具有樹形拓撲。為此，本文采用中繼節點來進行數據轉發。

    如圖2所示，節點2、3、4與中心節點1可以直接通信，處于網絡的第1層級，節點5~節點11與中心節點1距離較遠，無法直接通信，選取1層級的節點作為中繼，處于網絡的第2層級，同理節點12、13處于3層級。因為信道的突然變化，使得節點12與節點8之間通信中斷，為此，選擇節點6作為新的中繼來進行數據轉發。

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，發送功率頻譜密度在工作頻帶內不大于-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，在標準測試環境下，隔離電源、屏蔽環境、丟包率小于 10%(業務報文包長＜100 B)、帶內發射功率譜密度為-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

    路由方案思想，每個節點不斷交換周圍鄰居節點信息，這樣每個節點可以掌握整個網絡的通信狀態，進而從鄰居節點中選出最佳的中繼。被選為中繼的節點升級為簇頭，其子節點為簇員節點，簇頭節點負責其下所有子節點的數據轉發。本方案是一種分布式中繼路由方案，每個節點自動去尋找最優通信路徑。

    寬帶載波通信單元具備在本地網絡中唯一的節點地址標識，用于建立中繼路由關系。在無人工干預情況下，自動管理下屬節點的中繼路由關系，下屬節點數量很多。支持本地通信單元白名單管理機制，允許白名單地址入網，剔除不在白名單地址范圍的節點。寬帶載波通信單元應支持臺區終端主動方式抄表、路由主動方式抄表及并發方式抄表。

    單網絡組網主要是CCO通過發送中央信標和安排發現信標發送，以及代理信標的發送，觸發逐層級的STA的網絡接入請求，來完成整個組網過程。CCO需要給已經入網的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，后續擴展使用。

    寬帶電力線載波通信網絡中CCO上電后，開啟網絡組網過程。CCO在信標時隙發送中央信標，觸發一級站點入網。未入網站點收到中央信標幀后，需等到CSMA時隙方可發起關聯請求。CCO收到關聯請求后需要先通過白名單進行認證，并將關聯請求的處理結果，通過關聯確認報文或者管理匯總指示報文告知給未入網站點。未入網站點收到關聯確認報文，若解析到關聯確認報文結果為“入網成功”，獲得CCO為其分配的TEI，站點入網成功；若解析到關聯確認報文結果為“入網失敗”，可根據重新關聯時間，等待一段間隔后再次請求入網，也可選擇另外一個網絡申請加入。當前信標周期結束后，CCO為新入網的站點安排信標時隙，觸發其周圍站點入網。待CCO白名單中全部站點入網成功后，可以認為組網完成。

    需要注意的時，在多級站點入網時，由于待入網站點此時尚未配置TEI，所以CCO在處理該STA的關聯請求后，先將處理結果攜帶在生成的關聯確認報文里，通過逐跳轉發的方式將關聯確認報文發送給該STA的代理站點，再由該代理站點以廣播的方式通知給入網請求的STA站點。單網絡組網機制是基于隊列實現的。站點入網成功后，被加入到已入網隊列；當站點角色變為PCO時，將被加入PCO隊列。CCO每次安排信標幀發送時，在中央信標幀中需要指定所有PCO和適量STA的信標發送時隙。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進行發現信標的發送。

    觀察現象：（1）隨著網絡規模的增大，組網耗時增加；（2）站點數目一定，初始退避窗口對組網耗時之間無明顯相關關系。

    原因分析：（1）站點數目增多意味著，組網過程需要交互的報文數目增加，組網耗時增加；（2）初始退避窗口對組網耗時有兩個方面的影響：一方面在站點數目一定的情況下，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，這又導致了組網耗時的增加。在站點數較多時，兩方面的因素相互作用使得組網耗時和初始退避窗口之間無明顯相關關系。

4  仿真數據與分析

4.1  仿真條件

    為了全面體現網絡的性能，構造了1 000個節點的場景進行仿真。分別進行了如下配置，并做了對比仿真：

    （1）網絡正常情況下網絡運行數據；

    （2）構造某一簇頭節點失效，來仿真業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個節點場景下的節點入網情況。可以看出，業務層級大致分為3層或以上，并且因為節點的分布狀況類似于橄欖型，所以在第二層級的節點數目多，所有節點在200 s以內入網。

    根據網絡正常運行時的輸出拓撲，選取了一級節點簇頭節點4，及其簇員節點1，使用每5 s產生一次的業務數據。可以通過圖4、圖5看出，當一級節點簇頭4失效時，某些子節點立刻切換簇頭恢復網絡，有些節點經過15 s左右恢復網絡，最長不超過25 s全部節點恢復網絡。同時，業務幀也僅丟失2幀。

    圖6為無噪聲節點和有噪聲節點情況下節點的入網情況，可以看出受噪聲節點的影響，第3級之后網絡的入網速度變緩，經過對照物理拓撲圖發現噪聲節點位置在第三級網絡節點的周圍。噪聲對網絡運行影響非常小，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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[3] 石俊福.電力線通信在智能電網中的應用[J]. 工業控制計算機，2014, 27(2).

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

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

作者信息:

張  捷，張思建，黨三磊，劉  健，李  健

（廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080）