（广东电网有限责任公司惠州供电局 516001）
摘要：本文提出了一种基于交叠分簇的动态路由算法，以实现低压电力线载波抄表系统中的数据通信。该算法采用分簇的基本思想将低压电力线网络进行交叠分簇得到多条最短路径；进一步规定同层节点可以相互通信，将树状拓扑结构转化为网状拓扑，增加可选路径；建立一张矩阵式路由表记录这些路径信息，在通信时查询这张路由表选取路径。该算法建立多条可选路径，克服了路径唯一的缺点，从而避免通信时发生过多的网络重构。
关键词：低压电力线；载波抄表系统；交叠分簇；路由算法
传统的抄表方式和用电管理体系已经不能满足高度信息化时代下人们的生活需求。相比于传统的人工抄表方式，自动抄表系统以其突出的便捷性、实时性和高效性逐步成为研究的热点和今后的主要发展方向。自动抄表系统中可采用的通信方式种类较多，比如基于电话线网络（PSTN）的抄表系统、基于ZigBee技术的抄表系统、基于LonWorks现场总线的抄表系统及基于低压电力线载波通信的抄表系统等。其中，低压电力线载波通信是以固有的低压电力线作为传播媒介的通信方式，省去了重新布线等中间环节，具有成本低、工程量小及便于维护等优势，在自动抄表系统中被认为是最理想的通信方式。但是，由于低压电力线的信道环境恶劣，对通信效果影响较大，致使低压电力线载波通信的普及步伐较慢。笔者探讨了基于低压电力线载波通信的自动抄表系统设计中的关键问题。首先设计了自动抄表系统的总体结构，在此基础上设计低压电力线载波Modem的硬件电路和软件，其次还探讨了低压电力线载波通信的自动路由算法。
1.低压电力线载波抄表系统及其中继技术
低压电力线载波抄表系统利用电力线进行数据通信，根据指令自动采集用户电表数据并上传至管理系统，一般分为抄表管理中心、集中器和载波电能表３层结构。其中抄表管理中心负责对集中器上传的数据进行处理；集中器负责与每一个载波电表进行数据通信，保存数据并上传给管理中心；载波电表位于用户端，具有电能计量个载波通信功能，将采集的数据通过低压电力线上传给集中器。其系统结构如图１所示：
图１ 低压电力线载波抄表系统结构图
由于低压电力线信道噪声和信号衰落等特性使得通信范围有限，并且其时变特性使得逻辑拓扑结构发生动态的变化，因此需要采用中继技术进行数据的转发。载波抄表中继技术主要有人工中继和自动中继２种：
人工中继是一种固定的中继方式，在组网时预先在某些位置设置中继进行信号接力。这种方式的中继路由是固定的，不具有动态适应电力线环境变化的能力。自动中继方式是在组网的同时根据需要自动设置中继。其基本思想是通过遍历轮询和穷举方式在逻辑上建立一个以集中器为根的树状查询结构，通过这个结构逐层寻找中继。该方法在理论上能够解决抄表中的通信距离有限的问题，但是无穷搜索方式寻找中继实现起来非常耗时。因此一种高效的、具有自适应能力的动态路由算法成为低压电力线载波抄表中继技术研究的目标。
2.低压电力线载波抄表分簇路由算法
由于低压供电网络的设计初衷不是为通信系统服务，因此采用低压电力线作为通信信道的效果并不是十分理想，这也直接影响了低压电力线载波自动抄表系统的可靠性和通信距离。为了提高自动抄表系统的性能，首先从硬件设计的角度出发，比如优化接收滤波器、发送滤波器和阻抗匹配电路的设计，以及改进载波调制/解调方式等，但是以上措施只能对点对点系统的通信性能有所提高，而且提升空间有限。对于整个自动抄表系统而言，点对点的通信可靠性并不能作为系统性能的评价指标，因此在低压电力线载波通信系统中建立类似于以太网的路由网络是保证系统性能的有效方法。笔者将探讨一种适用于低压电力线通信网络的新型组网算法———人工蛛网算法。该算法能够把传统的树形网络拓扑转换为蛛网形式，比常规的电力线通信机制效率高。此外，笔者还将针对出现故障节点的情况探讨人工蛛网形式下的重路由算法。
2.1基于人工蛛网的组网算法
图2是一个采用树形拓扑结构的低压电力线载波通信系统，其中C为集中器。在理想情况下，所有的节点都可以直接与集中器C进行数据的收、发，但随着节点与集中器C之间的距离增加，通信能力会越来越差。实际情况下，仅数米内的节点才能可靠通信。
图2 采用树形拓扑的低压电力线载波通信系统
为了提高低压电力线载波通信系统的可靠性，可以采用人工蛛网算法调整通信系统的拓扑结构，以图8所示的低压电力线载波通信系统为例，说明其调整过程：
a．首先由集中器C发送组网广播，假设只有节点1～7收到了组网广播，在节点1～7中选择一个节点作为子网1的中心节点，这个节点应该既能与集中器C可靠通信，又能和剩余的其他6个节点可靠通信，此处假设为节点4。然后，再由子网1的中心节点（节点4）为其他6个节点分配逻辑地址，至此完成了子网1的组网。
b．集中器C向子网1的中心节点（节点4）发送组网指令。接收到组网指令后，子网1的中心节点发送组网广播。假设节点1～14均收到了组网广播，此时应去除已经获得逻辑地址的节点（节点1～7），并在剩下的节点中选择一个能与子网1的中心节点可靠通信的节点作为子网2的中心节点，此处假设为节点11，然后再为子网2内的其他节点分配逻辑地址。
c．集中器C以子网1的中心节点为中继向子网2的中心节点发送组网指令。如图9所示，与子网2的组网过程相似，以节点16为中心节点，构建子网3。
d．集中器C以子网1和子网2的中心节点为中继向子网3的中心节点发送组网指令，由于子网3已经将剩下的节点全部连通，因此子网3的中心节点通过子网2和子网1的中心节点向集中器发送空响应，这样就完成了对整个系统的组网。
2.2交叠分簇路由算法
在低压电力线载波抄表系统中，管理中心控制集中器发送一个分簇广播，收到该广播报的电能表对集中器进行应答。应答次序按照电能表自身唯一确定的表号即物理地址依次进行。集中器收到某电能表应答后，按照应答时间的先后顺序给这些电能表分配唯一的逻辑地址（Ｘ，Ｙ），对于已有逻辑地址的电能表，不再分配逻辑地址。其中Ｘ表示逻辑层数，Ｙ表示节点在该层的应答序列号。这些给予集中器应答数据的电能表构成逻辑层１。没有收到集中器分簇广播的电能表继续参加下一次的逻辑地址分配过程。
逻辑层１地址分配完成后，若有电能表没有应答集中器的广播命令，则进行下一层的地址分配，即逻辑层２。根据分簇结构的特点可知，逻辑层１的簇员节点将构成逻辑层２的簇头节点。为了分簇的有序，规定同一层逻辑地址即Ｙ值小的电能表优先组网，其余的电能表依次等待获得组网权。当逻辑层１中按Ｙ的大小依次得到集中器赋予的分簇广播权后发送分簇广播，电能表收到该广播后首先判断自身是否有逻辑地址，如果没有则发送应答数据成为其簇员。如果已存在逻辑地址则判断两者逻辑地址中的Ｘ值是否相同。相同则说明两者位于同一层，则在它们之间不存在簇头与簇员的关系，不进行应答，只需要在路由表中记录该条路径信息；若不同则说明它们不属于同一层，将自身的逻辑地址封装为数据包应答给相应节点。收到应答数据的簇头节点在本节点路由表中记录下所有应答节点的路径，并将逻辑地址分配予无逻辑地址的节点。
3.路由表的优化
对于已建立好的路由可以在每次通信过程中进行路径的优化。系统在每次通信时选择一条路径，通信成功后将该条路径信息发送给集中器，集中器每收到一次返还的路径信息就在路由表中的相应元素位置上加１。如果选取的路径没有通信成功，那么重新选取其他路径，若重新选择的路径通信成功，将该路径在路由表中的相应位置加1。这样可以在一定程度上可以将通信性能比较稳定的路径信息不断加强。在以后的通信中，优先选择路由表中数值较大的路径进行数据传输，无法通信时则选用备用路由。在网络空闲期间，可以对整个网络进行路由检测，若发现有节点未能正常连通，则进行局部路由重构。图3为该路由算法下的载波抄表过程：
图3 抄表系统通信流程图
结论
本文提出了一种基于低压电力线载波抄表系统的交叠分簇路由算法，利用交叠分簇方法将低压电力线网络进行分级处理，在集中器与载波电表之间建立多条通信路径，从而实现集中器对各个载波电表数据的抄收。
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基金项目：
广东电网有限责任公司科技项目资助（项目编号：031300KK52160024）
论文作者:罗步升
论文发表刊物:《河南电力》2019年1期
论文发表时间:2019/8/30
标签：电力线论文; 节点论文; 载波论文; 集中器论文; 子网论文; 低压论文; 通信论文; 《河南电力》2019年1期论文;