基于低壓電力線載波技術的抄表系統組網及路由研究

范 杰

基于低壓電力線載波技術的抄表系統組網及路由研究

范 杰

光一科技股份有限公司，江蘇 南京 211103

受到低壓電力通信線路特殊信道特性的影響，電力線傳輸期間信號發生沖突的可能性較大。抄表系統組網中必須著重考慮解決沖突對通信質量的影響。在低壓電力載波網絡中，部分節點無法直接與中心節點構建通信關系，需要依托其他載波節點轉發的方式支持數據在網絡中傳輸。因此，在抄表系統組網中必須著重考慮有關電力線信道介入以及路由算法方面的問題，以確保抄表系統中低壓電力線載波網絡的高效性與穩定性。

低壓電力線載波技術；抄表系統；組網；路由

1 電力信道接入分析

基于低壓電力線載波技術的抄表系統通信網絡結構形式為樹狀式，主要由采集器載波節點、電能表、以及集中器載波節點這幾個部分構成，低壓電力線物理介質在所有節點中全面共享。受這一特點的影響，在數據通過節點進行發送時，需要提前評估信道狀態，以確保抄表系統運行功能的正常性。一般情況下，可檢測到的載波節點信道狀態包括空閑、發送忙、以及接受忙這三大類。僅空閑狀態下允許載波節點啟動物理層數據發送服務，以免在其他狀態下受載波信號沖突因素影響而對信號接收情況產生影響。

為解決數據幀傳輸中信道接入存在的沖突問題，可以嘗試引入基于載波偵聽多路訪問/沖突機制[1]。該機制以ACK信號為依據解決沖突。其基本原理時，當載波節點發出通信指令且接收到信道ACK信號的情況下，方可確認數據已被目標節點正確接受。整套工作機制的基本流程如圖1所示。結合圖1，以電力線電壓過零信號周期設置為退避周期，算法中涵蓋兩個主要變量：變量1是信道接入載波節點過程中，執行算法進行沖突避讓的次數。該變量初始值為0，若信道檢測狀態為忙，則執行退避指令，變量值＋1，當變量值超過預設最大限制后直接退出算法，返回失敗指令；變量2是沖突退避指數，該變量可直接反應電力信道載波節點在發送載波數據前需要延時等待的時間。

2 路由算法分析

以下所研究路由算法需要建立在低壓電力線抄表系統的基礎之上運行。考慮到窄帶電力線通信傳輸速率首先，因此在路徑搜索與優化過程中，應當優先選用集中式的路由算法，以更好的尋找載波中繼節點，滿足抄表系統運行要求[2]。以下即針對低壓電力線載波技術支持下抄表系統可選用的常見路由算法進行分析：

圖1 載波偵聽多路訪問/沖突機制基本流程示意圖

2.1 泛洪算法

該路由算法在電力線載波網絡路由中應用最為頻繁，尤其適用于低壓電力線載波情況，且操作過程簡單有效，算法的核心是：當某個通信節點接收到非重復性廣播數據幀后，該數據幀會被通過廣播的方式傳輸出去。下圖（如圖2）所示為泛洪算法中載波節點在接受數據后的處理方式。結合圖1，為針對數據幀展開重復性檢測，每一載波節點都需要維護一個由數據幀路由地址信息以及數據幀序號信息所構成的重復信息表。載波節點可通過對比重復信息表與自接受消息中所提供關鍵信息的方式，判定兩者是否涵蓋相同內容。僅在數據生命周期＞0并且兩者對比無相同內容的情況下，程序方可進入轉發流程，將數據幀中關鍵信息加入重復信息表內進行傳輸。若兩者對比存在相同內容則直接丟棄數據幀即可[2]。

圖2 載波節點泛洪算法數據處理流程示意圖

本算法實際應用中最大的局限性在于重復性數據幀的大量產生，會在一定程度上占用載波網絡資源，導致網絡效率受到影響。但其優勢在于對節點數據處理要求不高，僅需完成數據中繼轉發與應答等基礎操作，無需涉及路由信息管理的問題，因此具有可靠且基礎的特點。

2.2 蟻群算法

該路由算法是一種基于群智能優化的基礎算法，剔除了對數學描述問題的分析，在并行以及優化方面具有突出優勢。整個算法依托于對螞蟻行為的模擬，計算路徑解，且根據路徑上所行走螞蟻數量的增加而導致信息素濃度的升高，提高該路徑在螞蟻后續選擇中的命中率。在這一行為反復作用的過程下，最終僅會存在一條路徑達到目的地，即最優路徑。圖3所示為蟻群算法數據處理流程的示意圖。

圖3 蟻群算法數據處理流程示意圖

結合圖3來看，當抄表系統路由表經過初始化處理后開始進行螞蟻搜索路徑，并根據決策規則以及狀態轉移規則合理選擇下一節點，黨搜索到目標節點后對局部信息素進行更新處理，并判斷路徑是否處于收斂狀態。若路徑處于收斂狀態，則根據模擬螞蟻行為的方式搜索最短路徑，然后分別對全局信息素以及路由表信息進行更新處理即可。作為典型的分布式路由算法，當低壓電力線載波系統中落于信息完成搜索后，各個通信節點均會對鄰居節點信息進行記錄，并將前進至某一特定節點路徑的下一節點儲存于路由表信息中。若需要將數據傳輸至某載波節點，僅需指定節點所對應通信地址，然后由中繼節點自動對下一中繼轉發節點進行搜索，以此種方式逐步將數據傳輸至目標節點中。

本算法實際應用中最大優勢是具有分布式并行性的特點，因此對低壓電力線載波網絡動態變化的特性有良好的適應能力，但部分節點過度負載也是本算法實際應用中存在的一點問題。在具體操作中，需要工作人員根據低壓電力線載波下抄表系統的功能要求，對路由算法進行合理選擇與優化。

3 結束語

受到低壓電力通信線路特殊信道特性的影響，電力線傳輸期間信號發生沖突的可能性較大。為解決信號數據傳輸中的沖突問題，就必須圍繞抄表系統組網過程中的信道接入問題以及路由算法問題展開深入分析，以盡可能確保數據傳輸質量，從而保障低壓電力線載波下抄表系統相關功能運行的正常與穩定。

[1]戚佳金，陳雪萍，劉曉勝.低壓電力線載波通信技術研究進展[J]. 電網技術， 2010（5）.

[2]蔣昭婷.電力線載波通信中的動態路由算法研究[D].杭州：浙江大學，2011.

[3]王伊瑾.低壓電力線載波抄表系統路由算法研究及實現[D]. 保定：河北大學，2010.

[4]曾江黎.低壓電力線載波通信質量及組網方式的研究[D]. 銀川：寧夏大學，2015.

Research on Networking and Routing of Meter Reading System Based on Low-Voltage Power Line Carrier Technology

Fan Jie

ELight Technology Co., Ltd., Jiangsu Nanjing 211103

Due to the special channel characteristics of low-voltage power communication lines, it is more likely that the signals will collide during power line transmission. In the meter reading system network, the impact of conflict resolution on the communication quality must be considered. In a low-voltage power carrier network, some nodes cannot directly establish a communication relationship with a central node, and it is necessary to support the data transmission in the network by relying on the forwarding of other carrier nodes. Therefore, in the metering system networking, we must consider the power line channel intervention and routing algorithm issues to ensure the efficiency and stability of low-voltage power line carrier networks in the meter reading system.

low-voltage power line carrier technology; meter reading system; networking; routing

TM764

A

1009-6434（2017）12-0054-03