電力遠程抄表系統的混合通信和中繼技術研究

于 浩， 卓文合， 孔英會， 李建超

(1.國網安徽省電力公司 信息通信分公司 安徽 合肥 230061；2.華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

電力遠程抄表系統對于智能電網建設起到至關重要的作用，建立可靠的本地通信系統是保證抄表數據完整性的重要環節。目前電力遠程抄表系統的本地通信大都采用電力線或微功率無線的通信方式，但兩者各有自己的優勢和不足。單一的通信方式難以提供可靠的通信質量，還有本地通信環境的惡劣導致通信的性能進一步惡化，無法保證抄表的成功率，而采用混合的通信技術[1-6]，并引入中繼技術[7-8]，可以顯著提升通信質量。一些研究單位進行了細致的分析探索，文獻[9] 分析了影響電力線通信遠程抄表系統質量的因素，如用戶用電負載造成的線路衰減變化及噪聲影響。其他文獻也采取了一些具體的措施保證通信質量，為問題的解決提供了有益的指導。

本文針對電力遠程抄表系統的本地通信問題，從2個方面進行了詳細地研究和實驗：一方面建立電力線與無線通信混合通信網，設計了基于接收信號強度(RSSI)進行自適應信道選擇的電力/無線混合通信模塊，提高電力遠程抄表通信系統的綜合性能；另一方面引入中繼技術，采用了基于RSSI的中繼選擇算法，可以依據鏈路質量自適應選擇中繼節點。測試結果表明，采用基于RSSI的自適應混合通信和中繼節點選擇的本地通信系統可以明顯提高抄表的成功率。

1 混合通信遠程抄表系統設計

具有自適應信道選擇的電力/無線混合通信功能的電力遠程抄表系統結構如圖1所示，該系統包括主站、遠程通信和本地通信3個部分。其中遠程通信通過公網或專網實現前端集中器與后臺管理機之間通信[ 10]。而本地通信采用電力/無線混合通信方式，核心部件是電力/無線自適應混合通信和中繼節點單元模塊，不斷監測2種通信的RSSI，根據本地通信環境情況自適應選擇通信方式和中繼節點，通過發現和選擇優質通信鏈路提高通信的成功率。

圖1 電力遠程抄表系統結構

2 電力線/無線混合通信單元模塊的軟硬件設計

2.1 硬件設計

為了實現電力線/無線混合通信功能，單元模塊的硬件包括無線通信模塊CC2530、電力線通信模塊BWP31和處理器模塊STM32F103，如圖2所示。其中處理器模塊控制選擇無線通信模塊或電力線通信模塊進行通信[10]。

圖2 電力線/無線混合通信硬件結構

(1)處理器模塊

處理器STM32F103模塊的外圍電路包括模數轉換ADC、定時器、串行外設接口SPI、通用同步/異步串行接收/發送器USART設備。處理器使用串口完成無線通信CC2530模塊和電力線BWP31模塊的信息采集。

(2)無線通信模塊

無線通信模塊選擇Zigbee芯片CC2530，該模塊具有非常好的性能，功耗低，最為重要的是提供接收信號強度(RSSI)指示。

STM32F103通過串口連接Zigbee無線通信芯片CC2530，一方面控制無線通信信道的數據采集，并對采集的無線通信信道數據進行分析。

(3)電力線通信模塊

電力線通信模塊選擇BWP31，該模塊除了提供基本的通信功能外，也提供精確的接收信號強度(RSSI)指示。

BWP31模塊也通過串口與處理器STM32F103連接，實現處理器對電力線通信信道的數據采集與分析。

2.2 軟件設計

軟件設計思想是處理器通過讀取電力線/無線通信模塊的接收信號強度(RSSI)數值分析并確定信道狀態, 根據信道狀態好壞自適應選擇電力線/無線通信信道。軟件設計流程如圖3所示，圖中處理器控制源節點采集數據存入緩沖區，等待目的節點返回測試幀，若成功收到測試幀，則根據信道接收信號強度RSSI選擇電力線/無線通信信道, 同時將緩沖區數據發送給目的節點。

圖3 電力線/無線混合通信模塊軟件流程

電力線/無線信道自適應選擇算法的思路是對電力線/無線2種通信方式的接收信號強度RSSI值進行比較，選擇質量較好的信道通信。經反復測試確定的選擇規則是：當無線通信模塊CC2530的接收信號強度RSSI值大于-75 dB時選擇無線信道；當電力線通信模塊KWP31RSSI的接收信號強度RSSI值大于14 dB時選擇電力線信道，而因成本低廉無線信道選擇優先。算法流程如圖4所示。

圖4 RSSI處理流程圖

3 中繼節點模塊設計與中繼選擇算法

本文電力/無線混合通信的終端模塊和中繼節點模塊硬件和軟件功能基本一致，都具備電力線/無線2種通信功能。不同的是中繼節點模塊的軟件中要增加中繼節點選擇算法，以實現選擇是否需要中繼節點參與通信或者哪些中繼節點參與通信。中繼節點的選擇采用協作通信技術的研究成果[11-15]，目前中繼節點選擇方案有3種[13]：基于位置信息、基于信噪比、基于瞬時信道狀態信息，其中后者適應于結構不固定的網絡，可以獲得較好的通信質量。針對瞬時信道狀態的判斷，文獻[14]提出了最大化最小信噪比準則，該準則可以在大信噪比情況下達到較高的通信可靠性[15]，不足是小信噪比條件性能稍差。本文主要考慮本地通信的情況，認為滿足大信噪比條件。

中繼節點的選擇依據是無線/電力混合通信信道的實時狀態信息。本文設計了一種基于接收信號強度RSSI的中繼選擇算法，其思路是根據源節點(S)到中繼節點(R)以及中繼節點到目的節點(D)間的鏈路信息選取，選擇過程中將各個鏈路的質量信息進行比較，利用最大化最小信噪比準則選出最優的中繼節點，選擇的指標為鏈路RSSI的值。源節點S發送數據之前，首先要確定通信路徑，選出最優中繼節點，然后通過中繼節點將數據轉發到目的節點，由于中繼節點到目的節點之間存在無線通信和電力線通信2條路徑，所以在中繼節點到目的節點間路徑的選擇時，需要利用2.2中介紹的基于RSSI的信道選擇算法選擇出合適的通信方式，以保證利用質量最好的鏈路進行數據傳輸。

中繼節點的選擇基于圖5中的多中繼網絡模型，圖5模型包含一個源節點S、一個目的節點D和多個中繼節點R1，R2，…，Rl。

圖5 多中繼網絡模型

基于RSSI的自適應中繼選擇算法的工作過程如下：

(1)源節點S發送請求報文RTS0，中繼節點Ri(i=1,2,…，l)接收到RTS0后啟用定時器T。

(2)如果目的節點D接收到RST0，且鏈路的RSSI質量較好，則目的節點D以無線通信的方式向所有的節點發送確認報文CTS0，中繼節點Ri(i=1,2,…，l)接收到目的節點D的CTS0后取消定時器T。源節點將所要發送的數據通過直連鏈路直接發送到目的節點D。

(3)如果目的節點D沒有收到RST0或者直連鏈路的RSSI質量較差，且中繼節點Ri(i=1,2,…，l)定時時間到未收到目的節點的確認報文CTS0，中繼節點以電力線和無線通信雙通道發送報文RTS1(包含源節點到中繼節點的RSSI)到目的節點D。

(4)目的節點D收到中繼節點Ri(i=1,2,…，l)的請求報文RTS1后，首先利用2.2的基于RSSI的信道選擇算法，選擇出中繼節點到目的節點D每條鏈路的最優通信方式，然后目的節點D從數據包中提取出源節點S到中繼節點的鏈路RSSI以及中繼節點到目的節點的RSSI(最優通信方式的RSSI)。

(5)目的節點將各鏈路的RSSI進行比較，利用最大化最小信噪比準則選出最優的中繼節點，如式(1)所示：

i=argmax{min{rssisi,rssiid}}

(1)

式中：i表示中繼節點的編號；rssisi為源節點S到中繼節點的接收信號強度；rssiid表示中繼節點到目的節點D的接收信號強度(電力線和無線信道中較好信道的接收信號強度)。通過上述過程可以完成中繼節點及通信方式選擇。

(6)目的節點D發送CTS1到Ra(Ra表示選出的最優中繼節點)，Ra轉發CTS1到源節點S，CTS1中包含著中繼節點的信息以及中繼節點到目的節點D的最優通信方式。S接收到CTS1，分析協議信息，然后發送信息到最優中繼節點Ra，Ra以最優的通信方式轉發接收到的源節點的數據到目的節點D。

(7)目的節點D接收到消息后，通信任務完成。

4 實驗及結果分析

對電力線通信而言，距離大小、用戶負載多少、網絡拓撲結構都會影響通信質量；而對無線通信而言，距離和障礙物會影響通信質量。本文實驗內容包括2個部分，分別為電力/無線混合雙通道選擇和中繼選擇，每組實驗對通信中的丟包率進行多次測試。

(1)電力/無線混合雙通道選擇實驗

實驗內容有3個，即：①源節點只采用無線通信發送數據，發送間隔為5 s，發送次數1 000，在目的節點計算丟包率；②源節點只采用電力線通信發送數據，發送間隔為5 s，發送次數1 000，在目的節點計算丟包率；③源節點只采用自適應電力線/無線混合通信，發送間隔為5 s，發送次數 1 000，在目的節點計算丟包率。實驗結果如表1所示，結果表明電力/無線混合通信成功率高于單一的通信方式。

(2)中繼節點選擇實驗

基于圖5的測試模型，對確定的自適應中繼選擇算法進行實驗測試，實際測試時配置可能的中繼節點3個，即系統由一個源節點S、3個中繼節點和一個目的節點D構成。實驗中目的節點和3個中繼節點位置固定，源節點S為無線通信節點位置不固定，中繼算法實驗場景如圖6所示。分不同時間段進行測試，源節點S的位置可在實驗場景圖中A、B、C、E處(分別對應試驗序號1、2、3、4)，源節點S每5 s發送一次數據，共發送 1 000 次。測試結果如表2所示。

表1 通道選擇實驗結果(丟包率/%)

圖6 中繼算法實驗場景圖

實驗序號目的節點D收到數據包數據包來源節點及個數源節點S中繼節點R1中繼節點R2中繼節點R3丟包率/%1100092772100299809366200.239950272705180.54993043026870.7

從表2可以看出，目的節點D接收到的數據來自不同的中繼節點，當無線節點接近目的節點時，此時直連鏈路的RSSI較好，大部分數據來自直連鏈路，少部分來自中繼節點R1和R2；當無線節點在B處時，中繼R1到目的節點的鏈路RSSI較好，接收的數據多數來自中繼R1，少數來自中繼R2；當無線節點在C處時，中繼R2到目的節點的鏈路RSSI較好，接收的數據多數來自中繼R2，少數來自中繼R1和R3；當無線節點在E處時，中繼R3到目的節點的鏈路RSSI較好，接收的數據多數來自中繼R3，少數來自中繼R2和R1。基于RSSI的自適應中繼選擇算法第二種方案能基于RSSI自適應選擇中繼節點，通信成功率高，當電力線通信信道質量較差時也能保證系統能可靠通信。

5 結論

對于電力遠程抄表系統而言，單一通信方式存在局限性，影響抄表成功率。本文采用電力線/無線通信混合組網，首先設計了基于接收信號強度RSSI的自適應混合通信單元模塊的軟硬件，并設計了中繼選擇算法，實現了電力線/無線通信信道自適應選擇和中繼節點選擇。測試結果表明，本文基于RSSI的無線/電力線混合通信遠程抄表系統能根據通信鏈路質量自適應選擇信道與中繼節點，適應性好，可以明顯提高遠程抄表的通信成功率。

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