基于低压电力线载波技术的抄表系统组网及路由研究

范 杰

基于低压电力线载波技术的抄表系统组网及路由研究

范 杰

光一科技股份有限公司，江苏 南京 211103

受到低压电力通信线路特殊信道特性的影响，电力线传输期间信号发生冲突的可能性较大。抄表系统组网中必须着重考虑解决冲突对通信质量的影响。在低压电力载波网络中，部分节点无法直接与中心节点构建通信关系，需要依托其他载波节点转发的方式支持数据在网络中传输。因此，在抄表系统组网中必须着重考虑有关电力线信道介入以及路由算法方面的问题，以确保抄表系统中低压电力线载波网络的高效性与稳定性。

低压电力线载波技术；抄表系统；组网；路由

1 电力信道接入分析

基于低压电力线载波技术的抄表系统通信网络结构形式为树状式，主要由采集器载波节点、电能表、以及集中器载波节点这几个部分构成，低压电力线物理介质在所有节点中全面共享。受这一特点的影响，在数据通过节点进行发送时，需要提前评估信道状态，以确保抄表系统运行功能的正常性。一般情况下，可检测到的载波节点信道状态包括空闲、发送忙、以及接受忙这三大类。仅空闲状态下允许载波节点启动物理层数据发送服务，以免在其他状态下受载波信号冲突因素影响而对信号接收情况产生影响。

为解决数据帧传输中信道接入存在的冲突问题，可以尝试引入基于载波侦听多路访问/冲突机制[1]。该机制以ACK信号为依据解决冲突。其基本原理时，当载波节点发出通信指令且接收到信道ACK信号的情况下，方可确认数据已被目标节点正确接受。整套工作机制的基本流程如图1所示。结合图1，以电力线电压过零信号周期设置为退避周期，算法中涵盖两个主要变量：变量1是信道接入载波节点过程中，执行算法进行冲突避让的次数。该变量初始值为0，若信道检测状态为忙，则执行退避指令，变量值＋1，当变量值超过预设最大限制后直接退出算法，返回失败指令；变量2是冲突退避指数，该变量可直接反应电力信道载波节点在发送载波数据前需要延时等待的时间。

2 路由算法分析

以下所研究路由算法需要建立在低压电力线抄表系统的基础之上运行。考虑到窄带电力线通信传输速率首先，因此在路径搜索与优化过程中，应当优先选用集中式的路由算法，以更好的寻找载波中继节点，满足抄表系统运行要求[2]。以下即针对低压电力线载波技术支持下抄表系统可选用的常见路由算法进行分析：

图1 载波侦听多路访问/冲突机制基本流程示意图

2.1 泛洪算法

该路由算法在电力线载波网络路由中应用最为频繁，尤其适用于低压电力线载波情况，且操作过程简单有效，算法的核心是：当某个通信节点接收到非重复性广播数据帧后，该数据帧会被通过广播的方式传输出去。下图（如图2）所示为泛洪算法中载波节点在接受数据后的处理方式。结合图1，为针对数据帧展开重复性检测，每一载波节点都需要维护一个由数据帧路由地址信息以及数据帧序号信息所构成的重复信息表。载波节点可通过对比重复信息表与自接受消息中所提供关键信息的方式，判定两者是否涵盖相同内容。仅在数据生命周期＞0并且两者对比无相同内容的情况下，程序方可进入转发流程，将数据帧中关键信息加入重复信息表内进行传输。若两者对比存在相同内容则直接丢弃数据帧即可[2]。

图2 载波节点泛洪算法数据处理流程示意图

本算法实际应用中最大的局限性在于重复性数据帧的大量产生，会在一定程度上占用载波网络资源，导致网络效率受到影响。但其优势在于对节点数据处理要求不高，仅需完成数据中继转发与应答等基础操作，无需涉及路由信息管理的问题，因此具有可靠且基础的特点。

2.2 蚁群算法

该路由算法是一种基于群智能优化的基础算法，剔除了对数学描述问题的分析，在并行以及优化方面具有突出优势。整个算法依托于对蚂蚁行为的模拟，计算路径解，且根据路径上所行走蚂蚁数量的增加而导致信息素浓度的升高，提高该路径在蚂蚁后续选择中的命中率。在这一行为反复作用的过程下，最终仅会存在一条路径达到目的地，即最优路径。图3所示为蚁群算法数据处理流程的示意图。

图3 蚁群算法数据处理流程示意图

结合图3来看，当抄表系统路由表经过初始化处理后开始进行蚂蚁搜索路径，并根据决策规则以及状态转移规则合理选择下一节点，党搜索到目标节点后对局部信息素进行更新处理，并判断路径是否处于收敛状态。若路径处于收敛状态，则根据模拟蚂蚁行为的方式搜索最短路径，然后分别对全局信息素以及路由表信息进行更新处理即可。作为典型的分布式路由算法，当低压电力线载波系统中落于信息完成搜索后，各个通信节点均会对邻居节点信息进行记录，并将前进至某一特定节点路径的下一节点储存于路由表信息中。若需要将数据传输至某载波节点，仅需指定节点所对应通信地址，然后由中继节点自动对下一中继转发节点进行搜索，以此种方式逐步将数据传输至目标节点中。

本算法实际应用中最大优势是具有分布式并行性的特点，因此对低压电力线载波网络动态变化的特性有良好的适应能力，但部分节点过度负载也是本算法实际应用中存在的一点问题。在具体操作中，需要工作人员根据低压电力线载波下抄表系统的功能要求，对路由算法进行合理选择与优化。

3 结束语

受到低压电力通信线路特殊信道特性的影响，电力线传输期间信号发生冲突的可能性较大。为解决信号数据传输中的冲突问题，就必须围绕抄表系统组网过程中的信道接入问题以及路由算法问题展开深入分析，以尽可能确保数据传输质量，从而保障低压电力线载波下抄表系统相关功能运行的正常与稳定。

[1]戚佳金，陈雪萍，刘晓胜.低压电力线载波通信技术研究进展[J]. 电网技术， 2010（5）.

[2]蒋昭婷.电力线载波通信中的动态路由算法研究[D].杭州：浙江大学，2011.

[3]王伊瑾.低压电力线载波抄表系统路由算法研究及实现[D]. 保定：河北大学，2010.

[4]曾江黎.低压电力线载波通信质量及组网方式的研究[D]. 银川：宁夏大学，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