基于宽带载波技术的集抄系统中传输延时预测方法

刘宣+刘志康+徐啸飞+刘颖+郑国权

摘 要： 宽带载波通信技术在用电信息采集系统中的应用越来越多，抄表是宽带载波通信在我国电网中的一项典型应用。然而目前宽带载波通信产品之间兼容性差、缺乏统一的通信标准和协议，导致在使用宽带载波通信产品时很难评价各类产品的优劣。抄表的平均传输延时是评价宽带载波抄表的一项重要指标，较低的传输延时意味着稳定的网络结构、快速的抄表响应和高效的数据传输等，提高用电信息系统中数据采集效率。为了合理评价集抄产品的性能，提出一种宽带载波抄表传输延时的预测方法，利用多元线性回归方法根据采样时间和网络拓扑结构对抄表的平均传输延时进行预测。实验结果验证了该预测方法的可行性和有效性。

关键词： 宽带载波通信； 平均传输延时； 集抄系统； 数据采集； 网络拓扑； 多元线性回归方法

中图分类号： TN913.6?34； TP321.11 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）06?0079?03

Abstract： Wideband carrier communication technology is more and more widely applied in electricity information acquisition system， and meter reading is a typical application of wideband carrier communication in state power grid. However， it is difficult to evaluate the performance of wideband carrier communication products when using them due to the poor compatibility among current wideband carrier communication products and lack of the unified communication standard and protocol. The average transmission delay of meter reading is an important index for evaluating wideband carrier meter reading， and low transmission delay means stable network structure， fast reading response， and efficient data transmission， and can improve the data acquisition efficiency of electricity information system. To evaluate the performance of centralized meter reading products properly， a transmission delay prediction method for wideband carrier meter reading is proposed. According to the sampling time and network topology structure， the multiple linear regression method is adopted to predicate average transmission delay for meter reading. The experimental results verified the feasibility and effectiveness of the prediction method.

Keywords： wideband carrier communication； average transmission delay； centralized meter reading system； data acquisition； network topology； multiple linear regression

电力线通信（Power Line Communication，PLC）是指利用电力线作为媒介进行数据传输的一种通信技术，广泛应用于远程抄表、家居自动化等低速控制以及高速信息传输。电力线通信通常分为窄带电力线通信和宽带电力线通信。窄带通信技术的研究较早，但受带宽限制只能实现低速的数据传输，难以承载越来越高的业务数据传输要求。近年来，低压侧宽带电力线通信技术不断发展，传输的速率和稳定性不断提高。

近年来随着电力线宽带通信技术的兴起和发展，引起了国内学术界和国家电网公司的高度重视。但是由于我国低压配电网的网络结构、负荷特性、供电方式和国外有很大的不同，国外已有的理论研究成果和应用系统不能完全適应我国的电网需求。我国在宽带载波通信的核心技术和应用产品方面做出了大量的研究。如郭丽莎设计了一种基于OFDM的宽带电力线载波通信系统[1]；曹旺斌等人提出一种多输入多输出的宽带电力线载波通信信道混合模型[2]；齐火箭等人对宽带载波通信中的干扰过滤技术进行研究[3]；黄银龙等人对格状网结构的电力线载波通信的信道特性进行分析等[4]。

随着国网管理要求的提升，以及“全采集、全覆盖、全费控”目标的提出，在我国集中抄表系统中已经开始逐步使用宽带载波通信技术。如文献[5]设计一种基于电力线载波通信的智能用电管理系统，妙红英等人对宽带电力线载波通信技术在用电信息采集系统中的应用方向和前景进行了分析[6]，胡开文设计并实现了一个基于Homeplug Green PHY的宽带电力线载波通信单元[7]，葛娟等人设计和实现了一个基于宽带载波技术的集中抄表系统[8]。endprint

目前我国基于宽带载波通信技术的集中抄表产品很多，但是各个产商的产品采用的标准不同，数据格式不同，产品之间很难做到互联互通，使用者也很难从性能上区分各个产品的优劣。集中抄表机制中根据台区电表档案和所需抄读的数据项，每小时启动一轮抄读，按顺序将所需数据项抄回存储，失败的数据项和电表在约定的时间段内反复补抄。平均传输时延是评价抄表性能的一个重要指标，平均延时较低说明在很短时间内完成了抄表任务。回归分析方法是一种常用的数据预测方法，广泛用于各个领域应用中[9?10]。本文提出一种对抄表平均延时的预测方法，采用多元回归的方法对历史数据进行分析，对未来一段时间内的抄表平均延时进行预测，为不同厂家的宽带电力线载波方案评估、优化提供科学的数据支撑，同时也为系统的自动运维、故障感知提供数据服务。

1 传输延时预测方法

基于宽带载波通信技术的集中抄表系统，其性能本质上取决于信道质量。国内电网信道在阻抗、衰减和噪声等方面均具有特殊性，不同产商的集抄系统针对其中一种或多种因素进行优化，因此各类产品的外在性能存在差异。然而对用户而言，很难从信道层面精确评价各类产品的抄表性能，平均传输延时是度量抄表性能的一项重要的外在指标。在集中抄表系统中，某轮抄表时段的平均传输延时等于抄表实际耗费时间与抄读成功的电表数量的比值，即抄表时间越短、抄读成功电表越多则平均传输延时越小。在基于宽带载波通信的集中抄表过程中，每个集中器负责多个电表数据的抄读。不同的产品将电表从逻辑上组成不同的拓扑结构，如图1所示，而且这种拓扑结构在抄表过程中会实时发生变化。抄表过程中第一级电表直接将数据发送到集中器，而第二级电表需要通过第一级电表中继才能将数据发送到集中器，第N级的电表需要经过N次中继才能抄表完成。网络拓扑的层级越多，抄表所需时间越多，因此网络拓扑结构的稳定性是影响抄表平均延时的重要因素。通过对历史拓扑结构信息和抄表的平均传输延时数据进行分析，可以发现平均传输时间与网络拓扑结构的变化趋势基本一致，第一级电表数量越多、层级越少，平均传输时间越短。而且每一天网络拓扑结构的变化趋势、平均传输时间的变化趋势基本相同。

给定历史抄表数据格式为（ti，ni1，ni2，…，nik，di），其中ti为相对于系统重置的相对时间，ni1，ni2，…，nik表示网络拓扑中第1，2，…，n层电表数量，di表示平均传输延时。采用多元线性回归方法，假设平均传输时间[d=β0+β1n1+β2n2+…βknk+βk+1t+μ]，其中[μ]为误差变量。设[β0，β1，…，βk′]为参数[β0，β1，…，βk′]的估计值，其中[k′=k+1]，则回归值[di]与观测值di的残差为：[ei=di-di=di-β0+β1ni1+β2ni2+…+βknik+βk′ti]。

由最小二乘法可知[β0，β1，…，βk′]应使残差ei的平方和最小，即[Q=e2i=di-di2]最小。对Q依次求[β0，β1，…，βk′]的一阶偏导并令其为0，进而可以解得[β=X′X-1X′D]，式中：

[β=（β0，β1，…，βk′）][X=1，n11，n12，…，n1k，t11，n21，n22，…，n2k，t2 ? ? ? ? ? ?1，nm1，nm2，…，nmk，tm，X′=1， 1， …， 1n11，n21，…，nm1n12，n22，…，nm2 ? ? ? ?t1， t2，…， tm，D=d1d2 ?dm]

求解得到[β0，β1，…，βk′]后即可进行平均传输延时的预测。如果在预测过程中对网络拓扑信息未知，则可以根据历史数据推测出拓扑信息，因为对于同一类产品在每个测量周期内的网络拓扑信息的变化趋势基本相同。当前周期内ti时刻的网络拓扑第j级电表数量nij近似为前s个周期内相同时刻同一级电表数量的平均值，即[nij=ni-1，j+ni-2，j+…+ni-s，js]，其中s的值由用户指定。

2 实验结果分析

实验选取某台区36个电表为测试对象，每小时采集1次网络拓扑信息和平均传输时间信息，集中抄表采用宽带载波通信方式，每天为1个抄表周期，每个抄表周期内设备重置1次。以连续采集的100 h数据为测试数据集，网络拓扑结构的变化如图2所示。可以看出每天（同一个周期内）网络拓扑第一级电表数量的变化趋势基本相同，同时网络拓扑级数并不发生变化，只是每一级的电表数量发生变化。

对于抄表平均传输延时的预测结果如图3所示，图例中预测值1表示已知采样时间和网络拓扑结构时的预测值，而预测值2表示网络拓扑结构未知时，先通过历史信息推测得到拓扑信息再进行平均传输延时的预测结果。可以看出两种预测结果的变化趋势与实际观测值的变化趋势基本一致，表明该预测方法是可行的。同时可以看出网络拓扑结构已知时的预测结果与实际值非常接近，而拓扑结构未知时的预测值与观测值的差异较大，但预测值的精度基本在可接受范圍内，该结果也表明了该预测方法的有效性。

3 结 语

基于宽带载波通信技术的抄表系统在我国电网中的应用越来越广泛，但是各个产品的标准和数据格式不同，用户很难科学地比较和评价产品的性能。本文提出一种基于宽带载波技术的抄表传输延时预测方法，根据网络拓扑结构和采样时间对抄表的平均传输延时进行预测，有助于科学的评价产品的性能。实验结果验证了该方法的可行性和有效性。

参考文献

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