一种新型低压配电网电力线通信路由算法

张长青　杨春光　梁丽　曹华锋　孙广

摘   要：为了准确分析低压配电网电力线通信中的通信时延和吞吐量问题，提出了一种用于低压配电网树型物理拓扑路由的人工蛛网路由算法（ACRA）。介绍了线路的建立、维护和改造，为进一步的研究提供了理论依据，准确地计算了网络的通信时延。仿真分析对基于OpNET14.5的通信延时和吞吐量证明了理论计算的正确性。对于ACRA的性能评价，在含有噪声的环境中建立了包含ACRA的电力线通信（PLC）节点的测试。实验结果表明该算法有效的保证了PLC的服务质量（Qos）和可靠性。

关键词：智能电网;电力线通信;人工蛛网路由算法;可靠性;服务质量

中图分类号：TP39                                                         文献标识码：A

Abstract：In order to analyze the communication delay and throughput of power line communication in low voltage distribution network accurately，this paper presents and analyzes an artificial spider network routing algorithm （ACRA） for tree-based Physical Topology Routing in low voltage distribution network. The establishment，maintenance and transformation of the line are introduced. It provides a theoretical basis for further research and accurately calculates the network communication delay. The simulation analysis proves the correctness of the theoretical calculation for the communication delay and throughput based on OpNET14.5. For the performance evaluation of ACRA，the test of power line communication （PLC） node including ACRA is established in noisy environment. Experimental results show that the algorithm effectively guarantees the quality of service （Qos） and reliability of PLC.

Key words：smart grid;power line communication;artificial spider routing algorithm;reliability;quality of service.

隨着智能电网和用电需求量的不断发展，低压（LV）配电网中的电力线通信（PLC）已成为终端用户和供电商之间进行信息交流的潜在技术之一。目前，对PLC的研究主要集中在信道的输入阻抗[1]、衰减特性[2]、信道噪声特性[3]、信道模型[4]、阻抗匹配[5]、耦合电路设计[6]、电力线噪声抑制技术[7]、正交频分复用应用[8]和跳频调制解调技术等[9]。通过建立网络路由或中继技术，可从网络层面提高PLC系统的可靠性。

在文献[10]提出的低压配电网总线型数据通信层的人工蛛网路由算法基础上，分析了一种用于低压配电网树型物理拓扑路由的人工蛛网路由算法，进一步改进了人工蛛网路由算法。为进一步的研究提供理论依据，准确地计算出联网后的网络参数。仿真结果表明，人工蛛网路由算法可以有效地保证电力线通信的QoS和可靠性。

1   人工蛛网路由算法

1.1   低压PLC的拓扑结构

对于三相配电网，变压器次级侧之间的信号衰减非常大。没有相位耦合，每个相位可以视为平行的且相对独立[11]，因此，任何一个相位的拓扑都可以成为研究的焦点。本文在文献[12]提出的低压配电网的物理拓扑结构基础上建立了单相配电网，如图1所示。

基站（BS）负责收集和协调来自网络中每个终端节点的数据;BS与广域网（WAN）连接以进行外部信息交换。在实践中，信号随着传输距离而衰减[13]。因此，只有与BS具有较短物理距离的终端节点才能够保证可靠的通信。在传输距离较远的情况下，传统的轮询方法不能保证BS与远离BS的节点之间直接通信，因此通信的成功率可能非常

低[14]。为了解决这个问题，本文提出了一种新型人工蛛网路由算法。在该方法中，首先在BS与一些节点之间建立通信路由。然后将节点视为中继节点来扩展通信距离，并且逐渐将所有节点都连接到通信系统。最后，完成BS与所有节点之间的路由。因此，有必要选择中继节点并建立、维护和重构路由。

1.2   人工蛛网路由算法

本文提出了一种基于单层人工蛛网结构的路由算法。在图2所示的单层人工蛛网结构中，中心节点（如图2中的节点I）负责协调和处理来自子网内的外围节点（如图2中的节点1，2，3、……、h）的信息。此外，中心节点是中心节点和其他相关子网的BS之间的通信。在具有人工蛛网结构的网络中，BS到任何一个终端节点的通信路由是唯一的。

假设物理链路如图1所示，本文假设：

（1）联网过程中的所有节点负责记录接收信息的物理信号强度β;

（2）网络内的任何节点都可以与至少一个其他节点通信;

（3）每个节点试图在最大物理范围内找到可能的节点数;

（4）BS的逻辑ID为0，并且已经分配了逻辑ID的节点不再参与新的逻辑ID分配过程;

（5）在完成联网之后，中心节点不会成为不良节点（由于信道条件发生变化，无法与其他节点通信的节点）。

1.2.1   初始化算法

本文结合图1说明人工蛛网路由初始化算法，首先还需对路由初始化算法做如下假设：

（1）网络广播只能由与BS物理距离近的节点1到节点9截获;

（2）h2是节点10～16中的任何一个;

（3）节点17～24没有接收到来自h2的广播;

则具体步骤为：

步驟1：当BS发送网络广播时，为了便于解释算法的过程，节点依次向BS发送响应，并由BS分配逻辑ID（1到9）。节点1至节点9接收来自BS的广播，这表明在这些节点物理范围内的链路处于良好状态，并且9个节点可以直接或间接地彼此通信。BS从这9个节点中选择一个节点h1作为中心节点。

步骤2：节点h1发送广播，其余8个节点接收广播，记录h1的逻辑ID（没有逻辑ID的节点不响应广播），并向h1发送响应。中心节点h1记录外围节点的逻辑ID以生成路由表。将路由表发送到BS，从而完成子网1（单层人工蛛网结构）的人工蛛网拓扑网络，并记录9个节点所在的逻辑层为层1。

步骤3：节点h1发送网络广播，广播由节点10～24接收，其中，包含这些节点的逻辑层记录为层2。重复步骤1，节点h1分配逻辑ID并选择中心节点h2，h2发送广播并重复步骤2，位于不同分支中的节点17～24不接收来自h2的广播，或者如果它们确实接收到广播，由于信号衰减，则广播强度较弱。在这种情况下，引入信号强度β的综合指数以进一步判断：

其中，s是物理信号强度的特征值，l是信息源所属的子网的层数，η是不同节点之间通信成功的概率，η可以从实际的统计值得到，η的值越高表示层之间的通信可靠性越高。相反，η的值越低表示表示层之间的通信可靠性越低。

步骤4：h2和h3再次发送广播，假设节点25～36接收来自h2的广播，重复步骤3，选择中心节点 h4和h5以在不同的分支中形成新的蛛网网络。当 h3广播的逻辑ID响应没有节点并且获得空响应时，则停止联网。

步骤5：h4和h5发送广播并重复步骤3。当h4和h5广播的逻辑ID响应没有节点时并获得空响应时，则停止联网。规定第3层是h4和h5所在的蛛网逻辑层。h4和h5通过选择h2和h1作为中继节点并将路由表发送给BS完成初始化。

如果第3层的中心节点h4和h5仍然接收没有逻辑ID的节点，则它们重复联网过程，直到所有节点具有逻辑ID并连接到网络。然后将建立网络内所有节点的通信路由。

1.2.2   路由算法示例

图1中的单相配电网由一个BS和36个终端节点组成。在人工蛛网初始化算法之后，网络的MAC层反映了图3所示的网络结构。

通过9个节点截获BS的一个广播，然后这9个节点将逐一响应BS以接收逻辑ID。BS选择逻辑ID为5的节点作为第1层的中心节点，然后，这些节点基于步骤1和步骤2在MAC层中构成蛛网。具有逻辑ID为5的节点继续广播，并被来自不同物理分支的15个节点截取，然后为这些节点分配逻辑ID为10～24。选择具有逻辑ID为13的节点作为网络的中心节点。如果在该中心节点的广播未被具有在另一分支中分配的逻辑ID节点拦截时，该节点将向节点5发送消息。然后，节点5重新选择节点19作为中心节点来完成第2层的网络。根据实际环境和时间延迟的冗余计算，本文规定在所建立的第2层中心节点之前，节点5等待10s来收集所有回复。中心节点13和19用相同的算法搜索，直到其余节点获得逻辑ID以完成第3层中的网络。

在完成蛛网路由初始化之后，每个中心节点记录同一子网中的节点逻辑ID和网络层数。外围节点记录它们自己的节点和中心节点的逻辑ID和网络层数。路由表的复杂度和长度由网络中节点和网络层数的数量决定。

2   路由维护与重构算法

2.1   路由维护原理

由于低压电力线网络的开放性和时间可变性，在网络运行期间将出现不良节点。本文提出了维护路线的两个原则，以确保BS数据收集的成功率：

原则1：当路由引起的不良节点中断已经完成的网络操作时，则开始重建不良节点的本地路由过程。

原则2：在网络的空闲时段期间，BS发起路由检测指令。如果找到不良节点，则实施原则1以建立新的通信路由。

在100 m×100 m树型网格的次级侧，本文设置了39个终端用户节点和一个BS节点（节点1），如图4所示。人工蛛网路由算法（ACRA）的结果如图5所示，具有树形拓扑的网格中每个节点仅有单个点对点链路，如图4所示。如果一个通信链路（如链路21-31）被中断，则除非整个网络被重建，否则中断的通讯链接无法恢复。

在图5所示的ACRA网络中，同一层中的节点（如节点23，28，33，36）可以与其他节点通信。当一个通信链路中断时，由于附加的切向连接，外围节点可以继续与中心节点通信。例如，当链路28-33中断时，外围节点28可以通过选择外围节点23作为中继节点来与中心节点33通信。在联网之后，BS可以通过中心节点与网络中的任何节点通信，该中心节点充当中继节点。表1使用ACRA的通信质量比使用树拓扑更有效，因此，ACRA可以有效降低网络重构频率。

2.2   路由重构算法

如图3所示，本文假设逻辑层2中的中心节点13在数据处理延迟tproc之后，没有接收到由节点11发送的任何信息，则确认节点11是不良节点。然后，节点13运用以下过程来重构本地路由：

步骤1：中心节点13将重建广播并发送到其相同子网中的节点。

步骤2：截取指令用于路由重构节点依次轮流转发指令，并将自己的逻辑ID添加到数据分组中。

步骤3：节点11记录重构广播信号的物理强度，计算并选择具有最大β强度的节点作为中继节点，并向节点12发送响应，节点11以节点12作为中继节点并建立到中心节点13的通信路由。

步骤4：节点12向节点13发送信息，节点13更新路由表。

步骤5：节点13逐层地将信息发送到相应节点的BS以更新路由表。然后，完成用于路由不良节点的重建过程。

当网络中出现不良节点时，并非所有节点都必须重构路由。仅涉及与不良节点相同的子网中的节点重构路由，极大地缩短了路由重建和维护时间，并提高了系统的效率。

2.3   算法的时序策略

PLC只允许一个节点在任何给定的时间发送数据，因此有必要提出一个合理的时序策略。否则，通道冲突将严重影响系统的性能。利用子网中节点的数据传输时序，将人工蜘蛛网路由算法（ACRA）与集群简单轮询（CSP，用于解决PLC访问中"静默节点"问题的一般轮询方法）进行比较。在ACRA中的两个外围节点之间的通信间隔时间TWT定义为：

其中，TP表示一个外围节点的管理处理延迟;TT表示节点间的信号传输时间;TR表示通信冗余时间。通常，电力线中的信号传输时间TT足够快，可以忽略不计。本文假设TWT为150ms，利用数据冲突和信道利用率来验证蛛网结构的通信效果。

3   时延分析

3.1   不含不良節点的时延分析

通信时延是服务质量（Qos）的重要衡量指标，因此有必要准确计算人工蛛网网络的通信时延。在树形拓扑中，任何两个节点之间只有一个链路连通，由于信道噪声和其它不确定性导致节点通信失败，则不能准确地计算恢复通信的时间，延迟时间可以是暂时的或永久的。因此，本文不计算树拓扑的时间，分组ttx的传输时间为：

其中，p是分组大小，Band是通信速率。本文提出了数据处理延迟tproc = 0.5s。

联网后，影响通信延迟的唯一因素是连接节点的子网。对于选择与中继节点相同中心节点的不同子网，通信延迟是相同的。因此，本文在图3中分别从第1层、第2层和第3层中选择子网1、子网3和子网4来计算延迟。首先，本文计算外围节点的延迟，并且没有不良节点的子网中所有节点与BS通信。

4   仿真与实验

4.1   仿真环境与参数

为了模拟实际低压配电网的配电环境，本文在50m范围内设置了21个终端节点和一个BS节点，并用PC为模拟平台，以Opnet14.5为编译仿真环境。假设所有节点形成三个人工蛛网结构，并且该结构在整个模拟期间保持不变。图9给出了组网后的拓扑结构，其中subnet_0表示BS节点，subnet_1_0，subnet_2_0和subnet_3_0是子网的中心节点，其他节点是终端节点。基于Konnex准则[15]，本文将信道传输速率设置为2.4 kbps，并将数据包大小设置为24bit。

4.2   仿真结果与分析

根据每个节点的24 bit/s的生成速率，subnet_3_0到subnet_2_0的链路吞吐量为168 bit/s。subnet_2_0到subnet_1_0的链路吞吐量（包括子网3和子网2的数据）为336 bit/s。subnet_1_0-subnet_0的链路吞吐量（包括所有21个节点的数据）为504 bit/s。subnet_3_0到subnet_2_0，subnet_2_0到subnet_1_0和subnet_1_0到subnet_0的链路吞吐量仿真结果如图10（a）所示。该图显示出每个链路的吞吐量模拟结果与理论计算相同。根据等式（3），计算出的每个链路的传输延迟为0.07 s，0.14 s和0.21 s。每个链路之间的数据传输延迟的仿真结果如图10b所示，延迟模拟结果也与理论计算相同。仿真结果表明，在吞吐量和传输时延的一定的情况下，该组网结构可以保证电力线通信的QoS。

4   结   论

分析了智能电网中低压配电网树形物理拓扑的人工蛛网路由算法，进一步改进了人工蛛网路由算法，并对通信时延和吞吐量进行了计算和仿真。结论如下：

（1）该路由算法解决了部分节点由于数据连接有限而导致无法访问PLC系统的问题，并提高了通信可靠性。使用该算法，组网之后的路由维护过程简单而有效。路由重构算法在局部网络层对不良节点进行路由重构，避免了对系统中所有节点进行路由重构的需要，从而提高了通信系统的效率，增强了PLC系统的抗破坏能力。

（2）根据节点的数据处理能力，人工蛛网网络结构的通信延迟和数据吞吐量保证了PLC中的QoS。该路由算法具有实用性和可操作性的特点。

（3）每个节点按照严格的时间序列发送数据，大大降低了信道冲突率，提高了信道利用率。因此，该算法提高了系统的通信可靠性。本研究结果证明，蛛网结构是提高低压PLC可靠性，保证PLC的QoS有效路由方法。该路由算法还可以为其他网络提供新颖的路由方法，例如无线传感器网络和Addhoc网络。

參考文献

[1]    王艳，王东，焦彦军，等.中压配电网无功补偿装置对PLC信道特性的影响分析[J].电力系统保护与控制，2017，45（10）：62—68.

[2]    张国平，周改云，褚龙现，等.基于PLC信道的图像传输在智能电网中的应用[J].电网与清洁能源，2015，31（09）：33—38.

[3]    谢志远，曹旺斌，尹成群，等.PLC信道噪声分析与仿真[J].中国电力，2015，48（08）：146—149.

[4]    谷志茹，刘宏立，詹杰，等.智能电网窄带OFDM通信系统噪声抑制[J].电工技术学报，2014，29（11）：269—276.

[5]    许国强，冯秀玲.电力线载波系统的宽带耦合电路探究[J].中国电力教育，2014（17）：127—128.

[6]    金东亚.电力线通信（PLC）调制解调器研究[J].信息通信，2014（04）：221—222.

[7]    邵昱，李晨，王超，等.智能电网下低压电力线通信的特性研究[J].广东电力，2014，27（02）：100—104.

[8]    肖元强，曹敏，李川，等.基于PSO的低压电力线载波通信阻抗自适应匹配[J].中国电力，2014，47（01）：133—137.

[9]    张皓岚，罗宁昭.PLC技术在舰船通信中的应用初探[J].舰船电子工程，2013，33（02）：58—60.

[10]  CUI Y，LIU X，CAO J，etal. Network performance optimization for low-voltage power line communications[J]. Energies，2018，11（5）：1266.

[11]  李鄢，姚伟瑾，厍翠楼，等.PLC控制变压器冷却系统方法的研究与应用[J].供用电，2015，32（10）：76—80.

[12]  NUUTINEN P，PINOMAA A，JUHA-P S，etal. On common-mode and RF EMI in a low-voltage DC distribution network[J]. IEEE Transactions on Smart Grid，2017，5（5）：2583—2592.

[13]  郭建桥.提升PLC系统中模拟量信号传输质量的方法[J].自动化应用，2013（08）：23+50.

[14]  马文静，孙凤杰，高波，等.融合工频通信的电力线载波路径搜索算法[J].电力系统自动化，2017，41（03）：141—146.

[15]  王涛，陈超，胡文芳.融合PLC的LED可见光通信音频传输系统的研究[J].电子产品世界，2017，24（Z1）：45—47