基于HPLC与RF自适应通信的配用电异构场域网

2022-01-27刘谋海余敏琪肖湘奇曾文伟

电力系统及其自动化学报 2022年1期

黄瑞，刘超，刘谋海，余敏琪，肖湘奇，曾文伟

（1.国网湖南省电力有限公司，长沙 410004；2.智能电气量测与应用技术湖南省重点实验室，长沙 410004）

配用电场域网是泛在电力物联网建设中的重要组成部分，是解决电力物联网建设中最后一公里的通信技术问题。

在场域网建设中，电力线载波PLC（power line carrier）通信利用现有广泛分布的电力线路进行数据传输，线路建设成本低和部署方便，应用前景广阔。但其在应用过程中存在线路阻抗难以匹配、多径反射及噪音干扰等问题，使其可靠性和稳定性较低，在远距离传输中会出现较大失真[1]。针对这些问题，文献[2]创建了一种改进L型结构的自适应阻抗匹配电路来调整PLC通信的输入阻抗；文献[3-4]提出了一种改进低压PLC通信压缩感知信道估计方法，以及低压PLC通信主动抗干扰技术，来改善PLC通信的质量。

在配用电场域网建设中，网络覆盖性、通信可靠性、部署经济性对单一PLC通信方式提出了挑战[5]。一些基于PLC采用双模通信方式的方案被提出，例如，PLC+无线电力专网方式[6]、PLC+微功率无线方式[7]、PLC+无线局域网方式[8]和PLC+远距离无线通信[9]等方式，这些方案基本上均采用“一主一辅”的混合独立组网方式，各通信方式组网后采用独立路由模式，通过仿真技术验证了双模通信方案的可行性[6-9]。

微功率无线通信RF（radio frequency）以其低功耗、组网灵活等特点，逐渐成为场域网建设中重要的数据传输方式[7，10]，本文针对配用电场域网的高度城市化、高密度服务环境，特别是高层混凝土建筑及地下室使用场景，采用高速电力线宽带载波HPLC（high-speed power line broadband carrier）+RF双模通信方式组建智能配用电双模异构场域网，全网形成统一的动态混合路由表，网络节点间依据实时混合路由表，自适应选择最优链路（HPLC或RF）以最佳速率进行数据传输，提高了网络节点的连通率和数据传输率，并在工程应用环境中验证了该方案的有效性。

1 智能电表双模通信模块硬件组成

智能电表双模通信模块具有HPLC通信和RF能力，其硬件原理如图1所示。

图1 智能电表双模通信模块硬件原理Fig.1 Hardware schematic of smart meter dual-mode communication module

在图1中，主控单元是该通信模块的核心，主要运行双模协议及应用层软件，主存贮器和辅助存贮器作为程序与数据的存贮部件。HPLC通信模块主要由载波通信芯片、线路驱动器、带通滤波器和耦合变压器4个部分组成，其中，载波通信芯片选取支持先进的多载波正交频分复用技术OFDM（or⁃thogonal frequency division multiplexing）的芯片，线路驱动器用于对发送模拟信号放大，带通滤波对接收到的模拟信号进行滤波，耦合变压器用于双向模拟信号与电力线之间的耦合。RF模块主要由射频芯片、阻抗匹配电路和信号发射天线3个部分组成。主控单元通过串行外围设备接口SPI（serial peripheral interface）方式与各主要部件进行通信，通过串行总线方式与采集器或集中器进行通信，实现电表抄读和费控等功能。

模块实现的主要通信参数如表1所示，符合国家电网公司相关的企业标准[11-12]。表中，RF采用移频键控FSK（frequency shift keying）调制方式，基带信号采用高斯移频键控GFSK（gauss frequency shift keying）。

表1 智能电表双模通信模块主要通信参数Tab.1 Main communication parameters of smart meter dual-mode communication module

2 智能电表双模通信协议栈

智能电表双模通信协议栈以易维护、层次简洁和便于错误定位为主要目标，系统不区分载波和无线端口，以统一抽象的“数据通道”替代，使得无线和载波端口地位一致，更容易统一。智能电表双模通信协议栈结构如图2所示。

图2 智能电表双模通信协议栈结构Fig.2 Smart meter dual-mode communication protocol stack structure

图2中，应用层实现电表抄读、节点注册、事件上报等业务。通过串行485总线与电能表或集中器进行通信。双模协议栈包括异构网络层、HPLC通信链路介质访问控制MAC（medium access con⁃trol）层和物理层 PHY（physical layer）、RF 链路的MAC层和PHY。双模异构网络层实现通信网络的组网与维护、路由管理及应用层报文的汇聚和分发，通过数据传输和管理原语与应用层进行通信，采用自适应通信算法择优与RF的MAC层、HPLC的MAC层进行数据交换。RF的MAC层定义了带冲突避免的载波侦听多址接入和时分多址接入控制机制，与RF的PHY采用数据和管理访问点进行数据交换。RF的PHY定义了射频通信所需要的频率资源、输出功率限制、调制方式、数据信道编码方式和信道切换方法等。HPLC的MAC层通过载波侦听多址接入和时分多址接入竞争物理信道，实现数据报文的可靠传输，与HPLC的PHY之间采用状态与完成原语进行数据交换。HPLC的PHY主要实现宽带载波信号的调制并耦合到电力线媒介上，接收电力线媒介的宽带载波信号，解调为数据报文并交予MAC子层处理。整个软件体系是建立在操作系统对各硬件设备的管理和调度的基础上。

双模异构通信协议的报文封装过程如图3所示，业务提取过程与此相反。

图3 双模异构通信协议报文封装过程Fig.3 Packet encapsulation process under dual-mode heterogeneous communication protocol

3 智能配用电双模异构场域网

智能配用电双模异构场域网将HPLC和RF两种网络进行融合，发挥各自通信方式的优点，优势互补，在增强网络覆盖性的基础上，提高网络传输效率，保证通信可靠性。

3.1 双模异构场域网拓扑结构

智能配用电双模异构场域网拓扑结构如图4所示。在图4中，中心节点负责完成组网控制、网络维护管理等功能，其对应的设备实体为集中器本地通信单元，T1与T2为代理结点，具有数据中继转发的功能，它们都具有三相HPLC通信功能。节点A1-A4具有A相线HPLC通信功能，节点B1-B5具有B相线HPLC通信功能，节点C1-C5具有C相线HPLC通信功能，所有节点均具有RF通信能力。

图4 双模异构场域网拓扑Fig.4 Topology of dual-mode heterogeneous field network

每个节点能在任何给定时刻利用自适应通信技术，选择最佳通信媒质（HPLC或RF）及调制方案，建立具有最佳数据速率网络链路，这种媒质和调制方案的选择由设备自身自动、动态、实时完成，无需预编程或路径硬编码。

3.2 双模异构场域网的组网

3.2.1 中心节点组建网络

只有中心节点有权建立新网络，如果组网流程在其他节点上发起，网络层将终止该流程，并通知上层该请求不合法。中心节点组网流程如图5所示，其组网步骤如下。

图5 中心节点的组网流程Fig.5 Networking process at the central node

步骤1组网准备。为扩大异构网络的覆盖范围，在RF与HPLC通信信道同时进行组网准备。中心节点在RF的MAC层指定信道组发起信道扫描，寻找可能的干扰，若收到成功的能量检测扫描结果，且各信道能量级别都超出可接受的级别，则判断有可用信道组。同时中心节点在其HPLC的MAC层也发起网间协调帧的监听，以发现是否存在邻居网络，若收到邻居网络的网间协调帧，则与邻居网络进行协调，协调成功后启动组网。

步骤2确定网络参数。确认网络标识NID（network identifier）为NID=（中心节点长地址mod 69069）&&0xFFFF。并固定中心节点的终端设备标识 TEI（terminal equipment identifier）为 TEI=1。依据中心节点存贮的白名单确定网络规模。确定RF网络的时隙号、层次号和信标轮次、信标最大转发轮次及场强门限；确定HPLC网络的时隙长度、无线时隙长度、信标时隙数量、载波侦听多址时隙数量、载波信噪比门限等参数。

步骤3发起RF的组网流程。中心节点在RF的可用信道组发送组网信标，依据各节点的回复，建立临时邻居表。依据临时邻居表，发送场强收集命令，收集各节点的场强。

步骤4发起HPLC的组网流程。中心节点通过HPLC的MAC层发送中央信标和安排发送发现信标及代理信标，触发逐层级节点通过发送请求关联报文进行接入网络请求，中心节点通过关联确认报文，通知节点入网结果。同时中心节点定时广播其本身的发现列表报文和接收各节点发送的发现列表报文和通信成功率上报报文。

步骤5创建路由表。中心节点依据收集的各节点的RF链路的场强表和HPLC链路的请求关联报文、发现列表报文和通信成功率上报报文，为每个邻居信息表中的子节点计算从中心节点到该子节点的路径，建立载波无线混合路由表。

步骤6配置子节点参数。依据建立的路由表，开始对子节点依次进行参数配置，配置子节点参数是通过构造并发送配置子节点帧完成，配置节点路由表中路径从优到劣依次顺序进行尝试，直到收到节点的回应帧，子节点参数配置完毕，表示组网完成。中心节点根据组网节点和白名单对比判断组网是否完整，对不完整的网络不做特殊处理，等待没有入网的节点主动加入网络。

3.2.2 游离节点的动态入网

游离子节点加入网络的流程如图6所示。

图6 游离节点动态入网流程Fig.6 Dynamic network access process of free node

通常情况下，HPLC链路的通信质量和通信速率高于RF链路。因此，游离节点首先通过HPLC链路的MAC层接收网络报文，经评估选择信道质量好的站点为其代理站点，按照报文中的指示发起关联请求报文，依据收到关联确认报文判断是否入网成功，若入网成功，则设置本节点的TEI并发送发现信标。若未收到关联确认报文或入网请求被拒绝，则节点由RF链路的MAC层通过轮询方式向每个信道组发送入网申请请求帧，接收到1个入网申请响应帧，则锁定当前信道组并记录通道场强，然后在收到的所有入网申请响应帧中，选取1条最优路径，以此路径构造游离节点就绪帧，通过向RF链路的MAC子层发送游离节点就绪帧，并接收中心节点发来的配置终端节点命令，进行相关参数配置。

3.2.3 网络状态动态维护

（1）网络中各节点实时维护其路由表，中心节点通过信标路由参数通知条目，对全网的信标周期、路由周期、发现列表报文发送周期和通信成功率上报周期4个连续周期进行管理。全网中的每个节点在1个发现列表报文发送周期中至少发送10次发现列表报文，在1个通信成功率上报周期中至少向中心节点上报1个通信成功率上报报文。

（2）中心节点在1个路由周期内，向全网所有节点发送一次RF场强收集命令，通过接收网络各节点的发现列表报文、通信成功率上报报文和场强收集应答帧，更新网络各节点的邻居节点信息并重新计算从中心节点到各子节点的路径，据此更新路由表，通过配置子节点帧更新网络子节点的存储路由表。子节点收到中心节点发送的数据帧，如果其携带的路由表与本身存储的路由表均不一致，则把本身存储的最差路径更换为该路径。

（3）各节点根据接收到的HPLC链路信标和RF链路信标，感知自己的邻居节点并判断周围站点的HPLC信道质量和RF信道场强，记录形成1个发现列表并进行周期性广播，节点通过邻居节点发现列表报文的接收，计算它与这些邻居节点的通信成功率，获得更全面的邻居节点信息从而形成更详细的发现列表。节点在1个路由周期内依据实时发现列表，判断邻居节点的信道情况及邻居站点的变化情况，进行路由优化更新，若评估出1个新的代理站点时，可以通过代理变更请求报文，向中心节点发起代理变更请求。

（4）为防止发生路由环路的问题，通过设置抑制计时器来控制路由更新时间。当节点从邻居节点接收到以前能访问但目前不能访问节点路由更新后，即将该路由标记为不可访问，并启动1个抑制计时器；如果再次收到从邻居节点发送来的更新信息，包含1个比原来路径具有更好度量值的路由，即标记为可访问，并取消抑制计时器；如果在抑制计时器超时之前从不同邻居节点收到的更新信息包含的度量值比以前的更差，更新将被忽略，这样可以有更多的时间让更新信息传遍整个网络。

3.3 创建异构网络的混合路由表

3.3.1 权重值计算

各节点保存有RF网络邻居节点信息表，记录着邻居节点间链路实时的场强信息；HPLC网络邻居节点信息表，记录着邻居节点间链路实时的上下行通信成功率和信道质量。

1）链路评估

邻居节点间RF链路的实时场强用接收信号强度指示器的测量值RRF来表示，其范围为-120～-40dBm。当场强RRF≤-120 dBm时，RSSI值均为120；当场强-120 dBm＜RRF＜-40 dBm时，RSSI值为场强值的绝对值；当场强RRF≥-40 dBm时，RSSI值均为40；场强RRF大于门限值-96 dBm时，表示无法通过RF链路进行通信。

邻居节点间HPLC上、下行链路通信成功率SHPLC由上行通信成功率乘以下行通信成功率计算得到；链路的信道质量QHPLC用原始信号信噪比来表示，当通信成功率低于所设置的最小通信成功率或信噪比低于设置的门限值Qgate时，均表示无法通过HPLC链路进行通信。

2）通信速率修正

报文长度不同，会影响通信速率计算，用用电信息抄表常用报文的长度来估算RF链路的通信速率VRF和HPLC链路的通信速率VHPLC，用链路场强对VRF进行修正，得到RF链路的权值WRF为

式中：90是链路场强的门限值；40是场强的最大值。

用HPLC链路的信道质量与通信成功率对VHPLC进行修正，得到HPLC链路的权值WHPLC为

式中，Qmax为信道质量的最大值。

3）权重赋值

取节点间HPLC和RF链路修正后的通信速率的最大值max(WRF,WHPLC)作为该两节点间边的权重，以保证节点之间选取传输速度最快和最可靠的链路。

3.3.2 混合网络路由算法

根据配用电异构场域网的应用特点，其路由算法仅仅考虑主节点与子节点之间的路由问题，路由算法以子节点与主节点之间路由通信时间最短作为优化目标函数[13]；考虑到中继节点转发数据消耗时间及网络的可靠性，用网络层数对优化目标函数进行修正，采用改进的Bellman-Ford算法[14]对网络层数m进行了限定。

对于一个具有n个节点、r条边的有向图G(n,r)，节点的编号为1,2,…,n，规定1为中心节点；用w(i,j)表示有向边r(i,j)的权值，其中i和j分别为所连接的2个节点。定义e(i)为节点到中心节点的距离；e0(i)为上一次迭代完成后节点i到中心节点的距离；k为迭代次数，限定网络层次为m；P为上轮迭代距离变小的节点集合；Q为本轮迭代距离变小的节点集合。其改进算法步骤如下。

步骤1初始化，令e(1)=0,e(i)=+∞,i∈[2,…,n]，把节点1加入集合P中。迭代次数k=1，则第0次迭代的距离分别为e0(1)=0，e0(i)=+∞，i∈[2,…,n]。

步骤2在第k次迭代中，依进入顺序对集合P中的各节点i计算可得

如果e(j)＜e0(j)，并且当j不在集合Q中时，把节点j加入到集合Q，从集合P中去除节点i。

步骤3如果集合Q为空集或k=m，则算法结束，e(i)就是从点节1到节点i的最短距离；当集合Q非空且k＜m，执行步骤4。

步骤4清空集合P并把集合Q中的元素转移到集合P，再清空集合Q，同时对任意的点i∈[1,…,n]，令e0(i)=e(i)，再令k=k+1转移到步骤2。

4 节点间的自适应通信

假定网络某时刻连接示意如图7所示。

图7 网络节点连接示意Fig.7 Schematic of network node connection

当前节点B实时的最优路由表的表项如表2所示，表中链路代码1表示HPLC通信，2表示RF通信。

表2 节点最优路由表的部分表项Tab.2 Some entries in a node’s optimal routing table

例如，节点B（TEI=8）需要向中心节点（TEI=1）上报抄表数据，节点B应用层通过MAC层服务数据单元MSDU（service data unit）由网络层发送原语，网络层依据原始目的TEI查询路由表，获取其转发节点的TEI为10，链路代码为1，则通过HPLC进行通信，依据发送原语中的原始目的地址（TEI=1）、原始源地址（TEI=8）和MSDU类型，设置路由总跳数和剩余路由跳数，广播方向为上行广播，生成HPLC链路MAC帧头，通过HPLC的PHY进行数据传送。

若节点B通过HPLC链路收到MAC报文，对MAC报文进行解析，若报文的原始目的TEI为20，查询实时路由表获取其转发节点的TEI为9，链路代码为2，则通过RF进行通信，对该MAC报文的MSDU报文内容不做修改，生成RF链路MAC帧头，通过RF的PHY进行数据转发。

同理，若节点B通过RF链路收到MAC报文，对MAC报文进行解析，若报文的原始目的TEI=5，查询实时路由表获取其转发节点的TEI=7，链路代码为1，则通过HPLC链路进行通信，对该MAC报文的MSDU报文内容不做修改，生成HPLC链路MAC帧头，通过HPLC的PHY进行数据转发。

5 实验测试

为验证智能配用电双模异构场域网在用电信息系统中的性能，在实验室环境下，搭建了如图8所示的6层15节点平面菱形网状拓扑结构的测试平台，所有节点信号都经由程控衰减器进行调节控制，可达到阻断、开放节点链路通信功能，以实现人工模拟控制组网，测试双模切换的效果。

图8 实验室搭建测试平台拓扑Fig.8 Topology of laboratory test platform

考虑到RF的辐射作用，对所有容易引起辐射的环节都进行屏蔽处理，将各节点放入各自屏蔽箱内，图8中共有16个节点（包括集中器），各节点分别使用双模通信模块、HPLC通信模块和RF通信模块组网测试。

针对双模通信模块测试，屏蔽箱内和屏蔽箱之间测试设备连接如图9所示。

在图9中，同轴射频载波信号进入箱体后，经载波耦合器耦合到电力线与电表载波模块进行通讯；同轴RF信号通过屏蔽箱内信号入口天线，与电表RF模块进行通讯。电表载波信号通过电源滤波器，将载波和电源信道分离，可使市电供电和载波通讯信道完全隔离，电力线不会对通信信道造成干扰，并经载波耦合器连接程控衰减器后进入模拟网络，电表RF信号经信号出口天线，再经衰减器后进入模拟网络。同时载波信号工作在2～12 MHz频带，RF信号工作470～510 MHz频带，箱体内干扰小，屏蔽箱内用小辣椒天线或平板天线接收、转发RF信号。

图9 屏蔽箱测试设备连接Fig.9 Test equipment connection of shield box

搭建完成的场域网实验室测试环境如图10所示。

图10 场域网实验室测试环境Fig.10 Test environment of field network in laboratory

测试中，上位机抄表软件使用Tool-Studio，中心节点调试软件使用Wps-Cac-Tool。经过15 d的连续测试，针对双模通信、HPLC通信和RF通信的场域网，通过调节不同节点衰减器的衰减率，各模拟100次不同组网状态，测试其组网等性能，测试平均结果如表3所示。

表3 3种通信模式场域网实验室测试数据Tab.3 Test data of field network in laboratory in three kinds of communication mode %

由表3测试数据可以得出，双模场域网的组网成功率比HPLC、RF分别提升了1.76%、5.66%；日冻结成功率分别比HPLC、RF提升了2.61%、5.37%；停复电上报成功率比HPLC、RF提升了4.52%、8.19%；台区识别率比HPLC、RF提升了8.83%、6.85%；96点曲线抄表成功率比HPLC、RF提升了1.18%、4.04%；96点曲线抄表占空比比HPLC、RF降低了45.46%、50.35%。在实验室环境下，双模场域网的整体性能比HPLC和RF场域网均有所提升。

双模智能电表、HPLC智能电表和RF智能电表分别安装在成都市的禹龙小区3#、4#、6#号台区进行测试，该台区分别为低中高层建筑群，电表全部集中安装在各层铁皮电表箱，每个表箱12块电表，集中器均安装在低压配电房内，中心节点天线均引出配电房。网络规模禹龙3#为157台，禹龙4#为177台，禹龙6#为322台，测试的抄表轮次每15 min一轮，并发抄读数据项个数为3，发送时间间隔为100 ms。每种电表分别测试20 d，进行重复性组网测试。其周期性和业务性能测试平均数据如表4所示。

表4 3种通信模式场域网现场环境下测试数据Tab.4 Test data of field network in jobsite of three kinds of communication mode

由表3的测试数据可以得出，双模场域网的组网成功率可达99.66%，比HPLC、RF分别提高1.01%、3.38%；抄表平均总时间比HPLC、RF分别缩短56.90%、73.13%，效果明显；抄表成功率可达99.28%，比HPLC、RF分别提高了2.28%、5.30%；15 min通道占空比相对HPLC、RF分别降低了56.88%、62.79%。从实际应用环境的测试来看，双模场域网的整体性能比HPLC和RF场域网均有提升。