基于平衡混合路由的智能电表通信方法

臧丽炜， 王榕， 宋广千， 李皎， 陈灿

(国家电网有限公司信息通信分公司, 北京 1000761)

随着我国售电市场的逐步放开，越来越多的售电公司参与到配电网的运营服务中，造成售电市场竞争日趋激烈[1]；因此，迫切需要售电公司提供更精准的配电台区用户监测与分析服务[2]。长期以来，我国的配电台区受限于窄带电力载波的通信速率，监测手段仅限于对电表每日一次的电量采集[3]，缺少对用户电表多类型、高频度的数据监测，不能为用户提供多类型的增值服务；因此，亟需提高用户智能电表的通信速率，满足用户智能电表多类型、高频度的数据监测要求，为向用户提供多类型增值服务提供数据支撑。

为此，许多学者研究了提高智能电表通信速率的方法。文献[4]提出了一种基于压缩感知的、信道与脉冲的多输入多输出电力线载波通信项目，采用快速块稀疏贝叶斯学习算法的信道与脉冲噪声联合估计方法，提高电力线载波通信成功率。文献[5]提出了一种扩频调制的电力线载波通信方法，采用扩频调制芯片，防止采集多用户电表信息时可能产生的共享信道冲突，以此提高智能电表的通信成功率。文献[6]提出了一种多态脉冲相位调制的研发方法，采用随机多态脉冲相位调制方法，构建电力载波通信调制模型，实现内调制与外调制2种调制通信方法，以提升数据传输的速率，提高载波通信网络稳定性。文献[7]提出了一种多输入多输出宽带电力线载波通信的方法，考虑了多输入多输出载波信道的空间相关性，采用了自上而下和自下而上2种混合信道模型，提高了电力线载波数据传输速率。文献[8]提出了一种基于5.8 GHz载波的电力通信网络方法，采用特征加权的方式计算出通信覆盖率，结合归一化电力线载波信号干扰噪声比，实现电力载波自适应覆盖，从而提高电力线载波传输抗干扰能力。文献[9]提出了一种电力线宽带载波通信干扰过滤技术，通过过滤技术分解数据信息,利用多条通道进行信息数据流的并行传输，提升数据传输速率。文献[10]提出了一种基于高速载波(high power line communication, HPLC)的通信方法，通过升级智能电表本地通信模块方式，实现用户电表日96点电气数据采集。由此可见，提高智能电表通信方法多样且取得了一定的成果，但上述研究局限于对电力载波单一通信方式，缺少对配电台区低压电力载波远距离通信的分析。

为解决智能电表HPLC通信存在中继多、远距离传输衰减大、可靠性差的问题，本文提出了一种基于平衡混合路由的电表通信方法，该方法重点采用HPLC与微功率无线平衡混合路由的方式，实现电表数据的快速传输。首先，通过电表通信连接关系分析，建立用电信息采集集中器与智能电表的邻居关系表，形成用电信息采集集中器与智能电表的拓扑关系图；其次，通过可靠传输路径，为配电台区中每一块智能电表保存重传路由表；再次，基于平衡混合路由算法，实现智能电表HPLC与微功率无线通信的动态路由切换和最佳路径选择；最后，通过对本方法的实际应用验证其可行性与有效性。

1 平衡混合路由通信框架

本文提出一种基于平衡混合路由的电表通信方法，该方法重点考虑智能电表数据通信传输的速率和可靠性。该方法的框架如图1所示。该框架主要包括4个环节，智能电表HPLC与微功率无线双模通信传输模式的改造、电表通信关系、传输路径分析和平衡混合路由。

图1 平衡混合路由通信框架

在智能电表传输模式改造环节中，首先对智能电表的本地通信模块进行改造，将传统的窄带电力载波通信模块更换为HPLC与微功率无线通信模块，以便在通信受阻时能切换网络；然后进行智能电表模块时钟校准，以获得配电台区内各电表的相同时间戳，避免因为时间不一致导致的数据问题。在电表通信关系环节，首先对电表直接的路由可行距离进行测量，从而建立配电台区的用电信息采集集中器与智能电表和智能电表之间的邻居关系表，并以此为基础，形成用电信息采集集中器与智能电表之间的拓扑关系图。在传输路径分析环节，首先对智能电表的可靠性传输路径进行分析，评估传输路径的传输准确性；其次，对于传输过程中失败较多的路径进行分析，获取传输失效的原因；最后，对于传输失败的路径，建立智能电表重新上传数据的重传路由表。在平衡路由环节，智能电表根据历史传输情况，进行最佳的路由传输路径选择；然后，根据电力线HPLC和微功率无线的传输信号强度及抗干扰力进行路由平衡分析，获取当前时刻的最优传输路径；最后，根据最优传输路径进行路由的动态切换。

2 智能电表通信模型

基于平衡混合路由的智能电表通信方法充分考虑电力线HPLC和微功率无线双模信道传输特性，并采用自寻优平衡混合路由算法，可计及当前通信时刻信道的传输现状，进行路由动态调节。

2.1 双模通信传输模式改造

我国传统的电表通信方式普遍采用窄带电力线载波或者HPLC方式进行通信[11-13]，数据通信均为电力线载波。但低压载波通信存在数据传输抗干扰能力差、传输距离近的问题，因此，低压载波传输的有效距离约为2 km。

电网公司为解决配电台区三相负荷不平衡问题，采用了换相开关三相负荷不平衡治理装置。换相开关装在配电台区不同的分支处。换相开关三相负荷不平衡治理装置每一次换相，将造成电力线载波通信中断一次[14]，影响了电力线载波通信成功率。所以文中对配电台区智能电表通信方式进行双模改造，通过微功率无线和智能电表HPLC混合组网的方式，来解决智能电表数据传输的问题。首先，对2013年标准智能电表本地通信模块进行改造，在HPLC的基础上，增加2.4 GHz频段的微功率无线电路，实现智能电表的双通道通信[15-17]，以便在HPLC通信受阻的时候，能够自动切换到2.4 GHz频段的微功率无线通道，从而提高数据传输的成功率；然后对智能电表的时钟进行校准，以解决通信时钟同步的问题。

智能电表更换为HPLC和2.4 GHz频段的微功率无线通道双模通信后，在配电台区内进行智能电表时钟校准[18-19]。首先，通过用电信息采集集中器下发电表对时指令，在配电台区内所有的智能电表接收到指令后，将自身的时钟调整为统一时钟[20]，确保配电台区内所有的智能电表时间戳相同，避免时间不一致导致数据通信中存在的问题。

2.2 电表通信连接关系分析

在电表通信连接关系分析方面，首先对电表直接的路由可行距离进行测量。设Ma为电表HPLC模块的通信带宽，调制方式为正交频分复用，通信速率为6 Mbit/s；Mb为微功率无线模块通信带宽，通信速率为512 Kbit/s；Fa为数据传输的延迟，取值范围为0～10 s；传输信道数n为256；La为传输的可靠性，取值范围为0～100%；Lbi为i信道下的传输负载，取值范围为0～100%；则电表直接的路由可行距离

(1)

通过直接测量电表的路由可行度量距离，建立配电台区用电信息采集集中器与智能电表之间的邻居关系表。设配电台区电表中路由级数为nc，取值范围为0～64级，则邻里关系数

ns=nc(nc-1)/2，

(2)

取值范围为0～1 024。

将所有的电表进行邻里关系分析，可获得用电信息采集集中器与智能电表之间的拓扑关系图。

2.3 传输路径分析

在传输路径分析环节，首先对智能电表的可靠性传输路径进行分析，评估传输路径的传输准确性，设电表i传输可靠性为ri，电表的数量nt，传输可靠性

(3)

然后，对传输路径中失败较多的路径进行分析，获取路径中各节点存在的问题及传输失败的具体分析样本数据；最后再次生成智能电表的重新上传路径的路由表。

2.4 平衡混合路由

在平衡路由环节，智能电表根据历史传输情况，进行最佳的路由传输路径选择，设通信次数为nr，历史传输有效周期内的路径次数

(4)

式中：Sri为第i次通信的路由路径有效期；Zri为第i次通信的路径传输率。

设活跃通道数为Tr，通信丢失率

(5)

式中：Cri为第i次通信的传输有效周期路径次数；Tri为第i次通信的活跃通道数。

数据传输命中率

(6)

历史传输有效周期内的数据命中最高的路径即为最优路由传输路径。

然后根据电力线HPLC和微功率无线的传输信号强度及抗干扰力进行路由平衡分析，设有nb个通道，抗干扰系数

(7)

式中：Ptsi为通道i的输入噪声功率；Ptui为通道i的输出噪声功率。

抗干扰系数最小的路径即为当前时刻的最优传输路径，最后根据最优传输路径进行路由的动态切换。

3 智能电表通信仿真流程

为验证智能电表通信模型的可行性，本文在仿真系统中搭建了智能电表的仿真流程，通过对仿真的结果分析，可对智能电表通信模型进行验证，为后续实际验证奠定基础。

首先对于输入的电表通信数据进行路由可行度量策略，然后建立邻居关系表并生成拓扑关系图；其次，判断传输路径是否最优，若传输路径非最优，则进行通道切换，仿真流程如图2所示。

图2 智能电表仿真通信流程

仿真流程为：

步骤1：测量用户智能电表直接的路由可行度量距离，并根据测量结果建立配电台区的用电信息采集集中器与智能电表之间的邻居关系表。

步骤2：在智能电表之间的邻居关系表的基础上，建立用电信息采集集中器与智能电表之间的拓扑关系图。

步骤3：首先对智能电表的可靠性传输路径进行分析，评估传输路径的传输准确性；其次，对于传输过程中失败较多的路径进行分析，获取传输失效的原因，并进行记录，以便在下一次路由时绕开此类问题，缩短路由时间；最后，对于传输失败的路径，建立智能电表重新上传数据的重传路由表。

步骤4：智能电表根据历史传输情况，进行最佳的路由传输路径选择；然后，根据电力线HPLC和微功率无线的传输信号强度及抗干扰力进行路由平衡分析，获取当前时刻的最优传输路径。

步骤5：最后根据最优传输路径进行路由的动态切换。

4 算例分析

为验证文中所提的基于平衡混合路由的智能电表通信方法的有效性，搭建了试验环境。计算机操作系统为Windows server 2016版，中央处理器型号规格为Intel 至强E3-1200v5 、4核、3.0 GHz，内存为32 GB，采用NS2搭建的仿真环境。采用本文所提方法在某地区供电公司进行验证，传输路径是指智能电表到集中器的路由中继关系表。

4.1 传输路径分析

采用HPLC通信和微功率无线通信，均由电表之间形成路由中继，若该路径出现传输失败的情况，则重新选择另外一个路径传输。文中的传输路径切换次数，是衡量通信信道的关键指标，该指标越小越好。

本文所提的基于平衡混合路由的智能电表通信方法与HPLC进行传输路径切换次数比较，选择配电台区电表数量为300个，数据传输次数分别为100、500、1 000次，首先通过集中器向电表发送冻结电量上报指令，智能电表接收道指令后，向集中器发送电量数据。传输过程的传输路径切换次数见表1。

表1 传输路径切换次数

由表1可见，在不同样本的传输路径切换次数分析中，文中所提基于平衡混合路由的智能电表通信方法的传输路径切换次数少于HPLC方式，因此，文中所提基于平衡混合路由的智能电表通信方法通信性能更优。

4.2 通信成功率分析

通信成功率是衡量智能电表通信的数据发送、接收有效性的核心指标，其计算方式有：①智能电表接收成功的集中器发送数据包数量除以集中器向该智能电表发送数据包的总数；②集中器接收成功的智能电表发送数据包数量除以智能电表向集中器发送数据包的总数。该指标数值越大，通信成功率越高。

采用本文所提的基于平衡混合路由的智能电表通信方法与HPLC进行传输成功率比较，选择配电台区电表数量为200个，分别选择100、200、300、500、800、1 000、2 000组通信数据。从采用集中器向智能电表发送100组数据包，然后从智能电表向集中器发送200组数据包，智能电表和集中器分别接收成功的数据包数量除以发送的数据包总数，即为通信成功率。通信成功率见表2。

表2 智能电表通信成功率

由表2可见，在不同通信组数的测试中，文中所提基于平衡混合路由的智能电表通信方法的通信成功率均优于HPLC方式。

4.3 通信速率分析

通信速率是衡量智能电表数据通信的数据传输快慢的重要指标，其计算方法为配电台区智能电表与集中器平均的上下行通信速率。由于HPLC是多级路由，路由级数越多，通信速率越低。该指标数值越大，通信速率越快。

采用本文所提的基于平衡混合路由的智能电表通信方法与HPLC进行通信数据速率分析，选择配电台区电表数量为200个，分别发送和接收2 000组数据，电表的平均通信速率见表3。

表3 智能电表通信速率

由表3可见，在通信速率测试中，文中所提基于平衡混合路由的智能电表通信方法通信速率优于HPLC。

4.4 通信数据准确率分析

通信数据准确率是衡量智能电表数据通信中传输数据是否正确的核心指标，其计算方式有：①智能电表接收到集中器发送的数据包，并将此数据包与集中器发送数据包进行比较，用正确的数据包数量除以集中器发送数据包总数；②集中器接收智能电表发送的数据包，并将此数据包值与智能发送的数据包数值进行比较，用正确的数据包数量除以智能电表发送数据包总数。准确率数值越大，通信成功率越高。

采用本文所提的基于平衡混合路由的智能电表通信方法与HPLC方法进行通信数据正确率分析，选择电表数量为200个，分别发送100、200、300、500、800、1 000、2 000组数据。首先采用集中器向智能电表发送100组数据包，然后采用智能电表向集中器发送200组数据包。通信准确率如图3所示。

图3 智能电表通信数据准确率分析

由图3可见，在不同通信组数的测试中，文中所提方法的通信数据准确率优于HPLC。

5 结束语

为解决智能电表HPLC通信存在的远距离传输衰减大、误码率高的问题，本文提出了一种基于平衡混合路由的电表通信方法，设计了一种基于平衡混合路由的电表通信模型，在对通信路径分析的基础上，采用自寻优的路径选择，进行通信信道切换，然后对智能电表通信进行仿真。仿真结果表明，所提方法的通信成功率、通信速率、通信数据准确率均优于普通的HPLC。

下一步，将结合配电台区开关等多级通信组网，进行多层级的平衡路由分析。