電力線通信接入網(wǎng)的智能電網(wǎng)機(jī)會(huì)路由

唐 元，蔣 燁，黃漢華，孫 康

（1.廣西電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心，廣西 南寧 530022；2.北京郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876）

電力線通信接入網(wǎng)的智能電網(wǎng)機(jī)會(huì)路由

唐 元1，蔣 燁1，黃漢華1，孫 康2

（1.廣西電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心，廣西 南寧 530022；2.北京郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876）

近年來(lái)電力線通信(Power Line Communication，PLCs)在智能電網(wǎng)研究領(lǐng)域廣泛興起，它可以使用一種便捷的調(diào)度方法來(lái)為電力系統(tǒng)提供通信容量。電力線通信接入網(wǎng)(PLC-AN)主要用于控制交流變電站和用戶之間的信號(hào)并提供互聯(lián)網(wǎng)接入到家庭的服務(wù)。在對(duì)電力線通信接入網(wǎng)(Power Line Communication access network，PLC-AN)中使用機(jī)會(huì)路由 (Opportunistic Routing，OR)進(jìn)行可行性分析后，提出并設(shè)計(jì)了基于電力線通信接入網(wǎng)的智能電網(wǎng)機(jī)會(huì)路由（PLC-OR），還使用分布式的方法解決了每秒位計(jì)的最大化問(wèn)題。仿真結(jié)果表明，在實(shí)現(xiàn)相同可靠性的報(bào)文傳輸時(shí)，PLC-OR與傳統(tǒng)的連續(xù)路由相比降低了數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間。

接入網(wǎng)；窄帶 PLC；機(jī)會(huì)路由；電力線通信；智能電網(wǎng)

0 引言

智能電網(wǎng)是指近年來(lái)結(jié)合能源技術(shù)及信息通信技術(shù)更新后的電網(wǎng)。通過(guò)先進(jìn)的信息、控制和通信技術(shù)，智能電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的電子監(jiān)控、監(jiān)測(cè)、自愈、診斷以及基礎(chǔ)設(shè)施（Advanced Metering Infrastructure，AMI）自動(dòng)計(jì)量等智能功能，部分還具有實(shí)時(shí)性[1-2]。為保障快速和可靠的數(shù)據(jù)傳輸，智能電網(wǎng)使用多種通信技術(shù)。因?yàn)殡娏€的普遍存在，電力線通信技術(shù)(Power Line Communication，PLC)比其他的通信技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)。

PLC作為接入網(wǎng)(Access Network，AN)中的一種可選的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由于一個(gè)MV/LV配送網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積大，并且一個(gè)包的傳送過(guò)程中會(huì)有多個(gè)中間結(jié)點(diǎn)的參與，電力線通信接入網(wǎng)(PLC-AN)需要具有路由功能。另外，電力線信道的特性不同于無(wú)線，簡(jiǎn)單地采用傳統(tǒng)的路由方案不能最大限度地提高電力線網(wǎng)絡(luò)的性能[3]，因此必須根據(jù)電力線特性為PLC設(shè)計(jì)一種特定的路由協(xié)議。在PLC信道中信號(hào)的衰落是由于分支網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的信號(hào)反射[4]和在每一個(gè)電容組及 MV/LV變壓器中的信號(hào)衰減[5]。此外，無(wú)線通道和 PLC的噪聲特性也有許多不同，在PLC信道的噪聲可以被建模為有色背景噪聲、窄帶干擾、同步和異步脈沖噪聲[6]。電力網(wǎng)中的 HV、MV、LV如圖1所示。

最近，許多學(xué)者[7]致力于 PLC-AN中路由功能的研究。BUMILLER G、LAMPE L及HRASNICA H三位學(xué)者提出：當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)需要從網(wǎng)絡(luò)接收相同信息時(shí)，洪泛法被證實(shí)是一種有效的PLC-AN路由方案。然而實(shí)際情況是，所有自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)及智能電網(wǎng)設(shè)備都不會(huì)有相同的需求，如AMI、電力系統(tǒng)故障檢測(cè)以及要求點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的電力交通工具充電系統(tǒng)。另外，BIAGI M、LAMPE L和GRECOL S在研究中提出了收集每個(gè)電力設(shè)備位置信息的地理路由，應(yīng)用無(wú)線路由方案并將其擴(kuò)展，卻沒(méi)有考慮到多個(gè)接收者的情況。而機(jī)會(huì)路由（Opportunistic routing，OR）充分利用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和傳感器網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線媒介的廣播特性進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，已經(jīng)成為一種很有前景的提高網(wǎng)絡(luò)性能的方法。PLC信號(hào)在電力線的穿透特性使得OR成為PLC-AN一個(gè)很好的選擇。

圖1 電力網(wǎng)中的HV、MV、LV

1 機(jī)會(huì)路由概述

OR可以利用無(wú)線媒介的廣播特性使幾個(gè)臨近節(jié)點(diǎn)都監(jiān)聽(tīng)到數(shù)據(jù)，只要有一個(gè)用戶正確地接收到幀數(shù)據(jù)并向前轉(zhuǎn)發(fā)，傳輸就可以繼續(xù)，因此OR提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。此外，一個(gè)傳輸任務(wù)在同一時(shí)間有一個(gè)多跳的機(jī)會(huì)，OR有助于減少傳輸?shù)目偭俊?/p>

一個(gè)傳輸任務(wù)分別通過(guò)傳統(tǒng)連續(xù)路由和OR傳輸?shù)睦硐脒^(guò)程和平均到達(dá)目的地的傳輸任務(wù)量的計(jì)算，如圖2所示。在這個(gè)例子中，假設(shè)一個(gè)傳輸任務(wù)被第一跳節(jié)點(diǎn)正確接收的概率是0.5，被第二跳節(jié)點(diǎn)正確接收的概率是0.2。連續(xù)路由時(shí)，由于每個(gè)傳輸任務(wù)跨一跳距離的成功概率為 0.5，因此期望的進(jìn)展是 0.5，一個(gè)數(shù)據(jù)包為了到達(dá)目的地需要交叉四跳，因此在連續(xù)路由中平均需要傳輸8次，而OR時(shí)，一個(gè)傳輸任務(wù)交叉兩跳的概率為0.2，并且如果交叉雙跳失敗，通過(guò)一跳的概率為0.5，因此在OR中對(duì)于一次傳輸?shù)钠谕M(jìn)展是0.8，這就使每次傳輸所需的平均次數(shù)減少。

圖2 順序路由及OR預(yù)期的過(guò)程

實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的關(guān)鍵問(wèn)題是：轉(zhuǎn)發(fā)集的選擇、優(yōu)先級(jí)設(shè)定、重復(fù)傳輸?shù)谋苊饧耙种?。圖3顯示了連續(xù)路由和OR的傳輸過(guò)程。在這個(gè)例子中OR需要3次傳輸，而傳統(tǒng)路徑需要5次傳輸。

圖3 OR線性拓?fù)鋵?shí)例

2 系統(tǒng)模型

2.1 窄帶信道模型

在低壓線路中的平均信道衰減由式(1)給出：

其中 f是頻率，單位為 MHz，d是距離，單位為 m，在中壓線路中的平均信道衰減如下：

根據(jù)上面的 μLV(f，d)和μMV(f，d)的公式，信噪比為：

這里，Pr為發(fā)射功率密度，函數(shù)N(x)用于計(jì)算噪聲功率密度，在窄帶中壓接入網(wǎng)各參數(shù)取值為：Pr=-55 dBm/Hz，f=0.05 MHz，N(f)=-105 dBm/Hz，低壓接入網(wǎng)為：N(f)= -115 dBm/Hz，每個(gè)電容器組的信噪比會(huì)額外再降低10 dB。

2.2 網(wǎng)絡(luò)模型

一個(gè)電氣網(wǎng)絡(luò)可以使用一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)圖來(lái)代表：g= {υ，ε}其中 υ和ε分別為頂點(diǎn)和邊的集合。邊的集合被定義為：

3 PLC-OR的設(shè)計(jì)

3.1 默認(rèn)路徑選擇

圖4顯示了在一個(gè)由37個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中如何選擇一個(gè)從源到目的地的特定路徑。這個(gè)拓?fù)錂C(jī)構(gòu)是來(lái)自某省的實(shí)際配電試驗(yàn)饋線，它使用Dijkstra算法計(jì)算最小距離，按機(jī)會(huì)路由選擇轉(zhuǎn)發(fā)器節(jié)點(diǎn)。在這個(gè)例子中，沿著S和d之間的路徑中放置了5個(gè)中間繼電器節(jié)點(diǎn)。

圖4 在IEEE 37節(jié)點(diǎn)測(cè)試饋線路徑實(shí)例

3.2 基于ACK的協(xié)調(diào)方案

圖5給出了一個(gè)PLC-OR的協(xié)調(diào)的具體例子。在這個(gè)例子中，第一優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有成功接收數(shù)據(jù)幀，而第二和第三優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)成功接收。在第j個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)成功傳輸需要 Tj=Ttx+Tco+Tpo，其中 Ttx、Tco、Tpo分別為實(shí)際時(shí)間、PLC-OR的協(xié)調(diào)時(shí)延和CSMA/CD協(xié)議的額外開(kāi)銷。協(xié)調(diào)時(shí)延由以下公式給出：

圖5 PLC-OR的協(xié)調(diào)圖

其中TRIFS和Ts分別為 RIFS時(shí)間和感知時(shí)間。相似地CSMA/CD協(xié)議的額外開(kāi)銷是：Tpo=TCIFS+pσ，其中 TCIFS和σ分別為 CIFS時(shí)間和空閑時(shí)隙，p為在傳輸之前用于描述大量空閑時(shí)隙的隨機(jī)變量。

傳統(tǒng)方案中每個(gè)傳輸任務(wù)需要的時(shí)間是 Ttx+TRIFS+ TACK+Tpo，而在 PLC-OR中還需要一個(gè)(n-1)Ts。根據(jù) G3-PLC的實(shí)際參數(shù)，假設(shè)Kmax=3時(shí)，傳統(tǒng)方案和PLC-OR方案分別平均為97.82 ms和100.6 ms，因此對(duì)于每個(gè)傳輸任務(wù)PLC-OR方案會(huì)多花費(fèi)3%的時(shí)間。

3.3 速率、色調(diào)映射模型和傳輸集選擇算法

通過(guò)Dijkstra算法構(gòu)建了默認(rèn)路徑后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)i應(yīng)選擇各自的傳輸速率Ri、色調(diào)映射模式Mi和傳輸節(jié)點(diǎn)集合 Fi。設(shè)計(jì)一個(gè) bit.m/s的最大化問(wèn)題，即每個(gè)節(jié)點(diǎn) i都要試圖達(dá)到的最大值：

其中 L為以 bit計(jì)的幀長(zhǎng)度，Tout、Tj分別表示為當(dāng)所有轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有成功解碼幀時(shí)的媒介保持時(shí)間以及第j優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)成功接收到幀時(shí)的媒介保持時(shí)間。p中的控制變量為Ri和Mi，并且當(dāng)p和T隨著Ri和Mi的變化而變化時(shí)，F(xiàn)i也會(huì)變化。

由于三個(gè)變量是離散變量，因此該問(wèn)題為一個(gè)離散組合優(yōu)化問(wèn)題。在 P中可能組合的總數(shù)為 J·2M·PNK，其中J和M分別為MCS電平數(shù)和子信道數(shù)，N和K分別為Ni和Fi的大小。由于Fi是一個(gè)有序集，因此可能組合模式的數(shù)量為 PNK而不是CNK。為減少搜索空間，使用一個(gè)分支定界算法。

公式中的分子是期望包步進(jìn)(EPA)，EPA給出了優(yōu)先規(guī)則和包含屬性兩個(gè)引理。

引理 1：轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先權(quán)規(guī)則：給出元素 Fi、Mi及 Ri，只有到達(dá)目的地更近的一個(gè)節(jié)點(diǎn)取得更高的優(yōu)先權(quán)時(shí)，傳輸集才完成。

由于使用了RPR和FSCP，更容易為P選擇轉(zhuǎn)發(fā)集。下面的引理提出的算法給出了最優(yōu)色調(diào)映射模式。當(dāng)有n個(gè)子信道時(shí)，使用(n)表示最優(yōu)色調(diào)映射模式，“最優(yōu)”是指它相較于(1)給出了更低的FER。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

在G3-PLC規(guī)范中，一次傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量為 252，并且信道感知時(shí)間為兩個(gè)最大量。由于VCS有一個(gè)時(shí)間限制，所以定義轉(zhuǎn)發(fā)集最大為 Kmax，當(dāng) Kmax=3時(shí)，對(duì)于三個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的排序需要四個(gè)最大量，因此總的最大數(shù)據(jù)量為2486。在三種模型中兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離分別遵循（1 km，0.5 km）、（1.5 km，0.75 km）和（2 km，1 km）的均值和正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差，在三種密度模型中兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的最大距離分別為2 km、3 km和4 km。假設(shè)有一個(gè)窄帶干擾，相應(yīng)子信道的SNR就降低10 dB。

鏈路的平均長(zhǎng)度為 1-22，目的節(jié)點(diǎn)則是在其他122個(gè)節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選擇，使用 Dijkstra算法選擇到達(dá)每個(gè)目的地的默認(rèn)路徑。在低壓電力線之間有10個(gè)連續(xù)的建筑物，兩個(gè)相鄰建筑物之間的距離遵循均值為90 m、標(biāo)準(zhǔn)差為10 m的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。

4.2 性能結(jié)果

圖6展示了存在及不存在窄帶干擾時(shí)，三種密度模型中到達(dá)目的地的傳輸時(shí)間(秒)，在這個(gè)模型中使用中壓信道模型，沒(méi)有窄帶干擾時(shí)的性能結(jié)果如圖6(a)所示；在低密度模型中SPR花費(fèi)8.86 s到達(dá)目的地。當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度低時(shí)，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)接收者，這種情況下OR性能并不是很好，SPR-ETX和 PLC-OR的功能相似。然而在網(wǎng)絡(luò)變密時(shí)，OR顯示出了更好的性能，即在低、中和高密度模型中 PLC-OR性能的提高比 SPRETX分別高出4.4%、10%和17%。

圖6(b)顯示了不存在窄帶干擾時(shí)SPR及OR的性能。沒(méi)有窄帶干擾時(shí)，PLC-OR和SPR-ETX的性能增量幾乎是一樣的，而SPR的性能則是所有方案中最差的。其他路由方案的性能增量比SPR高大約 50%，PLC-OR和SPR在達(dá)到相同可靠性水平時(shí)整個(gè)傳輸時(shí)間降低了。

圖6 三種密度模型中一個(gè)鏈路拓?fù)涞钠骄鶄鬏敃r(shí)間(秒)

為了得到在 EEE123節(jié)點(diǎn)測(cè)試饋線網(wǎng)中的結(jié)果，本文進(jìn)行了10 000次模擬實(shí)驗(yàn)，平均結(jié)果如圖7所示。假設(shè)在IEEE-123-NBD情況下，智能電網(wǎng)存在窄帶干擾的概率為0.2。如果沒(méi)有干擾消除方案，在存在窄帶干擾時(shí)OR的性能會(huì)較差，而PLC-OR的性能很好，比SPR和SPR-ETX分別高出60%和8%。與鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，在MV/LV分配網(wǎng)絡(luò)中本文提出的PLC-OR性能有所提高。

圖7 節(jié)點(diǎn)測(cè)試饋線網(wǎng)中平均傳輸時(shí)間對(duì)比

5 未來(lái)工作

下一步要實(shí)現(xiàn)的是將OR和協(xié)同傳輸技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。在協(xié)同傳輸中，為保證吞吐量和可靠性，幾個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)傳輸一個(gè)包，如果適當(dāng)控制轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集中的傳輸，會(huì)使OR和協(xié)同傳輸?shù)慕Y(jié)合達(dá)到更好的性能。關(guān)于PLN-AN的另一個(gè)延伸是可以使用網(wǎng)絡(luò)編碼很好的解決網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的情況。

[1]HLEDIK R.How green is the smart grid?[J].The Electricity Journal.2009，22(3)：29-41.

[2]Keonkook Lee，Chan-Byoung Chae，Tae-Kyung Sung，et al.Cognitive beamforming based smart metering for coexistence with wireless local area networks[J].Journal of Communications and Networks，2012，14(6)：619-628.

[3]SAPUTROA N，AKKAYAA K，ULUDAGB S.A survey of routing protocols for smart grid communications[J].Computer Networks，2012，56(11)：2742-2771.

[4]GALLI S，SCAGLIONE A，Wang Zhifang，et al.For the grid and through the grid:The role of power line communications in the smart grid[J].Proceedings of the IEEE，2011，99(6)：998-1027.

[5]Razazian Kaveh，Kamalizad Amir，Umari Maher，et al.G3-PLC field trials in U.S.distribution grid:Initial results and requirements[C].2011 IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications，2011：153-158.

[6]Bumiller Gerd.Automated channel and performance measurements for narrowband MV-and LV-power-lines[C].2007 IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications.2007：41-46.

[7]Bumiller Gerd.Power line communication networks for large-scale control and automation systems[J].IEEE Communications Magazine，2010，48(4)：106-113.

Power line communication access network based on opportunity routing in smart grid

Tang Yuan1，Jiang Ye1，Huang Hanhua1，Sun Kang2
(1.Guangxi Power Grid Co.，Ltd，Electric Power Dispatch&Control Center，Nanning 530022，China；2.Beijing University of Posts and Telecommunications，State Key Laboratory of Networking and Switching Technology，Beijing 100876，China)

Abatract：In recent years,power line communications(PLCs)are widely used in the field of smart grid research,which can be used to provide communication capacity for power system in a convenient deployment.Power line communication access network (PLC-AN)is mainly used to control the singals between the substation and the user and provide Internet access to the family.After investigating the feasibility of using OR in PLC-AN,this paper designs a PLC-OR,which is based on PLC-AN,then uses the distributed method to solve a bit-meter per second maximization problem.Through simulation experiments,it is proved that the transmission time of PLC-OR is lower than that of the traditional sequential routing with the same level of reliability.

access network；narrowband PLC；opportunistic routing；power line communications；smart grid

TN919

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.034

唐元，蔣燁，黃漢華，等.電力線通信接入網(wǎng)的智能電網(wǎng)機(jī)會(huì)路由[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(12)：130-133，138.

英文引用格式：Tang Yuan，Jiang Ye，Huang Hanhua，et al.Power line communication access network based on opportunity routing in smart grid[J].Application of Electronic Technique，2016，42(12)：130-133，138.

2016-05-10)

唐元(1982-)，男，工程師，碩士研究生，主要研究方向：電力調(diào)度控制。

蔣燁（1986-），男，工程師，碩士研究生，主要研究方向：電力調(diào)度控制。

黃漢華(1986-)，男，工程師，碩士研究生，主要研究方向：電力調(diào)度控制。