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)國家重點實驗室，北京 100876）

電力線通信接入網(wǎng)的智能電網(wǎng)機會路由

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)國家重點實驗室，北京 100876）

近年來電力線通信(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并提供互聯(lián)網(wǎng)接入到家庭的服務(wù)。在對電力線通信接入網(wǎng)(Power Line Communication access network，PLC-AN)中使用機會路由 (Opportunistic Routing，OR)進行可行性分析后，提出并設(shè)計了基于電力線通信接入網(wǎng)的智能電網(wǎng)機會路由（PLC-OR），還使用分布式的方法解決了每秒位計的最大化問題。仿真結(jié)果表明，在實現(xiàn)相同可靠性的報文傳輸時，PLC-OR與傳統(tǒng)的連續(xù)路由相比降低了數(shù)據(jù)包的傳輸時間。

接入網(wǎng)；窄帶 PLC；機會路由；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)。通過先進的信息、控制和通信技術(shù)，智能電網(wǎng)可以實現(xiàn)電網(wǎng)的電子監(jiān)控、監(jiān)測、自愈、診斷以及基礎(chǔ)設(shè)施（Advanced Metering Infrastructure，AMI）自動計量等智能功能，部分還具有實時性[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)。因為電力線的普遍存在，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。

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MV/LV配送網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積大，并且一個包的傳送過程中會有多個中間結(jié)點的參與，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線，簡單地采用傳統(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)計一種特定的路由協(xié)議。在PLC信道中信號的衰落是由于分支網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的信號反射[4]和在每一個電容組及 MV/LV變壓器中的信號衰減[5]。此外，無線通道和 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)點需要從網(wǎng)絡(luò)接收相同信息時，洪泛法被證實是一種有效的PLC-AN路由方案。然而實際情況是，所有自動化網(wǎng)絡(luò)及智能電網(wǎng)設(shè)備都不會有相同的需求，如AMI、電力系統(tǒng)故障檢測以及要求點對點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電力設(shè)備位置信息的地理路由，應(yīng)用無線路由方案并將其擴展，卻沒有考慮到多個接收者的情況。而機會路由（Opportunistic routing，OR）充分利用點對點和傳感器網(wǎng)絡(luò)中無線媒介的廣播特性進行數(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信號在電力線的穿透特性使得OR成為PLC-AN一個很好的選擇。

圖1 電力網(wǎng)中的HV、MV、LV

1 機會路由概述

OR可以利用無線媒介的廣播特性使幾個臨近節(jié)點都監(jiān)聽到數(shù)據(jù)，只要有一個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，一個傳輸任務(wù)在同一時間有一個多跳的機會，OR有助于減少傳輸?shù)目偭俊?/p>

一個傳輸任務(wù)分別通過傳統(tǒng)連續(xù)路由和OR傳輸?shù)睦硐脒^程和平均到達(dá)目的地的傳輸任務(wù)量的計算，如圖2所示。在這個例子中，假設(shè)一個傳輸任務(wù)被第一跳節(jié)點正確接收的概率是0.5，被第二跳節(jié)點正確接收的概率是0.2。連續(xù)路由時，由于每個傳輸任務(wù)跨一跳距離的成功概率為 0.5，因此期望的進展是 0.5，一個數(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，一個傳輸任務(wù)交叉兩跳的概率為0.2，并且如果交叉雙跳失敗，通過一跳的概率為0.5，因此在OR中對于一次傳輸?shù)钠谕M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)期的過程

實現(xiàn)這些目標(biāo)的關(guān)鍵問題是：轉(zhuǎn)發(fā)集的選擇、優(yōu)先級設(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的傳輸過程。在這個例子中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)鋵嵗?/p>

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，每個電容器組的信噪比會額外再降低10 dB。

2.2 網(wǎng)絡(luò)模型

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

3 PLC-OR的設(shè)計

3.1 默認(rèn)路徑選擇

圖4顯示了在一個由37個節(jié)點構(gòu)造的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中如何選擇一個從源到目的地的特定路徑。這個拓?fù)錂C構(gòu)是來自某省的實際配電試驗饋線，它使用Dijkstra算法計算最小距離，按機會路由選擇轉(zhuǎn)發(fā)器節(jié)點。在這個例子中，沿著S和d之間的路徑中放置了5個中間繼電器節(jié)點。

圖4 在IEEE 37節(jié)點測試饋線路徑實例

3.2 基于ACK的協(xié)調(diào)方案

圖5給出了一個PLC-OR的協(xié)調(diào)的具體例子。在這個例子中，第一優(yōu)先級的節(jié)點沒有成功接收數(shù)據(jù)幀，而第二和第三優(yōu)先級的節(jié)點成功接收。在第j個中繼節(jié)點成功傳輸需要 Tj=Ttx+Tco+Tpo，其中 Ttx、Tco、Tpo分別為實際時間、PLC-OR的協(xié)調(diào)時延和CSMA/CD協(xié)議的額外開銷。協(xié)調(diào)時延由以下公式給出：

圖5 PLC-OR的協(xié)調(diào)圖

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

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

3.3 速率、色調(diào)映射模型和傳輸集選擇算法

通過Dijkstra算法構(gòu)建了默認(rèn)路徑后，每個節(jié)點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)點集合 Fi。設(shè)計一個 bit.m/s的最大化問題，即每個節(jié)點 i都要試圖達(dá)到的最大值：

其中 L為以 bit計的幀長度，Tout、Tj分別表示為當(dāng)所有轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點沒有成功解碼幀時的媒介保持時間以及第j優(yōu)先級的節(jié)點成功接收到幀時的媒介保持時間。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，F(xiàn)i也會變化。

由于三個變量是離散變量，因此該問題為一個離散組合優(yōu)化問題。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，使用一個分支定界算法。

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

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)目的地更近的一個節(jié)點取得更高的優(yōu)先權(quán)時，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個子信道時，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 仿真實驗

4.1 實驗場景

在G3-PLC規(guī)范中，一次傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量為 252，并且信道感知時間為兩個最大量。由于VCS有一個時間限制，所以定義轉(zhuǎn)發(fā)集最大為 Kmax，當(dāng) Kmax=3時，對于三個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的排序需要四個最大量，因此總的最大數(shù)據(jù)量為2486。在三種模型中兩個相鄰節(jié)點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相鄰節(jié)點之間的最大距離分別為2 km、3 km和4 km。假設(shè)有一個窄帶干擾，相應(yīng)子信道的SNR就降低10 dB。

鏈路的平均長度為 1-22，目的節(jié)點則是在其他122個節(jié)點中隨機選擇，使用 Dijkstra算法選擇到達(dá)每個目的地的默認(rèn)路徑。在低壓電力線之間有10個連續(xù)的建筑物，兩個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，三種密度模型中到達(dá)目的地的傳輸時間(秒)，在這個模型中使用中壓信道模型，沒有窄帶干擾時的性能結(jié)果如圖6(a)所示；在低密度模型中SPR花費8.86 s到達(dá)目的地。當(dāng)節(jié)點密度低時，大多數(shù)節(jié)點只有一個接收者，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，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SPR及OR的性能。沒有窄帶干擾時，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整個傳輸時間降低了。

圖6 三種密度模型中一個鏈路拓?fù)涞钠骄鶄鬏敃r間(秒)

為了得到在 EEE123節(jié)點測試饋線網(wǎng)中的結(jié)果，本文進行了10 000次模擬實驗，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。如果沒有干擾消除方案，在存在窄帶干擾時OR的性能會較差，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)點測試饋線網(wǎng)中平均傳輸時間對比

5 未來工作

下一步要實現(xiàn)的是將OR和協(xié)同傳輸技術(shù)進行結(jié)合。在協(xié)同傳輸中，為保證吞吐量和可靠性，幾個節(jié)點可以同時傳輸一個包，如果適當(dāng)控制轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點集中的傳輸，會使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)機會路由[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。