劉宣+劉志康+徐嘯飛+劉穎+鄭國(guó)權(quán)

摘 要： 寬帶載波通信技術(shù)在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越多，抄表是寬帶載波通信在我國(guó)電網(wǎng)中的一項(xiàng)典型應(yīng)用。然而目前寬帶載波通信產(chǎn)品之間兼容性差、缺乏統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，導(dǎo)致在使用寬帶載波通信產(chǎn)品時(shí)很難評(píng)價(jià)各類產(chǎn)品的優(yōu)劣。抄表的平均傳輸延時(shí)是評(píng)價(jià)寬帶載波抄表的一項(xiàng)重要指標(biāo)，較低的傳輸延時(shí)意味著穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、快速的抄表響應(yīng)和高效的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，提高用電信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集效率。為了合理評(píng)價(jià)集抄產(chǎn)品的性能，提出一種寬帶載波抄表傳輸延時(shí)的預(yù)測(cè)方法，利用多元線性回歸方法根據(jù)采樣時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)抄表的平均傳輸延時(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該預(yù)測(cè)方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞： 寬帶載波通信； 平均傳輸延時(shí)； 集抄系統(tǒng)； 數(shù)據(jù)采集； 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?多元線性回歸方法

中圖分類號(hào)： TN913.6?34； TP321.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）06?0079?03

Abstract： Wideband carrier communication technology is more and more widely applied in electricity information acquisition system， and meter reading is a typical application of wideband carrier communication in state power grid. However， it is difficult to evaluate the performance of wideband carrier communication products when using them due to the poor compatibility among current wideband carrier communication products and lack of the unified communication standard and protocol. The average transmission delay of meter reading is an important index for evaluating wideband carrier meter reading， and low transmission delay means stable network structure， fast reading response， and efficient data transmission， and can improve the data acquisition efficiency of electricity information system. To evaluate the performance of centralized meter reading products properly， a transmission delay prediction method for wideband carrier meter reading is proposed. According to the sampling time and network topology structure， the multiple linear regression method is adopted to predicate average transmission delay for meter reading. The experimental results verified the feasibility and effectiveness of the prediction method.

Keywords： wideband carrier communication； average transmission delay； centralized meter reading system； data acquisition； network topology； multiple linear regression

電力線通信（Power Line Communication，PLC）是指利用電力線作為媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信技術(shù)，廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程抄表、家居自動(dòng)化等低速控制以及高速信息傳輸。電力線通信通常分為窄帶電力線通信和寬帶電力線通信。窄帶通信技術(shù)的研究較早，但受帶寬限制只能實(shí)現(xiàn)低速的數(shù)據(jù)傳輸，難以承載越來越高的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸要求。近年來，低壓側(cè)寬帶電力線通信技術(shù)不斷發(fā)展，傳輸?shù)乃俾屎头€(wěn)定性不斷提高。

近年來隨著電力線寬帶通信技術(shù)的興起和發(fā)展，引起了國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界和國(guó)家電網(wǎng)公司的高度重視。但是由于我國(guó)低壓配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特性、供電方式和國(guó)外有很大的不同，國(guó)外已有的理論研究成果和應(yīng)用系統(tǒng)不能完全適應(yīng)我國(guó)的電網(wǎng)需求。我國(guó)在寬帶載波通信的核心技術(shù)和應(yīng)用產(chǎn)品方面做出了大量的研究。如郭麗莎設(shè)計(jì)了一種基于OFDM的寬帶電力線載波通信系統(tǒng)[1]；曹旺斌等人提出一種多輸入多輸出的寬帶電力線載波通信信道混合模型[2]；齊火箭等人對(duì)寬帶載波通信中的干擾過濾技術(shù)進(jìn)行研究[3]；黃銀龍等人對(duì)格狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電力線載波通信的信道特性進(jìn)行分析等[4]。

隨著國(guó)網(wǎng)管理要求的提升，以及“全采集、全覆蓋、全費(fèi)控”目標(biāo)的提出，在我國(guó)集中抄表系統(tǒng)中已經(jīng)開始逐步使用寬帶載波通信技術(shù)。如文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)一種基于電力線載波通信的智能用電管理系統(tǒng)，妙紅英等人對(duì)寬帶電力線載波通信技術(shù)在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用方向和前景進(jìn)行了分析[6]，胡開文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于Homeplug Green PHY的寬帶電力線載波通信單元[7]，葛娟等人設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于寬帶載波技術(shù)的集中抄表系統(tǒng)[8]。endprint

目前我國(guó)基于寬帶載波通信技術(shù)的集中抄表產(chǎn)品很多，但是各個(gè)產(chǎn)商的產(chǎn)品采用的標(biāo)準(zhǔn)不同，數(shù)據(jù)格式不同，產(chǎn)品之間很難做到互聯(lián)互通，使用者也很難從性能上區(qū)分各個(gè)產(chǎn)品的優(yōu)劣。集中抄表機(jī)制中根據(jù)臺(tái)區(qū)電表檔案和所需抄讀的數(shù)據(jù)項(xiàng)，每小時(shí)啟動(dòng)一輪抄讀，按順序?qū)⑺钄?shù)據(jù)項(xiàng)抄回存儲(chǔ)，失敗的數(shù)據(jù)項(xiàng)和電表在約定的時(shí)間段內(nèi)反復(fù)補(bǔ)抄。平均傳輸時(shí)延是評(píng)價(jià)抄表性能的一個(gè)重要指標(biāo)，平均延時(shí)較低說明在很短時(shí)間內(nèi)完成了抄表任務(wù)?；貧w分析方法是一種常用的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)方法，廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用中[9?10]。本文提出一種對(duì)抄表平均延時(shí)的預(yù)測(cè)方法，采用多元回歸的方法對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)未來一段時(shí)間內(nèi)的抄表平均延時(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè)，為不同廠家的寬帶電力線載波方案評(píng)估、優(yōu)化提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也為系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)維、故障感知提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

1 傳輸延時(shí)預(yù)測(cè)方法

基于寬帶載波通信技術(shù)的集中抄表系統(tǒng)，其性能本質(zhì)上取決于信道質(zhì)量。國(guó)內(nèi)電網(wǎng)信道在阻抗、衰減和噪聲等方面均具有特殊性，不同產(chǎn)商的集抄系統(tǒng)針對(duì)其中一種或多種因素進(jìn)行優(yōu)化，因此各類產(chǎn)品的外在性能存在差異。然而對(duì)用戶而言，很難從信道層面精確評(píng)價(jià)各類產(chǎn)品的抄表性能，平均傳輸延時(shí)是度量抄表性能的一項(xiàng)重要的外在指標(biāo)。在集中抄表系統(tǒng)中，某輪抄表時(shí)段的平均傳輸延時(shí)等于抄表實(shí)際耗費(fèi)時(shí)間與抄讀成功的電表數(shù)量的比值，即抄表時(shí)間越短、抄讀成功電表越多則平均傳輸延時(shí)越小。在基于寬帶載波通信的集中抄表過程中，每個(gè)集中器負(fù)責(zé)多個(gè)電表數(shù)據(jù)的抄讀。不同的產(chǎn)品將電表從邏輯上組成不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示，而且這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在抄表過程中會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)生變化。抄表過程中第一級(jí)電表直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到集中器，而第二級(jí)電表需要通過第一級(jí)電表中繼才能將數(shù)據(jù)發(fā)送到集中器，第N級(jí)的電表需要經(jīng)過N次中繼才能抄表完成。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膶蛹?jí)越多，抄表所需時(shí)間越多，因此網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是影響抄表平均延時(shí)的重要因素。通過對(duì)歷史拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息和抄表的平均傳輸延時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)平均傳輸時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)基本一致，第一級(jí)電表數(shù)量越多、層級(jí)越少，平均傳輸時(shí)間越短。而且每一天網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)、平均傳輸時(shí)間的變化趨勢(shì)基本相同。

給定歷史抄表數(shù)據(jù)格式為（ti，ni1，ni2，…，nik，di），其中ti為相對(duì)于系統(tǒng)重置的相對(duì)時(shí)間，ni1，ni2，…，nik表示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械?，2，…，n層電表數(shù)量，di表示平均傳輸延時(shí)。采用多元線性回歸方法，假設(shè)平均傳輸時(shí)間[d=β0+β1n1+β2n2+…βknk+βk+1t+μ]，其中[μ]為誤差變量。設(shè)[β0，β1，…，βk′]為參數(shù)[β0，β1，…，βk′]的估計(jì)值，其中[k′=k+1]，則回歸值[di]與觀測(cè)值di的殘差為：[ei=di-di=di-β0+β1ni1+β2ni2+…+βknik+βk′ti]。

由最小二乘法可知[β0，β1，…，βk′]應(yīng)使殘差ei的平方和最小，即[Q=e2i=di-di2]最小。對(duì)Q依次求[β0，β1，…，βk′]的一階偏導(dǎo)并令其為0，進(jìn)而可以解得[β=X′X-1X′D]，式中：

[β=（β0，β1，…，βk′）][X=1，n11，n12，…，n1k，t11，n21，n22，…，n2k，t2 ? ? ? ? ? ?1，nm1，nm2，…，nmk，tm，X′=1， 1， …， 1n11，n21，…，nm1n12，n22，…，nm2 ? ? ? ?t1， t2，…， tm，D=d1d2 ?dm]

求解得到[β0，β1，…，βk′]后即可進(jìn)行平均傳輸延時(shí)的預(yù)測(cè)。如果在預(yù)測(cè)過程中對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⑽粗?，則可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)推測(cè)出拓?fù)湫畔ⅲ驗(yàn)閷?duì)于同一類產(chǎn)品在每個(gè)測(cè)量周期內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒌淖兓厔?shì)基本相同。當(dāng)前周期內(nèi)ti時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞趈級(jí)電表數(shù)量nij近似為前s個(gè)周期內(nèi)相同時(shí)刻同一級(jí)電表數(shù)量的平均值，即[nij=ni-1，j+ni-2，j+…+ni-s，js]，其中s的值由用戶指定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)選取某臺(tái)區(qū)36個(gè)電表為測(cè)試對(duì)象，每小時(shí)采集1次網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒑推骄鶄鬏敃r(shí)間信息，集中抄表采用寬帶載波通信方式，每天為1個(gè)抄表周期，每個(gè)抄表周期內(nèi)設(shè)備重置1次。以連續(xù)采集的100 h數(shù)據(jù)為測(cè)試數(shù)據(jù)集，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化如圖2所示?？梢钥闯雒刻欤ㄍ粋€(gè)周期內(nèi)）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞谝患?jí)電表數(shù)量的變化趨勢(shì)基本相同，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼?jí)數(shù)并不發(fā)生變化，只是每一級(jí)的電表數(shù)量發(fā)生變化。

對(duì)于抄表平均傳輸延時(shí)的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3所示，圖例中預(yù)測(cè)值1表示已知采樣時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)的預(yù)測(cè)值，而預(yù)測(cè)值2表示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)未知時(shí)，先通過歷史信息推測(cè)得到拓?fù)湫畔⒃龠M(jìn)行平均傳輸延時(shí)的預(yù)測(cè)結(jié)果?？梢钥闯鰞煞N預(yù)測(cè)結(jié)果的變化趨勢(shì)與實(shí)際觀測(cè)值的變化趨勢(shì)基本一致，表明該預(yù)測(cè)方法是可行的。同時(shí)可以看出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已知時(shí)的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值非常接近，而拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)未知時(shí)的預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值的差異較大，但預(yù)測(cè)值的精度基本在可接受范圍內(nèi)，該結(jié)果也表明了該預(yù)測(cè)方法的有效性。

3 結(jié) 語

基于寬帶載波通信技術(shù)的抄表系統(tǒng)在我國(guó)電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛，但是各個(gè)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)格式不同，用戶很難科學(xué)地比較和評(píng)價(jià)產(chǎn)品的性能。本文提出一種基于寬帶載波技術(shù)的抄表傳輸延時(shí)預(yù)測(cè)方法，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和采樣時(shí)間對(duì)抄表的平均傳輸延時(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè)，有助于科學(xué)的評(píng)價(jià)產(chǎn)品的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

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