电力线通信自动抄表系统中的电能表捕获算法.pdf

电 力线 通信 自动抄 表系 统中 的电能 表捕 获算 法电 力线 通信 自动抄 表系 统中 的电能 表捕 获算 法 基 于 电 力 线 通 信(PLC)的 自 动 抄 表(AMR)应 用 在 我 国 已 有 十 多 年 历 史。近 几年 来，技 术 的 发 展 重 点 从 点 对 点 通 信 能 力 转 向 了 网 络 系 统 能 力，从 而 使 自 动 抄表 产 品 达 到 了 实 用 的 程 度。目 前，自 动 抄 表 技 术 正 处 于 从 小 批 量 应 用 转 向 大 面积 推 广 的 阶 段。在 这 一 阶 段 遇 到 了 一 些 阻 力。例 如 互 联 互 通、模 块 互 换 等 问 题已 经 引 起 了 业 界 的 充 分 注 意，并 在 国 网 公 司 的 协 调 下 制 定 了 初 步 的 可 行 解 决 方案 和 计 划。但 是，还 有 一 些 现 实 的 问 题 未 被 充 分 注 意 和 讨 论，而 这 些 问 题 有 可能 成 为 抄 表 系 统 大 批 量 应 用 的 瓶 颈。本 文 着 重 讨 论 配 电 台 区 与 电 能 表 的 管 辖 关系 问 题，它 涉 及 到 系 统 初 始 的 施 工 量 和 日 常 的 维 护 量。1 1 典 型 的典 型 的 PLCAMRPLCAMR 体 系体 系 典 型 的 PLCAMR 体 系 由 三 级 系 统 构 成：主 站、集 中 器 和 电 能 表 终 端。主 站负 责 管 理 全 局 的 集 中 器 与 电 能 表 信 息，可 通 过 光 纤、GPRS、公 话 网 或 其 他 方 式与 集 中 器 通 信；集 中 器 一 般 每 个 配 电 台 区 安 装 一 个，管 理 所 在 台 区 的 全 部 电 能表，其 日 常 工 作 是 通 过 电 力 线 通 信 采 集 各 电 能 表 数 据；电 能 表 负 责 计 量 用 电 户的 各 类 用 电 量。当 前 的 集 中 器 虽 然 不 同 程 度 地 具 备 了 自 学 习 路 由 知 识 和 自 组 网 络 的 能 力，但 还 不 能 基 于 纯 零 知 识 开 始 工 作。只 有 在 了 解 了 要 管 辖 的 电 能 表 编 号 及 其 计 量项 目 后 才 能 工 作，这 就 要 求 电 力 营 销 部 门 理 清 配 电 台 区 的 用 电 户 档 案，尤 其 是电 能 表 编 号，通 过 主 站 将 这 些 资 料 下 发 到 台 区 集 中 器，才 能 启 动 自 动 抄 表。同样，在 抄 表 系 统 运 行 过 程 中，当 台 区 内 发 生 更 换 电 能 表、新 增 用 电 户 或 者 台 区之 间 发 生 线 路 切 换 等 业 务 时，必 须 及 时 正 确 地 维 护 集 中 器 中 的 用 户 资 料。由 于电 力 公 司 通 常 是 按 照 面 向 人 工 抄 表 的 习 惯 划 分 组 织 用 户 资 料(例 如 按 街 道 顺 序组 织)，理 清 配 电 台 区 与 用 电 户 的 关 系 往 往 需 要 耗 费 很 大 的 人 力。所 以 经 常 因 为台 区 集 中 器 装 入 了 错 误 的 表 号 而 导 致 费 时 费 力 的 现 场 排 查 工 作，尤 其 对 于 用 电历 史 长 的 老 城 区，理 清 电 能 表 与 台 区 的 关 系 极 其 困 难，成 为 普 及 自 动 抄 表 技 术的 关 键 瓶 颈。解 决 上 述 问 题 的 本 质 在 于 系 统 能 够 从 零 知 识 开 始 工 作。所 谓 零 知 识 是 指 初始 时 主 站 只 知 道 有 哪 些 配 电 台 区 和 集 中 器，但 是 并 不 清 楚 哪 些 电 能 表 属 于 哪 个台 区 的 集 中 器；集 中 器 仅 知 道 自 己 的 编 号(ID)，但 不 知 道 有 哪 些，有 多 少 电 能表 隶 属 自 己；电 能 表 仅 知 道 自 己 的 编 号(还 有 自 己 的 计 量 项 目)，但 不 知 管 辖 自己 的 集 中 器 是 谁。在 上 述 条 件 下，要 求 集 中 器 能 够 自 动 获 取 所 在 台 区 已 经 安 装 的 全 部 电 能 表表 号（及 其 可 抄 读 数 据 项）。在 对 等 网 络 中 这 一 要 求 较 容 易 满 足，因 为 对 等 网络 的 任 意 节 点 都 可 以 主 动 地 启 动 通 信 业 务，只 要 配 以 载 波 冲 突 检 测 和 随 机 回 避等 待 机 制 即 可 完 成 主 动 注 册 任 务。但 目 前 国 家 电 网 关 于 自 动 抄 表 的 通 信 协 议 都是 主 从 结 构 的，电 能 表 作 为 通 信 节 点 只 有 被 动 应 答 的 能 力，不 能 主 动 发 起 通 信任 务 1-4。为 了 适 应 主 从 体 系 结 构，本 文 设 计 了 专 门 的 电 能 表 捕 获 算 法。该 算法 的 优 点 在 于 不 需 要 额 外 的 空 间 资 源，线 性 时 间，倘 若 台 区 内 有 n 个 电 能 表，算 法 可 在 O(n)次 报 文 跳 转 时 间 内 完 成 搜 索 任 务。2 2 表 号 捕 获 算 法表 号 捕 获 算 法 假 设 电 能 表 编 号 的 区 间 为 a，b(实 际 应 用 中 a=0，b=1012，或 者 说 是 6 B的 BCD 码)。表 号 捕 获 算 法 的 核 心 思 想 比 较 简 单，有 2 点：(1)对 于 给 定 的 表 号 区 间 I=a，b，利 用 报 文 冲 突 判 断 出 3 种 情 况：在 区间 I 中 恰 有 1 只 电 能 表；在 区 间 I 中 无 电 能 表；在 区 间 I 中 存 在 多 只 电 能 表。(2)利 用 二 分 搜 索 技 术 快 速 缩 减 查 找 空 间。以 下 分 4 个 子 节 描 述 基 于 上 述 思 想 的 表 号 捕 获 算 法。为 了 简 明 本 文 略 去 实现 细 节。在 以 后 的 叙 述 中，集 中 器 和 电 能 表 统 称 为 节 点。2.1 2.1 判 定 给 定 区 间 的 邻 居 分 布 情 况判 定 给 定 区 间 的 邻 居 分 布 情 况 首 先 定 义 一 种 查 询 报 文 Q=IDsource，a，b。其 中 IDsource 为 报 文 源 节点(发 出 者)的 编 号，IDmin a b IDmax。报 文 Q 向 编 号 在 区 间 a，b内 的 节点 发 出 查 询 请 求，凡 是 编 号 在 此 区 间 的 节 点(即 编 号 IDme 满 足 a IDme b 的 节点)收 到 该 报 文 后 立 即 回 应 一 个 报 文 R=IDme，r，报 出 自 己 的 编 号 IDme 和 自己 的 属 性 r。定 义 了 以 上 2 种 报 文，节 点 IDsource 判 定 给 定 区 间 a，b的 邻 居 情 况 的方 法 是 依 靠 区 别 冲 突 信 号 与 背 景 噪 音 的 能 力。这 种 能 力 是 指 当 有 多 个 节 点 同 时发 送 报 文 时，接 收 节 点 虽 然 由 于 报 文 冲 突 不 能 正 确 地 收 到 任 何 一 个 报 文，但 不会 和 无 报 文（线 路 上 只 有 背 景 噪 音）混 为 一 谈，接 收 者 能 够 根 据 冲 突 信 号 与 背景 噪 音 的 特 征 差 异 判 断 出 有 多 个 报 文 同 时 到 达 并 造 成 了 冲 突。正 如 当 多 人 同 时讲 话 时，可 能 听 不 清 楚 任 何 一 个 人 说 的 内 容，但 能 够 断 定 有 多 人 在 讲 话。如 果PLC 的 物 理 层 能 够 将 冲 突 信 号 与 背 景 噪 音 区 分 出 来，则 一 个 节 点 IDsource 就 可以 发 送 报 文 Q=IDsource，a，b，然 后 利 用 载 波 侦 听 判 定 其 周 围 节 点 的 编 号。在 给 定 编 号 区 间 a，b内 的 3 种 分 布 情 况 为：(1)正 确 完 整 地 侦 听 到 一 个 报 文 R=IDme，r：说 明 存 在 编 号 为 IDme 的 节点，且 是 唯 一 的 一 个 编 号 在 a 和 b 之 间 的 节 点。(2)未 能 正 确 地 侦 听 到 任 何 一 个 报 文，并 且 线 路 只 有 背 景 噪 音：说 明 没 有节 点 其 编 号 在 a 和 b 之 间；(3)未 能 正 确 地 侦 听 到 任 何 一 个 报 文，但 是 存 在 冲 突 信 号：说 明 存 在 多 个节 点，其 编 号 在 a 和 b 之 间。然 而，目 前 的 PLC 技 术 还 不 能 提 供 区 分 冲 突 信 号 与 背 景 噪 音 的 能 力，从 而分 辨 不 清 情 况(2)、(3)。目 前 的 低 成 本 技 术 仅 能 做 到 接 收 到 报 文 或 者 接 收 不 到报 文。在 未 收 到 报 文 时，区 分 不 出 是 情 况(2)还 是 情 况(3)。对 于 低 成 本 的 载 波芯 片，实 现 这 一 功 能 目 前 还 是 一 项 极 具 挑 战 性 的 任 务。在 此，本 文 给 出 一 个 方法 可 绕 过 这 一 难 题。该 方 法 利 用 报 文 冲 突 实 现 这 一 功 能，在 收 不 到 报 文 时，利用 报 文 冲 突 进 一 步 区 分 出 是 的 确 没 有 报 文，还 是 由 于 多 个 节 点 同 时 发 送 报 文 造成 了 冲 突。采 用 该 方 法 需 要 付 出 额 外 的 代 价 是：多 一 次 报 文 应 答 过 程；源 节 点需 要 事 先 知 道 一 个 确 实 存 在 的 节 点 IDknown；需 要 定 义 一 种 新 型 的 报 文S=IDsource，IDknown，a，b。S 型 报 文 比 Q 型 报 文 多 了 一 个 已 知 节 点 的 编 号 IDknown，该 报 文 的 功 能 是令 编 号 为 IDknown 的 节 点 或 编 号 处 于 a、b 之 间 的 节 点 收 到 该 S 报 文 后 立 即 回 应R 型 报 文，报 出 自 己 的 编 号 和 属 性。区 分 上 述 3 种 情 况 的 算 法 如 下：算 法 1 WhoIn(a，b)：算 法 说 明：该 算 法 的 输 入 是 两 个 非 负 整 数 a、b，使 得 a，b形 成 节 点 ID区 间;设 运 行 该 算 法 的 节 点 的 ID 为 IDsource，节 点 IDsource 已 知 其 一 个 邻 居节 点 IDknown，算 法 要 求 IDknown 不 属 于 区 间 a，b；该 算 法 判 定 节 点 IDsource有 一 个、还 是 没 有、还 是 有 多 个 邻 居 其 ID 属 于 区 间 a，b；对 应 这 三 种 情 况，算 法 分 别 报 告 唯 一 邻 居 的 ID、或 者 ZERO、或 者 MANY。send out a packet Q=IDsource，a，b wait for a packet R if a packet R=IDme，r arrived then return IDme /*IDme is the unique neighbor ina，b*/else if a=b then return ZERO else send out a packet S=IDsource，IDknown，a，b wait for a packet R if a packet R=IDme，r arrived then return ZERO /*Dme must be IDknown and whose packet has not been collided*/else if no packet received then return MANY/*IDme must have been interfered with some neighbors ina，b*/end if end if 显 然，该 算 法 最 坏 情 况 下 也 能 在 4 次 报 文 跳 转 的 时 间 内 作 出 正 确 判 断。2.22.2 搜 索 编 号 最 小 的 邻 居 节 点搜 索 编 号 最 小 的 邻 居 节 点 使 用 普 通 的 二 分 搜 索 技 术，节 点 IDsource 在 表 号 区 间 a，b上 重 复 地 调用 算 法 WhoIn，可 以 快 速 地 搜 索 出 编 号 最 小 的 邻 居 节 点(若 存 在)。算 法 可 递 归描 述 如 下：算 法 2 MinID(a，b)：算 法 说 明：该 算 法 的 输 入 及 要 求 同 算 法 WhoIn(a，b)；如 果 区 间 a，b有 邻 居节 点，算 法 返 回 其 中 最 小 的 ID，否 则 返 回 ZERO。let result=WhoIn(a，b)if result is a valid ID or result=ZERO then return result let result=MinID(a，(a+b)/2)if result is a valid ID then return result else return MinID(a+b)/2，b)该 算 法 log(b a)次 调 用 算 法 WhoIn，其 总 的 时 间 复 杂 度 不 大 于 4log(ba)次 报 文 跳。2.3 2.3 搜 索 全 部 邻 居 节 点 编 号搜 索 全 部 邻 居 节 点 编 号 有 了 MinID 算 法，节 点 IDsource 通 过 在 表 号 区 间 a，b重 复 地 搜 索 最 小的 未 知 表 号，直 至 获 得 ZERO 值。算 法 如 下：算 法 3 IDsIn(a，b)：result=MinID(a，b)while result ZERO do report result result=MinID(result+1，b)end while 该 算 法 最 多 每 4log(b a)跳 时 间 搜 索 到 一 个 节 点。若 节 点 IDsource 在 区间 a，b上 有 n 个 邻 居 节 点，节 点 IDsource 在 4nlog(b a)跳 时 间 内 可 完 成 捕获 这 n 只 电 能 表 的 任 务。2.4 2.4 集 中 器 捕 获 全 部 电 能 表 节 点集 中 器 捕 获 全 部 电 能 表 节 点 假 设 一 个 台 区 内 存 在 n 个 电 能 表 节 点，由 集 中 器 节 点 直 接 运 行 算 法IDsIn(0，248)，可 在 4nlog(248 0)192n 跳 时 间 内 搜 索 到 全 部 一 跳(直 抄)电 能 表 节 点。然 后 由 集 中 器 通 知 一 跳 表，二 跳 表，。运 行 同 一 算 法，并 将发 现 的 节 点 编 号 上 报 集 中 器，于 是 集 中 器 可 以 继 续 搜 索 到 二 跳 表，三 跳 表，。全 部 过 程 进 行 完 最 多 用 192n2 跳 时 间。为 了 简 单 易 读，上 述 的 2.1 2.4 节 中 只 是 在 思 路 层 叙 述 算 法 设 计，忽 略了 很 多 重 要 的 实 现 细 节。时 间 界 192n2 在 2.4 节 中 估 计 得 很 粗 略。将 一 些 精 细 的 实 现 细 节 纳 入 考 虑后，该 时 间 界 可 下 降。例 如 在 任 何 节 点 执 行 该 算 法 时，如 果 其 他 节 点 记 录 侦 听到 的 节 点，则 时 间 可 降 至 192n 跳。在 青 岛 东 软 公 司 的 一 个 实 验 台 区 运 行 本 文 所 述 算 法，捕 获 全 部 的 620 只 电能 表 需 要 1.5 h。算 法 实 现 细 节 上 可 以 进 一 步 优 化，使 捕 获 效 率 更 高。参 考 文 献参 考 文 献 1 Q/GDW 376.1-2009 电 力 用 户 用 电 信 息 采 集 系 统 通 信 协 议，第 一 部 分：主 站与 采 集 终 端 通 信 协 议.2 Q/GDW 376.2-2009 电 力 用 户 用 电 信 息 采 集 系 统 通 信 协 议，第 二 部 分：集 中器 本 地 通 信 模 块 接 口 协 议.3 DL/T645-2007，多 功 能 电 能 表 通 信 协 议.4 DL/T645-1997，多 功 能 电 能 表 通 信 规 约.