CN108401041B - 一种面向电力信息采集系统的双模异构网络组网通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种面向电力信息采集系统的双模异构网络组网通信方法，属于用电信息采集技术领域。该方法包括以下步骤：S1：结合电力采集设备分布特点以及微功率无线和电力载波信号衰减的差异，构建面向微功率无线和电力载波的双树网络；S2：设备节点评估电力载波和微功率无线信道的通信性能，并后序遍历路由转发树实现信道选取和路由寻址；S3：集中器节点根据构建的双树网络采集电力数据。本发明方法通过档案更新机制和重发机制保障集中器以较高的成功率实现电力数据采集。本发明提出的双模异构组网通信方法能够合理的构建双模异构抄表网络，并显著提高电力数据采集成功率，为进一步实现电力数据跨网络传输提供了一定的参考。

Description

一种面向电力信息采集系统的双模异构网络组网通信方法
技术领域
本发明属于电信息采集技术领域，涉及一种面向电力信息采集系统的双模异构网络组网通信方法。
背景技术
随着电网的改造与升级，电力数据跨网络传输、通信方式多模化成为当前电力信息采集发展的趋势。目前主流的电力采集通信技术有：电力线载波组网通信技术、微功率无线组网通信技术、485总线技术等，其中电力线载波和微功率无线是两种应用最为广泛的通信技术。但是在用电信息采集系统中单纯采用电力线载波或者微功率无线技术组网通信，电力数据采集的成功率都难以突破。微功率无线和电力线载波在应用过程中都存在一些优缺点，而且优缺点有一定的互补性。鉴于此，发展将电力线载波和微功率无线融的双模通信技术，并将其应用于用电信息采集系统中对于提高电力数据采集水平有重要意义。
用电信息采集系统中的电力采集设备为智能电表，在实际现场应用中电表分布具有如下特点：多个电表通常处于同一电表表箱内，不同的电表表箱间距离远且有障碍物阻挡。针对电表分布特点，双模异构网络构建过程中要能体现电表这种分布特点。鉴于电力设备多是树干式的接入电力网络，双模异构网络组网方案设计时应该结合电力设备接入特点进行设计。我国用电环境复杂，电力线杂波干扰大，微功率无线和电力线载波信号衰减有明显的差异：微功率无线主要受建筑物、距离以及天气影响，天气虽然影响电表的无线信号，但是天气覆盖范围大，天气变化，则较大范围内各电表节点无线信号都变化，各电表节点无线信号差异是静态的；电力载波信号主要受距离和电力线负载影响，各电表电力线负载是变化的，导致各电表节点载波信号差异是变化的。双模异构抄表网络应结合电力载波和微功率无线信号衰减差异去构建。用电信息采集系统中的电表要遵守相关的通信协议，如DL/T645等，同厂家电表序列号不同，不同厂家的电表厂商代码不同，电表序列号与厂商代码这两组数据能够标识电表自身信息，是唯一的，因此电表地址配置是可根据这两组数据构建IPv6地址。自适应的选取中继电表节点对于提高双模异构网络的构建水平至关重要，目的普通采用人工指定的方法，有一定的人为干扰。鉴于以上分析，结合电表分布特点以及电力载波和微功率无线信号差异，亟待提出一种合理的用电信息采集双模异构组网通信方法。
经过对现有文献检索发现，中国专利申请号为：201510496645.3，名称为：一种基于低压电力线和微功率无线的双模异构通信系统，该专利提出了一种基于低压电力线和微功率无线的双模异构通信系统并建立了一种双通道通信网络以实现全网络的双通道多任务的双模通信，对于设备地址分配策略，网络路由算法等方面并未有相关涉及。中国专利申请号为：201410076180.1，名称为：无线用电信息采集自组网的组网方法，该方法实现了网络中节点上电后快速组建大型树形用电采集网络，并且结合相应调频技术有效解决了网络局部干扰问题。中国专利申请号为：201610009552.8，该专利公开了一种基于双模通信的用电信息采集系统及其方法，包括远端主站，通过各种有线或无线通信信道实现对系统电力用户用电信息的采集和管理，避免了单独采用微功率无线或电力线发生故障时而产生的通信问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种面向电力信息采集系统的双模异构网络组网通信方法，本发明结合电力采集设备分布特点以及电力载波和微功率无线信号衰减差异构建了一种面向电力载波和微功率无线的双树网络，同时后序遍历双树网络以及信道评估方法进行信道选取与路由寻址，并通过档案更新以及重发策略保证数据高可靠性的传输。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种面向电力信息采集系统的双模异构网络组网通信方法，包括以下步骤：
S1：根据电力采集设备分布特点以及微功率无线和电力载波信号衰减的特点，构建面向微功率无线和电力载波的双树网络；
S2：根据设备节点评估电力载波和微功率无线信道的通信性能，并后序遍历无线和载波路由转发树，根据后序遍历结果结合信道评估结果进行路由寻址和信道选取；
S3：集中器节点根据构建的双树网络采集电力数据。
进一步，步骤S1具体包括以下步骤：
S11：设备节点上电后，集中器节点由上位机主站下发GDW/376.1帧配置自身IPv6地址，电表节点通过DL/T645帧获取电表自身序列号和厂商代码直接生成标识自身的EUI-64地址，待电表节点入网后，通过NS协议获取IPv6网络前缀生成IPv6地址；
S12：各电表节点完成EUI-64地址配置后，经一随机延时后，广播EUI-64地址配置完成帧；
若电表节点接收到EUI-64地址配置完成帧且该帧源节点的无线接收信号强度与无线初始发射功率对应的无线信号强度在误差范围内；
则该电表节点为普通电表节点并标记该帧的源节点，该电表节点不在广播EUI-64地址完成帧；
否则电表节点为中继电表节点，广播EUI-64地址完成帧；
S13：集中器节点完成IPv6地址配置后，初始化双模通信模块并建立无线和载波PAN网络，广播无线组网信标帧和载波组网信标帧；
S14：中继电表节点接收到组网信标帧后，根据跳数和接收信号强度两路由度量选取父节点，中继电表节点如果接收到无线组网信标帧，则执行步骤S15，如果接收到载波组网信标帧，则执行步骤S16；
S15：中继电表节点评估待入网络的无线通信性能时，两路由度量中接收信号强度比跳数权重大，中继电表节点加入无线通信性能高的待入网络；
S16：中继电表节点评估待入网络的载波通信性能时，两路由度量中跳数比接收信号强度权重大，中继电表节点加入载波通信性能高的待入网络；
S17：普通电表节点接收到组网信标帧后，判断该组网信标帧是否来自同表箱中继电表节；
若是，则直接选取同表箱中继电表节点为无线父节点和载波父节点；
若不是，则忽略该组网信标帧；
S18：集中器节点或中继电表节点定期广播组网信标帧更新双树网络，未入网的节点，一段时间后向周围广播路由请求帧，邻居节点接收到路由请求帧，向其相应通信类型单播组网信标帧。
进一步，步骤S2具体包括：
S21：双树网络构建完成后，保持设备节点建立无线接收信号强度表和载波接收信号强度变，存储当前设备节点与子节点、父节点的最新接收信号强度值，设备节点通过信号强度变化率指标评估无线信道和载波信道的通信性能；
S22：判断设备节点接收到报文帧：
若该报文帧目的地址为当前设备节点，则接收并处理；若报文帧目的地址不为当前节点，且报文帧上行传输，则设备节点的父节点为报文传输下一跳；
若设备节点存在无线父节点和载波父节点，设备节点选取信号强度变化率较小的转发信道，并根据选定信道类型匹配对应的父节点；
若设备节点仅存在无线父节点或载波父节点，则设备节点直接选取下一跳并根据下一跳类型匹配转发信道；
若报文帧目的地址不为当前节点，且报文帧下行传输，执行步骤S23；
S23：设备节点首先后序遍历路由转发树计算转发报文的下一跳节点，设备节点在路由转发树中遍历一电表节点并判定该电表节点是否为目的节点：
若该电表节点是目的节点，设备节点继续后序遍历一电表节点并判断该电表节点是否为当前设备节点的子节点，若该节点是当前设备节点的子节点，遍历结束，该节点为设备节点报文传输的下一跳节点，否则设备节点继续后序遍历路由转发树直到节点为当前设备节点；
若设备节点后序遍历至当前节点，遍历结束，则目的节点不在路由转发树中，设备节点在该路由转发树中不存在传输报文的下一跳节点；
S24：若设备节点存在无线下一跳和载波下一跳，设备节点计算信号强度变化率评估无线和载波信道通信性能，并选取信号强度变化率低的信道作为转发信道，并根据选定信道类型匹配对应的下一跳节点；
若设备节点仅存在无线下一跳或载波下一跳，则设备节点直接选取下一跳并根据下一跳类型匹配转发信道。
进一步，步骤S3具体包括：
S31：集中器本地双模通信模块完成网络构建后，与集中器进行交互，在交互完成后，集中器下发GDW/376.2下行抄表帧，抄读网络中电表数据；
S32：集中器本地双模通信模块接收到下行抄表帧后，缓存该下行抄表帧并检测是否接收到相应电表的上行抄表帧，若一段时间后，未接收到抄读电表节点的上行抄表帧，集中器双模通信模块重发缓存中的下行抄表帧，直到缓存中下一条下行抄表帧覆盖上一条抄表帧或缓存中的下行抄表帧重发三次。
进一步，步骤S31中抄读网络中电表数据具体包括：
S311：集中器本地双模通信模块检测自身路由表中的电表档案与主站下发的抄表档案是否一致，如果不一致，则表明存在电表节点未加入网络，集中器本地双模通信模块标记未入网电表节点，并向集中器发送从节点删除指令，更新集中器抄表档案，且集中器不再下发未入网电表节点的抄表指令；
S312：待标记的电表节入网后，集中器本地双模通信模块向集中器节点发送添加从节点命令，更新抄表档案，集中器下发对应电表节点的抄表指令。
本发明的有益效果在于：本发明方法在构建双树网络过程中充分考虑电力采集设备的分布特点以及电力载波和微功率无线信号衰减差异；设备节点通过信号强度变化率指标评估信道以及后序遍历路由转发树实现高效路由选取；档案更新机制和重发机制保障集中器以较高的成功率实现电力数据采集。本发明提出的双模异构组网通信方法能够合理的构建双模异构抄表网络，并显著提高电力数据采集成功率，为进一步实现电力数据跨网络传输提供了一定的参考。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为面向电力载波和微功率无线的用电信息采集系统；
图2为中继电表节点选取流程图；
图3为组网信标帧帧格式；
图4为后序遍历路由转发树流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为一种面向电力载波和微功率无线的用电信息采集系统，如图所示，所述系统包括主站、集中器、智能电表以及双模通信模块构成。鉴于多个智能电表共存于同一表箱表箱内，不同电表表箱间距离较远，且通常由障碍物的特点，以及电力载波和微功率无线信号衰减的差异，构建了面向电力载波和微功率无线的双树网络。下面将对网络构建过程进行详细阐述。
网络设备地址分配策略：
集中器节点IPV6地址由系统主站负责下发GDW/376.1帧配置。各电表节点上电后，通过DL/T645帧获取6字节电表序列号和2字节厂商代码，直接生成EUI-64地址。待电表节点入网后，通过NS协议获取64位IPv6网络前缀，通过IPv6无状况地址分配策略生成IPv6地址。
中继电表节点选取策略：
如图2所示，各电表节点完成EUI-64地址配置后，经一随机延时后，通过无线信道广播EUI-64地址完成帧。同表箱内部各电表距离近且无障碍物，表箱内各电表节点发的无线接收信号强度等于无线初始信号强度(无线模块发射功率对应的信号强度)，不同表箱内各电表距离远且有障碍物阻挡，无线接收信号强度有一定的衰减。若电表节点在延时过程中接收到EUI-64地址完成帧，若源节点的无线接收信号强度等于无线初始信号强度，则电表节点设置为普通电表模式，延时达到后，该电表节点禁止广播EUI-64地址完成帧；若源节点的无线接收信号强度有明显的衰减，该帧来自不同表箱的电表，电表节点忽略此种情况；若延时到达后，电表节点广播EUI-64地址完成帧，则电表节点设置为中继模式。
双树网络构建过程：
集中器初始化网络。集中器获取IPv6地址后，初始化双模通信模块，建立无线PAN网络和载波PAN网络，并通过无线和载波信道广播无线组网信标帧和载波组网信标帧，组网信标帧帧格式如图3所示。
在图3所示，电表节点的组网信标帧的源地址为6字节电表序列号，集中器节点源地址为0xFFFFFFFFFFFF，设备节点广播组网信标帧时，目的地址为NULL，单播组网信标帧时，目的地址为对应的设备节点。D为节点跳数，C为控制域，DIR＝000，广播类型，DIR＝111，单播类型，CM＝000，无线类型，CM＝111，载波类型。
电表节点加入网络：
(1)普通电表加入网络。普通电表需加入同表箱中继电表节点所在的网络，普通电表节点接收到组网信标帧后，因选取中继电表节点时，普通电表已记忆同表箱中继电表节点，普通电表节点判断该组网信标帧是否来自同表箱中继电表节点，若该帧来自同表箱中继电表节点，则表明同表箱的中继电表节点已加入集中器建立的网络，普通电表节点立刻选取同表箱中继电表节点为无线父节点和载波父节点。
(2)中继电表节点加入网络。由于电表表箱间障碍物主要影响无线信号强度，而中继是提高电力载波通信距离以及可靠性的有力手段，基于以上两点，在中继电表节点加入网络时，中继电表节点的无线和载波信道采用不同的入网策略：中继电表采用跳数和接收信号强度两个路由度量构建路由判据，但是侧重点不同；无线受建筑物影响大，无线接收信号强度比跳数更能够体现外界环境变化，电力载波信号受电力线负载影响，负载是动态变化的，载波信号并不能很好的体现差异，而中继又是中继是提高电力载波通信距离以及可靠性的有力手段，因此载波更侧重于跳数。中继电表节点通过跳数和接收信号强度评估网络性能，中继电表节点通过公式(1)为载波信道选取父节点加入网络，通过公式(2)为无线信道选取父节点加入网络。
σ＝βD+(1-β)rssi,β＞0.5 (1)
σ＝βD+(1-β)rssi,β＜0.5 (2)
双树网络维护。双树网络维护包括主动维护和被动维护两部分内容。主动维护是指集中器节点定期广播无线组网信标帧和载波组网信标帧更新无线和载波网络，各中继电表节点转发该组网信标帧。被动维护是指集中器节点或中继电表节点单播组网信标帧更新目的节点的路由信息。
信道评估策略：
由于电力载波和微功率无线的发射功率不同，接收信号强度值并不能直接拿来做比较，因此本发明采用接收信号强度变化率这一指标评估信号衰减程度。信号强度变化率由公式(3)计算。其中RSSI为初始信号强度，rssi为接收信号强度。
Figure BDA0001602096640000071
各设备节点建立无线和载波接收信号强度邻居表，并及时更新各邻居节点的接收信号强度值。设备节点转发报文时，才开始评估信道，设备节点首先确定报文传输的下一跳节点，并在双树网络中查询当前节点与下一跳节点间的通信类型，确定当前节点与下一跳节点能够采用几种通信方式传输数据，通常由三种可能：当前节点与下一跳节点间无线相连，当前节点与下一跳节点间载波相连，当前节点与下一跳节点间无线和载波都相连。若当前节点与下一跳节点间仅无线相连或者载波相连，则当前节点不需计算信号强度变化率，信道评估结果为相连的信道。若当前节点与下一跳节点间无线和载波相连，则节点计算信号强度变化率评估各信道通信性能，信道评估结果为信号强度变化率低的信道。
混合路由控制策略：
普通电表节点计算路由和选取转发信道。普通电表节点接收到报文帧，则直接接收并处理；普通节点发出报文帧，则同表箱内中继电表节点为传输报文的无线下一跳和载波下一跳。普通电表节点直接评估无线和载波信道的通信性能，选中信号强度变化率低的信道，实现信道选取和路由寻址。
中继电表节点计算路由和选取转发信道。中继电表节点接收到的报文帧，若目的地址为当前节点，接收并处理，若不为当前节点，解析报文帧确定报文传输方向。若报文上行传输，则报文下一跳为中继电表节点的父节点，由于中继电表节点的无线父节点和载波父节点可能不为同一节点，因此，中继电表节点计算信号强度变化评估无线和载波信道的通信性能，选中转发信道，并根据转发信道匹配相应的父节点。若报文下行传输，则中继电表节点首先后序遍历无线路由转发树和载波路由转发树确定转发报文的无线下一跳和载波下一跳。
以中继电表节点后序遍历无线路由转发树为例，中继电表节点在无线路由转发树中后序遍历一电表节点并判断该电表节点是否为目的节点，如果该电表节点是目的节点，则中继电表节点继续后序遍历一电表节点并判断该电表节点是否为当前节点的孩子节点，若是当前节点的孩子节点，则该电表节点为当前节点传输报文的无线下一跳节点，遍历结束，若不是当前节点的孩子节点，中继电表节点继续后序遍历一电表节点；如果该电表节点不是目的节点，则中继电表节点继续后序遍历一电表节点直到遍历至当前节点，遍历结束。同理，中继电表节点遍历载波路由转发树。中继电表节点后序遍历路由转发树具体流程如图4所示。中继电表节点遍历路由转发树计算传输报文下一跳，若存在无线下一跳和载波下一跳，中继电表节点评估无线和载波信道的通信性能，选取转发信道并匹配相应下一跳节点；若仅存在无线下一跳或者载波下一跳，中继电表节点直接选取下一跳并匹配转发信道。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种面向电力信息采集系统的双模异构网络组网通信方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：根据电力采集设备分布特点以及微功率无线和电力载波信号衰减的特点，构建面向微功率无线和电力载波的双树网络；具体包括以下步骤：
S11：设备节点上电后，集中器节点由上位机主站下发GDW/376.1帧配置自身IPv6地址，电表节点通过DL/T645帧获取电表自身序列号和厂商代码直接生成标识自身的EUI-64地址，待电表节点入网后，通过NS协议获取IPv6网络前缀生成IPv6地址；
S12：各电表节点完成EUI-64地址配置后，经一随机延时后，广播EUI-64地址配置完成帧；
若电表节点接收到EUI-64地址配置完成帧且该帧源节点的无线接收信号强度与无线初始发射功率对应的无线信号强度在误差范围内；
则该电表节点为普通电表节点并标记该帧的源节点，该电表节点不再广播EUI-64地址完成帧；
否则电表节点为中继电表节点，广播EUI-64地址完成帧；
S13：集中器节点完成IPv6地址配置后，初始化双模通信模块并建立无线和载波PAN网络，广播无线组网信标帧和载波组网信标帧；
S14：中继电表节点接收到组网信标帧后，根据跳数和接收信号强度两路由度量选取父节点，中继电表节点如果接收到无线组网信标帧，则执行步骤S15，如果接收到载波组网信标帧，则执行步骤S16；
S15：中继电表节点评估待入网络的无线通信性能时，两路由度量中接收信号强度比跳数权重大，中继电表节点加入无线通信性能高的待入网络；
S16：中继电表节点评估待入网络的载波通信性能时，两路由度量中跳数比接收信号强度权重大，中继电表节点加入载波通信性能高的待入网络；
S17：普通电表节点接收到组网信标帧后，判断该组网信标帧是否来自同表箱中继电表节；
若是，则直接选取同表箱中继电表节点为无线父节点和载波父节点；
若不是，则忽略该组网信标帧；
S18：集中器节点或中继电表节点定期广播组网信标帧更新双树网络，未入网的节点，一段时间后向周围广播路由请求帧，邻居节点接收到路由请求帧，向其相应通信类型单播组网信标帧；
S2：根据设备节点评估电力载波和微功率无线信道的通信性能，并后序遍历无线和载波路由转发树，根据后序遍历结果结合信道评估结果进行路由寻址和信道选取；
S3：集中器节点根据构建的双树网络采集电力数据。
2.根据权利要求1所述的一种面向电力信息采集系统的双模异构网络组网通信方法，其特征在于：步骤S2具体包括：
S21：双树网络构建完成后，保持设备节点建立无线接收信号强度表和载波接收信号强度表 ，存储当前设备节点与子节点、父节点的最新接收信号强度值，设备节点通过信号强度变化率指标评估无线信道和载波信道的通信性能；
S22：判断设备节点接收到报文帧：
若该报文帧目的地址为当前设备节点，则接收并处理；若报文帧目的地址不为当前设备 节点，且报文帧上行传输，则设备节点的父节点为报文传输下一跳；
若设备节点存在无线父节点和载波父节点，设备节点选取信号强度变化率较小的转发信道，并根据选定信道类型匹配对应的父节点；
若设备节点仅存在无线父节点或载波父节点，则设备节点直接选取下一跳并根据下一跳类型匹配转发信道；
若报文帧目的地址不为当前设备 节点，且报文帧下行传输，执行步骤S23；
S23：设备节点首先后序遍历路由转发树计算转发报文的下一跳节点，设备节点在路由转发树中遍历一电表节点并判定该电表节点是否为目的节点：
若该电表节点是目的节点，设备节点继续后序遍历一电表节点并判断该电表节点是否为当前设备节点的子节点，若该节点是当前设备节点的子节点，遍历结束，该节点为设备节点报文传输的下一跳节点，否则设备节点继续后序遍历路由转发树直到节点为当前设备节点；
若设备节点后序遍历至当前设备 节点，遍历结束，则目的节点不在路由转发树中，设备节点在该路由转发树中不存在传输报文的下一跳节点；
S24：若设备节点存在无线下一跳和载波下一跳，设备节点计算信号强度变化率评估无线和载波信道通信性能，并选取信号强度变化率低的信道作为转发信道，并根据选定信道类型匹配对应的下一跳节点；
若设备节点仅存在无线下一跳或载波下一跳，则设备节点直接选取下一跳并根据下一跳类型匹配转发信道。
3.根据权利要求2所述的一种面向电力信息采集系统的双模异构网络组网通信方法，其特征在于：步骤S3具体包括：
S31：集中器本地双模通信模块完成网络构建后，与集中器进行交互，在交互完成后，集中器下发GDW/376.2下行抄表帧，抄读网络中电表数据；
S32：集中器本地双模通信模块接收到下行抄表帧后，缓存该下行抄表帧并检测是否接收到相应电表的上行抄表帧，若一段时间后，未接收到抄读电表节点的上行抄表帧，集中器本地 双模通信模块重发缓存中的下行抄表帧，直到缓存中下一条下行抄表帧覆盖上一条抄表帧或缓存中的下行抄表帧重发三次。
4.根据权利要求3所述的一种面向电力信息采集系统的双模异构网络组网通信方法，其特征在于：步骤S31中抄读网络中电表数据具体包括：
S311：集中器本地双模通信模块检测自身路由表中的电表档案与主站下发的抄表档案是否一致，如果不一致，则表明存在电表节点未加入网络，集中器本地双模通信模块标记未入网电表节点，并向集中器发送从节点删除指令，更新集中器抄表档案，且集中器不再下发未入网电表节点的抄表指令；
S312：待标记的电表节点入网后，集中器本地双模通信模块向集中器节点发送添加从节点命令，更新抄表档案，集中器下发对应电表节点的抄表指令。
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