CN109150243A - 一种考虑变电站拓扑结构的中压配网电力线载波通信组网方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑变电站拓扑结构的中压配网电力线载波通信(Power Line Communication，PLC)组网方案，首先按照中压配网拓扑结构建立PLC网络整体架构，每条配电出线对应一个具有中继节点的“主‑从”结构PLC子网；然后确定建立节点间链路的选频过程，利用双向信道特性的不对称性加快选频速度，通过两次频点测试与简单计算完成频点优选，算法中权重系数的调整可灵活控制双向信道质量；最后在母线上装设PLC中心节点，将子网主节点设置于线路中部并完成分层搜索子网组网过程。本发明的有益效果是可减弱变电站拓扑结构对PLC系统带来的不利影响，减少载波系统节点数量，提高PLC网络性能，有利于消除PLC子网并行运行时的信道冲突。

Description

一种考虑变电站拓扑结构的中压配网电力线载波通信组网 方案

技术领域

本发明属于电力线通信技术领域，涉及一种考虑变电站拓扑结构的中压配网电力线载波通信组网方案。

背景技术

随着智能配电网研究的不断深入，大数据分析技术的逐步应用，对配电通信网提出了越来越高的要求。电力线载波通信(Power Line Communication，PLC)技术具有天然的通信信道及应用的灵活便利性，已成为中压配电通信网重要选择，在中压配网配电自动化领域具有很强应用潜力。城市中压配网由变电站10kV或35kV侧母线引出，配电半径通常为数公里，每条母线上接有几条甚至几十条出线，每条出线上跨接多个配变与分支线路，其拓扑结构较输电线路复杂很多。这种电压等级的配网结构造成中压配网PLC自身的特殊性：既不像高压PLC那样允许沿线装设阻波器，使载波信号限定在单根线路上；也不像低压配网PLC那样网络节点密集，单跳通信距离很短。在某变电站进行的PLC装置现场实测表明：变电站拓扑结构(母线所连大量配电出线、站内无功补偿设备等)、通信频点的选择、PLC网架结构的设计等均对中压配网PLC的通信距离、通信速率有较大影响。

变电站中压配电母线引出的多条出线会引起载波信号的分流，其分流作用对PLC单跳通信距离的影响归因于对其信道特性的影响，目前PLC信道特性研究多集中于电压传输特性分析，而载波通信实际传输的是功率信号，采用电压传输特性分析不够准确。对于使用正交频分复用(OFDM，orthogonal frequency division multiplexing)技术的载波装置，子载波频点的选择对通信质量影响很大，现有OFDM子载波频点选择算法由无线通信中的自适应信道认知算法演变而来，并未考虑中压配网PLC信道的特殊性及变电站拓扑结构带来的影响。现有中压PLC组网路由算法由以太网、低压PLC路由算法演变而来，仿真算例也以最大通信距离简单界定节点间能否建立链路，并未考虑中压配网实际信道特性与母线分流作用的影响。

为减弱变电站拓扑结构对中压配网PLC网络的不利影响，本发明提出一种考虑变电站拓扑结构的中压配网电力线载波通信组网方案：1)提出一种使用OFDM技术时建立PLC网络链路的频点选择算法，该算法以功率传输特性分析为基础，利用双向信道的不对称性提高选频速度；2)提出一种与中压配网结构相适的PLC网络架构实现方案，该网络架构减弱了变电站母线分流对PLC子网主节点通信距离的影响，有利于提高PLC网络的实时性与可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑变电站拓扑结构的中压配网电力线载波通信组网方案，解决了现有PLC通信网络由于未考虑变电站母线分流作用影响，导致建立网络链路时选频速度较慢，子网内主节点通信距离较短、从节点中继次数较多，子网间信道冲突剧烈的问题。

本发明所采用的技术方案步骤如下：

步骤1：根据中压配网拓扑结构建立PLC网络整体结构

从母线引出的每条中压配电出线对应一个PLC子网，PLC子网采用“一对多”的主-从结构，以子网主节点为根节点形成树状中继结构网络，所有PLC子网主节点均接入站内配电自动化系统。

步骤2：建立节点间通信链路的选频过程

设OFDM载波芯片允许在0～500kHZ范围内的共M个频点中选择N个作为子载波通道，并且在0～500kHZ内均匀选取N个频点作为默认频点，按以下步骤建立两节点间链路：

1)第一次频点测试。指定靠近母线侧的节点a为选频发起者，在默认频点下与节点b建立初始连接后，依次在M个子载波频点发送等强度信号，节点b记录能够解析出信号的频点(记为频点集f_a→b)及其信号强度。

2)第二次频点测试。节点b将频点集f_a→b及其信号强度通过默认频点发送至节点a，随后节点b在f_a→b的各个频点处发送等强度信号，节点a记录能够解析出信号的频点(记为频点集f_双向)及其信号强度。至此，节点a得到双向可通信频点集f_双向及其双向通信信号强度。若f_双向中频点个数n不少于N个则认为两节点间可建立链路，否则认为两节点间不可建立链路。

3)对于节点a、b间可建立链路的情况，节点a从f_双向中优选N个频点，并通过默认频点告知节点b，频点优选过程完成。

若n＝N则无需优选，设n＞N，依次计算f_双向中各频点处的频点质量q_i：

q_i＝αq_i(a→b)+βq_i(b→a)，i＝1，2…n (1)

式(1)中q_i(a→b)、q_i(b→a)分别为f_双向中第i个频点处a→b的信号强度、b→a的信号强度，α、β为信号强度权重系数，α+β＝1，可根据频点优选是侧重a→b的通信质量(α取值较大)，还是侧重b→a的通信质量(β取值较大)进行灵活调整。

将频点质量q_i由大到小排序，优选出q_i值较大的N个频点，并取这N个频点的平均频点质量作为节点a、b之间的链路质量Q_a→b。

步骤3：确定子网主节点位置。

在变电站中压配电母线上装设PLC中心节点，用于与该母线上所接所有出线的子网主节点相通信。对于每一条配电出线，测试出线主干线路上各PLC节点与中心节点间的通信情况，选择能够与中心节点相通信并且距离中心节点最远的PLC节点作为子网主节点。

步骤4：每个PLC子网在各自的子网主节点控制下进行组网。

采用分层搜索组网算法，按照链路质量优化链路完成子网内组网，按以下步骤进行：

1)子网主节点广播搜索命令，子网内其它节点若能够解析出此信号则回应主节点，主节点收到回应后依次建立与各个节点间的链路，本次搜索到的为第1层节点。

2)在主节点控制下，第1层各节点分别搜索子网内剩余未入网节点，搜索到的节点为第2层节点。

3)若存在某个第2层节点能够与多个第1层节点之间建立链路，则选择链路质量最优的1层节点作为其上级中继。

4)第2层节点继续向下搜索第3层节点并选择链路。以此类推，直至子网内所有节点。

本发明的有益效果是考虑变电站母线分流对PLC系统的影响，指定靠近母线侧为选频发起者，利用双向信道的不对称性加快选频速度；将子网主节点设置在线路中部，减弱了母线分流对子网主节点通信距离的影响。

附图说明

图1是中压配网典型拓扑结构；

图2是节点1、2之间的双向S曲线；

图3是子网主节点位于线路中部时的组网结果；

图4是子网主节点位于线路出口处时的组网结果。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

附图1给出了一个典型的城市变电站10kV侧网络拓扑结构，按照实际线路型号，电缆取为YJV22-70mm²，架空线取为JKLYJ-120mm²。母线上接有出线L₁～L₃₁以及降压变压器10kV侧等效杂散电容C_杂散，并通过电缆L₃₂接入电力补偿电容C_补偿。以出线L₁为研究对象，其主干由电缆(l₁、l₂)-架空(l₃、l₄)-电缆(l₅、l₆)三段线路串联而成，长度分别为1km、3km、1.5km，每段主干线路中部均接有一条电缆分支，分支长度均为0.5km，电缆分支及主干线路末端均接有配变。设定：1)母线右侧L₂～L₃₁的30条出线中架空线、电缆各15条，长度均为3km，末端均接有一台配变；2)电力补偿电容C_补偿容量取2400kVar，通过100m电缆接入母线；3)降压变压器10kV侧等效杂散电容C_杂散＝7530pF；4)所有配变取为恒定阻抗500Ω。5)PLC装置看做恒压源E_s与内阻抗Z_s相串联，Z_s＝50Ω。按照支路追加法建立该网络的PLC信道模型，并考虑各种附加衰耗求解信道传输特性，在信道模型基础上实现本发明步骤的仿真验证。适用于中压配网配电自动化的PLC装置多采用窄带通信，故本文考虑的频带范围为0～500kHZ。

1确定PLC网络整体架构

用于中压配电自动化系统的PLC网络需要与中压配网结构及其控制需求相适应。中压配电自动化数据传输具有集中收集数据、分散发送控制命令的特点，故PLC网络应采用“一对多”的主-从式结构。对于中压配网，从母线引出的各条配电出线一般相对独立，一条线路故障不能影响其他线路工作，这就要求PLC网络需按照配电出线划分子网，一条配电出线对应一个子网，每个子网均为主-从结构网络，子网主节点接入站内配电自动化系统。中压配网信道环境恶劣，PLC单跳通信距离一般不能覆盖整条配电出线，每个PLC子网内部需要中继节点以协助距离主节点较远的从节点接入网络，形成具有多级中继的“主-从”结构PLC子网。对于附图1，母线上接有L₁～L₃₁共31条配电出线，每条配电出线上的PLC节点形成一个“主-从”结构PLC子网，在母线上装设PLC中心节点，用于与各个子网主节点相通信。

2PLC网络的链路建立过程

以型号为SM2200的OFDM载波芯片为例阐述链路建立过程中的频点选择算法。该芯片的通信频带范围为3～500kHZ，每间隔约5kHZ为一个通信频点，共108个可选通信频点，允许选择18个子载波信道。以附图1中节点1、2之间相互通信时的频点选择为例进行说明。1、2节点的初始默认频点均为在3～500kHZ内均匀选取的18个频点。附图1中节点1、2之间的功率传输特性S_1→2、S_2→1附图2，可见除个别频点外，S_1→2比S_2→1低约15dB，即母线分流作用导致双向信道传输特性不对称，PLC信号由靠近母线的节点向远离母线的节点传输时信道特性较差。以功率衰减量代替信号强度，并认为其数值高于-40dB时信号可解析出。

1)第一次频点测试。指定靠近母线侧的节点1为选频发起者，在默认频点下与节点2建立初始连接后，依次在108个子载波频点发送等强度信号，节点2记录能够解析出信号的频点(记为频点集f_1→2)及其信号强度，得到的频点集f_1→2含有51个频点。

2)第二次频点测试。节点2将频点集f_1→2及其信号强度通过默认频点发送至节点1，随后节点2在f_1→2的各个频点处发送等强度信号，节点1记录能够解析出信号的频点(记为频点集f_双向)及其信号强度，得到的频点集f_双向含有50个频点。至此，节点1得到双向可通信频点集f_双向及其双向通信信号强度。由于f_双向中频点个数n＝50，大于18个，故两节点间可建立链路。

3)节点1从f_双向中优选18个频点，并通过默认频点告知节点2，频点优选过程完成。

依次计算f_双向中各频点处的频点质量q_i：

q_i＝αq_i(1→2)+βq_i(2→1)，i＝1，2…n (1)

式(1)中q_i(1→2)、q_i(2→1)分别为f_双向中第i个频点处1→2的信号强度、2→1的信号强度，α、β为信号强度权重系数，α+β＝1，可根据频点优选是侧重1→2的通信质量(α取值较大)，还是侧重2→1的通信质量(β取值较大)进行灵活调整。

将频点质量q_i由大到小排序，优选出q_i值较大的18个频点，并取这18个频点的平均频点质量作为节点1、2之间的链路质量Q_1→2。以权重系数取为α＝0.3、β＝0.7为例，此时Q_1→2＝-16.2。

由于母线分流作用导致S_1→2大致低于S_2→1，故1)中指定靠近母线侧的节点1为选频发起者，可以保证第一次频点测试后，f_1→2中的大部分频点在第二次频点测试中是可通的，第二次仅需测试51个频点。反之，若选择远离母线的节点2作为选频发起者，则选频过程中集合f_2→1、f_双向中频点个数分别为83、40，第一次频点测试后，f_2→1中有大量频点在第二次频点测试时不可通，第二次需测试83个频点，加大了第二次频点测试的工作量，而最终得到的频点优选结果相同。总之，采用本发明的频点选择算法时应以靠近母线一侧节点作为选频发起者，利用双向信道的不对称性加快选频速度。

3子网组网过程

以附图1中出线L₁上PLC子网组网过程为例进行阐述。节点1为装设在母线上的中心节点，需从节点2～10中选择一个作为子网主节点，其余为子网从节点。设向中心节点方向进行数据传输为上行通信，反之为下行通信。对于配电自动化通信网，上行通信主要传输遥信、遥测信息，数据帧较长；下行通信主要传输遥控信息，数据帧较短。在误码率相同的条件下，传输较长数据帧的误帧率较高，故应使上行通信具有较低误码率，仿真中侧重上行通信质量优选频点，上行信号强度权重系数取0.7，下行信号强度权重系数取0.3。依次测试中心节点到各个节点之间的链路建立情况，发现沿出线L₁的主干线路，中心节点1最远能与节点4相通信，故选择节点4作为子网主节点。

以节点4为子网主节点，向下搜索第1层节点，搜索结果如表1。可见经过第1层节点搜索，已经将子网内所有从节点接入网络，组网过程结束，得到的网络结构如附图3。

表1子网主节点位于线路中部时第1层节点搜索结果

4本发明所提组网方案的优势

与子网主节点位于线路出口处的方案相对比，说明上述组网方案的优势。对于附图1中的出线L₁，子网主节点位于线路出口处即为以节点1为子网主节点，节点2～10为从节点进行组网。主节点1进行第1层节点搜索的结果如表2，各第1层节点继续向下搜索，得到的第2层节点及链路质量如表3，表中“-”表示两节点间不能形成链路。第1、2层节点已经包含出线L₁上的所有节点，组网过程结束，得到的网络结构如附图4。附图4与附图1对照，可见主节点1能与距离母线较近的节点2、3、4、8、9直接通信，以节点9为中继实现与较远节点5、6、7、10的通信。子网主节点1最远能与节点9建立链路，二者之间距离l_1-9＝3km。由表3可知，距离母线500m的节点2最远能与节点7通信，通信距离延长至l_2-7＝5km，距离母线更远的节点3、4、8、9已经能与第2层所有节点进行通信，可见远离母线的节点有效通信距离较大。由于子网主节点1距离母线较近，通信距离较短，导致网络层数增加为2层。

表2子网主节点位于线路出口处时第1层节点搜索结果

表3子网主节点位于线路出口处时第2层节点搜索结果

本发明所提的子网主节点位于线路中部的组网方案，与子网主节点位于线路出口处的组网方案相比，具有以下优势：

1)站内母线上装设一个PLC中心节点代替在每条线路出口处均装设子网主节点，共减少了(出线数量-1)个PLC节点。

2)子网主节点通信范围大为增加，大大增加了子网主节点能够直接通信的第1层节点数量。子网第1层节点数量的增加可以减少子网层数，对于提高网络可靠性、降低从节点与主节点之间的通信延时均具有重要意义。

3)有利于各PLC子网的并行运行。PLC通信网为总线结构，一条出线的PLC子网内信号会通过母线分流进入其它出线PLC子网，必须考虑信道冲突对子网并行运行造成的影响。当子网主节点装设于线路中部时，由于子网主节点距离母线较远，其信号功率分流进入其它子网较少，子网间干扰主要为靠近母线的属于不同子网的从节点之间相互干扰。此时由于这些从节点均使用固定的OFDM子载波频点与各自上级中继节点通信，可以采用干扰协调技术，使距离较近的属于不同子网的从节点使用不同子载波频点与各自上级中继节点通信。可见将子网主节点装设于线路中部可较好地解决子网间信道冲突问题。而如果将子网主节点装设于线路出口处，由于各子网主节点采用不同的OFDM子载波频点与子网内各从节点频繁通信，很难保证各个子网主节点之间不会信道冲突，而子网主节点在子网内地位最为重要，PLC网络的可靠性难以保证。

本发明的优点还在于：给出的OFDM频点选择算法以靠近母线一侧节点作为选频发起者，利用变电站母线分流导致的双向信道不对称性加快选频速度，通过两次频点测试并经过简单计算优选子载波频点，调整算法中的权重系数可灵活控制双向通信信道质量。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种考虑变电站拓扑结构的中压配网电力线载波通信组网方案，其特征在于按照以下步骤进行：

步骤1：根据中压配网拓扑结构建立PLC网络整体结构

从母线引出的每条中压配网出线对应一个PLC子网，PLC子网采用“一对多”的主-从结构，以主节点为根节点形成树状中继结构网络，所有PLC子网主节点均接入站内配电自动化系统；

步骤2：建立节点间通信链路的选频过程

设OFDM载波芯片允许在0～500kHZ范围内的共M个频点中选择N个作为子载波通道，并且在0～500kHZ内均匀选取N个频点作为默认频点，通过两次频点测试完成选频；

步骤3：确定子网主节点位置

对于每一条配电出线，选择线路中部的一个PLC节点作为子网主节点；

步骤4：每个PLC子网在各自的子网主节点控制下进行组网

采用分层搜索组网算法，按照链路质量优化链路完成子网内组网。

2.按照权利要求1所述一种考虑变电站拓扑结构的中压配网电力线载波通信组网方案，其特征在于：所述步骤2中，以靠近母线一侧节点作为选频发起者，利用母线分流导致的双向信道不对称性加快选频速度。

3.按照权利要求1所述一种考虑变电站拓扑结构的中压配网电力线载波通信组网方案，其特征在于：所述步骤2中，通过两次频点测试完成选频的方法如下：

1)第一次频点测试；设节点a、b之间建立链路，节点a为选频发起者；在默认频点下与节点b建立初始连接后，依次在M个子载波频点发送等强度信号，节点b记录能够解析出信号的频点(记为频点集f_a→b)及其信号强度；

2)第二次频点测试；节点b将频点集f_a→b及其信号强度通过默认频点发送至节点a，随后节点b在f_a→b的各个频点处发送等强度信号，节点a记录能够解析出信号的频点(记为频点集f_双向)及其信号强度，若f_双向中频点个数n不少于N个则认为两节点间可建立链路，否则认为两节点间不可建立链路；

3)对于节点a、b间可建立链路的情况，节点a从f_双向中优选N个频点，并通过默认频点告知节点b，频点优选过程完成；

若n＝N则无需优选，若n＞N，依次计算f_双向中各频点处的频点质量q_i：

q_i＝αq_i(a→b)+βq_i(b→a)，i＝1，2…n (1)

式(1)中q_i(a→b)、q_i(b→a)分别为f_双向中第i个频点处a→b的信号强度、b→a的信号强度，α、β为信号强度权重系数，α+β＝1，可根据频点优选是侧重a→b的通信质量(a取值较大)，还是侧重b→a的通信质量(β取值较大)进行灵活调整；

将频点质量q_i由大到小排序，优选出q_i值较大的N个频点，并取这N个频点的平均频点质量作为节点a、b之间的链路质量Q_a→b。

4.按照权利要求1所述一种考虑变电站拓扑结构的中压配网电力线载波通信组网方案，其特征在于：所述步骤3中，在变电站中压配电母线上装设PLC中心节点，用于与该母线上所接所有出线的子网主节点相通信；对于每一条配电出线，测试出线主干线路上各PLC节点与中心节点间的通信情况，选择能够与中心节点相通信并且距离中心节点最远的PLC节点作为子网主节点。