CN112910775B - 基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信方法和系统，所述方法包括：将电力物联网通信网络中的各个通信节点连接建立最小生成树；将各个通信节点的数据发送至相邻的融合节点进行数据融合；各个融合节点的融合数据经最小生成树的最优路径输送至主节点进行远程发送。本发明具有降低通信数据量、提高资源利用率和提高通信速率等优点。

Description

基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信方法和系统

技术领域

本发明主要涉及光伏发电技术领域，特指一种基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信方法、系统、介质及设备。

背景技术

近年来，随着光伏发电技术的逐渐完善和成本的显著降低，越来越多的分布式光伏发电系统被投入到生产生活之中。由于数据采集与监视控制系统SCADA(SupervisoryControl And Data Acquisition)要对光伏系统中各个节点的电气量进行采集进而对设备的运行情况进行实时监测，分析其是否能够正常出力，以及是否出现故障。而这些数据就需要通过一定的通讯方式上传到主站，如果在此过程中数据量较大而导致出现较长的通信延时，将无法实时监控其运行情况，所以良好的通信系统在整个光伏发电系统中扮演着非常重要的角色。

由于电力线载波通信技术是利用现有的电力传输网，具有建设成本低、部署快速灵活等特点，因此被广泛用于光伏发电系统的本地通信中。电力线载波通信中每个载波模块为一个通信节点，首先将本地采集信息通过电力线数据汇聚到主节点集中器，然后通过远程通信上送至主站。在实际系统中，各传感器节点采集不同实时信息，如光伏单元的有功和无功出力、瞬时电压和电流，以及用户侧电能质量谐波信息等，现有算法未考虑融合节点数目和[t0,t]时间段内产生数据包个数，具有一定局限性，异构的原始数据是否能被完全压缩成一个数据包需要根据实际数据情况而定。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种降低通信数据量、提高通信速率的基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信方法、系统、介质及设备。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信方法，包括步骤：

将电力物联网通信网络中的各个通信节点连接建立最小生成树；

将各个通信节点的数据发送至相邻的融合节点进行数据融合；

各个融合节点的融合数据经最小生成树的最优路径输送至主节点进行远程发送。

作为上述技术方案的进一步改进，所述融合节点收集各通信节点处的数据信息后，在本地通过拆包以及和包操作后将核心信息进行数据融合。

作为上述技术方案的进一步改进，所述通信网络G＝(V,E,W)，T＝(V,E’)为G的一个支撑树，令

w(T)表示T的权；G中权最小生成树就是使w(T)最小的生成树；其中V＝M∪{s}是m+1个通信节点的集合，s为主节点。

作为上述技术方案的进一步改进，所述最小生成树生成的步骤为：

1)设v为V的任一顶点，令So＝{v}，

k＝0；

2)若S_K＝V，结束，以S_K为顶点集，E_K为边集的图即是G的最小生成树；否则执行步骤3)；

3)构造[S_K，S']，若

则G不连通，停止；否则，设/>

e_k＝v_kv’_k，v_k∈S_k，令S_k+1＝S_k∪{v’_k}，E_k+1＝E_k∪{e_k}，置k＝k+1，执行步骤2)。

本发明还公开了一种基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信系统，包括

第一模块，用于将电力物联网通信网络中的各个通信节点连接建立最小生成树；

第二模块，用于将各个通信节点的数据发送至相邻的融合节点进行数据融合；

第三模块，用于钭各个融合节点的融合数据经最小生成树的最优路径输送至主节点进行远程发送。

本发明进一步公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信方法的步骤。

本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信方法的步骤。

本发明进一步公开了上述基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信方法在泛在电力物联网系统中的应用。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信方法及系统，将每个通信节点的数据按照融合机制融合至融合节点处，融合节点根据建立的最小生成树的最优路径传送至主节点处，然后主节点通过远程通信方式传给主站，实现了主站对各个通信节点的信息采集并且有效降低了电力线载波通信的数据量。

(2)本发明针对包含有不同通信节点数目的光伏网络，相对于无数据融合传输方法在三相连接和单相连接两种情况下的数据传输量进行对比，本发明采用的数据融合算法具有数据压缩的性能；本发明将数据融合的概念引入到电力线载波通信中能够有效的降低每个节点单独上传到主节点时的通信量，提高资源利用率，进而提高通信速率。

附图说明

图1为本发明的方法在实施例的流程图。

图2为本发明泛在工业传感器网络信息融合模型图。

图3为本发明融合节点处的帧格式。

图4为本发明的最小生成树。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本实施例公开了一种基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信方法，用于泛在电力物联网系统，具体包括步骤：

将电力物联网通信网络中的各个通信节点连接建立最小生成树；

将各个通信节点的数据发送至相邻的融合节点进行数据融合；

各个融合节点的融合数据经最小生成树的最优路径输送至主节点进行远程发送。

本发明的基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信方法，将每个通信节点的数据按照融合机制融合至融合节点处，融合节点根据建立的最小生成树的最优路径传送至主节点处，然后主节点通过远程通信方式传给主站，实现了主站对各个通信节点的信息采集并且有效降低了电力线载波通信的数据量，提高资源利用率，进而提高通信速率。

具体地，通过改进传统信息融合模型，建立更一般的信息融合模型如图2所示；

经过“泛传感器节点”进行信息融合输出数据包的个数与输入数据包个数映射关系为：

式中c为过顶传输数据，根据融合类型(有损融合和无损融合)不同取值，也包括必要报文头和校验；(x_i-c_i)为输入数据包的信息段长度；m_i为数据压缩率，m_i的取值由需要融合数据的熵(Entropy)值确定。因信息融合并不增加每个输入数据包负荷，通常情况下m_i≤1。此处“泛传感器节点”可为单个节点或为某节点簇。

定义：当信号源的概念扩展为一组随机事件的集合——信息源，则信息熵就可以描述该随机事件集合的某种不确定性。

凡是导致随机时间集合的确定性，组织性，法则性或有序性等增加或减少的活动过程，都能够用信息熵的改变量来度量。

则依照该数据融合模型，电力线载波通信在融合节点处输出的总字节长度为：

其中n为融合节点所关联的采集节点个数，x_i为每个独立节点的数据和地址所占的总字节数，s为融合节点数据和地址所占的总字节数，a为数据帧固定格式所占的字节数，一般情况下a＝7。

在写数据时若所占用的字节数满足式(3)则可以将n个节点的数据和地址融合到融合节点处进行数据融合传输：

例如，当所要上传的独立节点数据和地址字节数为x_i个字节时，则可以融合n个载波模块的数据。

数据融合模型在融合节点处收集下属所有节点的数据信息，并在本地通过拆包/和包操作将核心信息融合。每个独立节点的数据融合到融合节点处进行集中传输，而每个独立节点要有自己的地址域和数据域，其中地址域占6个字节，而数据域所占的字节数取决于所采集的信息类型一般为4个字节，如图3所示，示出了融合节点处传输的数据帧格式。

对数据融合效率分析：假设监测光伏区域包含100个采集节点，需要采集各光伏板的正向有功总电能的数据，若每个节点单独将数据传到主节点，整个通信系统传输的数据量为1600个字节。应用上述提出的数据融合方法进行传输时，每个独立节点的数据和地址共占10个字节，一个融合节点最多能融合就近的4个下属子节点，因此系统中有20个融合节点将融合数据传到主节点处，故整个通信系统要上传的数据量最小值为1100字节，数据量较未使用融合方法相比最大降低到原来的68.75％。

本实施例中，由上节数据融合模型可知，有效的树状网络逻辑结构是保证数据融合效率的关键因素，故设计了面向数据融合的最小生成树路由算法：

对包含m个通信节点的电力线载波网络，可表示为有向图G(V,E)，其中V＝M∪{s}是m+1个节点的集合，s为根节点，即集中器，每个通信节点都需要与根节点根据通信链路建立连接，而各个节点与根节点之间有多条传输路径，找到根节点与网络拓扑中每个节点的最短有效路径，将降低电力线载波通信传输过程中高频信号的衰减，提升传输成功率。因此该问题数据建模即为建立m个通信节点到根节点s的最小生成树。给定网络G＝(V,E,W)，设T＝(V,E’)为G的一个支撑树，令

表示T的权.G中权最小生成树就是使w(T)最小的生成树，如图4所示。

上述算法的具体步骤为：

Stepl：设v为V的任一顶点，令So＝{v}，

k＝0；

Step2：若S_K＝V，结束，以S_K为顶点集，E_K为边集的图即是G的最小生成树；否则执行Step3；

Step3：构造[S_K，S']，若

则G不连通，停止；否则，设

e_k＝v_kv’_k，v_k∈S_k，令S_k+1＝S_k∪{v’_k}，E_k+1＝E_k∪{e_k}，置k＝k+1，执行Step2。

由上述数据融合在通信网传输模型可知，当网络建立最小生成树，则能够实现网络中各节点向主节点传输，并在每个融合节点上实现一次数据融合。在电力线载波通信传送信息的过程中，由于主站所采集的光伏数据先被调制到高频载波中，而高频信号的衰减程度与导线的距离有关，因此在构造最小生成树时，取两个通信节点间的距离作为各条边的权值，通过上述步骤将通信网络中的各个通信节点，连接起来建立一个最小生成树，然后各个节点的光伏数据将以最大程度融合到相邻的融合节点处，最后各个融合节点将根据最小生成树建立的最优路径传输到主节点，该数据传输方式能够有效降低网络中的数据量。

本发明针对包含有不同通信节点数目的光伏网络，相对于无数据融合传输方法在三相连接和单相连接两种情况下的数据传输量进行对比，本发明采用的数据融合算法具有数据压缩的性能；本发明将数据融合的概念引入到电力线载波通信中能够有效的降低每个节点单独上传到主节点时的通信量，提高资源利用率，进而提高通信速率；本发明通过将通信网络中的各个通信节点，连接起来建立一个最小生成树，然后各个节点的光伏数据将以最大程度融合到相邻的融合节点处，最后各个融合节点将根据最小生成树建立的最优路径传输到主节点，有效降低网络中的数据量。

本发明还相应公开了一种基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信系统，其特征在于，包括：

第一模块，用于将电力物联网通信网络中的各个通信节点连接建立最小生成树；

第二模块，用于将各个通信节点的数据发送至相邻的融合节点进行数据融合；

第三模块，用于将各个融合节点的融合数据经最小生成树的最优路径输送至主节点进行远程发送。

本发明实施例还公开了一种计算机可读储存介质，其上储存有计算机程序，计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信方法的步骤。同时，本发明实施例还公开了一种计算机设备，包括处理器和存储器，存储器上存储有计算机程序，计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信方法的步骤。本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现各种功能。存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(FlashCard)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其它易失性固态存储器件等。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信方法，其特征在于，包括步骤：

将电力物联网通信网络中的各个通信节点连接建立最小生成树；

将各个通信节点的数据发送至相邻的融合节点进行数据融合；

各个融合节点的融合数据经最小生成树的最优路径输送至主节点进行远程发送；

具体地，通过改进传统信息融合模型，建立新的信息融合模型：

经过“泛传感器节点”进行信息融合输出数据包的个数与输入数据包个数映射关系为：

式中c为过顶传输数据，根据融合类型不同取值，也包括必要报文头和校验；(x_i-c_i)为输入数据包的信息段长度；m_i为数据压缩率；此处“泛传感器节点”为单个节点或为某节点簇；

当信号源的概念扩展为一组随机事件的集合时，则融合数据的信息熵描述该随机事件集合的某种不确定性；凡是导致随机事件集合的确定性，组织性，法则性或有序性增加或减少的活动过程，都能够用信息熵的改变量来度量；

则依照该新的信息融合模型，电力线载波通信在融合节点处输出的总字节长度为：

其中n为融合节点所关联的采集节点个数，x_i为每个独立节点的数据和地址所占的总字节数，s为融合节点数据和地址所占的总字节数，a为数据帧固定格式所占的字节数；

在写数据时若所占用的字节数满足式(3)则将n个节点的数据和地址融合到融合节点处进行数据融合传输：

所述融合节点收集各通信节点处的数据信息后，在本地通过拆包以及和包操作后将核心信息进行数据融合。

2.根据权利要求1所述的基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信方法，其特征在于，电力线载波通信网络G＝(V,E,W)，T＝(V,E’)为G的一个支撑树，令

w(T)表示T的权；G中权最小生成树就是使w(T)最小的生成树；其中V＝M∪{s}是m+1个通信节点的集合，s为主节点。

3.根据权利要求2所述的基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信方法，其特征在于，所述最小生成树生成的步骤为：

1)设v为V的任一顶点，令So＝{v}，

k＝0；

2)若S_K＝V，结束，以S_K为顶点集，E_K为边集的图即是G的最小生成树；否则执行步骤3)；

3)构造[S_K，S']，若

则G不连通，停止；否则，设

e_k＝v_kv’_k，v_k∈S_k，令S_k+1＝S_k∪{v’_k}，E_k+1＝E_k∪{e_k}，置k＝k+1，执行步骤2)。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信方法，其特征在于，用于泛在电力物联网系统中的应用。

5.一种基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信系统，用于执行如权利要求1或2或3所述的基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信方法，其特征在于，包括

第一模块，用于将电力物联网通信网络中的各个通信节点连接建立最小生成树；

第二模块，用于将各个通信节点的数据发送至相邻的融合节点进行数据融合；

第三模块，用于将各个融合节点的融合数据经最小生成树的最优路径输送至主节点进行远程发送。

6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如权利要求1-3中任意一项所述的基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信方法的步骤。

7.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如权利要求1-3中任意一项所述的基于数据融合和最小生成树的电力线载波通信方法的步骤。

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