CN114979829B - 划分csma时隙的低功耗抄表方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集中器向CCO周期性的发送抄表指令，属于电力用户信息采集领域，CCO在接收到抄表指令之后进行子CSMA时隙任务划分，并以广播的形式下发至代理节点PCO；PCO在接收抄表命令后进行时隙规划并转发至STA，直至最高层级PCO完成转发；PCO、STA在收到抄表任务后，主动读取电表信息，根据划分的子CSMA时隙进行周期性的上报抄表响应，之后STA进入休眠状态再次等待唤醒；然后由PCO汇集自身和子节点的报文再上传，进而进入休眠状态，最终CCO完成每个节点数据的完整性检验及连续性的检查，并对缺漏的数据进行补点，再等待下一次集中器下发的抄表指令。

Description

划分CSMA时隙的低功耗抄表方法
技术领域
本发明属于电力用户信息采集领域，涉及一种划分CSMA时隙的低功耗抄表方法。
背景技术
用户用电信息采集系统是对电力用户的用电信息进行采集、处理和实时监控的系统，可实现计量异地监测、电能质量监测、用电分析和管理、相关信息发布、分布式能源管理、智能用电设备的信息交互等功能，为提高工作效率，为“量价费损、电网改造”等提供基础数据与依据。
用户用电信息采集系统分为主站层、通信信道层、设备采集层三个层。其中设备采集层负责收集用户用电信息、处理数据并实现和主站的交互。参见图1中的(a)和(b)，智能电网用电信息采集系统通常为树状结构(如图1中的(a)所示)或网状结构(如图1中的(b)所示)，包括一个集中器，多个电能表和通信模块，通信模块分别设置在集中器和各电能表中作为节点，构成用电信息采集系统通信网络。集中器中设置的通信模块为通信网络的中央协调器(简称CCO)，在用电信息收集过程中负责启动抄表业务，发送抄表条目，接收用电信息数据并发送给集中器。各电能表中设置的通信模块根据在网络中的角色分为通信网络的代理协调器(简称PCO)和站点(简称STA)，在用电信息收集过程中负责接收或转发CCO的抄表命令，目的站点将数据发送至电能表，STA从其对应的电能表获取该电能表的用电信息并发送给CCO。
如图1中的(a)和(b)所示，用电信息采集系统通信网络中包括一个CCO和多个STA，STA和CCO之间通过预先设定的路由来进行通信，对于一个具体的STA，其到CCO的路由中的上一级节点即为该STA的PCO，一个PCO下可以有多个STA，最上级的，即第一层STA直接和CCO通信，无需经PCO转发。由于网络拓扑结构的变化，PCO和STA的角色可以互相转换。
用电信息采集系统通信网络使用了基于信标帧的信道访问机制，CCO周期性地发送信标帧，信标帧中包含了CCO分配的信标周期内的信标时隙，TDMA时隙，CSMA时隙，绑定CSMA时隙等时隙的规划信息。用户用电信息采集系统通信网络中的所有子节点必须遵循CCO分配的时隙，进行信道访问。
一般的，信标时隙和TDMA时隙等明确分配给CCO、PCO或者具体的STA使用的时隙，统称为非竞争时隙(TDMA时隙)；CSMA时隙和绑定CSMA时隙等未指明使用者的时隙，需要由有需求的STA竞争使用的时隙，统称为竞争时隙(CSMA时隙)。在多个用户用电信息采集系统通信网络并存并且相互干扰的时候，CCO之间需要进行时隙协调。信标周期的时隙划分如图2所示。
并且根据低压电力线宽带载波通信技术规范提供的数据链路层功能可以看出，MAC子层主要通过CSMA/CA和TDMA两种信道访问机制竞争物理信道，实现数据报文的传输。CSMA/CA传输效率和冲突概率存在很大关系。如果CSMA/CA冲突概率加大将导致不能进行正常数据传输。
在实际现实工程中，例如低压电力线宽带载波通信技术进行电力抄表应用，虽然单独低压电力线宽带载波通信模块功能正常，但是经常出现一些站点STA点电表抄表速度慢，或是抄表成功概率低。由于现在的用户用电信息采集系统由于现在的用户用电信息采集系统发生了采集规模增大、采集数据类型增多、实时性要求更高及应用场景更多等改变，且在电力系统的运行过程中，数据的实时监测是非常重要的，任何一项数据的异常都很容易影响电力交易的公平性和安全性，进而影响到用户感受到的供电服务质量，这些都对用户用电信息的采集速率和采集成功率有了更高的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种对全网电力用户用电信息分时分级上报的方法，通过对信标的CSMA时隙的分级划分，降低网络拥塞，提高抄表效率，降低系统功耗。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种对全网电力用户用电信息分时分级上报的方法，集中器向CCO周期性的发送抄表指令，CCO在接收到抄表指令之后进行子CSMA时隙任务划分，并以广播的形式下发至代理节点PCO；PCO在接收抄表命令后进行规划并转发至STA，直至最高层级PCO完成转发；PCO、STA在收到抄表任务后，主动读取电表信息，根据划分的子CSMA时隙进行周期性的上报抄表响应，之后STA进入休眠状态再次等待唤醒；然后由PCO汇集自身和子节点的报文再上传，进而进入休眠状态，最终CCO完成每个节点数据的完整性检验及连续性的检查，并对缺漏的数据进行补点，再等待下一次集中器下发的抄表指令。
进一步，本方法具体包括以下步骤：
S1：集中器向CCO周期性的发送抄表指令，CCO收到集中器的抄表指令帧后进行解析，根据上报成功标志位判断是否在划分的子CSMA时隙完成所规划的任务，CCO根据其直连节点及其孩子总个数规划各节点上报的子CSMA时隙次序，并添加到抄表命令报文中；其中，第一层节点若为PCO，根据下方的子节点来划分上报次序，若PCO有相同子节点数则按照节点终端设备分配的子时隙序列号从小到大的次序分别在对应的子CSMA时隙上报；
S2：PCO收到CCO的抄表命令帧并代理广播：第一层STA和PCO在接收到超标帧后，由第一层PCO进行转发，第一层PCO转发的代理报文，第二层PCO收到后，继续进行转发，直至最高层级PCO接收并转发；PCO只接收并转发上一级直连节点的代理广播帧，若收到的并非是上一级直连节点的广播帧，丢弃此帧；PCO接收到抄表命令之后，解析抄表报文，根据报文中上级节点规划的子CSMA时隙计算自己的上报时间；PCO根据其直连节点及其孩子个数规划各节点上报子时隙序列号，并添加到抄表命令报文中以代理广播的方式转发出去；转发完成后，PCO根据抄表任务预先对自己下接的电能表进行相应用电信息数据项的采集并存储；
S3：STA收到抄表命令并进行预读取：STA只接收上一级直连节点的代理广播帧，若收到的并非是上一级直连节点的广播帧，丢弃此帧；STA接收到抄表报文后，解析抄表报文，根据报文中上级节点规划的子CSMA时隙计算自己出的上报时间；抄表命令中的数据部分即为STA需要向电能表发送的抄表报文；在规划周期内，STA预先构造抄表命令从其对应的电能表采集所述抄表条目指定的用电信息的各数据项并存储；STA可缓存数轮抄表响应，若缓存数据个数超出最大允许缓存个数，抛去最早的数据，释放相应的内存用于缓存新数据；PCO在完成转发之后同样需要进行预读取的操作，并等待自己的上报子CSMA时隙周期；
S4：STA上报抄表响应：收到规划好的上报子CSMA时隙时，STA从预读取缓存区中取出抄表响应并构造响应报文上传给上级节点；STA收到确认帧后释放缓存队列的内存，用以存储新数据；STA只在自己的子CSMA时隙上传抄表响应，收到确认帧后，释放本次数据，否则不释放本次数据，等待重传；
S5：PCO汇集抄表响应并上报：PCO汇集下级全部STA的响应报文后，从自己的预读取缓存对列中取出自己的抄表响应，封装成一个或多个报文；PCO对其所有直属STA上传的抄表响应报文进行确认；当上报时间到，PCO将收集的报文上传至上一级节点，收到确认帧后，释放缓存队列的内存，用以存储新数据；
S6：CCO收集抄表响应并上报：CCO完成每个节点数据完整性，连续性的检查，对缺漏的数据进行补点；CCO收到一轮数据后，统一用一个报文对所有节点进行确认，确认报文中的关键信息包括当前全网已经采集抄表业务报文子时隙序列号，有缺漏报文的节点地址，缺漏报文的子时隙序列号。
进一步，集中器与CCO之间的通信遵循集中器本地通信模块接口协议Q/GDW1376.2-2013；STA与电能表采用DL/T645报文进行通信；节点之间的通信遵循低压电力线高速载波通信互联互通技术规范。
进一步，CCO收到集中器的1376.2抄表命令帧后由AF层断帧并解析，将需要抄读的数据项及相关信息传到APS层，由APS层构造应用层通用报文及填写MAC头，由MAC层填写MPDU头并封装成SOF帧进行空口传输，其中需要借助NWK层对节点信息进行补充，包括节点的TEI、节点角色、节点层级、路由信息及其下级节点的分布情况，最终由PHY层发送出去；CCO收到来自集中器的抄表响应SOF帧时，MAC层将接收到的报文解析，并将去掉MPDU头的MAC帧传给APS层，由APS进一步断帧并解析，将去掉MAC头的响应数据部分及其相关信息传给AF层，AF层根据协议构造出1376.2帧回复给集中器。
进一步，PCO负责转发和汇集报文，PCO收到来自CCO的抄表命令后，解析出自己所位于的子CSMA时隙中的时间段次序，并为下级节点安排位于的子CSMA时隙时间段上报次序，添加至报文中并代理转发；PCO收到抄表响应后，按照安排的子CSMA时隙依次地汇集所属所有节点及其自身的报文并在自身的子CSMA时隙中发送给上级节点。
进一步，STA收到来自CCO或PCO的抄表命令SOF帧时，MAC层将接收到的报文解析，传给APS层，由APS断帧并进一步解析，将需要抄读的数据项传给AF层，AF层根据协议构造645帧发送给电能表，直到抄读完所有数据项并存储起来在对应的子CSMA时隙上报给CCO或PCO。
进一步，对PCO采用子CSMA时隙确认重传机制以及保留CSMA时隙重传机制：
STA上报抄表响应前先将报文添加至重传列表，PCO收到抄表响应后立即发送确认帧，STA收到确认帧后，释放重传列表并处于休眠状态；
PCO汇集所有节点的响应后会将其添加至重传列表，CCO收到PCO的数据后回复确认帧，同时PCO收到确认帧后，释放重传列表并处于休眠状态；
所述子CSMA时隙确认重传机制为：PCO在当前子CSMA时隙中发送的确认帧中包含未接收成功的节点信息；节点根据确认帧中是否带有自己的信息判断是否需要重新在当前子CSMA时隙重传或在保留CSMA时隙安排重传还是释放重传列表；
PCO上行业务在MAC层采用重传机制，若在规定时间内没有收到确认帧则触发重传；如果连续在规划的子CSMA时隙三次重传失败，则触发保留CSMA时隙重传机制，再次传输。
若当前划分的CSMA时隙中的保留CSMA时隙已无剩余，则上报PCO安排下一个保留CSMA时隙，然后休眠并等待到下一个CSMA时隙中的保留CSMA时隙等待重新传输。
进一步，采用划分CSMA时隙用于节点的上报抄表响应，子CSMA时隙根据节点数量和业务量动态划分。
本发明的有益效果在于：
第一：目前电力用户用电信息采集的方法多为点对点的轮询抄表，集中器依次给电能表发送需要抄读的数据项，电能表将收集的指定数据项上传给集中器，这样周而复始的串行进行，直到需要采集的所有电表都被轮询一遍，再进入到下一轮的采集。这种采集方式一次只能抄读到一个电表，通信次数多，帧头开销大，效率低且抄表周期长，且随着台区内电表数量的增加及采集数据项的增加，抄表的时间会越长。本发明则提供了一种基于划分CSMA时隙任务的低功耗抄表方法，集中器只需要下发一次任务，各节点按规划的子CSMA时隙周期地自动上报业务，减少了下行报文数量。
第二：用电信息采集系统主要由主站、通信信道、本地通信系统等部分组成，本地通信系统由集中器、采集器、智能电表组成，采集过程中的通信设备有集中器，采集器，电能表等，这些设备在数据转发的过程中的时间开销与信道竞争也不容小觑，随着电表数量和采集数据项的增加，采集过程中不必要的时间开销将会增大同时竞争会更加激烈。本发明提出在接收到抄表任务后，节点会预先划分读取相应数据项并存储的CSMA时隙，若当前子CSMA时隙可上报则立马上报，否则等待下一个当上报时间到，直接从存储链表中取出响应，发送给上级节点，随即进入休眠状态等待下一次任务。减少了STA与电能表之间由于设备原因带来的不必要的时间开销与信道竞争。
第三：目前的重传机制采用的是子CSMA时隙确认重传机制以及保留CSMA时隙重传机制。子CSMA时隙重传机制用于在当前时隙确认是否成功上报数据给上级节点，且以发送确认报文的形式表达。保留CSMA时隙重传机制用于保障业务的上报成功率，在解析出需要重传时将暂时休眠并等待重传时间。本发明采用是立马确认机制，在数据采集成功之后，下级站点即刻进入休眠状态，上级站点等到全部数据采集完毕并收到来之上级的确认报文后也进入休眠状态，减少了信道的竞争，降低了功耗。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1中(a)为树状网络结构，(b)为网状网络结构；
图2时隙划分示意图；
图3为周期性发送抄表指令图；
图4为集中器下发的抄表命令帧格式图；
图5为代理广播帧格式图；
图6为业务帧格式图；
图7为抄表上行帧格式图；
图8为CCO上报抄表响应帧格式图
图9为站点分布拓扑图；
图10为子CSMA时隙划分图；
图11为确认重传机制流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
一种对全网电力用户用电信息分时分级上报的方法，集中器向CCO周期性的发送抄表指令，CCO在接收到抄表指令之后对指令进行下一步的划分，并以广播的形式下发至代理节点，并由代理节点转发至各个STA。PCO在接收抄表命令后进行进一步的规划并转发，直至最高层级PCO完成转发，以确保全网站点都能接收到抄表命令。PCO、STA在收到抄表任务后，会主动读取电表信息，根据划分的子CSMA时隙进行周期性的上报抄表响应，之后STA进入休眠状态再次等待唤醒。然后由PCO汇集自身和子节点的报文再上传，进而进入休眠状态，最终CCO完成每个节点数据的完整性检验及连续性的检查，并对缺漏的数据进行补点，再等待下一次集中器下发的抄表指令。
从集中器下发采集命令到电能表之间的通信称为下行通信，从电能表回复抄表响应到集中器之间的通信成为上行通信。集中器向CCO周期性的发送抄表指令如图3所示，对于下发的数据报文，只有一次下行，对于PCO、STA的上行报文可以为多次，并且不同的PCO节点能并发上报数据。
从集中器下发抄表指令到接收抄表响应整个过程包含三种节点CCO、PCO和STA，这三个节点可分为CCO收到抄表命令进行子CSMA时隙任务划分并发出、PCO收到抄表命令并转发、STA收到抄表命令并发出、STA收到在自己的子CSMA时隙抄表响应并上报、PCO收到在自己的子CSMA时隙抄表响应并转发、CCO收到在自己的子CSMA时隙抄表响应并上报。
其中，集中器与CCO之间的通信遵循集中器本地通信模块接口协议Q/GDW1376.2-2013，其帧格式为：起始字符、长度L、控制域C、用户数据域、校验和、结束字符。
STA与电能表采用DL/T645报文进行通信，DL/T645帧格式为：帧起始符1(68H)、地址域(MAC地址)、帧起始符2(68H)、控制码C、数据域长度L、数据域DATA、校验码CS、结束符(16H)。
节点之间的通信遵循低压电力线高速载波通信互联互通技术规范，其帧格式包括MPDU头、MAC头和具体应用层报文，应用层报文需遵循通用报文结构，包括报文端口号、报文ID、报文控制字和应用层具体业务报文。
为了实现不同协议的互通需要完成协议间的转换。
CCO收到集中器的1376.2抄表命令帧后由AF层断帧并解析，将需要抄读的数据项及相关信息传到APS层，由APS层构造应用层通用报文及填写MAC头，由MAC层填写MPDU头并封装成SOF帧进行空口传输，其中需要借助NWK层对节点信息进行补充，如节点的TEI(Terminal Equipment Identifier)、节点角色、节点层级、路由信息及其下级节点的分布情况，最终由PHY层发送出去。
CCO收到来自集中器的抄表响应SOF帧时，MAC层将接收到的报文解析，并将去掉MPDU头的MAC帧传给APS层，由APS进一步断帧并解析，将去掉MAC头的响应数据部分及其相关信息传给AF层，AF层根据协议构造出1376.2帧回复给集中器。
PCO负责转发和汇集报文，PCO收到来自CCO的抄表命令后，解析出自己所位于的子CSMA时隙中的时间段次序，并为下级节点安排位于的子CSMA时隙时间段上报次序，添加至报文中并代理转发。PCO收到抄表响应后，按照安排的子CSMA时隙依次地汇集所属所有节点及其自身的报文并在自身的子CSMA时隙中发送给上级节点。
STA收到来自CCO或PCO的抄表命令SOF帧时，MAC层将接收到的报文解析，传给APS层，由APS断帧并进一步解析，将需要抄读的数据项传给AF层，AF层根据协议构造645帧发送给电能表，直到抄读完所有数据项并存储起来在对应的子CSMA时隙上报给CCO或PCO。
为了保证抄表成功率，本发明针对PCO采用子CSMA时隙确认重传机制以及保留CSMA时隙重传机制。
STA上报抄表响应前先将报文添加至重传列表，PCO收到抄表响应后立即发送确认帧，STA收到确认帧后，释放重传列表并处于休眠状态。
PCO汇集所有节点的响应后会将其添加至重传列表，CCO收到PCO的数据后回复确认帧，同时PCO收到确认帧后，释放重传列表并处于休眠状态。
其中，子CSMA时隙确认机制即PCO在当前子CSMA时隙中发送的确认帧中包含未接收成功的节点信息。节点根据确认帧中是否带有自己的信息判断是需要重新在当前子CSMA时隙重传或在保留CSMA时隙安排重传还是释放重传列表。
若当前划分的CSMA时隙中的保留CSMA时隙已无剩余，则上报PCO安排下一个保留CSMA时隙，然后休眠并等待到下一个CSMA时隙中的保留CSMA时隙等待重新传输。
为了保证数据能在子CSMA时隙收集完，本发明采用划分CSMA时隙用于节点的上报抄表响应，子CSMA时隙可以根据节点数量和业务量动态划分。
下面将根据抄表数据上行及下行的传输过程描述本发明的抄表流程。
第一：CCO收到集中器的抄表命令并代理广播：
CCO收到集中器的抄表指令帧，此帧为基于周期性任务规划的抄表指令帧，内容主要包含：抄表内容，子时隙序列号，子时隙长度，保留CSMA时隙等。
CCO收到集中器的抄表命令帧后，解析此帧，根据上报成功标志位判断是否在划分的子CSMA时隙完成所规划的任务。
CCO根据其直连节点及其孩子总个数规划各节点上报的子CSMA时隙次序，并添加到抄表命令报文中。
其中，第一层节点若为PCO，根据下方的子节点来划分上报次序按照子CSMA时若PCO有相同子节点数则按照节点终端设备分配的子时隙序列号从小到大的次序分别在对应的子CSMA时隙上报。
CCO以代理广播的方式发送出去。
第二：PCO收到CCO的抄表命令帧并代理广播：
第一层STA和PCO在接收后，由第一层PCO进行转发。第一层PCO转发的代理报文，第二层PCO收到后，继续进行转发，直至最高层级PCO接收并转发，达到全网站点都能接收处理的目的。
PCO只接收并转发上一级直连节点的代理广播帧，若收到的并非是上一级直连节点的广播帧，丢弃此帧。
其中，PCO接收到抄表命令之后，解析抄表报文，根据报文中上级节点规划的子CSMA时隙计算自己的上报时间。
PCO根据其直连节点及其孩子个数规划各节点上报子时隙序列号，并添加到抄表命令报文中以代理广播的方式转发出去。
转发完成后，PCO需要根据抄表任务预先对自己下接的电能表进行相应用电信息数据项的采集并存储。
第三：STA收到抄表命令并进行预读取：
STA只接收上一级直连节点的代理广播帧，若收到的并非是上一级直连节点的广播帧，丢弃此帧。
STA接收到抄表报文后，解析抄表报文，根据报文中上级节点规划的子CSMA时隙计算自己出的上报时间。
其中，抄表命令中的数据部分即为STA需要向电能表发送的抄表报文。
在规划周期内，STA预先构造抄表命令从其对应的电能表采集所述抄表条目指定的用电信息的各数据项并存储。
STA可缓存数轮抄表响应，若缓存数据个数超出最大允许缓存个数，抛去最早的数据，释放相应的内存用于缓存新数据。
由于PCO是特殊的STA，PCO在完成转发之后同样需要进行预读取的操作，并等待自己的上报子CSMA时隙周期。
第四：STA上报抄表响应：
收到规划好的上报子CSMA时隙时，STA从预读取缓存区中取出抄表响应并构造响应报文上传给上级节点。
响应帧报文包括节点地址，响应帧序列号、上报子时隙任务序号，上传状态标志位、抄表响应内容等。一个任务的响应帧序列号从1开始，每个上报子CSMA时隙自动加1。
收到确认帧后，可释放缓存队列的内存，用以存储新数据。
STA只会在自己的子CSMA时隙上传抄表响应，收到确认帧后，释放本次数据。否则不释放本次数据，等待重传。
第五：PCO汇集抄表响应并上报：
PCO汇集下级全部STA的响应报文后，从自己的预读取缓存对列中取出自己的抄表响应，封装成一个或多个报文。
PCO对其所有直属STA上传的抄表响应报文进行确认。
当上报时间到，PCO将收集的报文上传至上一级节点，收到确认帧后，释放缓存队列的内存，用以存储新数据。
PCO上行业务在MAC层采用重传机制，若在规定时间内没有收到确认帧，会触发重传。
如果连续在规划的子CSMA时隙三次重传失败，则会触发保留CSMA时隙重传机制，再次传输。
第六：CCO收集抄表响应并上报：
CCO完成每个节点数据完整性，连续性的检查，对缺漏的数据进行补点。
CCO收到一轮数据后，统一用一个报文对所有节点进行确认，确认报文中的关键信息包括当前全网已经采集抄表业务报文子时隙序列号，有缺漏报文的节点地址，缺漏报文的子时隙序列号。
实施例1：子CSMA时隙划分的下行帧格式
本发明下行帧包括集中器发送给CCO的抄表命令帧，CCO和PCO代理广播的抄表命令帧，节点发送给电能表的抄表命令帧。
本实施例中，集中器和CCO之间可以通过RS-485总线连接，接口通信协议为集中器本地通信模块接口协议Q/GDW1376.2-2013。
显然，在本发明的技术方案中，集中器和CCO之间也可以采用其他智能电网中集中器和通信模块的现有连接方式和通信协议，本发明对此没有限制。
本实施例中，CCO收到集中器的1376.2抄表命令帧可以采用如图4所示的格式。
其中关键信息包括：
基于任务规划的快速抄表标识ID即应用功能码AFN，用于标识本条目为任务规划型抄表条目；
子时隙序列号Nsubslot，子时隙序列号由集中器决定，用于划分此任务CSMA时隙的时间段；
子时隙长度Tsubslot，用于表示在任务执行的子CSMA时隙时间长度内，节点需要根据抄表数据项自主上报一次电能表抄表响应；
保留CSMA时隙RTsubslot，任务序列号由集中器决定，给上报失败的节点安排可选的重传时隙；
子节点数N，用于表示本次用电信息采集需要采集的节点数据项的项数；
数据项1，数据项2，……，数据项N，用于表示需要采集的具体用电信息的数据项。
本发明的技术方案中，所述抄表条目也可以采用其他条目格式，如，直接使用完整的DL/T645报文帧或其他能携带上述抄表信息的结构，本发明对此没有限制。
CCO接收到集中器的1376.2帧后，AF对此帧进行解析，将采集数据项及相关信息发送到APS层，由APS层构造应用层通用报文及填写MAC头，由MAC层填写MPDU头并封装成能在空口发送的SOF帧发送给下接节点。
本实施例中，CCO、PCO和STA之间的通信遵循低压电力线高速载波通信互联互通技术规范，显然，也可以是采用其他通信协议和用电信息数据帧结构，本发明对此没有限制。
本实施例中，CCO和PCO代理广播的抄表命令帧采用如图5所示的格式。
MPDU的帧控制字段长度为16字节。MPDU帧控制字段的格式如表1所示。
表1
其中“定界符类型”字段指明了MPDU帧的类型。指明是信标帧，SOF帧，选择确认帧还是网间协调帧。
MPDU帧承载了MAC帧，而MAC帧由MAC帧头和MSDU数据构成，其中MAC帧头包括的字段如表2所示。
表2
MAC帧头格式中，字段“原始源TEI”表示MSDU的原始源终端设备的标识，即最初产生MSDU的源终端设备的TEI；字段“原始目的TEI”表示MSDU的最终目的终端设备的标识，即最终需要处理MSDU的目的终端设备的TEI；字段“MSDU序列号”指产生MSDU的原始设备分配给该MSDU的递增序列号。由于是由CCO发送广播，那么“原始源TEI”表示CCO通信模块的设备标识，“原始目的TEI”表示广播地址标识。
其中，报文发送的类型，含义如表3所示
表3
值 定义
0 单播
1 全网广播
2 本地广播
3 代理广播
其他 保留
单播方式，是指报文发送时，通过SOF帧“帧控制”的“目的TEI”来指定了具体的接收站点，其他站点从线路上检出单播报文时，如果“目的TEI”不是本站点，则不需要处理。
全网广播，是指所有站点都可以参与转发。
本地广播，是指接收站点在接收后，不需要再次转发。
代理广播，是指只有PCO帮忙转发，STA不需要转发。
其中，广播报文的传输方向，含义如表4所示。
表4
值 定义
0 双向广播(不限定方向)
1 下行广播(从CCO发起广播至STA)
2 上行广播(从STA发起广播至CCO)
其他 保留
MSDU数据传送应用层抄表业务的下行帧格式如图6所示。
CCO和PCO接收到抄表命令后，在构造代理广播条目时，需要为下一级节点规划子CSMA时隙上报次序。包含节点TEI及其划分的子CSMA时隙长度，其中Talloc为上级节点为下级节点分配的上报响应的时间。Talloc可由各个节点需要采集的数据项和网络状况估计。
PCO在接收到抄表命令后根据自己下接节点的情况更新“子CSMA时隙划分”字段并转发。
本实施例中，所述STA和电能表之间可以通过RS-485总线连接，通信的接口协议采用DL/T645-1997或DL/T645-2007多功能电能表通讯协议，所述用电信息数据帧可以采用DL/T645报文帧。也可以是采用其他连接方式、通信协议和用电信息数据帧结构，本发明对此没有限制。
作为本实施例的一种优选实现方案，所述用电信息数据帧的结构如表5所示。
表5
帧起始字符1 68H
地址域 A
帧起始字符2 68H
控制码 C
数据与长度 L
DATA1
DATA2
……
DATAN
校验码 CS
结束字符 16H
其中包括：帧开始标识：标识用电信息数据帧的开始；控制码C：DL/T645报文帧中的控制码，用于表示传送方向、从站应答标志和功能码等控制信息；数据项长度L：用电信息数据长度；数据项DATA1、DATA2，……、DATAN：数据内容；校验码CS：用于数据校验；帧结束字符：标识用电信息数据帧的结束。
实施例2：子CSMA时隙划分的上行帧格式
本抄表方法的上行帧包括电能表发送给STA的抄表响应帧，STA和PCO上报的抄表响应帧，CCO发送给集中器的抄表响应帧。
电能表发送给节点的抄表响应帧与节点与电能表的通信帧中，控制码中的传送方向为上行方向，数据部分为数据响应。
STA和PCO上报抄表响应帧与CCO和PCO发送的抄表命令帧类似，发送类型为单播。
其中MSDU数据传送应用层抄表业务的上行帧格式如图7所示。
PCO需要汇集自己及其下级全部STA的响应报文，等待上报子CSMA时隙时间到，再发送给上一级节点，其中采用位图的方式表示节点采集情况。
上报子时隙序列号为本任务的所属时隙上报序列号Nsubslot，上报子CSMA时隙的长度划分是基于此任务上报子时隙序列号的任务量决定。
上传状态为站点所属上传子CSMA时隙时间段上报数据的结果，若上传成功，则保留CSMA时隙不启用，否则用于此时上报子时隙序列号的任务重传上报时隙。
如果指定需采集的STA较多或数据项较多，不能在一个用电信息响应帧完成所有数据发送，节点会将采集的用电信息分成多个用电信息响应帧。若不能在一个子CSMA时隙传输完成，则分为多条响应帧分别在不同子时隙序列号对应的子CSMA时隙传输。
CCO发送给集中器的抄表响应帧如图8所示。节点汇集情况采用位图的方式表示，上传状态标识位是否本次子CSMA时隙站点是否完成了指定的所有STA的指定数据项采集。
实施例3：子CSMA时隙划分
为了避免业务报文冲突以及信道的竞争，负责代理广播的节点需要为下级各节点规划子CSMA时隙的次序，同一PCO下的节点上报时间可以为PCO所属的子CSMA时隙中再次细分，然后依次向PCO上报，Talloc为分化好的PCO的子CSMA时隙的N等分的某一个时隙，N为PCO下的站点数。
当集中器下发抄表指令时，按照下级PCO节点数划分CSMA时隙给每个PCO，然后PCO在转发抄表指令时，再次依据自身子节点数在各个子CSMA时隙划分出每个站点所属的子CSMA时隙和保留CSMA时隙。站点分布拓扑如图9所示，子CSMA时隙划分如图10所示。CCO下级节点有两个PCO，将CSMA时隙划分为两部分，在其中一个分部分时隙给PCO自身使用，再把余下的CSMA时隙给PCO下级站点划分自身所属时隙以及保留CSMA时隙用于重传。当PCO下级站点数不同时，可依据白名单判断出每一个PCO下级站点数，从而进行动态划分CSMA时隙。
实施例4：确认重传机制
在实现快速业务的同时需要确保抄表的成功率，根据本发明的描述，采用子CSMA时隙确认重传机制以及保留CSMA时隙重传机制。
其中，子CSMA时隙确认机制即PCO在当前子CSMA时隙中发送的确认帧中包含未接收成功的节点信息。节点根据确认帧中是否带有自己的信息判断是需要重新在当前子CSMA时隙重传或在保留CSMA时隙安排重传还是释放重传列表。
若当前划分的CSMA时隙中的保留CSMA时隙已无剩余，则上报PCO、CCO安排下一个保留CSMA时隙，然后休眠并等待到下一个CSMA时隙中的保留CSMA时隙等待重新传输。
为了保证数据能在子CSMA时隙收集完，本发明采用划分CSMA时隙用于节点的上报抄表响应，子CSMA时隙可以根据节点数量和业务量动态划分。确认重传机制如图11所示。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种对全网电力用户用电信息分时分级上报的方法，其特征在于：集中器向CCO周期性的发送抄表指令，CCO在接收到抄表指令之后进行子CSMA时隙任务划分，并以广播的形式下发至代理节点PCO；PCO在接收抄表命令后进行时隙规划并转发至STA，直至最高层级PCO完成转发；PCO、STA在收到抄表任务后，主动读取电表信息，根据划分的子CSMA时隙进行周期性的上报抄表响应，之后STA进入休眠状态再次等待唤醒；然后由PCO汇集自身和子节点的报文再上传，进而进入休眠状态，最终CCO完成每个节点数据的完整性检验及连续性的检查，并对缺漏的数据进行补点，再等待下一次集中器下发的抄表指令；
本方法具体包括以下步骤：
S1：集中器向CCO周期性的发送抄表指令，CCO收到集中器的抄表指令帧后进行解析，根据上报成功标志位判断是否在划分的子CSMA时隙完成所规划的任务，CCO根据其直连节点及其孩子总个数规划各节点上报的子CSMA时隙次序，并添加到抄表命令报文中；其中，第一层节点若为PCO，根据下方的子节点来划分上报次序，若PCO有相同子节点数则按照节点终端设备分配的子时隙序列号从小到大的次序分别在对应的子CSMA时隙上报；
S2：PCO收到CCO的抄表命令帧并代理广播：第一层STA和PCO在接收到超标帧后，由第一层PCO进行转发，第一层PCO转发的代理报文，第二层PCO收到后，继续进行转发，直至最高层级PCO接收并转发；PCO只接收并转发上一级直连节点的代理广播帧，若收到的并非是上一级直连节点的广播帧，丢弃此帧；PCO接收到抄表命令之后，解析抄表报文，根据报文中上级节点规划的子CSMA时隙计算自己的上报时间；PCO根据其直连节点及其孩子个数规划各节点上报子时隙序列号，并添加到抄表命令报文中以代理广播的方式转发出去；转发完成后，PCO根据抄表任务预先对自己下接的电能表进行相应用电信息数据项的采集并存储；
S3：STA收到抄表命令并进行预读取：STA只接收上一级直连节点的代理广播帧，若收到的并非是上一级直连节点的广播帧，丢弃此帧；STA接收到抄表报文后，解析抄表报文，根据报文中上级节点规划的子CSMA时隙计算自己出的上报时间；抄表命令中的数据部分即为STA需要向电能表发送的抄表报文；在规划周期内，STA预先构造抄表命令从其对应的电能表采集所述抄表条目指定的用电信息的各数据项并存储；STA可缓存数轮抄表响应，若缓存数据个数超出最大允许缓存个数，抛去最早的数据，释放相应的内存用于缓存新数据；PCO在完成转发之后同样需要进行预读取的操作，并等待自己的上报子CSMA时隙周期；
S4：STA上报抄表响应：收到规划好的上报子CSMA时隙时，STA从预读取缓存区中取出抄表响应并构造响应报文上传给上级节点；STA收到确认帧后释放缓存队列的内存，用以存储新数据；STA只在自己的子CSMA时隙上传抄表响应，收到确认帧后，释放本次数据，否则不释放本次数据，等待重传；
S5：PCO汇集抄表响应并上报：PCO汇集下级全部STA的响应报文后，从自己的预读取缓存对列中取出自己的抄表响应，封装成一个或多个报文；PCO对其所有直属STA上传的抄表响应报文进行确认；当上报时间到，PCO将收集的报文上传至上一级节点，收到确认帧后，释放缓存队列的内存，用以存储新数据；
S6：CCO收集抄表响应并上报：CCO完成每个节点数据完整性，连续性的检查，对缺漏的数据进行补点；CCO收到一轮数据后，统一用一个报文对所有节点进行确认，确认报文中的关键信息包括当前全网已经采集抄表业务报文子时隙序列号，有缺漏报文的节点地址，缺漏报文的子时隙序列号。
2.根据权利要求1所述的对全网电力用户用电信息分时分级上报的方法，其特征在于：集中器与CCO之间的通信遵循集中器本地通信模块接口协议Q/GDW1376.2-2013；STA与电能表采用DL/T645报文进行通信；节点之间的通信遵循低压电力线高速载波通信互联互通技术规范。
3.根据权利要求1所述的对全网电力用户用电信息分时分级上报的方法，其特征在于：CCO收到集中器的1376.2抄表命令帧后由AF层断帧并解析，将需要抄读的数据项及相关信息传到APS层，由APS层构造应用层通用报文及填写MAC头，由MAC层填写MPDU头并封装成SOF帧进行空口传输，其中需要借助NWK层对节点信息进行补充，包括节点的TEI、节点角色、节点层级、路由信息及其下级节点的分布情况，最终由PHY层发送出去；CCO收到来自集中器的抄表响应SOF帧时，MAC层将接收到的报文解析，并将去掉MPDU头的MAC帧传给APS层，由APS进一步断帧并解析，将去掉MAC头的响应数据部分及其相关信息传给AF层，AF层根据协议构造出1376.2帧回复给集中器。
4.根据权利要求1所述的对全网电力用户用电信息分时分级上报的方法，其特征在于：PCO负责转发和汇集报文，PCO收到来自CCO的抄表命令后，解析出自己所位于的子CSMA时隙中的时间段次序，并为下级节点安排位于的子CSMA时隙时间段上报次序，添加至报文中并代理转发；PCO收到抄表响应后，按照安排的子CSMA时隙依次地汇集所属所有节点及其自身的报文并在自身的子CSMA时隙中发送给上级节点。
5.根据权利要求1所述的对全网电力用户用电信息分时分级上报的方法，其特征在于：STA收到来自CCO或PCO的抄表命令SOF帧时，MAC层将接收到的报文解析，传给APS层，由APS断帧并进一步解析，将需要抄读的数据项传给AF层，AF层根据协议构造645帧发送给电能表，直到抄读完所有数据项并存储起来在对应的子CSMA时隙上报给CCO或PCO。
6.根据权利要求1所述的对全网电力用户用电信息分时分级上报的方法，其特征在于：对PCO采用子CSMA时隙确认重传机制以及保留CSMA时隙重传机制：
STA上报抄表响应前先将报文添加至重传列表，PCO收到抄表响应后立即发送确认帧，STA收到确认帧后，释放重传列表并处于休眠状态；
PCO汇集所有节点的响应后会将其添加至重传列表，CCO收到PCO的数据后回复确认帧，同时PCO收到确认帧后，释放重传列表并处于休眠状态；
所述子CSMA时隙确认重传机制为：PCO在当前子CSMA时隙中发送的确认帧中包含未接收成功的节点信息；节点根据确认帧中是否带有自己的信息判断是否需要重新在当前子CSMA时隙重传或在保留CSMA时隙安排重传还是释放重传列表；
PCO上行业务在MAC层采用重传机制，若在规定时间内没有收到确认帧则触发重传；如果连续在规划的子CSMA时隙三次重传失败，则触发保留CSMA时隙重传机制，再次传输；
若当前划分的CSMA时隙中的保留CSMA时隙已无剩余，则上报PCO安排下一个保留CSMA时隙，然后休眠并等待到下一个CSMA时隙中的保留CSMA时隙等待重新传输。
7.根据权利要求1所述的对全网电力用户用电信息分时分级上报的方法，其特征在于：采用划分CSMA时隙用于节点的上报抄表响应，子CSMA时隙根据节点数量和业务量动态划分。
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