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電力線(xiàn)通信自動(dòng)抄表系統中的電能表捕獲算法
作者：
時(shí)間：2010-06-26
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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基于電力線(xiàn)通信(PLC)的自動(dòng)抄表(AMR)應用在我國已有十多年歷史。近幾年來(lái)，技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)從點(diǎn)對點(diǎn)通信能力轉向了網(wǎng)絡(luò )系統能力，從而使自動(dòng)抄表產(chǎn)品達到了實(shí)用的程度。目前，自動(dòng)抄表技術(shù)正處于從小批量應用轉向大面積推廣的階段。在這一階段遇到了一些阻力。例如互聯(lián)互通、模塊互換等問(wèn)題已經(jīng)引起了業(yè)界的充分注意，并在國網(wǎng)公司的協(xié)調下制定了初步的可行解決方案和計劃。但是，還有一些現實(shí)的問(wèn)題未被充分注意和討論，而這些問(wèn)題有可能成為抄表系統大批量應用的瓶頸。本文著(zhù)重討論配電臺區與電能表的管轄關(guān)系問(wèn)題，它涉及到系統初始的施工量和日常的維護量。
1 典型的PLCAMR體系
典型的PLCAMR體系由三級系統構成：主站、集中器和電能表終端。主站負責管理全局的集中器與電能表信息，可通過(guò)光纖、GPRS、公話(huà)網(wǎng)或其他方式與集中器通信；集中器一般每個(gè)配電臺區安裝一個(gè)，管理所在臺區的全部電能表，其日常工作是通過(guò)電力線(xiàn)通信采集各電能表數據；電能表負責計量用電戶(hù)的各類(lèi)用電量。
當前的集中器雖然不同程度地具備了自學(xué)習路由知識和自組網(wǎng)絡(luò )的能力，但還不能基于純零知識開(kāi)始工作。只有在了解了要管轄的電能表編號及其計量項目后才能工作，這就要求電力營(yíng)銷(xiāo)部門(mén)理清配電臺區的用電戶(hù)檔案，尤其是電能表編號，通過(guò)主站將這些資料下發(fā)到臺區集中器，才能啟動(dòng)自動(dòng)抄表。同樣，在抄表系統運行過(guò)程中，當臺區內發(fā)生更換電能表、新增用電戶(hù)或者臺區之間發(fā)生線(xiàn)路切換等業(yè)務(wù)時(shí)，必須及時(shí)正確地維護集中器中的用戶(hù)資料。由于電力公司通常是按照面向人工抄表的習慣劃分組織用戶(hù)資料(例如按街道順序組織)，理清配電臺區與用電戶(hù)的關(guān)系往往需要耗費很大的人力。所以經(jīng)常因為臺區集中器裝入了錯誤的表號而導致費時(shí)費力的現場(chǎng)排查工作，尤其對于用電歷史長(cháng)的老城區，理清電能表與臺區的關(guān)系極其困難，成為普及自動(dòng)抄表技術(shù)的關(guān)鍵瓶頸。
解決上述問(wèn)題的本質(zhì)在于系統能夠從零知識開(kāi)始工作。所謂零知識是指初始時(shí)主站只知道有哪些配電臺區和集中器，但是并不清楚哪些電能表屬于哪個(gè)臺區的集中器；集中器僅知道自己的編號(ID)，但不知道有哪些，有多少電能表隸屬自己；電能表僅知道自己的編號(還有自己的計量項目)，但不知管轄自己的集中器是誰(shuí)。
在上述條件下，要求集中器能夠自動(dòng)獲取所在臺區已經(jīng)安裝的全部電能表表號（及其可抄讀數據項）。在對等網(wǎng)絡(luò )中這一要求較容易滿(mǎn)足，因為對等網(wǎng)絡(luò )的任意節點(diǎn)都可以主動(dòng)地啟動(dòng)通信業(yè)務(wù)，只要配以載波沖突檢測和隨機回避等待機制即可完成主動(dòng)注冊任務(wù)。但目前國家電網(wǎng)關(guān)于自動(dòng)抄表的通信協(xié)議都是主從結構的，電能表作為通信節點(diǎn)只有被動(dòng)應答的能力，不能主動(dòng)發(fā)起通信任務(wù)[1-4]。為了適應主從體系結構，本文設計了專(zhuān)門(mén)的電能表捕獲算法。該算法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要額外的空間資源，線(xiàn)性時(shí)間，倘若臺區內有n個(gè)電能表，算法可在O(n)次報文跳轉時(shí)間內完成搜索任務(wù)。
2 表號捕獲算法
假設電能表編號的區間為[a，b](實(shí)際應用中a=0，b=1012，或者說(shuō)是6 B的BCD碼)。表號捕獲算法的核心思想比較簡(jiǎn)單，有2點(diǎn)：
(1)對于給定的表號區間I=[a，b]，利用報文沖突判斷出3種情況：在區間I中恰有1只電能表；在區間I中無(wú)電能表；在區間I中存在多只電能表。
(2)利用二分搜索技術(shù)快速縮減查找空間。
以下分4個(gè)子節描述基于上述思想的表號捕獲算法。為了簡(jiǎn)明本文略去實(shí)現細節。在以后的敘述中，集中器和電能表統稱(chēng)為節點(diǎn)。
2.1 判定給定區間的鄰居分布情況
首先定義一種查詢(xún)報文Q={IDsource，a，b}。其中IDsource為報文源節點(diǎn)(發(fā)出者)的編號，IDmin≤a≤b≤IDmax。報文Q向編號在區間[a，b]內的節點(diǎn)發(fā)出查詢(xún)請求，凡是編號在此區間的節點(diǎn)(即編號IDme滿(mǎn)足a≤IDme≤b的節點(diǎn))收到該報文后立即回應一個(gè)報文R={IDme，r}，報出自己的編號IDme和自己的屬性r。
定義了以上2種報文，節點(diǎn)IDsource判定給定區間[a，b]的鄰居情況的方法是依靠區別沖突信號與背景噪音的能力。這種能力是指當有多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)發(fā)送報文時(shí)，接收節點(diǎn)雖然由于報文沖突不能正確地收到任何一個(gè)報文，但不會(huì )和無(wú)報文（線(xiàn)路上只有背景噪音）混為一談，接收者能夠根據沖突信號與背景噪音的特征差異判斷出有多個(gè)報文同時(shí)到達并造成了沖突。正如當多人同時(shí)講話(huà)時(shí)，可能聽(tīng)不清楚任何一個(gè)人說(shuō)的內容，但能夠斷定有多人在講話(huà)。如果PLC的物理層能夠將沖突信號與背景噪音區分出來(lái)，則一個(gè)節點(diǎn)IDsource就可以發(fā)送報文Q={IDsource，a，b}，然后利用載波偵聽(tīng)判定其周?chē)濣c(diǎn)的編號。在給定編號區間[a，b]內的3種分布情況為：
(1)正確完整地偵聽(tīng)到一個(gè)報文R={IDme，r}：說(shuō)明存在編號為IDme的節點(diǎn)，且是唯一的一個(gè)編號在a和b之間的節點(diǎn)。
(2)未能正確地偵聽(tīng)到任何一個(gè)報文，并且線(xiàn)路只有背景噪音：說(shuō)明沒(méi)有節點(diǎn)其編號在a和b之間；
(3)未能正確地偵聽(tīng)到任何一個(gè)報文，但是存在沖突信號：說(shuō)明存在多個(gè)節點(diǎn)，其編號在a和b之間。
然而，目前的PLC技術(shù)還不能提供區分沖突信號與背景噪音的能力，從而分辨不清情況(2)、(3)。目前的低成本技術(shù)僅能做到接收到報文或者接收不到報文。在未收到報文時(shí)，區分不出是情況(2)還是情況(3)。對于低成本的載波芯片，實(shí)現這一功能目前還是一項極具挑戰性的任務(wù)。在此，本文給出一個(gè)方法可繞過(guò)這一難題。該方法利用報文沖突實(shí)現這一功能，在收不到報文時(shí)，利用報文沖突進(jìn)一步區分出是的確沒(méi)有報文，還是由于多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)發(fā)送報文造成了沖突。采用該方法需要付出額外的代價(jià)是：多一次報文應答過(guò)程；源節點(diǎn)需要事先知道一個(gè)確實(shí)存在的節點(diǎn)IDknown；需要定義一種新型的報文S={IDsource，IDknown，a，b}。
S型報文比Q型報文多了一個(gè)已知節點(diǎn)的編號IDknown，該報文的功能是令編號為IDknown的節點(diǎn)或編號處于a、b之間的節點(diǎn)收到該S報文后立即回應R型報文，報出自己的編號和屬性。區分上述3種情況的算法如下：
算法1 WhoIn(a，b)：
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