基于空閑檢測機制的電力集中抄表系統(tǒng)設(shè)計

引言

伴隨著科技的不斷發(fā)展，智能化漸漸成為人們關(guān)注的焦點，并在社會和生活的各個角落不斷深化，大量的人力物力正源源不斷的投入到智能化建設(shè)之中。2008年受金融海嘯的影響，國家發(fā)改委擬大規(guī)模投資電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以拉動內(nèi)需，應(yīng)對金融危機帶來的影響；另外，電力行業(yè)從自身的發(fā)展規(guī)律出發(fā)，也需要將電能量采集與計費系統(tǒng)盡快自動化，在這些背景下，研究電力集中抄表系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的人工抄表模式成為電力發(fā)展研究人員的研究熱點。

1 集中抄表系統(tǒng)的特點

受通信距離的和通信質(zhì)量的影響，目前的集中抄表系統(tǒng)都只是停留在范圍較小的居民小區(qū)層面上，集中抄表的基本原理如圖1所示。

每棟居民樓都裝有一臺集抄器（終端），負責抄讀本棟居民樓的所有電表數(shù)據(jù)，通常采用的是：RS485、脈沖口等有線方式，由于表的數(shù)量較少而且一般比較集中，所以布線不會存在很大困難，通常容易實現(xiàn)。由集抄器向集中器上報所采集到的數(shù)據(jù)并由集中器（主站）將收集到的各棟居民樓（小區(qū)）的電表數(shù)據(jù)通過 GPRS／CDMA／GSM等方式上報給遠端服務(wù)器。

終端抄表和主站上報數(shù)據(jù)的方式是相對固定的，通常不考慮其他通信方案，由終端向主站上報數(shù)據(jù)理論上可以采用RS485有線通訊，但是由于距離較遠，布線工程很大，通常難以實現(xiàn)。目前比較流行的有兩種：采用電力專用的230 MHz電臺通訊和電力線低壓載波技術(shù)。采用電力線載波抄表方案，在傳輸數(shù)據(jù)信息時，由于存在干擾噪聲大、噪聲帶寬大、阻抗不確定等因素，導(dǎo)致在電力線上傳送信息困難、傳輸距離有限等問題，而采用電臺則可以有效避免或改善這些問題，本文就是針對無線電臺通信方式提出的組網(wǎng)方案。

2 電臺通信方式

采用電臺通信方式的情況下，終端和主站上都自帶了一個無線電臺通信模塊，負責完成無線電的收發(fā)。其基本通信原理如圖2所示。

M為主站，而其他的三角形則是分布在各個樓層、小區(qū)的抄表終端。由于采用的調(diào)制頻率都在230 MHz這個頻段內(nèi)，多臺終端同時上報數(shù)據(jù)的時候會因為同頻干擾而導(dǎo)致接收出錯，因此，實際操作時在任意一個時刻只允許一臺設(shè)備發(fā)射信號，其他設(shè)備都處于*狀態(tài)。正因為這點，給建網(wǎng)規(guī)模造成了很大的限制。如上圖所示，主站的輻射半徑R是有限的，由于地理位置等諸多因素的影響，總有些終端會處于主站的輻射盲區(qū)之中，這就需要以輻射區(qū)域內(nèi)的終端作為中繼間接聯(lián)系上這些設(shè)備。由于無線電臺存在同頻干擾問題，在建網(wǎng)時要求有一套具有防沖突功能的路由機制，下面提出一種給予偵聽信道空閑思想的無線電臺路由算法。

3 路由策略

路由策略大致分為兩個部分：發(fā)起建網(wǎng)策略和后期維護策略。首先分析初始建網(wǎng)的路由方案及建網(wǎng)過程。

3．1 中心主站發(fā)出建網(wǎng)命令

幀結(jié)構(gòu)在遵循“國家電力負荷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約”的基礎(chǔ)上加入只含主站地址 A0的一條地址鏈表消息。該幀以廣播的形式發(fā)出，且重復(fù)三次，以確保覆蓋范圍內(nèi)的所有終端都能夠接收到。主站廣播完之后偵聽信道空閑狀態(tài)。這就要求所有的終端、主站必須設(shè)定一個建網(wǎng)收發(fā)等待時間值，每臺終端可在出廠時分配由N秒到kN秒之內(nèi)的一個任意值，k和N的值需要通過實驗來確定。

3．2 一級終端接收到主站廣播時做出的響應(yīng)

當終端M1接收到主站建網(wǎng)廣播時，將廣播地址加入自己地址A1，組成地址鏈表L1：AOA1保存起來并丟棄之后收到的所有建網(wǎng)命令幀，同時偵聽信道的空閑狀況，如果在它的等待時問T內(nèi)沒有接收到任何消息，則將該地址鏈表分別以建網(wǎng)命令幀和回應(yīng)建網(wǎng)命令幀的形式廣播出去，并繼續(xù)偵聽重新等待，偵聽過程中收到任何消息都將重新等待時間T。

3．3 非一級終端接收到建網(wǎng)命令時做出的響應(yīng)

這類終端保存自己接收到的最短地址鏈表，鏈表的最后一個地址加入自身的地址Ax，并存儲x條備用鏈表，選擇其中一條最優(yōu)鏈表在經(jīng)過相應(yīng)的空閑等待時間后分別以建網(wǎng)命令幀和回應(yīng)建網(wǎng)命令幀的形式廣播出去。丟棄接收到比已保存的鏈表長的所有建網(wǎng)命令地址鏈表。

3．4 主站、終端對回應(yīng)建網(wǎng)命令幀的響應(yīng)過程

主站提取接收到的建網(wǎng)回應(yīng)幀中的地址鏈表并保存起來，對于相同目的地址的鏈表選擇最短的進行保存更新；終端接收到地址鏈表中包含自己地址、且以中繼形式出現(xiàn)的建網(wǎng)回應(yīng)幀時，在鏈路空閑狀態(tài)下將該幀廣播轉(zhuǎn)發(fā)出去，且加入該幀已被轉(zhuǎn)發(fā)標識，繼續(xù)偵聽信道消息，對于接收到的、以自己為目的地址或者鏈表中不含自己地址的建網(wǎng)回應(yīng)幀一概丟棄，對于接收到的曾經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)過的幀也做丟棄處理。

整個建網(wǎng)發(fā)起過程就完成了。雖然建網(wǎng)時采用偵聽空閑機制進行收發(fā)的思想來盡量避免多臺終端在能夠造成相互干擾的范圍內(nèi)同時發(fā)送數(shù)據(jù)，但由于發(fā)送時數(shù)據(jù)的調(diào)制以及發(fā)送都需要一定的時間來完成，所以接收時的同頻干擾依然是存在的，無法排除有些本該能與主站正常取得聯(lián)系的終端由于各種因素而未聯(lián)系上主站。此時，主站需要補發(fā)搜尋命令幀來搜索未能登記終端Mx，地址鏈表為Mm（主站）Mx。當終端收到搜尋命令幀時，分兩種情況：第一種，Mx即為自己，則在空閑時段內(nèi)發(fā)送該地址鏈表Mm.。...Mx的廣播建網(wǎng)命令回應(yīng)幀；第二種，目的地址不是自己，則將自己的地址Mt加入地址鏈表形成Mm.。...MtMx以搜尋命令幀的格式發(fā)送出去。

廣播建網(wǎng)的整個流程中，除了主站首次廣播發(fā)起建網(wǎng)命令幀廣播三次以外，其他所有的數(shù)據(jù)幀均只發(fā)送一次，以縮短建網(wǎng)時間，同時也可以降低建網(wǎng)過程中的相互干擾和等待的復(fù)雜性。當主站已經(jīng)聯(lián)系上所有終端的時候，停止發(fā)送廣播建網(wǎng)和搜尋命令，只接受終端回應(yīng)建網(wǎng)命令進行路由優(yōu)化。這樣，由于所有終端接收到非丟棄幀的回應(yīng)命令不會重復(fù)發(fā)送，整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)會因為沒有主站命令而最終停止廣播行為，從而達到建網(wǎng)完成時自動停止的目的。

第二就是后期維護。也就是在成功完成建網(wǎng)之后，為使整個網(wǎng)絡(luò)實時暢通所必需采取的維護檢測行為。主站可以在空閑時段（如夜間）與每個終端發(fā)起一次檢測通信會話，以確認通信的完好性。如果在通信的過程中某個終端的通信出現(xiàn)障礙，則其中繼終端必須將該錯誤信息上報到主站進行登記，主站完成一次完整的檢測通信會話之后，針對搜集到的所有通信出錯終端集中發(fā)起一次廣播搜尋，主站超出等待時間后記錄下出錯情況，上報遠端服務(wù)器。

最后，分析一下建網(wǎng)完成后的正常通信過程。當主站需要與非一級終端通信時，按照主站上存儲的最優(yōu)路由鏈表發(fā)出命令請求后，對應(yīng)的中繼將會將該命令層層轉(zhuǎn)發(fā)，一直到目標終端，中繼終端必須在空閑狀態(tài)向主站發(fā)送回應(yīng)幀匯報兩路鏈接狀態(tài)。若某個中繼超時未能發(fā)送回應(yīng)，主站應(yīng)進行一定數(shù)量的重試，若始終不能成功，則選擇備用路由聯(lián)系目的終端，同時記錄出錯終端，以備空閑時段的維護檢測。

4 總結(jié)

此路由策略的最大特點就是引入了偵聽空閑思想，合理利用每個時問段來進行數(shù)據(jù)通信，而且可以使多個不處于同一干擾范圍內(nèi)的區(qū)域在同一時間段內(nèi)各自互不影響地自由通信，突破了同一時刻只能有一臺設(shè)備發(fā)出廣播的限制，理論上能夠大大提高建網(wǎng)速度和效率；其次，每臺終端只保存自己與主站的通信路徑而不必管理需要以自己為中繼的其他設(shè)備，這樣就大大簡化了終端的路由管理；第三，突破了傳統(tǒng)的無中繼方式，有效擴大了通信范圍，降低了終端發(fā)射功耗和通信費用；第四，每個終端都可以作為路由，簡化了組網(wǎng)設(shè)備結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)，可以節(jié)約一定運營成本，同時也為管理終端設(shè)備提供了便利。

由此可見，基于空閑檢測機制的無線電臺路由策略在確定合適的k和N后，理論上是可行的，也是很有實際意義的。

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