電力線通信自動抄表系統(tǒng)中的電能表捕獲算法
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1 典型的PLCAMR體系
典型的PLCAMR體系由三級系統(tǒng)構(gòu)成：主站、集中器和電能表終端。主站負(fù)責(zé)管理全局的集中器與電能表信息，可通過光纖、GPRS、公話網(wǎng)或其他方式與集中器通信；集中器一般每個配電臺區(qū)安裝一個，管理所在臺區(qū)的全部電能表，其日常工作是通過電力線通信采集各電能表數(shù)據(jù)；電能表負(fù)責(zé)計(jì)量用電戶的各類用電量。
當(dāng)前的集中器雖然不同程度地具備了自學(xué)習(xí)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始工作。只有在了解了要管轄的電能表編號及其計(jì)量項(xiàng)目后才能工作，這就要求電力營銷部門理清配電臺區(qū)的用電戶檔案，尤其是電能表編號，通過主站將這些資料下發(fā)到臺區(qū)集中器，才能啟動自動抄表。同樣，在抄表系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)臺區(qū)內(nèi)發(fā)生更換電能表、新增用電戶或者臺區(qū)之間發(fā)生線路切換等業(yè)務(wù)時(shí)，必須及時(shí)正確地維護(hù)集中器中的用戶資料。由于電力公司通常是按照面向人工抄表的習(xí)慣劃分組織用戶資料(例如按街道順序組織)，理清配電臺區(qū)與用電戶的關(guān)系往往需要耗費(fèi)很大的人力。所以經(jīng)常因?yàn)榕_區(qū)集中器裝入了錯誤的表號而導(dǎo)致費(fèi)時(shí)費(fèi)力的現(xiàn)場排查工作，尤其對于用電歷史長的老城區(qū)，理清電能表與臺區(qū)的關(guān)系極其困難，成為普及自動抄表技術(shù)的關(guān)鍵瓶頸。
解決上述問題的本質(zhì)在于系統(tǒng)能夠從零知識開始工作。所謂零知識是指初始時(shí)主站只知道有哪些配電臺區(qū)和集中器，但是并不清楚哪些電能表屬于哪個臺區(qū)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(jì)量項(xiàng)目)，但不知管轄自己的集中器是誰。
在上述條件下，要求集中器能夠自動獲取所在臺區(qū)已經(jīng)安裝的全部電能表表號（及其可抄讀數(shù)據(jù)項(xiàng)）。在對等網(wǎng)絡(luò)中這一要求較容易滿足，因?yàn)閷Φ染W(wǎng)絡(luò)的任意節(jié)點(diǎn)都可以主動地啟動通信業(yè)務(wù)，只要配以載波沖突檢測和隨機(jī)回避等待機(jī)制即可完成主動注冊任務(wù)。但目前國家電網(wǎng)關(guān)于自動抄表的通信協(xié)議都是主從結(jié)構(gòu)的，電能表作為通信節(jié)點(diǎn)只有被動應(yīng)答的能力，不能主動發(fā)起通信任務(wù)[1-4]。為了適應(yīng)主從體系結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)了專門的電能表捕獲算法。該算法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要額外的空間資源，線性時(shí)間，倘若臺區(qū)內(nèi)有n個電能表，算法可在O(n)次報(bào)文跳轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)完成搜索任務(wù)。
2 表號捕獲算法
假設(shè)電能表編號的區(qū)間為[a，b](實(shí)際應(yīng)用中a=0，b=1012，或者說是6 B的BCD碼)。表號捕獲算法的核心思想比較簡單，有2點(diǎn)：
(1)對于給定的表號區(qū)間I=[a，b]，利用報(bào)文沖突判斷出3種情況：在區(qū)間I中恰有1只電能表；在區(qū)間I中無電能表；在區(qū)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個子節(jié)描述基于上述思想的表號捕獲算法。為了簡明本文略去實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。在以后的敘述中，集中器和電能表統(tǒng)稱為節(jié)點(diǎn)。
2.1 判定給定區(qū)間的鄰居分布情況
首先定義一種查詢報(bào)文Q={IDsource，a，b}。其中IDsource為報(bào)文源節(jié)點(diǎn)(發(fā)出者)的編號，IDmin≤a≤b≤IDmax。報(bào)文Q向編號在區(qū)間[a，b]內(nèi)的節(jié)點(diǎn)發(fā)出查詢請求，凡是編號在此區(qū)間的節(jié)點(diǎn)(即編號IDme滿足a≤IDme≤b的節(jié)點(diǎn))收到該報(bào)文后立即回應(yīng)一個報(bào)文R={IDme，r}，報(bào)出自己的編號IDme和自己的屬性r。
定義了以上2種報(bào)文，節(jié)點(diǎn)IDsource判定給定區(qū)間[a，b]的鄰居情況的方法是依靠區(qū)別沖突信號與背景噪音的能力。這種能力是指當(dāng)有多個節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)雖然由于報(bào)文沖突不能正確地收到任何一個報(bào)文，但不會和無報(bào)文（線路上只有背景噪音）混為一談，接收者能夠根據(jù)沖突信號與背景噪音的特征差異判斷出有多個報(bào)文同時(shí)到達(dá)并造成了沖突。正如當(dāng)多人同時(shí)講話時(shí)，可能聽不清楚任何一個人說的內(nèi)容，但能夠斷定有多人在講話。如果PLC的物理層能夠?qū)_突信號與背景噪音區(qū)分出來，則一個節(jié)點(diǎn)IDsource就可以發(fā)送報(bào)文Q={IDsource，a，b}，然后利用載波偵聽判定其周圍節(jié)點(diǎn)的編號。在給定編號區(qū)間[a，b]內(nèi)的3種分布情況為：
(1)正確完整地偵聽到一個報(bào)文R={IDme，r}：說明存在編號為IDme的節(jié)點(diǎn)，且是唯一的一個編號在a和b之間的節(jié)點(diǎn)。
(2)未能正確地偵聽到任何一個報(bào)文，并且線路只有背景噪音：說明沒有節(jié)點(diǎn)其編號在a和b之間；
(3)未能正確地偵聽到任何一個報(bào)文，但是存在沖突信號：說明存在多個節(jié)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(qū)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(bào)文或者接收不到報(bào)文。在未收到報(bào)文時(shí)，區(qū)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(xiàn)這一功能目前還是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在此，本文給出一個方法可繞過這一難題。該方法利用報(bào)文沖突實(shí)現(xiàn)這一功能，在收不到報(bào)文時(shí)，利用報(bào)文沖突進(jìn)一步區(qū)分出是的確沒有報(bào)文，還是由于多個節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送報(bào)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(bào)文應(yīng)答過程；源節(jié)點(diǎn)需要事先知道一個確實(shí)存在的節(jié)點(diǎn)IDknown；需要定義一種新型的報(bào)文S={IDsource，IDknown，a，b}。
S型報(bào)文比Q型報(bào)文多了一個已知節(jié)點(diǎn)的編號IDknown，該報(bào)文的功能是令編號為IDknown的節(jié)點(diǎn)或編號處于a、b之間的節(jié)點(diǎn)收到該S報(bào)文后立即回應(yīng)R型報(bào)文，報(bào)出自己的編號和屬性。區(qū)分上述3種情況的算法如下：
算法1 WhoIn(a，b)： 電能表相關(guān)文章:電能表原理
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