面向低压配电物联网的混合组网技术研究_杨君中.pdf
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1、/2023.05基金项目:国网江苏省电力有限公司科技项目“配电台区电力物联终端智联通信单元研究及应用”。面向低压配电物联网的混合组网技术研究杨君中王兴龙杨森俞浩蔡茜蔡明(国网江苏省电力有限公司泰州供电分公司)摘要:针对目前低压配电台区设备接入还存在低压配电台区设备硬件通信接口不统一、通信协议多样、未统一数据模型、通信协议未实现 IP 化等问题。本文开展了双模组网和 MAC 关键技术的研究:开发了一种支持快速频率认知的点对点 MAC 协议功能,能够快速适应电力线载波信道的变化;基于配电网络架构及业务特性,提出了基于前导序列的多频组网方案。本文的研究可有效全面感知低压配电台区的电气量和非电气量等综
2、合信息,为电力物联网系统提供全面的底层数据支撑。关键词:低压配电;混合组网;多频组网0引言低压配电物联网是电力物联网重要的组成部分,通过低压配电台区设备接入物联网,全面感知低压配电台区的电气量和非电气量等综合信息,为电力物联网系统提供全面的底层数据支撑1-2。目前低压配电台区设备接入还存在低压配电台区设备硬件通信接口不统一、通信协议多样、未统一数据模型、通信协议未实现 IP 化等问题。亟需研究面向低压配电物联网的混合组网技术。目前低压配电台区设备类型多样,硬件通信接口主要有 S485、宽带载波通信、窄带载波通信、微功率无线通信等多种通信方式。多种通信接口不能互联互通,各个设备的数据形成了信息孤
3、岛,不能组成全数据网络。低压配电台区设备多样,主要有漏电保护设备、无功补偿设备、三相不平衡设备、低压分支监测单元、智能电能表等,每种设备具有独有的通信协议,每种协议互相不关联,无法交互数据。另外在协议层未实现 IP 化,无法对上层应用提供统一的软件接口。PLC 通信和无线信道具有时变性、频率选择性和强干扰性等特点,随时、随地、随频变化非常大。因此,单纯通过研究物理层技术来提高 PLC 无线网络的可靠性并不是一种高效的手段,也不可能彻底解决双模通信网络的可靠通信问题。采用高效、灵活、可靠的组网技术和 MAC 协议,进一步增加网络的可靠性,同时充分发挥出灵活物理层的优势来适应不同的 PLC通信场景
4、,是双模通信系统需要研究的另外一个关键技术3-5。1基于频率自适应的 MAC 层组网研究本节描述一种支持快速频率认知的点对点 MAC协议功能,可在较短的时间内发现信道环境的变化并做出回应,即能够快速适应电力线载波信道的变化。快速频率认知的基本思想为:在每个 MAC 帧开始的下行PMBL时隙中,主站依次在全部或部分默认频段上发送前导;从站综合考虑接收前导和发送前导的相关值、频段的带宽及可信概率、业务需求等因素选择合适的工作频段,然后在上行PMBL时隙中所选频段对应的时间内通过该频段发送上行前导;主站收到上行前导信号后即了解到从站选择的工作频段。当由于信道不对称出现使用从站选择的工作频率时上行信道
5、比较恶劣,主站可发送 MAC 层控制包要求从站在上行PMBL时隙中依次在全部默认频段上发送前导,然后依据接收前导情况选择上行工作频率并发送下行控制包通知从站。MAC 交互过程如下:(1)频率选择和更换过程点对点 MAC 协议的 MAC 过程比较简单,仅包含上行频率选择和默认频率更换两个过程。当上行链路质量较差时,主站通过控制包要求从站在上行PMBL时隙中依次通过各默认频段发送前导,并根据前导情况来选出上行工作频段。其工作过程如图 1 所示。此外,系统在工作过程中可以根据实际情况来更换某个带宽的默认频率。其工作过程如图 2 所示。09电气技术与经济/技术与应用2023.05/图 1上行频率选择过
6、程图 2默认频率更换过程(2)MAC 层 AQ 机制主站和从站均支持自动重传 请 求(Automaticepeat equest,AQ)机制。当使用 AQ 时,需要为每个包分配一个唯一的标识符。本协议假设包标识符为 6 位,能够同时标识 64 个不同的包。AQ 窗口长度用 5 位表示,最大窗口尺寸为 32。1)AQ 机制图 3 所示为 AQ 的工作流程图。当采用 AQ 机制时,发送端依次将落入发送窗口中的数据包发送出去,发送窗口中最后一个数据包 AQ 子头的 AQFLUSH 段置为 1。此外,发送端为发出的每个数据包设置计时器,当计时器到时还没有收到对该数据包的回复时,发送端重传该数据包。当接
7、收窗口已满、收到 AQ.FLUSH=1 的数据包、或者等待时间较长时,接收端发送 ACK/NACK数据包。当发送端窗口长度大于 1 时,接收端可以将对多个数据包的回复整合在一个控制包中发送。接收端需要为每个丢失的数据包发送一个 AQ.NACK,而不必为每个正确接收的数据包发送 AQ.ACK。AQ.ACK 数据包表示除了单独发送 AQ.NACK 的数据包之外,该数据包标识之前的数据包均已正确接收。因此,若一个控制包中同时出现 AQ.ACK 和AQ.NACK,那 么AQ.ACK必 须 放 在 所 有AQ.NACK 的后面。发送端收到某个数据包的 NACK 时,重传该数据包。发送端若收到某个数据包的
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