一种基于电力线载波的自适应网络模型

一种基于电力线载波的自适应网络模型
摘要
根据电力线载波通讯的特点，建立电力局域网的概念，提出了一种基于电力线载波通讯的自适应网络模型，给出电力主节点端和从节点端的自组网流程，最后在实际的微型逆变器项目上验证本网络模型；
关键字：
电力局域网，自组网，自适应网路，电力主节点，电力从节点，电力线载波
1. 电力自适应网络模型
对于电力通信系统来说，可以将一个工频变压器下的电力系统视为一个中小规模的电力局域网，电力局域网内的设备需要做到互通互联，要求同一个电力局域网内各个设备节点有自己的网络地址。

参照TCP/IP协议模型，电力局域网也可以实现局域网通信。

首先需要解决的是网络地址分配问题，一旦电力设备地址确定下来，电力局域网通信即可形成。

作为电力局域网，要求每个入网设备具有唯一的硬件序列号，为了便于寻址，这里引入网络地址；对于局域网内的电力设备，由电力主节点负责网络地址分配和回收，电力从节点只有申请到网络地址后即入网成功，就可以与网络主节点进行数据通信。

这样用户就不用关心网内设备如何寻址，可以随时随地的增加或者移除网络从节点设备，这就是电力网络自适应模型的思想。

2.网络地址分配算法
关于电力网络自适应模型核心的地址分配问题，参考TCP/IP协议中的动态地址获取协议（DHCP），考虑到电力线载波通信的复杂性，将DHCP协议流程适当简化，如图1所示。

PLC动态地址获取协议流程涉及四个阶段
1）发现阶段（Discover）
发现阶段是由网络主节点以广播帧的方式发起，目的是告知所有网络从节点，现在可以进入网络地址分配阶段，对于已经分配到网络地址的从节点而言，可以直接或略掉此帧数据，对于还未分配到网络地址的设备而言，此时在适当的随机延时后，就可以发送Request数据帧，携带自身硬件序列号。

为了提高地址分配效率，不是每次都需要发送Discover帧，可以根据网络从节点数量来确定Discover的发送周期。

2）请求阶段（Request）
请求阶段是由还未分配到网络地址的从节点发送的，对于无网络地址的从节点，在收到Discover帧后，在经过退避机制适当延时后，就可以发送携带自身硬件序列号的请求帧，等待网络主节点确认分配网络地址。

这个阶段存在的问题是：可能存在多台网络从节点均未分配到网络地址，因此都需要发送Request帧向网络主节点请求分配地址，这是就需要引入退避机制，分时发送Request帧，这样网络主节点就可以分时处理从节点的请求帧。

3）确认阶段（Confirm）
确认阶段是由网络主节点根据收到的地址请求帧，从本地地址池中取出未使用或者已存在的网络地址，连同网络地址申请者的硬件序列号，一起返回给网络从节点。

网络从节点收到确认帧后，就获取到有效的网络地址，自动退出PLC 动态地址获取阶段。

在这个阶段，网络从节点可能由于各种原因丢掉确认帧，这就要求定时进入发现阶段，发送Discover帧，最终会分配成功。

4）删除阶段（Remove）
删除阶段是网络主节点在指定的网络地租租期内，没有收到网络从节点的数据通信帧，这时，由网络主节点发送Remove帧给网络从节点，同时网络主节点将更新地址表，释放这台网络从节点占用的地址，从节点此时将处于无地址状态，等待新的Dsicover帧，进行新一轮的组网。

3.主节点工作流程
电力网络主节点是自适应网络的发起方和管理方，负责电力线网络的建立和维护，数据的定时采集以及与外围网络的交互，电力主节点的工作流程是如下：
1）电力主节点上电初始化后，开始进入正常的数据通信阶段；
2）如果寻找新设备定时周期T1到，则发送Discover报文，等待未入网的电力从节点响应。

3）对于响应的电力从节点，主节点负责确认从节点的硬件序列号，并为其分配地址；
4）如果检查地址租期周期T2到，发现已入网的电力从节点地址租期到，则移除从节点；
4.从节点工作流程
网络从节点是指具体的电力客户端设备，本身集成电力线载波通信功能，工作状态可以分为无地址状态和有地址状态（即工作状态）两种；
1）电力从节点上电后，完成上电初始化，进入无网络地址状态；
2）此时若收到电力主节点Discover报文，则进入软件退避阶段；
3）软件退避延时后，发现电力线信道空闲后，发送携带硬件序列号的Request报文；
4）从节点收到主节点的Confirm报文后，即可得到局域网网络地址，进入有地址状态；
5）如果收到主节点删除网络地址命令，电力从节点又回到无地址状态。

6.结论
在微型逆变器数据采集系统中，通常是一个数据采集器配合几台至几百台的微型逆变器，构成了典型的电力局域网系统，实际采用一台数据采集器配合16台微型逆变器来验证电力自适应网络模型，实测系统达到设计目标，很好的验证了基于电力线载波的自适应网络模型。

7.参考文献
[1]. 肖世杰. 构建中国智能电网技术思考. 电力系统自动化. 2009
[2]. 苏波，齐苗苗. 一种电力通信网可靠性综合评价方法. 电力系统通信. 2010
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