基于探针故障检测的载波组网监测技术研究_尤宏亮.pdf

敬请登录网站在线投稿（）年第期 基于探针故障检测的载波组网监测技术研究尤宏亮，刘建戈，戴欣，安立源（国网淮安供电公司，淮安 ）基金项目：国网江苏省电力有限公司科技项目电力物联网 通信实用化水平提升关键技术研究（）。摘要：电网智能化已经成为国际趋势，智能电网是一个现代化电力系统网络设施，通过自动化控制和现代通信技术提高电力和数据传输的效率、可靠性和安全性。保障输电线路的可靠性一直是智能电网领域研究的热点问题，它对于电网的安全稳定运行具有重要意义，其中，故障诊断是智能电网的重中之重。关键词：故障检测；探针；载波组；负载均衡中图分类号：文献标识码：，（，）：，：；引言电力线通信（）通常指电力载波通信，可直接将信号载波耦合到电力传输线上。针对电力线传输模型，参考文献 研究了导行波理论，并基于导行波理论和二径衰减模型建立了适 应 宽 带 的 传 输 模 型，提 出 了 标 签（）分配为基础的组网路由方法。参考文献 对配电自动化电力线载波通信组网方法进行研究，提出一种静动态中继相结合的分级分层 网络架构，该算法可快速将多个待入网节点按照合理的顺序依次接入网络，形成重构后的网络结构。但上述参考文献并未涉及对载波组网的故障检测效率优化的讨论。故障检测效率由两部分组成：一是探针数量集，参考文献 提出基于预计划探测的算法，可以在大型稀疏网络中定位多个链路故障，但该方法部署的检测网络探针发送装置过多，且大部分处于闲置状态，造成成本的增加；二是探针路径，参考文献 和 在探测站确定的情况下，选择合适的探针集使检测和定位故障的时间最短。对于故障检测网络来说，探针的使用率与探测时间这两个因素相互影响、相互制约，它们是衡量一个系统效率的重要指标。开发基于探针的故障检测解决方案涉及两个主要问题：探测点选择和探头集合选择。探测点选择解决了在探测点应放置的受管网络中选择最小节点子集的问题，从而可以通过探测实现所需的诊断能力。对故障检测和故障定位的探针集合的选择要施加不同的标准。用于故障检测需要选择探针集合，以便探测被管理网络中的所有元素。故障定位需要可以唯一地诊断可疑的网络元件故障的最小探针集。用于故障检测的探针定期发送故障数据，因此产生的管理流量应足够低，不影响其他应用的性能，此外，故障定位的探针集合选择的时间限制比故障检测的限制严格。故障定位仅在遇到某些问题时进行，因此，故障定位应选择那些使得故障定位可以以最小的时间量完成，同时在识别的问题区域中的网络不被管理流量所压倒的探针集合。本文基于主动监测对载波网络进行故障检测，在载波网络中确定探针发送设备的位置以及探针路径，以达到用较小数量的探针发送设备，以及在较短的探测时间下探测 年第期 整个网络状态。基于探针技术的载波组网系统组成载波探针技术通过监听载波信号的设备实现对载波网络环境的监控，快速发现并获取载波设备，并获取设备的相关信息，生成相应的表项并直接发送到指定服务器上。服务器可以根据探针的表项分析载波网络环境中的载波设备数量、组网环境及关联关系。载波探针系统组成包括：探针发送设备，开启探针功能，对载波网络环境进行扫描和监控，并将生成的表项直接发送到指定主设备节点上；主设备节点，根据探针上报的表项数据对载波网络环境进行分析。探针的工作过程如下：各设备在载波网络上按相关规则进行互相通信。探针发送设备在收到载波网络上设备发送的报文后，将收集到的设备信息生成相应的表项并发送给主设备节点。探针发送设备收集的设备信息包括 地址、设备类型、（，接收信号强度指示）、时间戳等。探针发送设备将收集到的表项数据发送到指定主设备节点。主设备节点通过表项中的信息进行分析，得到载波网络环境中的设备信息并分类汇总，对收集到异常的报文设备进行后台告警，以便对其进行进一步处理。对于协议有以下基本要求：要确保波特率较低情况和高传送次数下的高效率；确保通往集中器节点的最佳通道；管理自动化功能良好；成本比较低。为了确保电力线载波应用提供足够的寻址能力，采用层结构，即物理层、数据链路层、应用层。为保证数据传输的可靠性，通信协议必须独立于物理网络拓扑结构、硬件设计以及调制方案。服务器的控制管理由启动方进行。启动方发出指令后服务器才会获得访问介质权限。在恶劣的传输环境下，路由协议必须提供中继机制来确保整个网络的成功通信。用于电力物联网的载波通信网络探针故障检测方式以及部署方法基于探针故障检测的载波组网监测技术，主要针对载波网络中各设备通信网的连通性信息进行监测，通过网络延迟信息和丢包率判断网络的性能，以发现故障设备，进而实现对网络的修复。故障管理系统广泛部署两种监控：主动监控，主动发送探针收集性能数据；被动监控，依靠网络设备发送报警。被动监控依靠网络设备发送报警信号至最近的探针设备，探针设备接收到信号后上传至主设备节点对故障进行分析。下面主要介绍主动监控方式。利用探针主动监测网络的连通性，探针每隔一定间隔时间向网络发送验证数据包，在此探针可达区域的设备成功收到并解析数据包后需立刻返回带有设备信息的应答包，探针分别对各设备的应答包进行解析，将接收到应答包时间与发送验证包的时间做差，得出相应设备的网络延时。此外，对于重点监测设备，可以根据网络上的设备都有唯一 这一特性，给目标 地址发送验证数据包，要求目标设备返还相应的应答数据包，通过回复数据包的信息来获取网络的连通性。网络丢包率的获取：通过设备发送多个数据包给探针节点，探针对数据包进行接收和计数，通过发送报文的数量和接收报文的数量进行计算，获得网络丢包率。以上解释了探针技术故障检测的方式，除此之外还需考虑探针在故障检测中的探测效率，探针的长短、探针的传输路径、探测节点的选择等都会影响探针检测故障的效率。需要对各因素综合考量，得到高效率的故障检测网络。假设在现有载波网络中，定义该网络为有权连通图（，），表示图中所有顶点，表示图中所有链路，表示网络中节点的权值。对网络中的节点赋权值，权值越大代表节点的通信能力越强，承载的通信链路越多，越容易发生堵塞的情况。节点的权值是动态变化的，对每次选择的探针路径中覆盖的节点权值进行增加，因为检测信号 每 次 经 过 节 点 都 会 占 用 节 点 资 源、增 加 探 针成本。故假设节点的权值表示为：（）其中，（）表示节点的度，表示各节点设备通信能力，此式可根据实际情况进行修改。首先，假设探针的链路选择总是遵循最短路径，定义探针的最大长度为（表示链路中节点的个数），因为过大会增加往返通信的效率。其次，定义每个节点的最大检测数为。探针部署方法如下：确定当前检测网络的通信成本函数，假设本文在理想情况下网络的通信成本仅与链路权重以及探针设备有关，则故障检测网络的通信成本可表示为：其中，表示从节点到节点之间的链路权重，它表示链路中节点权重的和，表示网络中探针设备的个数，为自定义的常量，表示探针设备的成本。从表达式中不难分析出当探测设备部署在度较大的节点上时，可以有效降低部署的设备成本，因为度越大表示可到达的节点数越多，但也意味着节点的通信量更大、通信成本更高。假设网络中未被检测的节点集为，按节点度大小敬请登录网站在线投稿（）年第期 排序，第一遍遍历考虑尽可能小的通信传输成本，故选取度最小的点为探针发送设备点，选取以节点为起点、符合条件的条链路加入探针链路集中，将节点与链路中的节点权值加并从中除去，反复进行这个操作直到没有可以增加的链路为止。第二遍遍历应尽可能减少探针设备的个数，故选取度最大的点为探针发送设备点，依旧按如上规则部署网络。检测集合是否为空集，若不是空集，尝试将集合中的节点互相链接，选择链路的交点或链路中点为探针发送点（验证探针路径符合前述长度等要求），当集合中节点无法形成链路时，在剩余节点上分别放置探针检测点，检测邻近的节点，以保证链路通畅。针对检测出的故障节点，为减小故障点对网络通信带来的影响，载波网络会第一时间发布节点故障广播至各个节点，断开各节点与故障点之间的通信链路，并依据此更新网络通路邻接矩阵与网络连通图，按以上算法重新部署故障通信网络，最大程度恢复网络的正常通信，实现载波组网的自愈。仿真结果及分析根据前文讨论的探针部署算法，使用故障检测网络的通信成本来衡量探针节点及探针路径选择的优劣，选择其中较优的部署方案。图简单网络拓扑结构假设有如图所示的简单 载 波 网 络，探 针 的 最大长度为，每个节点的最大检测数为，增加一个探针设备的成本为，网络中各节点的设备通信能力相同，故可忽略不计，那么各节点的权值就等于节点的度，分别为，选 择 权 值 最 小 的节点为探针发送点，选择节点为探测点，选出符合要求的条探针链路，、，、，以及，在集合中剔除节点，剩余节点选取为探测点，形 成 探 测 链 路，此 时 故 障 检 测 的 网 络 成 本 为。同理，若遍历节点时从权值最大点开始选择，故障检测网络 将 选 择 节 点 为 探 测 点，探 针 链 路 有，、，、，、，、，、，此时 为。对比可知，选取上一种网络部署通信成本更低。若将 探 针 设 备 的 成 本 调 整 为 ，则 、，此时两种方式的通信成本接近。若将探针设备的成本调整为，则 、，此时方式的通信成本已低于方式。这是因为方式的方案仅部署了一个探针发送设备，而方式部署了两个，设备成本增加对方案的通信成本影响较大，故会呈现此规律。但不管因素如何变化，本文的算法都可制约这两方面的因素，在这两种成本之间找到合适的平衡点。两种方式通信成本对比如图所示。图两种方式通信成本对比如图所示，当探针设备成本大于 时，方式的通信成本超过方式，因为随着设备成本的增加，增加一台设备给网络带来的成本变成了主要影响因素。与固定原则主要考虑单因素的算法相比，本文算法综合了这两种因素取最优，如图所示，可根据实际网络状态、需求解算不同的部署方案，以达到提高网络通信效率、降低成本的目的。图故障检测网络部署方案通信成本图更新后网络拓扑结构除此之外，本故障检测方案还具备快速自愈能力。节点发生故障后，网络会迅速删减故障节点，重建通信链路。假设图中网络节点出现故障，网络立即响应故障修复程序，首先主设备节点向全网发送节点故障告警，各节点接收到信息后更新网络连通图，如图所示。若默认探针设备成本为，按上文规章 可 知，更 年第期 新后的故障网络选择节点为探针探测点，探针链路有，、，、，、，、，此时 为。链路中其他设备通信正常，在节点故障后，网络能快速自愈并重新构建链路，尽可能减少节点故障带来的损失，用最低成本保障整体网络通信。参考文献强亚倩 适配社会延伸业务的宽带电力线通信组网研究保定：华北电力大学，薛晨配电自动化电力线载波通信组网方法研究保定：华北电力大学，（）：，：，：，：，：，：，：，：，：，杨锋 基于直流电力线载波通信的光伏组件监测系统 南京：南京邮电大学，唐妍高速公路电力电缆、电力设备的智能监测防盗系统研究重庆：重庆大学，汪直平通信网络中基于主动探测的多故障定位算法研究西安：西安电子科技大学，（）：，（）：，：，：，：，：通信作者：尤宏亮，。（责任编辑：薛士然收稿日期：）图 启动过程 函数的入口地址为 ，调用 、。：时钟初始化、寄存器初始化、串口初始化、初始化、看门狗初始化、中断初始化、初始化、初始化、初始化、初始化等。：加载 镜像并把控制权移交给 。函 数 入 口 地 址 为 ，主要调用 、。：初始化串口，传递参数给 ，初始化 并使能。：初始化。初始化 、等功能，初始化 ，跳转到 执行。结语本文基于 硬件平台介绍了 的 状态以及 主要功能，结合 的具体代码分析 上电启动到执行 之前的这段引导程序的工作原理，加深了对系统引导程序的理解，为以后引导程序的开发工作打下了坚实的基础。参考文献艾瑞咨询 年中国智能驾驶行业研究报告 汽车维修与保养，（）：刘亮，陈震基于 技术的微处理器芯片架构电子设计工程，（）：通信作者：田学明，。（责任编辑：薛士然收稿日期：）