基于最小生成树路由的电力线载波通信数据融合算法.pdf

第 21 卷 第 8 期2023 年 8 月太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information TechnologyVol.21，No.8Aug.，2023基于最小生成树路由的电力线载波通信数据融合算法申洪涛，李飞，史轮，王鸿玺，高波(国网河北省电力有限公司 营销服务中心，河北 石家庄 050000)摘要：电力线载波通信技术利用现有的电力传输网络进行数据传输，具有建设成本低，部署快速灵活等特点，被广泛用于局域网本地通信中。但当节点数过多或传输数据量过高时，如每个节点单独将数据传到调控中心，将会给整个通信系统带来巨大的数据量，同时降低通信效率，甚至造成通信拥塞。为降低传输数据量，节省通信传输资源，提升电力线载波接入网络的传输能力，本文提出了基于最小生成树传输路径的电力线载波通信数据融合算法。将所提算法与未使用融合算法带来的数据量进行对比，证明了所提算法的有效性。关键词：电力线载波通信；最小生成树；数据融合中图分类号：TN915 文献标志码：Adoi：10.11805/TKYDA2021193A data fusion algorithm of power line carrier communication based on A data fusion algorithm of power line carrier communication based on minimum spanning tree routingminimum spanning tree routingSHEN Hongtao，LI Fei，SHI Lun，WANG Hongxi，GAO Bo(Marketing Service Center of State Grid Hebei Electric Power Co.，Ltd，Shijiazhuang Hebei 050000，China)AbstractAbstract：Power line carrier communication technology utilizes existing power transmission networks for data transmission,which has the characteristics of low construction cost,fast and flexible deployment,and is widely used in local communication in local area networks.However,when the number of nodes is too large or the acquisition frequency is too high,each node will transmit data to the root node alone,which will bring huge amount of data to the entire communication system,and reduce the communication efficiency,affecting the real-time monitoring of the photovoltaic system.For this reason,aiming at the huge amount of data generated in the process of power line carrier communication,a data fusion algorithm of power line carrier communication based on minimum spanning tree transmission path is proposed to reduce the amount of transmission data and save the communication transmission resources,thus enhancing the transmission capacity of power line carrier access network.Finally,the proposed algorithm is proved to be effective by comparing the amount of data brought about by the fusion algorithm and the non-fusion algorithm.KeywordsKeywords：power line carrier communication；minimum spanning tree；data fusion电力线载波通信技术利用现有的电力传输线为载波信号的传输媒介进行通信。在电力传输线输送工频电流的同时传送载波信号，因此具有建设成本低，部署快速灵活等特点，被广泛用于本地局域通信中。电力线载波通信中每个载波模块为一个通信节点，首先本地采集的信息通过电力线汇聚到主节点集中器，然后通过远程通信上送至主站1。随着物联网建设，系统对设备与设备通信的需求不断增加，并对设备状态感知采集频度不断增高，而高密度的节点间频繁的信息交互势必带来海量数据，从而消耗大量的载波通信资源。因此如何在网降低数据量并可靠高效地传输数据是整个电力线载波通信的核心问题。对此，本文提出基于在网数据融合的电力线载波通信最小生成树路由算法。通过建立最小生成树路由，并在路径汇聚节点处依照 DL/T 645-2007 规约的数据格式进行在网融合，实现对海量传输数据的有效压缩，节省了通信传输资源，提升了电力线载波接入网络传输能力。文章编号：2095-4980（2023）08-1002-05收稿日期：2021-05-10；修回日期：2021-06-05基金项目：国家电网河北省电力公司科技资助项目(kj2020-058)第 8 期申洪涛等：基于最小生成树路由的电力线载波通信数据融合算法1电力线载波通信的数据量分析与传统的窄带电力线载波通信不同，宽带电力线载波通信采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)通信编码技术，使信号在多个不同的频率上进行传送，进而提高频带利用率。OFDM 技术主要是将所用的频域分成上千个独立不同的正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输数据2。随着系统中接入的测量节点增多，需要对运行设备进行高频率采集时，大量的采集点单独进行数据传送势必产生较大的数据量，并且通过电力线载波传输时占用大量的通信信道，造成通信资源的浪费。因此减小通信的数据量，提高通信资源利用率成为重点研究方向。电力行业标准 DL/T645 规约中规定了电力线载波传输的帧格式，如图 1 所示。每帧数据由帧起始符、从站地址域、控制码、数据长度域、数据域、帧信息纵向校验码、帧结束符7 个域组成，每个域中又由若干个字节组成。读数据时：L200(L 为数据域的字节数)；写数据时：L50。实际用电信息采集系统中，抄读电能计量数据所占的字节数一般仅为 4 个字节，远小于预留的 50 个字节，未占满最大的数据域长度。每个节点单独上送计量信息，实际传输中包含大量空字节和重复帧(如地址域目标节点地址等)。当网络中存在大量节点和频繁信息交互时，将对通信资源稀缺的电力线载波造成浪费，降低网络性能。对于电力线载波通信传输正向有功总电能而言，一个独立节点向主节点传输的数据量为 16 个字节，其中包含帧起始符、从站地址域、帧起始符、控制码、数据长度域、数据域、帧信息纵向校验码、帧结束符。若网络中 100 个节点向主节点单独传输数据时，整个通信网络传输的数据量为 1 600 个字节，若采集的频率较高，则会使系统产生巨大的数据量。为解决该问题，本文将数据融合的概念引入到电力线载波通信中，在保证数据传输完整性的基础上，降低传输数据总量，有效降低整个网络中上送主节点时的通信量，提升网络传输性能。2基于电力线载波通信的数据融合应用与通信信息系统网络计算的传统数据融合模型为汇聚节点，收集所有连接节点的原始采集信息，并融合成一个数据包3。但该模型并未考虑融合节点数目和t0,t时间段内产生数据包个数，具有一定的局限性，不符合实际电力线载波通信的应用场景。因为在实际系统中，各节点采集不同实时信息，如光伏单元的有功和无功出力、瞬时电压和电流以及用户侧电能质量谐波信息等4，异构的原始数据是否能被完全压缩成一个数据包需要根据实际数据情况而定。本文改进该模型，建立更一般的信息融合模型，如图 2 所示。经过中继节点进行信息融合，则输出数据包的个数与输入数据包个数映射关系为：-X=i=1nmi(xi-c i)+c(1)式中：n 为融合节点所关联的采集节点个数；c 为过顶传输数据，根据融合类型(有损融合和无损融合)不同取值，也包括必要报文头和校验；(xi-ci)为输入数据包的信息段长度，xi为第 i 个数据包的总长度，ci为第 i 个数据包的过顶传输数据长度；mi为数据压缩率，mi取值由需要融合数据的熵(entropy)值确定3-4。因信息融合并不增加每个输入数据包负荷，通常情况下 mi1，此处中继节点可为单个节点或为某节点簇。定义：当信号源的概念扩展为一组随机事件的集合，即信息源，则信息熵可描述该随机事件集合的某种不确定性。frame header core data frame end data frame length of 16 bytes 0 7 71 72 127 8-bit framestart marker 48-bitaddress field 8-bit framestart marker 8-bitcontrol code40-bit data field 8-bitcheck code 8-bitend marker 72-bit header marker 8-bit datalength field L 32-bitdata field 16-bit end marker Fig.1 Frame format of power line carrier图1 电力线载波的帧格式1003太赫兹科学与电子信息学报第 21 卷凡是导致随机事件集合的确定性、组织性、法则性或有序性等增加或减少的活动过程，都能够用信息熵的改变量来度量。依照该数据融合模型，电力线载波通信在融合节点处输出的总字节长度为：X(xi)=(i=1nxi)+s+a(2)式中：xi为每个独立节点的数据和地址所占的总字节数；s 为融合节点数据和地址所占的总字节数；a 为数据帧固定格式所占的字节数。在写数据时，若所占用的字节数满足式(3)，则可以将 n 个节点的数据和地址融合到融合节点处进行数据融合传输。i=1nxi+s50(3)不等式右侧的 50 是由 DL/T645 规约中规定的电力线载波传输帧格式中数据域字节数 L50 决定的。当所要上传的独立节点数据和地址字节数为 xi个字节时，则可以融合 n 个载波模块的数据。n=50-sxi(4)数据融合模型在融合节点处收集下属所有节点的数据信息，并在本地通过拆包/和包操作将核心信息融合5-6。每个独立节点的数据融合到融合节点处进行集中传输，每个独立节点都有自己的地址域和数据域，其中地址域占6个字节，数据域所占的字节数取决于所采集的信息类型，一般为4个字节。图3为融合节点处传输的数据帧格式。对数据融合效率进行分析：假设区域内包含 100 个采集节点。若每个节点单独将数据传到主节点，如前文所述，整个通信系统传输的数据量为 1 600 个字节。应用本文提出的数据融合方法进行传输时，每个独立节点的数据和地址共占 10 个字节，一个融合节点最多能融合就近的 4 个下属子节点，因此系统中有 20 个融合节点将融合数据传到主节点处，故整个通信系统要上传的数据量可实现最小值为 1 100 字节，数据量较未使用融合方法，降低至原来的 68.75%。3基于数据融合的最小生成树路由算法由上文数据融合模型可知，有效的树状网络逻辑结构是保证数据融合效率的关键因素。因此研究并设计了面向数据融合的最小生成树路由算法。extract network layer extract extract convergence criteria entropy 网络层 fusionbuffer poolX=mi(xi-ci)+cni=1Fig.2 Network information fusion model of ubiquitous industrial sensors图2 泛在工业传感器网络信息融合模型8-bit frame start marker frame header 80-bit address field and data field 8 bit check code core data maximum data frame length of 55 bytes 0 8 bit end marker 48 bit address field 32-bit data field 24-bit header marker 16 bit end marker 8-bit control code 80-bit address field and data field 48-bit address field 32 bit data field 23 24 439 424 8-bit data length field -frame end Fig.3 Frame format at the fusion node图3 融合节点处的帧格式1004第 8 期申洪涛等：基于最小生成树路由的电力线载波通信数据融合算法对包含 m 个通信节点的电力线载波网络，可表示为有向图 G(V,E)，其中V=M s为 m+1 个节点的集合，M 为 m 个通信节点的集合，s 为根节点，即集中器。每个通信节点都需要与根节点根据通信链路建立连接，而各个节点与根节点之间有多条传输路径，找到根节点与网络拓扑中每个节点的最短有效路径，将降低电力线载波通信传输过程中高频信号的衰减，提升传输成功率。因此该问题的数据建模即为建立 m 个通信节点到根节点 s 的最小生成树。给定网络 G=(V,E,W)，W 为链路上的传输权值集合，设 T=(V,E)为 G 的一个支撑树，E 为组成该支撑树的链路集合，显然 E E，令w(T)=eEw(e)(5)表示 T 的权。G 中权最小生成树就是使 w(T)最小的连通树7。寻找最小生产树的算法步骤为：Stepl：设 v 为顶点集 V 的任一顶点，令 S0=v，E0=，k=0；其中 E0为初始最小生产树中链路的集合，k 为当前执行的轮数。Step2：若 Sk=V，算法停止，以 Sk为顶点集，Ek为边集的图即是 G 的最小生成树；否则执行 Step3；Step3：构造Sk,S，若Sk,S=，则 G 不连通，算法停止；否则，设 w(ek)=minw(e)|eSk,S，ek=vkvk，vkSk，令 Sk=Skvk，Ek=Ekek，置 k=k+1，跳转至 Step2。由数据融合在通信网传输模型可知，当网络建立最小生成树时，能够实现网络中各节点向主节点传输，并在每个融合节点上实现一次数据融合。在电力线载波通信传送信息的过程中，由于主站所采集的数据先被调制到高频载波中，而高频信号的衰减程度与导线的距离有关，因此在构造最小生成树时，取 2 个通信节点间的距离作为各条边的权值，通过上述步骤将通信网络中的各个通信节点连接起来，建立一个最小生成树8。然后各个节点的采集数据将最大程度融合到相邻的融合节点处，最后各个融合节点将根据最小生成树建立的最优路径传输到主节点，实现低数据量、高信噪比的有效网络传输。4算法性能分析基于低压配用电系统中包含的三相和单相 2 种供电方式，本文电力线载波仿真用例也采用这两类拓扑结构。将本文提出的基于最小生成树路由的电力线载波通信数据融合算法与无数据融合传输方法，分别在三相连接和单相连接 2 种情况下的数据传输量进行对比，验证本文所提算法的性能。对于单相连接方式，所有节点都连接在同一相上，则网络中所有节点都可以与本相的其他节点进行数据融合。使用融合与未融合传输的总传输数据量对比如图 4 所示，从图中可以看出，使用本文提出的数据融合方法传输数据时产生的数据量比未使用融合方法少，且随着采集节点数的增加，消减比例明显。当采集点位为 400 个时，数据减少量达到 34.67%。在三相供电中，考虑 A、B、C 三相供电平衡，因此，连接采集节点平均分布在每一相上，据此，统计 2 种方法所传输的数据量如图 5 所示。从图中可以看出，对于同样的网络规模，将网络中的节点平均分布在三相上，能够减少每相中电力线载波通信产生的数据量。在同样的 400 个节点情况下，每项仅有 133 个节点，数据总量小于(2.25103)bytes。使用本文提出的基于最小生成树路由的电力线载波通信数据融合算法较未使用融合算法相比，载波通信的数据量明显降低，在仿真实验最大网络规模场景下，传输数据量减少 30.89%。traditional method data fusion method 50 100 150 200 250 300 350 400 number of nodes 8 000 6 000 4 000 2 000 0 total system data volume/byteFig.4 Data volume of single-phase connection 图4 单相拓扑连接的传输数据量对比data fusion method traditional method 17 33 50 67 83 100 117 133 number of nodes 2 500 2 000 1 500 1 000 500 0 total system data volume/byte Fig.5 Data volume of three-phase connection图5 三相拓扑连接的传输数据量对比1005太赫兹科学与电子信息学报第 21 卷5结论本文将数据融合概念引入电力线载波通信方式中，并构建了基于最小生成树的传输路由算法，实现了数据在网络传输中的多级融合压缩。通过仿真实验分析，验证了本文提出的方法能够有效减少网络中的通信量，节省载波带宽，提高电力线载波通信的传输效率和网络性能。参考文献：1 杨挺,刘佳林,张亚健,等.电力线载波通信时频混合降噪方法J.电网技术,2018,42(10):3153-3160.(YANG Ting,LIU Jialin,ZHANG Yajian,et al.Noise reduction method for LV power line carrier communicationJ.Power System Technology,2018,42(10):3153-3160.)2 郑建宏,邓湛.一种抗脉冲噪声的宽带电力线通信系统信道估计算法J.重庆邮电大学学报(自然科学版),2019,31(1):44-49.(ZHENG Jianhong,DENG Zhan.A channel estimation algorithm for impulse noise suppression in WB-PLC systemJ.Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications(Natural Science Edition),2019,31(1):44-49.)3 张聚伟,王宇,杨挺.基于数据融合的有向传感器网络全覆盖部署J.传感技术学报,2017,30(1):139-145.(ZHANG Juwei,WANG Yu,YANG Ting.Full coverage deployment algorithm of directional sensor network based on data fusionJ.Chinese Journal of Sensors and Actuators,2017,30(1):139-145.)4 郎国伟,周东方,胡涛,等.基于D-S证据理论的故障诊断方法J.太赫兹科学与电子信息学报,2017,15(3):465-468.(LANG Guowei,ZHOU Dongfang,HU Tao,et al.Fault diagnosis method based on the D-S evidence theoryJ.Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology,2017,15(3):465-468.)5 EHATISHAM-UL-HAQ M,JAVED A,AZAM M A,et al.Robust human activity recognition using multimodal feature-level fusionJ.IEEE Access,2019,7(5):60736-60751.6 PAI Huangta,HAN Yunghsiang.Power-efficient direct-voting assurance for data fusion in wireless sensor networksJ.IEEE Transactions on Computers,2008,57(2):261-273.7 ARKADIUSZ B.Improving quality of adaptive video by traffic prediction with(F)ARIMA modelsJ.Journal of Communications and Networks,2017,19(5):521-530.8 廖福保,张文梅.基于最小生成树的非均匀分簇路由协议J.传感技术学报,2017,30(9):1412-1416.(LIAO Fubao,ZHANG Wenmei.Uneven clustering routing protocol based on minimum spanning treeJ.Chinese Journal of Sensors and Actuators,2017,30(9):1412-1416.)作者简介：申洪涛(1969-)，男，学士，教授级高级工程师，从 事 电 力 系 统 及 电 力 计 量 技 术 工 作.email:.李 飞(1982-)，男，硕士，高级工程师，从事电力计量技术工作.史 轮(1972-)，男，学士，教授级高级工程师，从事电力计量技术工作.王鸿玺(1986-)，男，硕士，高级工程师，从事电力计量技术工作.高 波(1989-)，男，硕士，工程师，从事电力计量技术工作.1006