Güç hattı iletişim erişim ağı için akıllı şebeke fırsatçı yönlendirme
Tang Yuan 1, Jiang Ye 1, Huang Hanhua 1, Sun Kang 2
(1. Guangxi Power Grid Corporation Elektrik Güç Dağıtım Kontrol Merkezi, Nanning, Guangxi 530022; 2. Ağ ve Anahtarlama Teknolojisi Eyalet Anahtar Laboratuvarı, Pekin Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, Pekin 100876)
Son yıllarda, Power Line Communication (PLC'ler), akıllı şebeke araştırması alanında yaygın olarak ortaya çıkmıştır.Güç sistemi için iletişim kapasitesi sağlamak için uygun bir gönderim yöntemi kullanabilir. Güç hattı iletişim erişim ağı (PLC-AN), esas olarak AC trafo merkezi ile kullanıcı arasındaki sinyali kontrol etmek ve ev hizmetine İnternet erişimi sağlamak için kullanılır. Güç Hattı İletişim erişim ağında (PLC-AN) Fırsatçı Yönlendirme (OR) kullanmanın fizibilitesini analiz ettikten sonra, güç hattı iletişim erişim ağına dayalı bir akıllı şebeke fırsatçı yönlendirme önerilmiş ve tasarlanmıştır ( PLC-OR) ve ayrıca saniyede biti maksimize etme sorununu çözmek için dağıtılmış bir yöntem kullanır. Simülasyon sonuçları, PLC-OR'nin, mesaj iletiminin aynı güvenilirliğini elde ederken geleneksel sürekli yönlendirmeye kıyasla veri paketlerinin iletim süresini azalttığını göstermektedir.
Erişim ağı; dar bant PLC; fırsatçı yönlendirme; güç hattı iletişimi; akıllı şebeke
TN919
Belge tanımlama kodu: Bir
10.16157 / j.issn.0258-7998.2016.12.034
Çince alıntı biçimi: Tang Yuan, Jiang Ye, Huang Hanhua ve diğerleri.Elektrik hattı iletişim erişim ağı için akıllı şebeke fırsatçı yönlendirme Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2016, 42 (12): 130-133, 138.
İngilizce alıntı biçimi: Tang Yuan, Jiang Ye, Huang Hanhua, et al.Akıllı şebekede fırsat yönlendirmesine dayalı güç hattı iletişim erişim ağı. Application of Electronic Technique, 2016, 42 (12): 130-133, 138.
0 Önsöz
Akıllı şebeke, son yıllarda enerji teknolojisi ve bilgi ve iletişim teknolojisi ile güncellenen bir şebekeyi ifade eder. Gelişmiş bilgi, kontrol ve iletişim teknolojileri sayesinde akıllı şebekeler, elektronik izleme, izleme, kendi kendini iyileştirme, teşhis ve altyapının otomatik ölçümü (Gelişmiş Ölçüm Altyapısı, AMI) gibi akıllı işlevleri gerçekleştirebilir ve bazıları gerçek zamanlı. Hızlı ve güvenilir veri iletimini sağlamak için akıllı şebekeler çeşitli iletişim teknolojileri kullanır. Güç hatlarının her yerde bulunmasından dolayı, Güç Hattı İletişimi (PLC) diğer iletişim teknolojilerine göre daha fazla avantaja sahiptir.
PLC, erişim ağında (Erişim Ağı, AN) isteğe bağlı bir ağ teknolojisidir.Bir OG / AG dağıtım ağı geniş bir alanı kapsadığından ve bir paketin iletiminde birden fazla ara düğüm bulunduğundan, güç hattı İletişim erişim ağının (PLC-AN) bir yönlendirme işlevine sahip olması gerekir. Ek olarak, güç hattı kanallarının özellikleri kablosuzdan farklıdır ve basitçe geleneksel yönlendirme şemalarını benimsemek, güç hattı ağının performansını en üst düzeye çıkaramaz.Bu nedenle, PLC için güç hattı özelliklerine göre özel bir yönlendirme protokolü tasarlanmalıdır. PLC kanalındaki sinyal zayıflaması, şube ağ topolojisindeki sinyal yansımasından ve her kapasitör bankası ve OG / AG transformatöründeki sinyal zayıflamasından kaynaklanmaktadır. Ayrıca kablosuz kanal ve PLC'nin gürültü karakteristikleri de farklıdır PLC kanalındaki gürültü renkli arka plan gürültüsü, dar bantlı girişim, senkron ve asenkron darbe gürültüsü olarak modellenebilir. Elektrik şebekesindeki YG, OG ve AG Şekil 1'de gösterilmektedir.
Son zamanlarda, birçok bilim insanı kendilerini PLC-AN'daki yönlendirme işlevi araştırmalarına adadı. Üç bilim adamı, BUMILLER G, LAMPEL ve HRASNICA H, tüm düğümlerin ağdan aynı bilgiyi alması gerektiğinde, flooding yönteminin etkili bir PLC-AN yönlendirme şeması olduğunu kanıtladı. Ancak gerçek şu ki, tüm otomasyon ağları ve akıllı şebeke cihazları, AMI, güç sistemi arıza tespiti ve noktadan noktaya iletişim gerektiren elektrikli araç şarj sistemleri gibi aynı gereksinimlere sahip değildir. Ek olarak, BIAGI M, Lampel ve GRECOL S araştırmalarında her bir güç cihazının konum bilgilerini toplayan, kablosuz yönlendirme şemaları uygulayan ve bunları genişleten, ancak birden fazla alıcının durumunu dikkate almayan bir coğrafi yönlendirme önerdi. Fırsatçı yönlendirme (Fırsatçı yönlendirme, OR), veri aktarımı için noktadan noktaya ve sensör ağlarında kablosuz ortamın yayın özelliklerini tam olarak kullanır ve ağ performansını iyileştirmek için umut verici bir yöntem haline gelmiştir. Güç hattındaki PLC sinyalinin penetrasyon özellikleri, OR'yi PLC-AN için iyi bir seçim haline getirir.
1 Fırsat Yönlendirmeye Genel Bakış
VEYA, birkaç komşu düğümün veriyi dinlemesini sağlamak için kablosuz ortamın yayın özelliklerini kullanabilir.Bir kullanıcı çerçeve verisini doğru bir şekilde aldığı ve ilettiği sürece, iletim devam edebilir Bu nedenle, VEYA ağın güvenilirliğini arttırır. Ek olarak, bir iletim görevinin aynı anda birden fazla atlama şansı vardır ve VEYA, toplam iletim miktarını azaltmaya yardımcı olur.
Bir iletim görevi, Şekil 2'de gösterildiği gibi, geleneksel sürekli yönlendirme ve OR iletiminin ideal süreci ve hedefe ulaşan ortalama iletim görevi miktarı aracılığıyla hesaplanır. Bu örnekte, bir aktarım görevinin birinci atlama düğümü tarafından doğru bir şekilde alınma olasılığının 0,5 ve ikinci atlama düğümü tarafından doğru şekilde alınma olasılığının 0,2 olduğunu varsayalım. Sürekli yönlendirmede, bir sıçrama mesafesini geçen her bir iletim görevinin başarı olasılığı 0.5 olduğundan, beklenen ilerleme 0.5'dir Hedefe ulaşmak için bir veri paketinin dört atlamayı geçmesi gerekir, bu nedenle sürekli yönlendirmede ortalama 8 kez iletilmesi gerekir. OR'de, iki sekmeyi geçen bir iletim görevinin olasılığı 0,2'dir ve çapraz çift atlama başarısız olursa, bir sekmeyi geçme olasılığı 0,5'tir. Bu nedenle, OR'da bir iletimin beklenen ilerlemesi 0,8'dir, bu da her iletimi gerekli kılar Ortalama zaman sayısı azalır.
Bu hedeflere ulaşmak için temel konular şunlardır: yönlendirme setlerinin seçimi, öncelik belirleme, tekrarlanan iletimlerin önlenmesi ve bastırılması. Şekil 3, sürekli yönlendirme ve VEYA iletim sürecini göstermektedir. Bu örnekte, OR 3 iletim gerektirirken, geleneksel yol 5 iletim gerektirir.
2 Sistem modeli
2.1 Dar bant kanal modeli
Düşük voltaj hattındaki ortalama kanal zayıflaması denklem (1) ile verilmiştir:
2.2 Ağ modeli
Bir elektrik ağı, bir iletişim ağı grafiği ile temsil edilebilir: g = {, } burada ve sırasıyla köşe ve kenar kümeleridir. Kenar seti şu şekilde tanımlanır:
3 PLC-OR tasarımı
3.1 Varsayılan yol seçimi
Şekil 4, 37 düğümden oluşan bir topolojik yapıda kaynaktan hedefe belirli bir yolun nasıl seçileceğini göstermektedir. Bu topoloji, belirli bir eyalete ait gerçek bir güç dağıtım test besleyicisidir ve minimum mesafeyi hesaplamak ve tekrarlayıcı düğümlerini şansa göre yönlendirmek için Dijkstra algoritmasını kullanır. Bu örnekte, S ve d arasındaki yol boyunca 5 ara röle düğümü yerleştirilmiştir.
3.2 ACK tabanlı koordinasyon şeması
Şekil 5, PLC-OR koordinasyonunun belirli bir örneğini göstermektedir. Bu örnekte, birinci öncelikli düğüm veri çerçevesini başarılı bir şekilde almadı, ikinci ve üçüncü öncelikli düğümler ise başarıyla aldı. J. Röle düğümünde başarılı iletim Tj = Ttx + Tco + Tpo gerektirir; burada Ttx, Tco ve Tpo sırasıyla fiili zaman, PLC-OR koordinasyon gecikmesi ve CSMA / CD protokolünün ek yüküdür. Koordinasyon gecikmesi aşağıdaki formülle verilmektedir:
TRIFS ve Ts, sırasıyla RIFS zamanı ve algılama süresidir. Benzer şekilde, CSMA / CD protokolünün ek yükü şöyledir: Tpo = TCIFS + p, burada TCIFS ve , sırasıyla CIFS zamanı ve boşta zaman dilimleridir ve p, iletimden önce çok sayıda boşta kalma zaman aralığını tanımlamak için kullanılan rastgele bir değişkendir.
Geleneksel şemada, her bir iletim görevi için gereken süre Ttx + TRIFS + TACK + Tpo iken PLC-OR'de bir (n-1) Ts gereklidir. G3-PLC'nin gerçek parametrelerine göre, Kmax = 3 varsayılarak, geleneksel şema ve PLC-OR şeması ortalama olarak sırasıyla 97,82 ms ve 100,6 ms'dir, bu nedenle PLC-OR şeması her iletim görevi için% 3 daha fazla zaman harcar.
3.3 Hız, ton eşleme modeli ve iletim seti seçim algoritması
Varsayılan yol Dijkstra algoritması tarafından oluşturulduktan sonra, her düğüm i kendi iletim oranını Ri, ton eşleme modu Mi ve iletim düğüm seti Fi'yi seçmelidir. Bir bit.m / s maksimizasyon problemi tasarlayın, yani ulaşmaya çalışmam gereken her düğümün maksimum değeri:
L'nin bit cinsinden çerçeve uzunluğu olduğu durumda, Tout ve Tj, sırasıyla, tüm yönlendirme düğümleri çerçeveyi çözmede başarısız olduğunda orta tutma süresidir ve j'inci öncelikli düğüm çerçeveyi başarılı bir şekilde aldığında orta tutma süresidir. P'deki kontrol değişkenleri Ri ve Mi'dir ve p ve T, Ri ve Mi'deki değişikliklerle değiştiğinde, Fi de değişir.
Üç değişken ayrık değişkenler olduğundan, sorun ayrık bir kombinatoryal optimizasyon problemidir. P'deki olası kombinasyonların toplam sayısı J · 2M · PNK'dır, burada J ve M sırasıyla MCS seviyelerinin sayısı ve alt kanalların sayısıdır ve N ve K, sırasıyla Ni ve Fi boyutlarıdır. Fi sıralı bir küme olduğundan, olası kombinasyon sayısı CNK yerine PNK'dır. Arama alanını azaltmak için bir dal ve sınır algoritması kullanılır.
Formüldeki pay Beklenen Paket Adımlama'dır (EPA) EPA, öncelik kuralları ve dahil etme özelliklerinin iki lemma'sını verir.
Lemma 1: İletim önceliği kuralı: Fi, Mi ve Ri öğeleri verildiğinde, iletim kümesi yalnızca hedefe daha yakın bir düğüm daha yüksek bir öncelik kazandığında tamamlanır.
4 Simülasyon deneyi
4.1 Deneysel senaryo
G3-PLC spesifikasyonunda, bir seferde iletilen maksimum veri miktarı 252'dir ve kanal algılama süresi iki maksimum miktardır. VCS'nin bir zaman sınırı olduğundan, maksimum iletim seti Kmax olarak tanımlanır Kmax = 3 olduğunda, üç yönlendirme düğümünün sıralanması için dört maksimum miktar gerekir, bu nedenle toplam maksimum veri hacmi 2486'dır. Üç modelde, iki bitişik düğüm arasındaki mesafe sırasıyla (1 km, 0.5 km), (1.5 km, 0.75 km) ve (2 km, 1 km) ortalama değerini ve normal dağılımın standart sapmasını takip eder. Üç yoğunluk modelinde iki bitişik düğüm arasındaki maksimum mesafe sırasıyla 2 km, 3 km ve 4 km'dir. Dar bantlı bir girişim olduğu varsayıldığında, ilgili alt kanalın SNR'si 10 dB azaltılır.
Bağlantının ortalama uzunluğu 1-22'dir ve hedef düğüm, diğer 122 düğüm arasından rastgele seçilir ve Dijkstra algoritması, her hedefin varsayılan yolunu seçmek için kullanılır. Alçak gerilim enerji hatları arasında 10 sürekli bina vardır ve bitişik iki bina arasındaki mesafe, ortalama değeri 90 m ve standart sapması 10 m olan standart bir normal dağılımı izler.
4.2 Performans sonuçları
Şekil 6 dar bant paraziti olan ve olmayan üç yoğunluklu modelde hedefe iletim süresini (saniye) göstermektedir.Bu modelde orta gerilim kanal modeli kullanılmıştır.Dar bant paraziti olmayan performans sonuçları Şekil 6 (a) 'da gösterilmektedir. Gösterildiği gibi; SPR, düşük yoğunluklu modelde hedefe ulaşmak için 8.86 sn sürüyor. Düğüm yoğunluğu düşük olduğunda, çoğu düğümün yalnızca bir alıcısı vardır Bu durumda, OR performansı çok iyi değildir SPR-ETX ve PLC-OR benzer işlevlere sahiptir. Bununla birlikte, ağ yoğunlaştığında, OR daha iyi performans gösterdiğinde, yani düşük, orta ve yüksek yoğunluklu modellerde PLC-OR'nin performans artışı, SPR-ETX'e göre sırasıyla% 4,4,% 10 ve% 17 daha yüksektir.
Şekil 6 (b), dar bant paraziti olmadığında SPR ve OR'nin performansını gösterir. Dar bantlı bir parazit olmadığında, PLC-OR ve SPR-ETX'in performans artışları hemen hemen aynı iken, SPR performansı tüm şemalar arasında en kötüsüdür. Diğer yönlendirme şemalarının performans artışı, SPR'ninkinden yaklaşık% 50 daha yüksektir ve PLC-OR ve SPR aynı güvenilirlik düzeyine ulaştığında genel iletim süresi azalır.
EEE123 düğümündeki besleyici ağını test etmenin sonuçlarını elde etmek için, bu makale 10.000 simülasyon deneyi gerçekleştirdi ve ortalama sonuçlar Şekil 7'de gösterildi. IEEE-123-NBD durumunda, akıllı şebekede dar bant paraziti olasılığının 0,2 olduğunu varsayalım. Parazit giderme şeması yoksa, dar bantlı parazit varlığında OR'nin performansı zayıf olurken, PLC-OR'nin performansı SPR ve SPR-ETX'ten sırasıyla% 60 ve% 8 daha yüksek, çok iyidir. Bağlantı topolojisi ile karşılaştırıldığında, OG / AG dağıtım ağında önerilen PLC-OR'nin performansı iyileştirilmiştir.
5 Gelecek çalışma
Bir sonraki adım, ameliyathane ve işbirliğine dayalı iletim teknolojisini birleştirmektir. İşbirlikli iletimde, işlem hacmi ve güvenilirliği sağlamak için, birkaç düğüm aynı anda bir paketi iletebilir.Yönlendirme düğümlerinin merkezi iletimi uygun şekilde kontrol edilirse, OR ve işbirliğine dayalı iletim kombinasyonu daha iyi performans elde edecektir. PLN-AN'ın bir başka uzantısı, ağ kodlamasının ağ ara bağlantı koşullarını çözmek için kullanılabilmesidir.
Referanslar
HLEDIK R. Akıllı şebeke ne kadar yeşil? The Electricity Journal. 2009, 22 (3): 29-41.
Keonkook Lee, Chan-Byoung Chae, Tae-Kyung Sung ve diğerleri.Kablosuz yerel alan ağlarıyla bir arada var olmak için bilişsel ışın biçimlendirme tabanlı akıllı ölçüm. Journal of Communications and Networks, 2012, 14 (6): 619-628.
SAPUTROA N, AKKayaa K, ULUDAGB S.A akıllı şebeke iletişimi için yönlendirme protokollerinin bir araştırması. Bilgisayar Ağları, 2012, 56 (11): 2742-2771.
GALLI S, SCAGLIONE A, Wang Zhifang, ve diğerleri Şebeke ve şebeke için: Akıllı şebekede güç hattı iletişiminin rolü. IEEE'nin Bildirileri, 2011, 99 (6): 998-1027.
Razazian Kaveh, Kamalizad Amir, Umari Maher, ve diğerleri ABD dağıtım şebekesinde G3-PLC saha denemeleri: İlk sonuçlar ve gereksinimler. 2011 IEEE Uluslararası Güç Hattı İletişimi ve Uygulamaları Sempozyumu, 2011: 153-158.
Bumiller Gerd. Dar bantlı OG ve AG güç hatları için otomatik kanal ve performans ölçümleri. 2007 IEEE Uluslararası Enerji Hattı İletişimi ve Uygulamaları Sempozyumu. 2007: 41-46.
Bumiller Gerd. Büyük ölçekli kontrol ve otomasyon sistemleri için güç hattı iletişim ağları IEEE Communications Magazine, 2010, 48 (4): 106-113.
