用于有源配电台区的无线/电力线多模态多节点通信系统与方法

技术领域

本发明属于电力信息通信技术领域，涉及一种多模态多节点通信系统与方法，尤其是一种用于有源配电台区的无线/电力线多模态多节点通信系统与方法。

背景技术

随着分布式电源技术的飞速发展以及整县(市、区)屋顶分布式光伏建设等政策的推进，配电台区有源化的特征日趋显著。海量分布式光伏的接入，对配电网特别是配电台区的运行控制造成了严峻的技术挑战。因此，提高配电台区的可观、可控性，是解决上述挑战的首要任务。

然而，配电台区线路分布范围广，接入的分布式电源单点容量小，但数量众多。如果采用传统配电网中铺设光纤专网方式去建设覆盖配电台区的通信网络，则付出的经济和人力成本巨大。因此，针对配电台区的具体特点，研究面向有源配电台区的通信技术，对保障有源配电台区的安全、可靠与经济运行具有重要意义。

目前，传统的用于有源配电台区的通信系统与方法，存在如下缺陷和不足：

通信模式相对固定，通常使用单纯的无线通信模式、电力线通信模式或者无线/电力线混合通信模式，通信可靠性不足且不具有节点选择功能。无法根据环境和需求的变化，选择最优通信链路，造成通信资源的浪费和不足。

因此，本发明提出了一种用于有源配电台区的无线/电力线多模态多节点通信系统与方法，能够克服上述缺陷和不足。

经检索，未发现与本发明相同或相似的现有技术中的文献。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种用于有源配电台区的无线/电力线多模态多节点通信系统与方法，能够解决通信模式单一、通信链路固定、通信资源分配调用不良等技术问题。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种用于有源配电台区的无线/电力线多模态多节点通信系统，为多个通信节点构成的通信网络，包括：智慧路灯、光伏发电设备、智慧储能设备的多个电力设备节点，每个电力设备节点之间彼此通过总线连接，且每个电力设备节点都具备无线通信设备。

而且，所述电力设备节点均包括：无线通信模块、电力线通信PLC模块，以及最大比合并MRC通信模块，用于采用多模态链路选择算法选择最优通信路径。

一种用于有源配电台区的无线/电力线多模态多节点通信方法，包括以下步骤：

步骤1、基于所构建的多模态多节点通信系统，分析其链路性能，建立链路的复合性能指标函数；

步骤2、基于步骤1建立的链路的复合性能指标函数，运行智能链路加速选择算法，选择各节点的最优通信链路。

而且，所述步骤1的具体步骤包括：

步骤1.1建立无线信道和PLC信道模型，并计算两种信道的信噪比；

步骤1.2对最大比合并MRC等价信道进行分析，结合实际通信系统数据，对最大比合并MRC等价信道参数进行优化；

步骤1.3引入电量系数指标；

步骤1.4建立链路的复合性能指标函数；

而且，所述步骤1.1无线信道和PLC信道模型的具体数学表达方式如下：

其中，y

两种信道的信噪比计算方法是：

其中，h为信道矩阵，z为噪声矩阵，||·||为2范数。

结合实际有源配电台区领域通信需求，无线通信或者PLC通信都采用BPSK或者QPSK调制方式，单一通信模式的信道误码率为：

而且，所述步骤1.2的具体步骤包括：

(1)对MRC等价信道进行分析，采用基于MRC的信号接受技术，将所有接收到的信号进行相位和幅度的加权组合，以最大化信号的信噪比SNR；

(2)将其等价信道可以近似表示为：

其中，

在此基础上，基于MRC技术的误码率可以表示为：

其中，函数a(t)为：

其中，Q(·)为Q函数，γ′

(3)结合实际通信系统数据，对等价信道参数进行优化。

而且，所述步骤1.3的具体方法为：

引入电量系数指标，具体表示为：

f

其中，B为通信设备的电量充足性参数；如果设备是电池供电则为设备的电量值，在0和1之间；当设备有稳定持续电力供应，B恒为1；当采用无线信道或者PLC信道时刻Φ＝5，当采用MRC技术时刻Φ＝10。

而且，所述步骤1.4的具体方法为：

建立链路的复合性能指标函数，具体表示为链路可靠性指标，链路电力损耗指标和链路节点使用数目：

其中，W1为通信可靠性权重，W2为电量指标权重，W3为链路节点有效性权重。

而且，所述步骤2的具体步骤包括：

步骤2.1初始点评定：基于步骤1中的所建立链路的复合性能指标函数，给定有源配电台区中的多个初始节点，以及各个节点不同通信模式的进行性能指标评估，具体包括评估每个节点三种不同模式下通信性能、电量性能和节点使用数目；

步骤2.2链路集初始化：对于有源配电台区中的起始节点，初始化一个路径列表为一个空集，并基于起始节点的通信方式，评估初始状态；

步骤2.3逐步迭代：从有源配电台区的K个起始节点开始，逐步迭代到终点节点，对于每个节点执行以下步骤：

步骤2.3.1复制路径列表：将当前的K个路径列表复制为K*K个子列表，这些子列表将用于在不同的通信方式选择下进行更新。

步骤2.3.2路径扩展：对于每个子列表，根据该节点的三种通信方式选择，扩展路径，形成新的路径列表；不同的通信方式可以等价为不同的子路径。

步骤2.3.3路径评估：对于每个新的路径列表，计算每个路径的评估值W(d)，根据评估值对路径列表进行排序，选出前若干个性能最优的路径。

步骤2.3.4路径剪枝：如果路径列表的数量超过预设的阈值，则对路径列表进行剪枝，保留前若干个性能最优的路径。即，K*K个子路径，由高到低进行选取，除了性能最优的K个子路径，进行保留，其余路径全部剪枝；

步骤2.3.5终止条件：当达到有源配电台区的终点节点时，算法终止，得到K个性能最优的子路径，这些路径代表了在智能链路加速选择算法中可能的通信链路。

步骤2.4输出：输出最优的路径，这个路径将作为链路选择算法的输出，输出至算法开始生成的路径列表中，确定有源配电台区中最优通信链路节点和每个节点的最优通信方式的选择，进而完成有源配电台区的多模态多节点通信。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明提出一种用于有源配电台区的无线/电力线多模态多节点通信系统与方法，针对有源配电台区系统的通信需求，在每个有通信需求的节点配备了两种主要通信方式：无线通信和电力线通信，两种通信方式为互补关系，可单一使用一种，也可以混合使用。

2、本发明为了充分发挥无线和电力通信的优势，提高有源配电台区系统的通信效率和可靠性，本发明提出一种自适应最优快速组网决策算法，该算法将综合考虑每个节点的数据量、通信速率、实时性需求以及电源充足性、通信接口类型、剩余电量等关键属性信息，并基于实际运行情况智能地选择最优的通信链路。

3、本发明通过动态调整通信方式，该算法将使得每个节点在不同场景下都能选择最优的通信方式，从而实现高效、稳定的通信和数据传输，进一步提升有源配电台区系统的整体性能和智能化管理水平，为有源配电台区系统的可持续发展和智能化应用提供强有力的技术支持。

附图说明

图1为本发明的多节点多模态有源配电台区通信系统结构图；

图2为本发明的多节点多模态有源配电台区通信系统原理图；

图3为本发明的无线信道和PLC信道独立运行的系统结构图；

图4为本发明的无线信道和PLC信道基于MRC技术运行的系统结构图；

图5为本发明的智能链路加速选择算法原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明针对有源配电台区系统的通信需求，在每个有通信需求的节点配备了两种主要通信方式：无线通信和电力线通信(PLC)。PLC通信则利用电力线路传输数据，适用于局域网内的高可靠性通信；而无线通信则具有灵活性和部署成本低的优势。因此需要根据各个节点所处的环境，动态调整通信方式，选择最优通信链路。

然而，对于每个节点而言，选择最优通信链路并非简单明了的任务。不同通信方式在不同场景下表现出不同的性能特点，例如，无线通信可能在信号受干扰时导致误码率增加，而PLC通信则容易受到电力线路噪声的影响。

此外，有源配电台区系统的拓扑结构和部分节点的位置可能动态发生变化，进一步导致通信链路质量的动态波动。

因此，为了充分发挥无线和PLC通信方式的优势，提高有源配电台区系统的通信效率和可靠性，本发明提出一种自适应最优快速组网决策算法，该算法将综合考虑每个节点的数据量、通信速率、实时性需求以及电源充足性、通信接口类型、剩余电量等关键属性信息，并基于实际运行情况智能地选择最优的通信链路。通过动态调整通信方式，该算法将使得每个节点在不同场景下都能选择最优的通信方式，从而实现高效、稳定的通信和数据传输，进一步提升有源配电台区系统的整体性能和智能化管理水平，为有源配电台区系统的可持续发展和智能化应用提供强有力的技术支持。

在本实施例中，图1为多节点多模态有源配电台区通信系统结构图，

一种用于有源配电台区的无线/电力线多模态多节点通信系统，为多个通信节点构成的通信网络，如图1所示，包括：智慧路灯、光伏发电设备、智慧储能设备的多个电力设备节点，每个电力设备节点之间彼此通过总线连接，且每个电力设备节点都具备无线通信设备。

所述电力设备节点均包括：无线通信(Wireless Communication，简称WC)模块、电力线通信(Power Line Communication，简称PLC)模块，以及最大比合并(Maximal RatioCombining，简称MRC)通信模块，用于采用多模态链路选择算法选择最优通信路径。

故而，每个电力设备节点包含两个通信模式，HPLC通信和无线通信。

为了便于理解，将图1转换为图2所示形式，多节点多模态有源配电台区通信系统原理图。左侧为通信发送端(智慧路灯、光伏发电系统等)，右侧为通信接收端(配电台区终端等)。为了实现通信发送端到通信接收端的通信，要选择最优链路，具体考虑包括通信速率、通信可靠性、设备储存电量等参数信息。

一种用于有源配电台区的无线/电力线多模态多节点通信方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、基于所构建的多模态多节点通信系统，分析其链路性能，建立链路的复合性能指标函数；

多模态通信系统链路性能指标分为两个组成部分，包括：

(1)链路通信性能指标：独立无线信道链路通信性能、独立PLC信道链路通信性能、无线/PLC混合信道(最大比合并MRC等价信道)通信性能；

(2)链路节点电量系数指标。

二者为并行关系，最终乘以对应权重，包含在复合性能指标函数中。

图3为无线信道链路和PLC信道链路独立运行的系统结构图，如图3所示，所述步骤1的具体步骤包括：

步骤1.1建立无线信道和PLC信道模型，并计算两种信道的信噪比；

所述步骤1.1无线信道和PLC信道模型的具体数学表达方式如下：

其中，y

两种信道的信噪比计算方法是：

其中，h为信道矩阵，z为噪声矩阵，||·||为2范数。

结合实际有源配电台区领域通信需求，无线通信或者PLC通信都采用BPSK或者QPSK调制方式，单一通信模式的信道误码率为：

步骤1.2对最大比合并MRC等价信道进行分析，结合实际通信系统数据，对最大比合并MRC等价信道参数进行优化，提高拟合度；

所述步骤1.2的具体步骤包括：

(1)对Maximal Ratio Combining(MRC)等价信道进行分析，采用基于MRC的信号接受技术，将所有接收到的信号进行相位和幅度的加权组合，以最大化信号的信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)，从而提高接收性能。

即无线通信和PLC通信接收到的信号的相位和幅度信息来进行加权，使得在合并后的信号中，较强的信号得到放大，从而增强信号的强度，同时抑制噪声和干扰。这样的加权组合可以最大化接收信号的SNR，提高信号的可靠性和性能。

图4为无线信道和PLC信道基于MRC技术运行的系统结构图，说明MRC等价信道的工作原理。

(2)将其等价信道可以近似表示为：

其中，

在此基础上，基于MRC技术的误码率可以表示为：

其中，函数a(t)为：

其中，Q(·)为Q函数，γ′

(3)结合实际通信系统数据，对等价信道参数进行优化，提高拟合度。

步骤1.3引入电量系数指标；

所述步骤1.3的具体方法为：

既是考虑通信成本，也是确保信号传输方向和节点使用效率。为了衡量每次通信所消耗的电量，确保在无稳定持续电源时刻不会损耗系统太多的电量，引入电量系数指标，具体表示为：

f

其中，B为通信设备的电量充足性参数；如果设备是电池供电则为设备的电量值，在0和1之间；当设备有稳定持续电力供应，B恒为1；当采用无线信道或者PLC信道时刻Φ＝5，当采用MRC技术时刻Φ＝10。

同时，电量系数确保算法不会为了降低信道误码率而调用过多额外的通信节点。

步骤1.4建立链路的复合性能指标函数；

所述步骤1.4的具体方法为：

建立链路的复合性能指标函数，具体表示为链路可靠性指标(误码率)，链路电力损耗指标(电量)和链路节点(通信链路上包含的节点)使用数目：

其中，W1为通信可靠性权重，W2为电量指标权重，W3为链路节点有效性权重。

步骤1.4中介绍了复合性能指标函数，包含1.1-1.2中介绍的通信性能指标和1.3中的节点电量指标以及可使用节点数目，最终乘以通信可靠性权重、电量指标权重和链路节点有效性权重，合并称为复合性能指标函数。

步骤2、基于步骤1建立的链路的复合性能指标函数，运行智能链路加速选择算法，选择各节点的最优通信链路；

在有源配电台区通信中，本发明提出一种智能链路加速选择算法，以优化通信性能和链路选择策略。

假设在有源配电台区通信中，每个节点有三种通信方式选择(无线通信、PLC通信、无线/PLC混合通信)。

为了衡量一条链路的性能，本发明使用复合性能指标函数C

所述步骤2的具体步骤包括：

步骤2.1初始点评定：基于步骤1中的所建立链路的复合性能指标函数，给定有源配电台区中的多个初始节点，以及各个节点不同通信模式的进行性能指标评估。具体包括评估每个节点三种不同模式下通信性能、电量性能和节点使用数目；

步骤2.2链路集初始化：对于有源配电台区中的起始节点，初始化一个路径列表(Path List)为一个空集，并基于起始节点的通信方式，评估初始状态；

在本实施例中，具体表现为，针对初始发送端周围的节点进行评估，最终选择性能最好的K个点作为候选点。如图5所示，第一行为具有通信需求的通信方，第二行为初始节点(即第一个节点)，此图仅以两个节点来指代K个节点。

步骤2.3逐步迭代：从有源配电台区的K个起始节点开始，逐步迭代到终点节点，对于每个节点执行以下步骤：

步骤2.3.1复制路径列表：将当前的K个路径列表复制为K*K个子列表，这些子列表将用于在不同的通信方式选择下进行更新。

步骤2.3.2路径扩展：对于每个子列表，根据该节点的三种通信方式选择，扩展路径，形成新的路径列表；不同的通信方式可以等价为不同的子路径。

在本实施例中，具体来说，三种通信模式就是三种子路径。两个节点三种通信模式，就是六个子路径。

步骤2.3.3路径评估：对于每个新的路径列表，计算每个路径的评估值W(d)，根据评估值对路径列表进行排序，选出前若干个性能最优的路径。

即K个初始节点，再次评估各自周围K个子路径的性能指标，最终生成K*K个子路径列表。最终评估K*K个子路径列表中，并且按照最终性能指标由高到低进行排序。

步骤2.3.4路径剪枝：如果路径列表的数量超过预设的阈值(例如，本次算法中以K进行指代)，则对路径列表进行剪枝，保留前若干个性能最优的路径。即，K*K个子路径，由高到低进行选取，除了性能最优的K个子路径，进行保留，其余路径全部剪枝。

步骤2.3.5终止条件：当达到有源配电台区的终点节点时，算法终止，得到K个性能最优的子路径，这些路径代表了在智能链路加速选择算法中可能的通信链路。

步骤2.4输出：输出最优的路径，这个路径将作为链路选择算法的输出，输出至算法开始生成的路径列表中，确定有源配电台区中最优通信链路节点和每个节点的最优通信方式的选择，进而完成有源配电台区的多模态多节点通信。

下面通过具体算例对本发明作进一步说明：

基于图5，对本发明提出的算法进行详细介绍。

(1)图5中的第二行为步骤2.1、2.2中选定的初始节点(此处仅以两个节点指代K个节点)；

(2)假设，K个初始节点周围有多个节点可以进行通信，进行通信列表复制和链路扩展，即步骤2.3.1和2.3.2；图中以两个节点，指代K个初始节点周围多个节点的多个通信子路径；

(3)基于所提出的复合性能指标函数，对K个初始节点相邻的K多个通信子路径进行性能评估，即步骤2.3.3。图中以第三行每个初始节点下的两个节点，指代K个子路径。节点上的数值指代复合性能指标函数的输出值；

(4)选取K*K个子路径中最好的K个路径，作为保留。参考步骤2.3.4，图中采用的K为2，即保留两条好的子路径继续迭代。

(5)继续进行迭代，如图第四行所示，在多个可选节点中选取两个最好的节点。直到达到最终通信目标，即达到步骤2.3.5，此时会有K个好的路径供选择。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。