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光伏系統(tǒng)測(cè)量體系G3- PLC通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2017-2-6 來源：合肥工業(yè)大學(xué) 作者：李林曹軍陶維青

摘要：對(duì)適合光伏測(cè)量體系的通信技術(shù)展開研究，基于G3一PLC技術(shù)給出光伏測(cè)量體系通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通信終端硬件采用MCU控制載波模塊來實(shí)現(xiàn)，通過交直流耦合單元實(shí)現(xiàn)不同電力線上的數(shù)據(jù)互通，分析通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，互操作性，高速性和安全性，基于樓頂10 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)直流電力線和樓內(nèi)插座交流電力線環(huán)境布置通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，各通信節(jié)點(diǎn)均可通過安全認(rèn)證加入網(wǎng)絡(luò)，mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜妥赃m應(yīng)動(dòng)態(tài)路由技術(shù)能夠確保網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)通信速率可達(dá)64 kbps．

關(guān)鍵詞：光伏測(cè)量；G3—PLc；通信網(wǎng)絡(luò)；動(dòng)態(tài)路由

1.引言

當(dāng)前能源短缺和環(huán)境污染日益嚴(yán)重，具有可持續(xù)發(fā)展的清潔可再生能源在世界范圍內(nèi)得到越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。光伏發(fā)電作為其中一種，以其取值不盡、用之不竭、廉價(jià)無污染的特點(diǎn)，使其有著其他新能源發(fā)電無法比擬的優(yōu)勢(shì)，然而受光資源時(shí)間分布不均衡和氣象變化的影響，光伏電源的輸出具有隨機(jī)|生、波動(dòng)性和間歇性的特點(diǎn)，導(dǎo)致其可調(diào)可控性較差，這種特點(diǎn)對(duì)智能電網(wǎng)將產(chǎn)生很大影響，涉及電力平衡、電能質(zhì)量、保護(hù)配置、供電可靠、發(fā)電規(guī)劃和調(diào)度運(yùn)行等多方面。目前，針對(duì)光伏電源合理接人智能電網(wǎng)的技術(shù)研究主要集中在分析影響和對(duì)應(yīng)的解決方法上舊J，而作為實(shí)現(xiàn)這些功能的載體通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究較少，主要包含RS485總線，無線和電力線載波3種方式，每種方式的特點(diǎn)和研究如下：

RS485總線實(shí)現(xiàn)的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡(jiǎn)單成熟，期刊論文中很少有專門針對(duì)其研究的，技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是傳輸速率高和網(wǎng)絡(luò)可靠性較強(qiáng)，缺點(diǎn)是需要專門布置通信線，在大面積光伏發(fā)電系統(tǒng)中將帶來的成本和維護(hù)壓力。

無線方面，當(dāng)前文獻(xiàn)主要研究不同無線方式組成的光伏通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，文獻(xiàn)[3]提出一種基于Zig—Bee方式構(gòu)建光伏系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，受該無線技術(shù)穿透陛弱的影響，通信子節(jié)點(diǎn)只監(jiān)測(cè)到逆變器組件，未監(jiān)測(cè)其他組件，通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較小。文獻(xiàn)[4]提出了一種以GSM方式實(shí)現(xiàn)的通信網(wǎng)絡(luò)，有效避免其他無線方式穿透性弱，通信節(jié)點(diǎn)安裝位置有特定要求的缺點(diǎn)，但考慮到其通信過程中所產(chǎn)生的大量流量費(fèi)用，實(shí)際應(yīng)用性不強(qiáng)。文獻(xiàn)[5]從光伏系統(tǒng)中無線通信節(jié)點(diǎn)位置部署角度提出了兩種部署算法，從理論算法角度提高無線通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，但位置點(diǎn)設(shè)計(jì)過于理想化，光伏組件實(shí)際不太可能按照該部署進(jìn)行安裝。

電力線載波方面，文獻(xiàn)主要針對(duì)不同調(diào)制方式下光伏PLC通信技術(shù)展開研究，文獻(xiàn)[6-7]分別提出了基于8-PSK和ASK的調(diào)制方式的光伏PLC通信網(wǎng)絡(luò)，利用系統(tǒng)內(nèi)直流電力線傳輸數(shù)據(jù)，不必考慮通信節(jié)點(diǎn)安裝位置，具有無需額外布線和維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，但二者均未解決在這些調(diào)制方式下存在的傳輸速率低，抗干擾性差的缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[8-9]則提出基于FSK調(diào)制方式的光伏系統(tǒng)通信架構(gòu)，基于單頻點(diǎn)調(diào)制傳輸?shù)姆绞?，同樣存在傳輸速率低且組網(wǎng)能力差的技術(shù)缺點(diǎn)。

綜合以上文獻(xiàn)的研究可知，當(dāng)前光伏通信網(wǎng)絡(luò)雖然具有不同技術(shù)解決方案，但是每種解決方案均存在其對(duì)應(yīng)的技術(shù)缺點(diǎn)，總線技術(shù)通信組網(wǎng)需額外布線，無線技術(shù)穿透性弱，節(jié)點(diǎn)位置選擇性強(qiáng)，電力線載波的低速率、不穩(wěn)定等，使它們形成的通信網(wǎng)絡(luò)均無法支撐當(dāng)前智能電網(wǎng)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)管理預(yù)測(cè)調(diào)控的技術(shù)需求。

OFDM高速窄帶電力線載波技術(shù)的發(fā)展¨.，克服了當(dāng)前載波技術(shù)的抗干擾性差，速度低的缺點(diǎn)，本文將該技術(shù)引入到光伏通信網(wǎng)絡(luò)中，解決上面通信技術(shù)中出現(xiàn)的額外布線、穿透性弱、位置選擇性強(qiáng)等缺點(diǎn)，基于G3一PLC技術(shù)給出適合光伏測(cè)量體系通信技術(shù)需求的接人終端和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，研究分析通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性、互操作性、高速性和安全性，結(jié)合mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛣?dòng)態(tài)自適應(yīng)組網(wǎng)技術(shù)，搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行組網(wǎng)測(cè)試，建立符合智能電網(wǎng)建設(shè)需求的光伏測(cè)量系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)。

2.系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案

2．1 G3J．LC技術(shù)

G3．PLC技術(shù)是基于OFDM技術(shù)的高速窄帶電力線載波技術(shù)體系，文獻(xiàn)[11．12]分析了該技術(shù)具體特性和應(yīng)用在智能電網(wǎng)中的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，文獻(xiàn)[13]提出了基于該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的適合于高級(jí)測(cè)量體系的智能電表實(shí)現(xiàn)，各種文獻(xiàn)的研究結(jié)果表明該技術(shù)在不同應(yīng)用場(chǎng)合下均滿足智能電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展，本文在光伏監(jiān)控通信中引入G3一PLC技術(shù)，基于該技術(shù)給出適合智能電網(wǎng)發(fā)展的光伏系統(tǒng)測(cè)量體系通信系統(tǒng)，具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

1)支持OFDM的PHY設(shè)計(jì)，支持DBPSK，DQPSK，D8PSK調(diào)制，頻譜使用率達(dá)到最大化；

2)支持CELELEC、ARIB、FCC(10—490 kHz)；

3)標(biāo)準(zhǔn)制定參考IEEE，rrU，IEC／CENELEC和IEC／IAE；

4)兩級(jí)前向糾錯(cuò)(FEC)功能，確保惡劣環(huán)境下的數(shù)據(jù)可靠通信，特有的ROBO模式有效改善嘈雜信道條件下的通信；

5)自適應(yīng)選擇當(dāng)前最佳傳輸頻帶，相鄰節(jié)點(diǎn)間信道評(píng)估機(jī)制選擇出最佳調(diào)制模式；

6)6LoWPAN適配層支持電力線上直接傳輸IPV6數(shù)據(jù)包；

7)AES-128加密引擎保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕?/font>

8)MESH網(wǎng)絡(luò)，自適應(yīng)選擇最佳傳輸路徑。

2．2基于G3_PLC的光伏測(cè)量體系通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

根據(jù)G3_PLC組網(wǎng)技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)需求，負(fù)責(zé)通信組網(wǎng)的接入終端需分為主、子兩類，子通信接入終端分布在系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)光伏組件邊，負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)光伏組件的信息數(shù)據(jù)采集，利用載波模塊通過交直流電力線組網(wǎng)傳輸，主通信接入終端分布在逆變器邊，負(fù)責(zé)整個(gè)局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的管理控制，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)主站系統(tǒng)與其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各組件單元的雙向信息交互。整體系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖l所示。

圖1 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意

3.通信接入終端硬件實(shí)現(xiàn)

通信網(wǎng)絡(luò)中，接人終端采用的是OFDM調(diào)制方式，信號(hào)的編碼調(diào)制通過集成的芯片來實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部采用了R．s編碼作為外碼，糾正隨機(jī)符號(hào)錯(cuò)誤和隨機(jī)突發(fā)錯(cuò)誤，以卷積碼為內(nèi)碼，采用二級(jí)級(jí)聯(lián)編碼的方式在降低譯碼復(fù)雜度的同時(shí)提供很高的數(shù)據(jù)可靠性。針對(duì)惡劣環(huán)境的Robust傳輸模式，使系統(tǒng)更可靠，抗干擾能力更強(qiáng)。同時(shí)，信號(hào)經(jīng)過調(diào)制輸出芯片后，需經(jīng)過線路驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的功率放大，該單元一般由集成運(yùn)放和功率放大電路組成，線路耦合器主要是將放大的OFDM信號(hào)耦合到交直流電力線上，并起到隔離作用，耦合方式采用的是電感和電容相配合的方式。OFDM模塊實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

圖2 OFDM載波模塊實(shí)現(xiàn)

OFDM模塊電路作為光伏測(cè)量體系通信接人終端的一部分，負(fù)責(zé)完成信號(hào)的調(diào)制耦合電力線傳輸，包含其他模塊的硬件總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括MCU、存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊、看門狗模塊、電源管理模塊遙信采集模塊、遙控輸出模塊、模擬量采集模塊、OFDM載波模塊、RS485接口、RS232接口等，主子通信節(jié)點(diǎn)在硬件上的主要區(qū)別就是主單元具有網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)其管理范圍內(nèi)的局域網(wǎng)與外部的廣域網(wǎng)互聯(lián)。

圖3通信接入終端硬件結(jié)構(gòu)

在通信組網(wǎng)系統(tǒng)中，主通信終端主要起著網(wǎng)絡(luò)管理和系統(tǒng)內(nèi)各子設(shè)備路由工作，是系統(tǒng)內(nèi)的局域網(wǎng)與外部廣域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，為方便組網(wǎng)布點(diǎn)主通信單元的載波信號(hào)通常是耦合在給其供電的交流電源線上。子通信單元的載波信號(hào)是耦合在系統(tǒng)中各個(gè)組件設(shè)備的直流電力線上，經(jīng)過測(cè)試直流電力線上的數(shù)據(jù)在逆變器正常工作時(shí)無法透?jìng)鞯狡淞硪粋?cè)的交流電力線上，為保障系統(tǒng)內(nèi)的直流電力線和并網(wǎng)點(diǎn)的交流電力線之間的數(shù)據(jù)通信，設(shè)計(jì)出交直流連通器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，交直流電力線上的OFDM載波信號(hào)均可通過中間的磁環(huán)耦合到對(duì)方的電力線上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。

圖4交直流連通器結(jié)構(gòu)圖

圖5顯示出OFDM信號(hào)經(jīng)過交直流連通器的圖形，從圖中可以看出OFDM信號(hào)被完整的耦合到另一邊。

圖5磁環(huán)兩邊OFDM信號(hào)

4.通信網(wǎng)絡(luò)特性分析

光伏系統(tǒng)測(cè)量體系主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電站內(nèi)各組件實(shí)時(shí)運(yùn)行信息的監(jiān)測(cè)和控制，利用系統(tǒng)內(nèi)交直流電力線作為信息傳輸載體，通過安裝在各光伏組件旁的主子通信節(jié)點(diǎn)單元形成通信網(wǎng)絡(luò)，基于G3一PLC的窄帶OFDM調(diào)制技術(shù)使其網(wǎng)絡(luò)在可靠性，互操作性，數(shù)據(jù)傳輸高速性和安全性上均表現(xiàn)優(yōu)異，為測(cè)量體系應(yīng)用中的信息交互提供安全穩(wěn)定高速通道，相關(guān)特性分析如下：

1)可靠性

光伏測(cè)量通信網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)處的通信終端通過硬軟兩方面提高交直流電力線上傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，硬件方面是采用抗干擾性強(qiáng)的多載波數(shù)字調(diào)制OFDM技術(shù)，能夠克服傳統(tǒng)單頻載波解決不好的碼間干擾(ISI)和信道干擾(ICI)，軟件方面則引人Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)，動(dòng)態(tài)自適應(yīng)選擇最佳傳輸路由路徑，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中增減通信終端或某時(shí)段某條電力線路干擾嚴(yán)重?zé)o法傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，可自動(dòng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，同步調(diào)整各節(jié)點(diǎn)通信路由。如圖l中所示，集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)形成的Mesh網(wǎng)絡(luò)中子節(jié)點(diǎn)3—7由于距離較遠(yuǎn)不能和主節(jié)點(diǎn)直接通信，需通過子節(jié)點(diǎn)1或者2中繼，系統(tǒng)會(huì)依據(jù)當(dāng)前電力線的實(shí)際情況判斷走1中繼還是2中繼，某時(shí)刻這兩個(gè)中繼其中一個(gè)周圍受干擾無法傳輸數(shù)據(jù)，不影響系統(tǒng)的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。這種軟硬相結(jié)合的方式使各通信終端在光伏系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，能夠快速建立測(cè)量系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各組件信息數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定交互。

2)互操作性

互操作性是指不同的應(yīng)用系統(tǒng)或智能設(shè)備之間可以無障礙進(jìn)行信息交換，具備協(xié)同操作功能。基于G3_PLC的光伏測(cè)量體系通信網(wǎng)絡(luò)中各通信終端支持IPv6協(xié)議，通過對(duì)應(yīng)的壓縮和映射可在電力線上傳輸IPv6數(shù)據(jù)包，支持TCP／IP協(xié)議，為不同系統(tǒng)間互操作語義和接口提供了一致的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)端對(duì)端的無縫運(yùn)行，為主站系統(tǒng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間提供一致的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)主站系統(tǒng)直接與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的雙向通信，避免協(xié)議轉(zhuǎn)換。通信接人終端通過6LoWPAN適配層實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文到電力線報(bào)文的轉(zhuǎn)變，MAC層技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程參考無線個(gè)人局域網(wǎng)協(xié)議IEEE802．15．4ll引，物理層實(shí)現(xiàn)OFDM調(diào)制，主通信節(jié)點(diǎn)收到含光伏測(cè)量應(yīng)用數(shù)據(jù)的TCP／IP報(bào)文，通過6LoWPAN適配層對(duì)報(bào)文頭進(jìn)行壓縮，由標(biāo)準(zhǔn)48個(gè)字節(jié)壓縮到5個(gè)字節(jié)，再將報(bào)文傳輸?shù)組AC層，MAC層按協(xié)議完成組幀后傳給PHY層，PHY層完成該層的組幀后發(fā)送給OFDM模塊，由其耦合到電力線上傳輸，報(bào)文流程結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6報(bào)文流程結(jié)構(gòu)

同時(shí)，考慮某些光伏測(cè)量應(yīng)用數(shù)據(jù)較多，導(dǎo)致互操作單幀報(bào)文長(zhǎng)度較長(zhǎng)，而電力線作為一種非均勻分布的傳輸線，傳輸信道特性十分復(fù)雜，環(huán)境惡劣多變，不適合連續(xù)傳輸長(zhǎng)報(bào)文，文獻(xiàn)[15]提出了一種分片重傳機(jī)制，化長(zhǎng)為多短，確保電力線上的長(zhǎng)幀報(bào)文的可靠傳輸。

3)高速性

傳統(tǒng)PLC通信技術(shù)，數(shù)據(jù)基于單頻率調(diào)制，傳輸速率最高只達(dá)到幾Kbps，難以滿足將來光伏測(cè)量系統(tǒng)各種高級(jí)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，基于G3一PLC的光伏測(cè)量體系通信終端采用OFDM技術(shù)，從頻段利用和調(diào)制方式兩方面提高數(shù)據(jù)傳輸速率：

①頻段方面

頻段劃分時(shí)引用正交頻分復(fù)用技術(shù)，相同帶寬條件下增加劃分子載波的個(gè)數(shù)，最大化提高頻帶利用率，如果用N表示劃分子載波的個(gè)數(shù)，r表示OFDM符號(hào)的持續(xù)時(shí)間(周期)，di(i=0，1，2，......，N一1)表示分配給每個(gè)子信道的數(shù)據(jù)符號(hào)，i表示第i個(gè)子載波的載波頻率，矩形函數(shù)rect(t)=1，ItI≤T／2，則從t=t，開始的OFDM符號(hào)式(1)所示，由公式可見一個(gè)OFDM符號(hào)由劃分的Ⅳ個(gè)子載波疊加而成。

②調(diào)制方式

子載波劃分完成后，傳輸數(shù)據(jù)依據(jù)當(dāng)前選用的調(diào)制方式按比特分配到子載波上，基于G3一PLC的通信終端包含調(diào)制方式有DBPSK，DQPSK，D8PSK3種方式，對(duì)應(yīng)的調(diào)制方式編碼星座圖如圖7所示。

圖7調(diào)制方式編碼星座圖

調(diào)制方式將傳輸數(shù)據(jù)按照?qǐng)D8的星座圖映射到各子載波的幅度和相位上，通信終端具體選擇何種調(diào)制方式依據(jù)當(dāng)前光伏測(cè)量系統(tǒng)中的交直流電力線環(huán)境而定，惡劣時(shí)，自適應(yīng)DBPSK方式，降低速率保證傳輸可靠，正常優(yōu)良時(shí)，自適應(yīng)DQPSK或D8PSK，提高傳輸速率。

本文設(shè)計(jì)的基于G3一PLC通信終端可支持多種頻段，實(shí)際應(yīng)用中通過更新芯片對(duì)應(yīng)的固件來實(shí)現(xiàn)，不過同一個(gè)光伏測(cè)量系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)只能應(yīng)用在一種頻段下，表1給出了通信終端支持的頻段和對(duì)應(yīng)的傳輸速率范圍。

表1不同頻段的傳輸速率對(duì)比

4)安全性

目前應(yīng)用光伏測(cè)量體系，不管是有線方式還是無線方式，信息交互均未進(jìn)行安全認(rèn)證，各組件之間的數(shù)據(jù)交互安全性得不到可靠保障，本文中基于G3一PLc技術(shù)的通信終端在組網(wǎng)開始階段先對(duì)所有申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行安全認(rèn)證，在鑒別認(rèn)證成功后建立安全通信信道，分配網(wǎng)絡(luò)PANID和設(shè)備標(biāo)識(shí)ID，未認(rèn)證的和認(rèn)證失敗的子設(shè)備無法獲取對(duì)應(yīng)的ID，不能和主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，保障后續(xù)數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸?shù)陌踩?，安全認(rèn)證流程在各通信終端的6LoWPAN適配層完成，內(nèi)部硬件集成AES．128加密引擎為認(rèn)證提供算法支持，具體應(yīng)用中的認(rèn)證流程為：

①光伏測(cè)量系統(tǒng)通信終端主節(jié)點(diǎn)初始化成功后，基于系統(tǒng)的交直流電力線形成一個(gè)PAN—ID標(biāo)識(shí)的局域網(wǎng)。

②光伏組件旁通信終端上電后，通過交直流電力線，發(fā)起request請(qǐng)求，申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。

③通信終端主節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求后發(fā)起EAP—PSK認(rèn)證流程，和請(qǐng)求入網(wǎng)的通信終端通過4條MSG報(bào)文完成認(rèn)證，如圖8中(1)所示，MSG報(bào)文中Flags為EAP協(xié)議的報(bào)頭部分，ID—S、ID—P為預(yù)設(shè)的EUI-64 MAC地址，RAND_P和RAND—S分別為主子節(jié)點(diǎn)生成的128bit隨機(jī)數(shù)，報(bào)文中認(rèn)證碼的計(jì)算方式見式(2)和(3)：MAC—S=CMAC—AES-128(AK，ID—S RAND—P) (2)MAC_P=CMAC—AES一128(AK，ID—P ID—SRAND—SIIRAND—P) (3)第3條和第4條MSG消息報(bào)文中還包含了EAP．PSK的消息擴(kuò)展部分，包含了認(rèn)證的單步結(jié)果和需交換的信息，如主節(jié)點(diǎn)分發(fā)的GMK密鑰等。

④主通信終端和請(qǐng)求入網(wǎng)的通信終端通過4條MSG報(bào)文互相認(rèn)證后，確認(rèn)了請(qǐng)求人網(wǎng)的通信終端安全合法性，主通信終端發(fā)送兩條accepted消息結(jié)束認(rèn)證過程，acceptedl表示認(rèn)證流程已完成，建立了安全通信信道，accepted2則根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)分配給子設(shè)備對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)PAN ID和設(shè)備標(biāo)識(shí)ID，用以后續(xù)數(shù)據(jù)通信尋址。

另外，在某些對(duì)安全性要求不太高的環(huán)境中，安全認(rèn)證也可簡(jiǎn)化，不進(jìn)行EAP—PSK相互認(rèn)證協(xié)議，提高組網(wǎng)速度，流程如圖8中的(2)所示。在光伏測(cè)量體系通信網(wǎng)絡(luò)中，可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況靈活選擇其中一種認(rèn)證方式：

圖8組網(wǎng)安全認(rèn)證流程

5.組網(wǎng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于G3一PLC的光伏測(cè)量體系通信網(wǎng)絡(luò)特性，需實(shí)際展開組網(wǎng)和通信能力測(cè)試，本文基于實(shí)際的10 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)和室內(nèi)用電交流系統(tǒng)搭建測(cè)試環(huán)境，10 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)位于樓頂，系統(tǒng)由光伏電池陣列、兩臺(tái)匯流箱和一臺(tái)逆變器組成，并網(wǎng)接人樓層內(nèi)380 V照明用電電路，光伏測(cè)量通信網(wǎng)絡(luò)基于光伏系統(tǒng)的直流電力線和樓內(nèi)的交流電力線而建，包含1主12子通信終端，各通信終端接人位置和通信數(shù)據(jù)如表2所示。

表2光伏測(cè)量通信網(wǎng)絡(luò)測(cè)試環(huán)境

5．1動(dòng)態(tài)自適應(yīng)mesh組網(wǎng)測(cè)試

首先位于逆變器并網(wǎng)點(diǎn)插座處的主通信終端上電初始化形成具有唯一標(biāo)識(shí)的局域網(wǎng)，其他位于交直流電力線上的子通信終端上電發(fā)送請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，主子終端安全認(rèn)證通過后建立安全信道，各子通信終端獲得主通信終端分配的網(wǎng)內(nèi)唯一標(biāo)識(shí)ID，實(shí)際上電測(cè)試各子通信終端均通過安全認(rèn)證加人網(wǎng)絡(luò)，具體分配的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)ID如下：

逆變器旁子通信終端：ID=0x08匯流箱內(nèi)兩個(gè)子通信終端：ID=0x02，0x09插座上9個(gè)子通信終端：ID=0x18，0x07，0x12，0x16，0x13，0x03，0x10，x014，0x17圖9所示為實(shí)驗(yàn)中12個(gè)子節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)成功后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，直流電力線和交流電力線上的通信終端通過耦合點(diǎn)形成同一網(wǎng)絡(luò)，最大路由深度為3跳，其路由路徑選擇較均勻，各節(jié)點(diǎn)承載均衡，在數(shù)據(jù)通信時(shí)能提供可靠穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)保障。

圖9 mesh網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)拓?fù)?/font>

由圖9的拓?fù)鋱D可知，各子通信終端的路徑深度不同，存在路由路徑選擇和修復(fù)問題，為保障安全信道內(nèi)的數(shù)據(jù)可靠傳輸，基于G3一PLC的通信終端路由技術(shù)和修復(fù)過程基于“6LoWPAN Ad Hoc OnDemand Distance Vector Routing(LOAD)”路由標(biāo)準(zhǔn)¨6’17 J。路由只在有數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送時(shí)候才觸發(fā)，通過路由消息報(bào)文實(shí)現(xiàn)，不會(huì)單獨(dú)主動(dòng)觸發(fā)，同時(shí)針對(duì)應(yīng)電力線信道的自身特點(diǎn)，文獻(xiàn)[18]提出適應(yīng)電力線組網(wǎng)的LOADng技術(shù)，在原來的LOAD基礎(chǔ)上增加了非對(duì)稱路由路徑選擇，減少路由廣播報(bào)文的發(fā)送等修改，保證了光伏通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性，路由路徑的選擇通過路由廣播報(bào)文RREQ中的路由代價(jià)Lcosr值來判斷，Lcosr則有相鄰節(jié)點(diǎn)的鏈接代價(jià)疊加而來，算法如式(4)所示：

5．2通信測(cè)試

分布在各組件旁的子通信終端安全認(rèn)證加人網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)成功后，上位機(jī)軟件模擬主站通過并網(wǎng)點(diǎn)的主通信終端分別對(duì)各子通信終端進(jìn)行數(shù)據(jù)招測(cè)通信測(cè)試，直流電力線上各終端返回的是光伏組件的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，交流電力線上各終端返回的是插座點(diǎn)的當(dāng)前電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如表3所示，每個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸報(bào)文長(zhǎng)度為250 bytes，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸報(bào)文來回時(shí)間為343．75 ms，扣除報(bào)文經(jīng)過上位機(jī)測(cè)試平臺(tái)的串口，主子節(jié)點(diǎn)MCU對(duì)應(yīng)的端口接收時(shí)間和幀處理時(shí)間，測(cè)試中端口波特率設(shè)定為115 200 bps，因此一幀報(bào)文通過端口的時(shí)間大約為22 ms，主子節(jié)點(diǎn)軟件中幀等待時(shí)間設(shè)置為100 ms因此可計(jì)算出報(bào)文在電力線上單向傳輸時(shí)間為39 ms，對(duì)應(yīng)得出報(bào)文在當(dāng)前自適應(yīng)調(diào)制模式下的傳輸率為64 Kbps，符合前面所作的速率分析。且發(fā)送接收數(shù)據(jù)包未出現(xiàn)丟失現(xiàn)象，網(wǎng)絡(luò)可靠性較強(qiáng)。

表3數(shù)據(jù)通信結(jié)果

同時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，原本路由是使用該節(jié)點(diǎn)的其他節(jié)點(diǎn)也會(huì)自動(dòng)修復(fù)路徑，選擇其相鄰的其他節(jié)點(diǎn)代替，有效保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明基于G3一PLC的自適應(yīng)組網(wǎng)系統(tǒng)能夠?yàn)楣夥鼫y(cè)量體系提供高速，穩(wěn)定，抗干擾性強(qiáng)的雙向通信網(wǎng)絡(luò)。

6.結(jié)論

本文展開對(duì)適合光伏測(cè)量體系通信組網(wǎng)技術(shù)的研究，引入OFDM技術(shù)，基于G3一PLC標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)滿足組網(wǎng)需求的主子通信接人終端，研究其各項(xiàng)特性，實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)內(nèi)各組件的網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)，解決了現(xiàn)有通信方式存在的中存在的不穩(wěn)定、接線復(fù)雜、速度低、可靠性差等缺點(diǎn)，匹配了上層主站系統(tǒng)高級(jí)應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)的通信技術(shù)需求，結(jié)合mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒙酚杉夹g(shù)，研究網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)組網(wǎng)能力，提供穩(wěn)定健壯的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸，為光伏測(cè)量體系的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)基礎(chǔ)，也為智能電網(wǎng)通信接人技術(shù)提供一種有效可行的參考方案。

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