1异构配电通信网基本结构
1.1主体结构设计由于配网通信结构复杂，难以采用单一的通信技术满足所有配网系统需求［9，10］。因此，采用异构网络构架组成混合式网络是配电通信网的重要解决方案。所提出的典型异构配电通信网络分为三层，包括骨干通信网(骨干网)、接入通信网(接入网)和终端层(用户驻地网)，如图1所示。其中，骨干网是服务器端的信息网络，实现配网通信主站之间的通信，这些主站包括各高压变电站(110/35kV变电站)、电厂等;接入网实现配网通信子站与配网通信主站之间的通信，配网通信子站主要包括10kV变电站［12］驻地网实现用户侧用电信息的收集和监视。图1配电通信网的异构式混合结构骨干网中由于站点相对较少，各站点地位均等，因此适合采用光纤通信方式，搭建光纤自愈环网，具有高速、可靠、实时的优势。接入网则由于用户较多，需要根据网络覆盖地域特点进行选取。对于用户集中的地方，如城区、县城、工业园区等地，接入网也适合采用光纤通信方式。而对于郊区或者农村，用户分散，采用光纤接入代价巨大。因此，可以采用GPRS/3G技术实现接入。对于驻地网，可以分别选择Wi-Fi，ZigBee或者总线技术。例如，在城区的用户家庭或者办公室可以选择ZigBee子网，而在配电房则选择总线。
1.2城市配电通信网以所提出的三层网络基本构架为基础，本文所设计的城市配电通信网整体结构如图2所示，其中，骨干网采用的通信技术为光纤通信技术，并采用光纤环作为基本的网络结构。图2城市配电通信网结构考虑到城市用户集中，10kV变电站分布均匀，适合采用以太网无源光网络(EthernetPassiveOpticalNetwork，EPON)+以太光纤环接入网。其中，EPON接入网主干是由子站汇聚交换机组成的以太网光纤环。每个35/110kV高压变电站可以连接一个或者多个以太网光纤环。每个子站汇聚交换机连接一个光线路终端(OpticalLineTerminal，OLT)，或者子站汇聚交换机与OLT集成为一个OLT交换机。每个OLT对应一个10kV的变电站，下面分接多个光网络单元(OpticalNetworkUnit，ONU)。每个ONU单元都负责收集一个或者多个驻地网络的信息。城市配网驻地网可以为无线网络或者有线网络，无线网络可以是ZigBee［16］、红外、WiFi等局域网，而有线网络一般是总线网络。无线网络包括一个协调器和若干个节点。节点即为用户家中的智能电表、智能插座等，而协调器则负责组建此无线网络，汇聚各个节点的信息并转换成适合接入至ONU的接口(如RS485)传输至ONU。同时，也负责将从ONU接收到的数据信息广播至各个节点。有线网络一般为总线网络，如RS485总线。
1.3农村配电通信网本文所设计的农村配电通信网整体结构如图3所示，其中，农村配网骨干网与驻地网的功能与结构与城市配网相同。考虑到农村用户分散，覆盖面广，10kV变电站分布稀疏，农村配网接入网并不适合采用EPON+以太光纤环接入网。由于农村用电信息监测实时要求不高，也没有严格的可控性要求，因此采用GPRS/3G/4G接入方式网络结构最为简单。采用此方式主要租用网络运营商的无线网络，将数据送回网络运营商的后台系统，然后该后台再通过专线和配网系统进行互联。GPRS/3G/4G接入方式对用户的数量没有限制，用户无需建网和维护，具有建设周期短、业务开展快、网络成本低等特点。
2异构配电通信网多址与数据聚合方法
2.1多址与数据聚合方法基于上述异构配电通信网，本文采用驻地网网关来解决配网通信系统中的多址与数据聚合问题，其位于驻地网与接入网之间，作为多个异构驻地网与接入网中一个接入点的连接，如图4所示。图4驻地网网关在网络中位置在上行通信中，驻地网网关首先接收来自挂接在该网关上的N个驻地网的短数据包，并按照驻地网进行分类存储。例如，来自驻地网n的短数据包存储在第n号存储器，n=1，2，…，N。每个短数据包含有其在本驻地网的地址和数据包长度。然后，每接收短数据t秒，驻地网网关将接收到的存储于N个存储器中的短数据包进行封装。在封装帧的过程中，帧头包括驻地网网关ID和子帧个数，如图5所示。帧体由各子帧组成，每一个子帧封装来自同一个驻地网的所有已经接收到的短数据包，即存储于同一个存储器中的所有短数据包。值得指出的是，有可能t秒内某驻地网没有数据包发送，此时对应的存储器为空。因此，子帧的个数可能小于N。子帧帧头包括驻地网网关下面驻地网ID和短数据包个数，如图5所示。子帧帧体由若干个数据包组成。这些数据包即是在t秒内接收到该子帧所对应的驻地网的所有数据包。驻地网网关将帧封装好后，将其传送给该网关所连接的接入点。随后，驻地网网关再次接收并分类存储N个驻地网的短数据包，并对短数据包进行封装及传送，如此循环。在下行通信中，驻地网网关首先接收来自接入点的数据帧。该数据帧的封装结构与如图5所示的上行通信时封装帧结构完全一致。然后，驻地网网关按照图5所示结构，对数据帧进行解析，分别得到各个子帧。最后，驻地网网关依次解析每一个子帧。根据子帧中的驻地网ID，将该子帧内所有的数据包发送至该驻地网协调器。值得说明的是，上述介绍的通信方式中，一个网关下的多个驻地网回传时间间隔(t秒)是相同的。然而，在实际使用中，更为普遍的情况是多个驻地网的采样间隔和回传间隔是各不相同的。这种情况下，网关需要根据每个驻地网的回传间隔和采样间隔进行处理。网关的回传将是以驻地网为单位进行。这样就不需要使用图5所示的帧结构。
2.2驻地网网关的软硬件实现驻地网网关的硬件设计并无特殊要求。根据上述驻地网网关的基本功能，硬件系统需要包括RS485接口、CPU和RJ45接口，如图6所示。其中，RS485接口用于连接驻地网网关与驻地网，接口数量视驻地网数量而定;RJ45连接驻地网网关与接入网，一般为1个。CPU处理驻地网数据的采集、存储和回传。驻地网网关的实现重在软件设计。这里考虑更为一般的情况，即每一个驻地网都有独立的采样间隔和回传间隔。由于串口对象与文件都是独占式的，软件设计的重点在于如何处理好资源的调配。下面以微软的VS2010平台为例进行详细介绍。(1)整体思路在整体设计上，采用定时器进行处理。CPU为每个子网设定一个采样定时器，周期性采样数据，保存到本地缓存txt文件中。此外，CPU为每个子网另设一个回传定时器，周期性向服务端发送缓存的txt文件，发送完毕后该文件清空。(2)串口收发处理CPU通过CMSComm类对象访问串口。由于只有一个串口对象，需管理多个异步串口，故采用抢占式设计，即“先到先得，后到跳过”。当某一个子网采样定时器触发时，先判断当前串口对象是否被使用。如果否，即串口空闲，则将串口占用，执行该定时器内的行为，当串口信息接收完毕时解除串口占用;如果是，即串口当前被占用，则本次定时器跳过。采样定时器触发时，如果串口并未被抢占，则将串口配置成驻地网对应的参数，然后打开串口，根据当前设备号，配置设备地址，并获取相应指令，将其转换为十六进制格式向串口发送，从而实现对当前设备的数据采集。如有多条数据需要采集，则短暂间隔后更新设备地址重复发送采集命令。串口接收到驻地网上传的采集数据就会触发接收函数。接收函数被触发时，首先将数据转换为字符串类型保存在数据缓存中，并判断此时缓存中的数据是否可以提取出完整指令。若否则继续接收数据;若是则提取出完整指令，存储在对应的最新数据变量中，以供服务端查询，并且根据需要写入缓存txt文件中或发送到服务端。(3)文件操作驻地网网关管理着多个缓存txt文件，每个驻地网网关对应一个文件。网关采集到数据之后需要存储在文件中;同时，网关需要将文件传输到服务器。显然，由于采样定时器和回传定时器是异步的，读写文件也是异步的。因此，也需要对文件操作进行异步管理。将网关回传采集到的数据至服务器的过程称为缓存同步。缓存同步采用调用子线程的方式执行。所有子网文件对应同一个子线程。当某一子网的缓存同步定时器触发时，将先判断当前子线程是否被调用，若未被调用，则调用该子线程。在子线程内，文件发送将分3部分进行:1.发送文件名，以便服务器创建该文件。2.发送文件内数据。3.发送文件发送完成信号，通知服务器文件发送完成。同时，为了避免同一文件被多次打开，规定缓存同步的优先级高于缓存文件写入，即在缓存文件进行同步的时候不允许写入数据到该文件。(4)Socket操作通过CSocketClient类对象访问Socket端口(RJ45)。当收到来自服务端的消息时，调用指令解析函数分析其数据包头，根据协议判断其含义，响应对应行动。Socket消息响应包括:a.停止查询:停止向服务端发送采样数据。b.开始查询:向服务端发送采样数据。首先将最新数据变量中的数据发送至服务端以供显示，然后每次都将当前的采样数据发送。c.配置采样/回传时间:设置各子网采样/同步缓存的周期。当回传定时器触发时，判断同步缓存子线程是否已被调用，如果否则跳过，如果是则配置好当前数据包头信息，并调用缓存同步子线程。该线程将根据协议向服务端发送相应缓存文件，并重建该文件。
3实例与分析
为进一步说明所提出的三层异构网络体系结构及多址与数据聚合方法，针对城市异构配电通信网络，图7给出了一种基于驻地网网关的配电网络。其中，骨干网部分只给出了总服务器，对应110/35kV高压变电站，用于收集、监控本高压变电站下属所有中、低压变电站和用户的信息。EPON接入网的以太光纤环网节点直接采用4个OLT交换机用光纤呈环状连接，每个OLT交换机兼具OLT单元与子站汇聚交换机的功能，每个OLT下面挂接若干个ONU。ONU与OLT交换机之间、以及OLT交换机之间都是光接口。ONU与驻地网网关之间以及OLT交换机与总服务器之间均采用高速的RJ45以太网接口。图7基于驻地网关的城市配网通信系统在图7中，驻地网网关与3个驻地网相连，连接接口均为RS485，因为RS485是工业领域最为常用的接口。3个驻地网中有两个ZigBee网络和一个485总线网络，每个ZigBee子网由一个ZigBee协调器和若干个节点。协调器则负责组建ZigBee子网，汇聚各个节点的信息并转换成适合接口接入至驻地网网关。同时，协调器也负责将从驻地网网关接收到的数据信息广播至各个节点。ZigBee协调器与驻地网网关之间的接口为RS485。此实例采用的3种驻地网具有不同网络结构、不同传输媒质、不同业务类型，充分体现了驻地网络的异构特点。3种驻地网涉及典型的智能插座、智能电表和无源温度传感监测，都是电力领域典型应用。通过驻地网网关的解析与统一封装，服务器端不仅能够清晰地知道是哪个驻地网中的哪个用户发来的信息，而且大大减少了短数据包的数量。如果这3个驻地网中每个驻地网有L个节点，t秒内共收集到3L个短数据包。驻地网网关将这3L个短数据包封装成1个，使得服务器端的解析处理数据包的频率降低了3L倍，大大提升了服务器端的处理效率。
4结论
本文提出了三层异构配电通信网络架构，并分别根据城市和农村的用户分布特性设计了相应的配电通信系统，能够有效满足配电网络的需求，有助于建成经济适用且综合高效的配电通信网络。在此异构配电通信网络架构基础上，提出了一种适用于配网通信系统中的基于驻地网网关的多址与数据聚合方法，能有效解决配网通信系统中的多址问题并降低服务器端的处理负荷。
作者：杨云涛黄少伟许知博单位：陕西省地方电力(集团)有限公司清华大学电机系电力系统国家重点实验室
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