电力线网络管理协议

引言

随着智能电网、智能家居的普及，将会有大量电气设备通过网络实现数据交换、远程监控和信息共享，电力线通信PLC（PowerLineCommunication）技术将在其中发挥重要作用［1-6］。采用PLC的设备具有种类繁多、运行灵活、即插即用等特点，如何进行有效的网络管理是目前广泛关注的热点。根据美国国家标准与技术局（NIST）的PAP15工作组的最新PLC标准协议框架［7-8］，PLC技术的物理（PHY）层和媒介访问控制（MAC）层标准已日趋成熟，但网络层协议至今仍缺乏统一的技术标准。目前在PLC通信的具体应用中，对于网络的管理基本都采用主从模式［9-10］。主控节点除了实现网关的功能以外，还要对PLC网络中的节点通信进行管理和调度，如给网络中其他节点配置网络地址，在网络通信中执行轮询、转发等功能。这虽然简化了网络中其他节点的功能，但限制了主从模式的应用，主要原因是：支持PLC通信的设备种类繁多，来自不同制造商，如果设备的通信协议与主节点不兼容，就无法接入网络；任何节点加入或退出网络都需要主节点的管理，网络构架缺乏灵活性；一旦主节点发生故障，其他节点也将无法正常通信。TCP／IP协议虽然能够作为PLC网络管理的另一种解决方案［11-13］，但是由于电力线信道的特殊性，一般而言，PLC节点在不同配电网之间无法实现通信，甚至在同一配电网内，连接到不同相电力线的设备之间都无法正常通信。因此在现阶段，PLC通信更适用于家庭、办公室等较小区域内的设备互联，网络拓扑结构也相对简单。对于家用电器或者普通办公设备而言，配置TCP／IP协议会大幅提高产品的成本。本文提出了一种适用于低压PLC的网络层管理协议，主要特点为：基于多主站模式，网络中的节点均可以自主通信，不受其他节点干预，PLC网络只需通过普通的网关来实现与上位机或局域网的互联；支持即插即用功能，节点能够自动配置网络地址，具有申请网络地址和进行地址竞争的功能，因而可以随时加入或退出网络；支持CSMA信道接入协议和路由功能。本协议简便、灵活，占用系统资源少，普通的8位微处理器就能够实现，因而非常适用于智能家居和办公系统，也可用于低速、低实时性工业设备组成的PLC网络。基于多主站模式的网络地址动态管理机制是本协议的核心。

1基于多主站模式的PLC网络结构

本协议支持的基于多主站模式的PLC网络采用图1所示的总线型拓扑结构，可广泛应用于智能家居、小型办公以及普通工业设备的网络连接。各种电气设备可以随时接入网络或断开连接。

2基于多主站模式的PLC网络层管理协议本文提出的网络层管理协议的核心是多主站环境下PLC节点的动态地址管理机制，其目的是：实现PLC节点的即插即用，使其能够在不受任何控制器干预的情况下自由接入或离开网络；保证每个节点都能够自主配置网络地址，并使用该唯一的网络地址进行通信。网络层协议所包含的其他功能（如路由管理）非本文重点，故不再详述。

2.1多主站环境下的动态地址管理机制多主站环境下PLC节点进行的动态地址管理机基于多主站模式的低压电力线通信网络层管理协议刘迎澍，李冰，姜伟峰（天津大学电气与自动化工程学院，天津300072）a.网络地址的长度为1个字节，即地址空间为0～255，255为全局地址，只能作为目的地址使用，剩余的255个地址可供PLC节点自由申请；b.网络中的PLC节点具有唯一的48位MAC地址［14-16］，节点在获得合法网络地址前使用MAC地址进行通信，此外MAC地址还用于地址竞争仲裁；c.节点在申请网络地址过程中，如果申请的地址已被其他节点使用或有优先级更高（MAC地址相比本节点更小）的节点正在申请该地址，则该节点只能去申请其他地址；d.节点上电后首先检测EEPROM中的相应标志位，若是第1次接入网络，则根据其MAC地址值随机产生首选地址进行申请，否则将EEPROM中保存的地址作为首选地址进行申请。

2.2动态地址配置的状态转移过程节点在PLC网络中具有3种运行状态，即软硬件初始化状态、动态地址配置状态和正常数据通信状态，其状态转移图如图2所示。在动态地址配置过程中使用了地址申请、地址声明和冲突回应3种报文，如表1所示。动态地址配置过程作为本协议的核心部分可以再细化为多个状态，其状态转移过程如图3所示。

3动态地址管理机制的软硬件实现

3.1基于多主站模式的PLC网络平台基于多主站模式的PLC网络通信平台如图4所示，该系统由4个普通节点、1个网关节点和PC机构成。每个普通节点包含1个AVR控制器模块和1个IT700PLC模块。网关节点由IT700PLC模块、以太网通信模块、AVR控制器模块以及存储、电源等辅助模块（未在图中画出）构成，其主要功能包括协议转换、路由表管理等。PC机既可以通过网关来实现与其他节点之间的数据传输，也可以通过串行口与节点直接连接，以便在线监控PLC网络的运行情况。由于本文只研究网络层管理协议的实现，因此PLC节点未连接具体的用电设备。

3.2软件设计a.软件架构。实现PLC节点网络地址管理的软件构架如图5所示。IT700模块中集成了Y-Net协议栈①，包括PHY层、MAC层协议所提供的驱动程序和报文传输函数，本文在此基础上提出了网络层管理协议。

4实验验证及结果分析

4.1实验内容及条件本实验主要研究多主站PLC网络环境下的节点动态地址分配过程以及影响其通信性能的因素。实验过程中，PC机通过串行口与网关节点连接，并使用IT700PLCStudio软件在线控线监测PLC网络的运行情况以及节点之间的通信。为便于监控，将网关中PLC模块的网络地址配置为“1”，其他节点需要通过动态地址配置才能获取合法的网络地址，并开始正常通信。

4.1.1多主站环境下节点动态地址分配实验在实验过程中，信道质量为31，地址申请等待时间设定为4.2s，本实验分为以下4个环节。点结束动态地址分配过程后上电。

4.1.2地址申请等待时间测试实验地址申请等待时间对于动态地址分配过程能否成功具有重要的影响。由于PLC节点的通信速率为定值，当动态地址分配过程中产生的报文数量较多时，会对地址申请等待时间产生影响；此外，当信道质量降低时，节点接收报文会产生延时，因而也可能影响地址申请等待时间。基于以上原因，在PLC节点首选地址相同、信道质量不同（不发生丢包）的情况下，分别测试了2、3、4个节点同时上电时所需的最小地址申请等待时间。

4.2实验结果及分析表2—5是通过IT700PLCStudio软件监测并记录的节点地址申请过程，表中所显示的与网络地址管理相关的信息包括报文序号、报文传送时间、报文源地址和目的地址、信道质量、报文优先级、节点MAC地址、报文内容等。本文使用节点MAC地址的低6字节（48位）作为MAC地址。报文内容的第1个字节是网络管理报文的名称，其中3C、3D和3E分别代表地址申请报文、冲突回应报文和地址声明报文。

4.2.1多主站环境下节点动态地址分配实验结果a.节点首次加入网络，且使用固定的首选地址。表2中1～22号报文是4个节点同时上电到成功获得网络地址的过程中所产生的报文。这4个节点在上电时都将“2”作为自己的首选地址，地址申请过程中根据各节点的MAC地址进行竞争，最终MAC地址最小的节点获得“2”号地址，其他3个节点分别获得“3”号、“4”号、“5”号地址。19～22号报文是这4个节点在获得网络地址后向网关发送的包含自身地址信息的报文，该过程耗时约14.4s。b.节点首次加入网络，且使用随机首选地址。该地址分配过程所产生的报文如表3所示。由于这4个节点随机产生首选地址，首选地址各不相同，因此未出现地址竞争，动态地址分配过程很快结束。表中1～4号是地址申请报文，5～8号是各节点向网关发送的包含自身地址信息的报文，以便于网关建立路由表。本次地址分配过程仅耗时约5.8s。c.节点掉电后重新加入网络。整个地址分配过程所产生的报文如表4所示。由于这4个节点在本次上电之前已加入过网络，因此在上电后都选择之前使用的地址作为首选地址。表中1～4号是地址申请报文，5～8号是各节点向网关发送的包含自身地址信息的报文。本次地址分配过程仅耗时约5.6s。d.节点使用固定首选地址依次加入网络。表5中1～2号为第1个节点上电到成功获得网络地址的过程中产生的报文，其获得“2”号地址，耗时约4.2s；3～6号为第2个节点获得网络地址过程中所产生的报文，其获得“3”号地址，耗时约5.3s；7～12号为第3个节点获得网络地址过程中所产生的报文，其获得“4”号地址，耗时约6.7s；13～20号为第4个节点获得网络地址过程中所产生的报文，其获得“5”号地址，耗时约8.1s。2、6、12、20号报文是各节点发送的地址信息的报文。根据上述实验结果可知，多主站环境下PLC节点的动态网络地址分配过程具有以下特点。a.当整个网络处于初始化阶段，节点若采用固定的首选地址加入网络，需要解决同时上电所导致的地址竞争问题，因而耗时较长，如表2所示；若采用随机首选地址，则能够有效缓解地址竞争问题，节点初始化时间明显减少，如表3所示。b.当整个网络稳定运行时，各节点均已获得合法的网络地址。即使所有节点掉电后重新加入网络，其首选地址均使用之前获得的网络地址，因此只需很短时间就能实现重新入网，如表4所示。c.当稳定运行的网络中有新节点加入时，其动态地址分配的耗时主要取决于网络中已有的节点数量。若采用固定首选地址，网络中已有节点越多，耗时就越长，如表5所示；若采用随机首选地址，在网络节点数较少的情况下，由于发生地址冲突的概率较小，耗时会明显减少。

4.2.2地址申请等待时间测试实验结果表6为不同网络条件下（不同通信距离及信号强度），信道质量分别为13和31时（未丢包），2、3、4个节点同时上电时的最小地址申请等待时间。由表6可知，在同时上电的节点数一定的情况下，信道质量对地址申请等待时间会产生一定的影响。但只要未发生丢包，这种影响随着同时上电节点数的增加会越来越小；而在信道质量一定的情况下，当同时上电的节点数增加时，地址申请等待时间发生较大的变化，这是由于同时上电的节点数增加时，为了解决地址竞争问题，动态地址分配过程中产生的报文数量较多而造成的。综上所述，对于多主站环境下的PLC网络，不论采用随机首选地址还是固定首选地址，本文提出的网络管理协议都能确保节点获得有效的网络地址。节点动态地址分配过程的耗时主要是由地址申请等待时间以及地址竞争的次数决定。但是，仅当所有节点首次加入网络且使用固定首选地址时，才会产生较多的地址竞争报文。这种情况仅在PLC网络初始化时才会发生，其他情况下动态地址获得过程产生的地址竞争报文较少，所需时间也较少。

5结语

本文针对智能家居、办公系统以及低速、低实时性的工业网络，提出了一种基于多主站模式的低压电力线通信网络层管理协议，其核心是多主站环境下的网络地址动态管理机制。实验研究表明，PLC节点仅在首次加入网络时因参与地址竞争而耗时较长，当各节点在网络中正常运行时，地址初始化只需很短时间。本协议能够确保PLC网络中的节点能够自主申请、可靠管理自身的网络地址，网络运行稳定、可靠。与传统的主从模式相比，本协议的优点是简便、灵活，系统资源占用少，无需专用的网络控制器来管理，因而具有广泛的应用价值。