配电系统的通信系统及方法

专利名称：配电系统的通信系统及方法
技术领域：
本发明涉及配电系统，更具体地说，本发明涉及在配电系统内提供 通信的通信系统及方法。
背景技术：
配电系统包括用于将电源连接到负载而同时经由电路保护、故障隔 离、电路重配置(通常用于为受困的负载侧客户恢复服务)以及系统恢 复正常功能来保护配电基础设施并维护服务的技术。例如，配电系统可 包括电路切换及故障保护设备，其包括电源保护设备(诸如电路断路 器)、负载保护设备(诸如熔断器)以及故障保护设备(诸如故障中断器、 分段器、自动重合闸等)，故障保护设备将配电线分段并允许故障隔离。 尽管可以釆用各种策略来管理配电系统，以维护服务并保护配电系统时， 但通常故障保护设备应当按照协调的方式运行，以使得配电系统的性能 最优化并且使得服务中断的范围及持续时间最小化。也就是说，为了将 故障隔离在最靠近故障的故障保护设备处，以保护电源并保持对电源与
故障保护设备之间的负载的服务。
同时，配电系统应当是能够以高性能进行管理、恢复及操作且同时 减小负担。这些目标很难实现，因为配电系统包括大量的分布式智能设 备(这些设备使得操作员能够管理并控制电力分配并且保护配电基础设 施)。
数十年来，采用广域通信系统作为提高配电系统的自动化水平的手 段，以提供管理、改进的操作及系统恢复。这些系统负责对将来自电源/ 子站的电力在介质电压馈线/配电线上分配给用电设备进行控制，并且， 由于在广阔的地理区域上提供光纤或其它固定通信介质的成本较高，所
以这些系统通常是基于无线电的。商用通信产品的示例包括Schkimberger,Inc.公司所销售的Utilinet无线电(Utilinet radio)。大部分这些产品与 SCADA系统一起使用，或与其它低速到中速通信应用(诸如可从伊利诺 斯州芝加哥的S&C电气公司(S&C Electric Company, Chicago, Illinois) 得到的IntelliTEAM⑧电路重配系统(circuit reconfiguration system)) —起 使用。
另一方面，配电系统的管理及控制(尤其是故障保护)的各个方面 要求高速(低延迟(low latency))及高可靠性通信。同样优选的是，这 些系统基于无线电，以利用简便且低成本的安装。这种系统的示例包括 S&C电气公司所提供的HRDS系统。这些系统针对各通信设备对使用专 用点对点链路和专用通信信道。Freewave Communications公司提供了基 于无线电的现货(off-the-shelf)产品，该产品结合Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. (SEL)的镜像位(mirrored-bits)通信协议使用。使用 这两种技术，可以在基于无线电的通信基础设施上在两个互联的配电自 动化控制设备之间传送多个数字状态点。
对于基于无线电的专用点对点系统，存在以下各种缺点
1) 各个点对点链路要求专用基础设施，该专用基础设施包括专用信 道以及通常是专用的无线电对和中继器。这使得成本非常高而且使得安 装及维护过程繁重。
2) 在网格类型(grid-style)的配电拓扑中，需要许多这种点对点链 路来全面协调保护性设备。
3) 如果通信链路失效，则不能"匆忙地(on-the-fly)"创建其它通 信路径以恢复通信链路。
4) 链路不能用于交换其它通信流量，因为这会损害保护应用的低延 迟消息传送要求。
网状拓扑(Mesh-topology)通信系统或基于互联网的自组路由方法 (Ad-Hoc Routing methodology)及扩频无线电的通信系统解决了上述问 题中的几个问题，但不是全部。带宽问题和/或与延迟相关的问题仍然存 在，尤其是当这些系统被允许承载其它竞争性的通信流量时。例如，网 状网络架构的要求是，网络中的大部分节点最少都具有到两个不同节点的通信链路，以提供替换路由。有线网络(例如，铜缆或光纤网络)在 节点与其相邻节点之间的通信链路内包含通信能量。另一方面，传统上 无线网络已釆用了广播能力(即，全向天线)，而不包含用于进行通信的 能量。不希望作为通信路径的一部分的节点接收到这种能量，并因此被 迫延迟它们自己的传输，直到频谱清除为止，这导致了低效率的带宽使 用及潜在的延迟问题。
所需要的是能够高效率地管理例程无线电通信流量并且能够快速、 有效并且可靠地对优先的通信流量或紧急通信流量作出响应的通信系 统。这种系统可以对消息流量的一种以上的优先级作出响应，而不损失 或不严重地中断低优先级的业务量。这种通信系统还可以识别出存在优 先的业务量或紧急业务量，并且按照有效的方式对这种业务量进行响应。 这种通信系统还支持复杂的互连接性以及替换通信路径，以提供一致、 可靠、高速、基于无线电的通信。这种系统应当能够实现以上操作而不 需要复杂、耗时的配置。


图1为示出根据这里所述的实施方式的结合网络通信架构的配电网
格的图2为示出根据这里所述的实施方式的包括网络架构通信能力的分
布式配电设备的框图3为示出可用在配电系统中的多层网络通信架构(诸如图1所示
的网络通信架构)的图4为示出可运行图3的多层网络的通信协议的图5为示出根据这里所述的协议来创建节点家族成员的图6为示出根据这里所述的协议静默分段配置来创建节点家族成员
的图7为示出根据这里所述的实施方式的多层网状网络的图8为示出图7的网络并且还示出自适应链路路由建立的图9为示出图7的网络并且还示出边缘节点对自适应链路路由建立的影响的图10为示出图7的网络并且还示出边缘节点路由会聚的图11为示出图7的网络并且还示出路由边缘节点重新定向路由的
图12为示出图7的网络并且还示出优先路由配置及电力绑定的图13为示出图7的网络并且还示出多层路由配置的图14为示出图7的网络并且还示出多层路由配置的图15-19为示出根据这里所述的协议的实施方式的节点工作的流程图。
具体实施例方式
配电系统可以包括网络通信能力。网络通信能力可被配置为为多层、 网状网络("network")或者是可配置的多层、网状网络。例如，网络可 以具有两层固定节点网(层2和层3)以及一层移动节点网(层1)，虽 然替换结构可以具有更多或更少层。各层及各层的节点具有与应用、路 由类型、发送功率控制、物理配置及消息优先级相关的不同特性。网络 配置及特性基于该网络的应用及通信需要的变化而改变。可以在多层和 多维度网络内通过频谱管理、功率控制及节点认知(awareness)来实现 配置变化。
通过针对配电系统采用可动态配置的网络通信能力，来提供实际上 能够为任意给定源或目的地路由提供多种网络拓扑变换的鲁棒、自愈性 (self-healing)网络。针对任意给定通信会话的网状系统实际上是在源与 目的地之间的串行路径，该串行路径经由用作中继器的串接的一个或更 多个节点/路由连接。精心设计的网状网络使得能够在任意给定时刻在该 网络内同时地进行多个会话。
图1例示了根据一个或更多个这里所述的实施方式的、包括通信架 构、系统及方法的示例性开环或辐射状(radial)配电系统100 (即，通 信网络)。应当理解的是，虽然与这里所述的通信网络的各种实施方式一 起描述各种通信技术、技巧及方法，但是在各种实际实现中，这些系统
9组件及结构、技巧及方法可以互换。因此，本领域技术人员可以理解，虽然可能没有结合每个实施方式来描述各个元件、结构、特性或技术，
但是它们可以在这里没有具体说明的实现中进行不同的组合；然而，在
本申请中已构想了这些组合。此外，虽然主要结合配电系统来描述了通信架构、系统及方法，但是这些架构、系统及方法可以用于各种其它系
统，诸如石油处理及分配系统、紧急服务及第一响应方(firstresponder)通信系统等。
配电系统100例示了典型的配电结构以及这种系统是如何运行的。系统100可以包括一个或更多个子站或电源(Sl-n) 102，这些子站或电源(Sl-n) 102经由系统100进行配电。实直线104示出了配电线或导体，这些配电线或导体连接在电源102、闭合开关(Xl-n) 106及开放开关(01-n)108之间。各条线104通常表示三相配电馈线(distribution feeder),取决于配电类型，该三相配电馈线可以包含或不包含第四接地导体。虚直线110表示到相邻馈线或相邻子站(未示出)的连接。虚曲线112表示配电系统100的由开关106/108包围的部分(分段)114。配电系统100的这些描述与IntelliTEAM-II电路重构系统的架构一致，其中，与这些分段114中的各个分段相关联的开关106/108统称为"组(team)" (Tl-n)。可选地提供的中继器/路由器(Rl-n) 116表示对构成网络的一部分的无线电进行再现，将在下面进一步详细说明。
图2例示了典型的切换或故障保护设备——设备200，设备200提供系统100的开关106/108的功能。设备200包括控制204，控制204连接到电路中断或切换设备206，诸如电路断路器、真空故障中断器等。控制204包括内部存储器或者可以连接到存储器(未示出)，存储器中存储有控制204所使用的控制程序及运行参数，以执行设备200的操作。设备200还可以包括电源，该电源可以是外部电源、蓄电源(storage source)、配电线抽头或任意其它合适的电源(未示出)。
设备200连接到相关联的通信设备202，通信设备202根据与这里所述的网络实施方式一致的通信架构及通信协议而运行。或者，通信设备202可被包括在设备200中。 一种可能的通信设备202是Nova工程公司
10(Nova Engineering Inc.)的NovaRoam EH卯0跳频扩频无线电。通信设备202可以经由10/100 MBS以太网连接208连接到控制204，并且无缝地创建针对控制204的互联网协议(IP)广域网。通信设备202可以提供OSI-兼容的TCP/IP通信协议栈的层1-3，并且通过使用这里所述的路由协议而使得能够智能地在该系统100中对消息进行路由。在这个方面，通信设备202可以包括连接到存储器或缓存214的控制器212。存储器可以以电、光或者其他方式存储由该通信设备使用的控制程序，以对路由配置消息、数据包含消息、系统开销消息、映射及发现消息、系统维护消息等进行生成、传输、接收和/或路由。控制器212还与连接到天线210的传输设备相连接，以传输各种消息。
在系统100中的各个设备(例如，源/目的地102、开关106/108、负载(未示出)及中继器116)构成该通信网络的点或节点，并且由此包括通信能力(诸如与设备200—起描述的通信设备202)或任意其它合适的通信能力。该通信系统可以包括固定独立的通信设备(例如，中继器116),此外包括移动通信设备、移动单元122，诸如与移动服务人员相关联的通信设备、无线使能计算设备、手持计算设备、蜂窝数据使能通信设备等，这些设备可以包括通信能力、存储器及处理能力，以对路由配置消息、数据包含消息、系统开销消息、映射及发现消息、系统维护消息等进行生成、传输、接收和/或路由。此外，该网络可以包括与该系统不相关联的通信设备。这些设备可以包括公共或专有无线接入点、无线使能计算设备、手持计算设备、蜂窝数据使能通信设备等，这些设备能够按照与这里所述的通信网络及协议兼容的方式进行通信。
图3例示了针对与系统100及其相关设备相关联的通信网络300的多层结构。移动设备122构成网络300的第一层或层l。固定设备的一部分(诸如源102、开关106/108及中继器116)构成网络300的第二层或层2。其余固定设备301构成网络300的第三层或层3。将会描述到，各个设备的特性确定了该设备最终与层l、层2还是层3相关联。此外，通信网络300的动态特性会使得一些设备在某一时刻与这些层中的一个层相关联，而在另一时刻与另一层相关联。虽然如所示图3，网络300包括三层，但是使用多于三层或少于三层的实现是可能的。如稍后所述，除
这些层之外还可存在可选的中央控制302，并且可选的中央控制302可以连接到网络300。
通信网络300可以实现能够改变网络特性的协议，这使得多个应用能够访问网络300。该协议自动地容纳各种应用，诸如传输紧急消息、当需要时增大延迟、提供对网络容量更高百分比的接入、可靠地提高连接性、提供可伸縮性及提供频谱利用或再用。此外，网络300可以在没有中央服务器或管理系统的情况下运行，并且在本质上是独立的智能无线自组网络；然而，网络300是实现了具有自适应链路路由的发送功率控帝ij (TPC/ALR:Transmit Power Control with Adaptive Link Routing)的酉己置能力的网络。
图4例示了 TPC/ALR协议400， TPC/ALR协议400在应用层402与物理、无线通信层404之间提供链路路由。传输层406包括路由层408及接入协议410，诸如与自适应路由412及功率控制414 一起运行的载波侦听多路访问(CSMA: carrier sense multiple access)。 TPC/ALR协议400基于在三层网状网络300内的某一节点相对于全部其它节点的三维地理(层、罗盘位置)的关系，根据使用网络通过发送功率控制及链路路由来进行传输的当前应用来指定网络拓扑416。
TPC/ALR协议400具体地可以为移动/固定回程(backhaul)无线网络(未示出)提供互链(interlink)。此外，使得协议400知道网络300的结构，即，节点类型、节点密度、节点位置及路由方位(azimuth),包括所计算的或提供的节点到节点距离及层评估。协议400使用这种信息来控制节点发送功率，提供"智能"天线控制及无线电分支(branching),传送单播路由请求消息(RREQ)，并且当忽略、响应或重传RREQ时使用嵌入式位置分段标识符信息。如稍后所述，协议400提供绕过障碍(诸如建筑物、山丘、不可操作/拥堵节点及停用端(deadend)路由)的路由。此外，多层的网络结构300与协议400 —起使得能够按照蛙跳(leap-frog)的方式来路由数据流量，以满足延迟及容量负载。
协议400可以控制网络300中的各个通信设备的发送功率，并且在
12这个方面，能够控制RREQ及路由答复(RREP)消息及相应数据会话的发送功率。按照这种方式，协议400通过使CSMA的影响最小化而在实质上增大可用带宽，来提供扩展的RF频谱再使用，CSMA在非动态的系统中会占用高达50%的网络容量，并且增大延迟而且减小连接性。
虽然协议400能够用于其中通信设备主要经由全向天线进行传送的系统中，但是在该协议与具有"智能"或方向性天线能力的通信设备--起使用的情况下具有具体优点。智能天线技术对于本领域技术人员是公知的。智能天线及使用智能天线的通信设备(即，这里所使用的节点)至少表示，通信设备能够按照全向模式(即，按照360。辐射状模式)来发送消息，或通信设备能够选择性地发送给一个或更多个扇区或放射状分段，例如，22°、 45°、 90°、 180°等。在这些节点中实现智能天线能力的具体技术对于协议400的操作或其益处不是关键的。这里使用术语"智能天线"也并不暗指不与分段发送能力具体相关的附加智能天线技术。
根据协议400，按照需要，节点可以在全部方向广播信号，或在与路由/目的地节点方向相应的具体扇区/分段内传送单播信号。智能天线能力使得能够增大多个路由会话并且增大空间的再使用。
协议400结合功率控制来使用智能天线，以保持较高级别的连接性及整体网络通信容量。在大部分情况下，该协议按照与延迟要求一致的最低可能功率设置(Pl)来提供节点传输。较低功率级别的传输增大了该路由所涉及的节点数量，并因此增大延迟。对于标准传输，这没有意义，并且保持较低发送功率级别有助于实现增大RF频谱利用的目标。对于某些消息(诸如紧急/优先消息)及其它延迟敏感的消息(例如，VoIP相关消息)，协议400提供消息类型检测及自动功率增大(例如，P2、 P3、PX-最大)，由此减小用于消息传输的节点数量。按照可伸縮的方式来实现这一点，使得目的地节点以自己的RERR-L (由于延迟的路由错误)对RREQ-P进行响应。然后，该源节点发送路由请求消息，指示需要按照下一更高的功率级别的减小的延迟(RREQ-Pn)，中继器节点接收到该RREQ-Pn，响应于该RREQ-Pn的中继器节点在发送其RREQ-Pn时增大其功率， 一直反复进行该过程，直到实现延迟目标或达到最大功率(PX)为止。例如，对于VoIP消息传送，作为会话连接过程的一部分而建立功率增大及延迟减小，使得在实际的数据传输(即，对话)时，能够实现延迟目标。
响应于RREQ而动态地确定消息路由，并且通常并不保持消息路由。在路由无效一段时间后，丢弃例程消息路由，例如，在N秒之后丢弃该路由，其中，基于网络使用数据、历史数据、操作员选择或它们的组合来选择N值。协议400并不存储路由，而是使得各个节点对网络节点密度、位置信息、.相邻节点IP地址及与自己的位置相关的相关联地理关系进行缓存，以便使用智能天线能力及最低功率级别设置进行路由建立，从而实现延迟要求。例如，节点可以对IP地址及象限(quadrant)信息(例如，与节点相关的地理位置1°-90°、 91°-180°、 181°-270°及271°-360°罗盘方向)进行缓存。可以使用"FireDrill"或其它类似的过程来建立优先消息及紧急消息路由。根据Fire Drill过程来保持优先消息及紧急消息路由。
在所述实施方式中，如图3所示，网络300是包括层1节点、层2节点及层3节点的多层网状网络，各层节点具有它们自己的不同特性。因为层1节点在本质上是移动的，所以它们通常并不将它们自己作为与层2的节点相关联的一类。然而，在某些优先通信情况及紧急或第一响应方通信应用(例如，示例紧急情况)中，在层1中固定的其它移动节点被自动地接受进入层2中，并且被允许在网中建立其位置。将这--点设计在协议400，以容纳用作用于灾难恢复或其它类似应用的指挥所(command post)的暂时节点。虽然并不与层2节点相关联，但是层1节点可以连接到层2节点，以进行通信，具体地说，进行从层l节点到中央位置302的回程类型语音及数据通信。
此外，协议400提供层1移动节点在多个层2节点之间的基本转换。通过与该移动节点的速度增大相对应自动地增大hello信标数量来实现这一点。在该应用中，当正在使用路由时，附近的层2节点大体上追踪层1节点。这使得当正在使用路由时层1移动节点在层2节点之间移动。在层2节点之间的转换期间，层2或其它层的新的更近的节点(更强的RP
14信号)对于新的路由可用。由于对于新的路由保持先前的路由有效足够长时间，以与原始路由汇聚，所以使得数据和/或语音中断最小化(低于
50 msec)o
网络300通常具有比层1节点22或层2节点102/106/108/116更少的层3节点301。层3节点旨在并主要用作层2聚类之间的传输层，或用作针对目的地为中央点302或其它目的地的层1流量和层2流量的回程。层3节点通常具有比其它周围节点更高的接地电平以上(AGL: aboveground level)天线中心线。此外，层3节点还将RREQ重新传送(单播)到目的地扇区中的节点，即使层3节点并不在相对原始源/中继器节点的目的地扇区中。
固定节点(尤其是在较高密度网络内的固定节点)倾向于进行聚类，尤其是在基于应用层的各个同等节点持续地登记到其同等组的对等系统中。这些聚类典型地位于层2，而较少位于层1及层3，但是并不禁止层1或层3节点进行聚类。通常在聚类内生成的大量本地流量会阻碍聚类内路由。在这些情况下，如果单播RREQ被延迟过久，则要生成的下一 RREQ可以包括可由一个或更多个层3节点识别的代码，并向最接近目的地节点位置的其它层3节点单播，因此，绕过了延迟或阻塞RREQ的聚类。层3中的节点还可以被源节点使用，通过仅使用相同层节点连接到超出针对RREQ寿命预期或针对延迟要求所确定的节点计数的目的地节点。与层2节点不同，层3节点并不限于路由方向，并且即使层3节点并不位于所建议路由的象限中，它仍然可以重传RREQ。层3节点能够决定是将数据作为层2消息还是作为层3消息重传给另一层3节点。可能无意地接收到层3消息的层2节点可被设置成简单地忽略该传输，或取决于消息类型及内容而相应地对该消息进行响应。
取决于层2节点密度，层3节点具有取决于分成扇区的/方向性的节点的一套节点，或具有在一个位置连接到智能天线的单个节点。针对多个分成扇区的/方向性天线配置，相对于进入IP层以进行重传，协议400使得能够与RF分支网络交互，使得该套节点能够在链路层处理RREQ
及数据。根据协议400运行的网络300使得各个节点能够与附近/家族节点建立关系。这种关系至少限定了与自己相关的附近节点的地理位置，使得能够通过使用智能天线来单播消息。这些节点能够建立包含在其发送功率范围内及超出其发送功率范围(总体网络配置数据)的网络节点密度信息的表。还对发送功率进行控制以提供路由建立，从而满足延迟目标，并且发送功率还限定家族关系。如上所述，构成各个节点的通信设备包括存储器及能够学习家族节点、网络节点密度并对用于消息传输使用的数据进行缓冲的处理器。
以下说明具有网络300的结构并根据协议400运行的节点网络的配置。例如，在初始化阶段，通过网络操作员配置或其它合适的方式，节点(诸如层2节点)将其发送功率设置为最低设置，并且通过全球定位系统(GPS)或其它类似的定位技术来获知其物理位置。然后，层2节点初始化获知家族节点的过程。
图5例示了被多个潜在家族节点所包围的层2节点502。节点502试图建立到各个分段/扇区504、 506、 508及510中的最接近家族成员的连接，虽然可以使用更多或更少分段/扇区。家族成员可以定义如下
兄弟节点(sibling node):是具有足够的接收信号强度(RSL)以通过使用最小发送(TX)功率(<+10dBm)来提供与另一节点的可靠连接性的节点；
第一表兄弟节点(Cousinnode):是具有足够的RSL以通过使用中等TX功率(+11 dBm至lj+20 dBm)来提供与另一节点的可靠连接性的节点；
第二表兄弟节点是具有足够的RSL以通过使用中等到最大TX功率(+21dBm至lj+30dBm)来提供与另一节点的可靠连接性的节点；以及
DTS节点是并不具有足够的RSL以通过使用最大TX功率(〉+30dBm)来提供与另一节点的可靠连接性并且经受灰色代码阻塞的节点。
当然，可以限定更少或更多级别的关联。
家族发现过程指示节点502发送内嵌有其地理/层位置的HELLO，节点502进而监听包含该节点地理位置的其它节点的HELLO信标。当接收到Hdlo时，节点对节点内嵌的家族信息进行缓存。针对各个功率级别
16(Pl、 P2、 P3、 ...、 Pn、 PX)反复进行该过程，直到节点502能够获知 并且在其缓存中保存其兄弟节点512、第一表兄弟节点514及第二表兄弟 节点516为止，可由用户来设置各个级别的数量及功率。不满足这些标 准的节点是DTS，而且并不作为家族成员而被保存在缓存中。
节点在单播条件下控制发送功率(TX)，并被配置为尝试从全部其家 族成员获得基本上公共的RSL。这可以实现成在传输节点识别了最接近 的家族成员(兄弟、第一表兄弟、以及如果需要第二表兄弟)之后将它 们的功率约束在预定的(例如，N条)直接链路。传输节点会超出其用 于紧急/优先消息传输、延迟敏感的消息或针对各种其它可配置的目的的 边界发送功率。节点可以被配置为周期性地验证并更新保存在其缓存中 的家族成员表。在一个实施方式中，节点可以每[个时长更新其家族成 员表。因此，如果节点成为不可操作、拥堵或其他方式不可用，则生成 具有可靠的有效链路的修改后的家族表。
目标在于用于全部节点家族成员的公共RSL。然而，节点还试图满 足在各个象限标准内具有家族成员节点的要求。如图6所示的节点602 经由家族成员603仅能够满足三个象限606、 608及610的""—^fJT—楚 蘑6i一J/r"t///1^0 "要求，而遗漏象限604。在这种情况下，节点602 将试图链接到各个分段中的家族节点，直到其最大发送功率"PX"为止。 如图6所示，该节点可以连接到最接近静默扇区的节点，在这种情况下， 是在610象限中的家族节点616。如果节点602不能够满足该目标，则节 点602可被调整为釆用边缘节点配置，而并不跟踪静默扇区中的节点的 位置。然而，当监听到静默扇区中的新出现的节点时，节点602将试图 建立家族关系。此外，只要节点602接收到具有内嵌地理/层信息的RREQ ， 节点602就使用该信息来更新其缓存，使得它能够持续地更新其关于网 络配置及网络结构中的节点的知识。
图7-14及以下讨论例示了被构造为包括与网络300类似的网络的系 统的配置、操作特性及优点。
图7例示了包括位于两个地理障碍704及706周围的33个层2节点 的网状网络700，这些层2节点中的一个被标识为节点702。网状网络700的设置基本上与如图3所示的网络300相同。如上所述，各个节点702 釆用发现/映射功能，使得它能够获知其物理位置和与其相关的家族成员 (兄弟、第一表兄弟、第二表兄弟等)与构成限定了网络700的网708 的节点的位置。
在图8中，从图中移除图7所示的网状表示，来讨论从源节点710 经由路由714到目的地节点712的消息路由。根据实际上的任意合适的 分组数据传输协议(诸如TCP/IP、 UDP等)来组装该消息。还可以根据 协议400来调整该消息。
为了发送消息，源节点710通过首先査看其缓存以确定到目的地节 点712的方向及所估计的链路数量，来发起RREQ。源节点708将该方 向(例如(N/E 172.40.68.21))增加到该目的地节点地址，其中，术语 "N/E"表示目的地节点710相对于源节点708的方向(例如，东北方向)， 而术语"172.40.68.21"是目的地节点710的地址标识符。可以使用各种 方向指示符，诸如罗盘刻度盘(rose)指示符N、 N/E、 E、 S/E、 S、 S/W、 W、 N/W;经度/维度指示符，或任意其它合适的方向指示符。此外，该 源节点可以向该消息增加寿命预期或延迟令牌。因为源节点710知道目 的地节点712的相对方向，所以源节点710可以使用智能天线能力来将 RJREQ单播给适于向目的地节点712延伸的分段或多个分段。节点710 的家族成员节点(例如，节点716)接收到RREQ;节点716沿着相对于 目的地节点712的承载的路由方向。类似地，节点716确定适于向目的 地节点712延伸的分段或多个分段，并将该消息单播/重复传送给向节点 718延伸的分段中，节点718类似地将该消息单播/重复传送给向目的地 节点712延伸的分段。在各节点，该节点可以更新包含在该消息中的方 向信息，使得该方向性信息继续对应于适于向目的地节点延伸的方向。
在RREQ实现中，并不处于714的分段或方向中的节点719会接收 到RREQ。接收到RREQ但是并不处于到目的地节点712的路由714上 的节点可以被设置为忽略该消息，而且并不重复该消息。
此外，与优选的单播技术相反，可以要求网络700的节点使用全部 或有限的广播能力。图9例示了网络700及试图向节点712发送消息的节点720。然而，由于节点720接近障碍706，因此节点720是边缘节点。 也就是说，节点720在各个分段中并不具有家族节点，具体地说是缺少 在指向目的地节点712的分段中的家族节点。通常，对于并不在支持到 目的地节点712的路由的分段中的到节点720的家族节点(例如，节点 722及节点724)在从节点720接收到RREQ时会忽略该RREQ，这是因 为该节点并不处于支持到该目的地的路由的分段中。然而，作为发现/映 射过程的结果，节点720知道它是边缘节点，此外还知道它在支持到目 的地节点712的路由的分段中不具有家族成员。因此，节点720将边缘 节点指示符附加到具有目的地节点地址和方向性指示的RREQ。当接收 到包括该边缘节点指示符的RREQ时，家族节点722及724响应该RREQ。 在第一响应技术中，节点722或724服务于支持到目的地节点712的路 由的分段。节点722或724中的各节点将RREQ单播/重复传送到合适的 分段，来建立到目的地节点712的路由。如果节点722或724是边缘节 点或者不包括支持到目的地节点712的路由的分段，则它们可以通过还 将边缘节点指示符附加到RREQ来实现多播过程。
如图9所示，节点722及724中的各节点支持建立到目的地节点712 的路由的分段，并且因此建立了两条路由728及730。然而，在节点732 之后，路由728及730通过相同节点到达目的地节点712。路由728及 730可以汇聚成单个路由728'(图10)。路由汇聚可以基于延迟测量、节 点计数指示符或其它类似的技术。
根据协议400而运行的网络700可以检测潜在停用端路由，或按照 其他方式引导消息绕过障碍(诸如障碍704、 705及706)。试图向目的地 节点712发送消息的节点734发起RREQ，并且根据协议400而将目的 地节点地址及方向指示符附加到该RREQ。目的地节点712处于节点734 的西北方向，因此，方向指示符是N/E。所得到的路由736遇到节点720， 如上所述，节点720是边缘节点，而且不支持支持直接到目的地节点712 的路由的分段(图11)。当与节点712地址一起接收到具有N/E方向指示 符的RREQ时，节点720因此实现上述多播技术，以征用(enlist)节点 722及724来完成到目的地节点712的路由736。如上所述，从节点720到目的地节点712的路由汇聚到路由728'，因此所形成的路由736包括 从节点720到目的地节点712的路由728'。
可能的情况是，当发起或重复RREQ时，节点不会在该RREQ的延 迟/寿命预期要求内收到来自家族节点的响应。在这种情况下，节点可以 重发RREQ，这次包括边缘节点指示符以征用附加节点来提供响应。如 果没有对第二请求作出响应，则该节点还可以重发RREQ，但是这次删 除了方向性指示符而使用广播技术。接收到该广播消息的节点基于边缘 节点技术或广播技术(当单播技术失效时)来试图实现协议400，以将该 消息单播到支持到目的地节点的路由的合适的分段。
根据协议400，动态地建立路由，而且在路由无效超出预定时段之后 不再保存路由。随后的路由导致同时路由生成。优先/紧急消息可以享有 优选的或预建立的路由，这些路由作为网络发现/映射过程的"Fire Drill"过程的一部分而保存。保留了使用最低单播功率设置来建立路由 的期望，并且该源节点发起RREQ (如之前所述)，使用中等单播功率而 将RREQ单播给兄弟节点以及第一表兄弟节点。接收家族成员重复/单播 该RREQ。如果没有满足针对优先消息的延迟要求，则目的地节点使用 RERR (L)(由于延迟的路由请求错误)进行答复，源节点增大功率并且 在RREQ内提供指示，以使得接收家族节点按照类似的方式增大功率。 增大单播功率的作用在于，减小了支持从源节点到目的地节点的路由所 需要的节点数，并且因此减小了延迟。当目的地节点在所要求的延迟内 接收到该RREQ时，该目的地节点使用RREP进行响应。此外，这些优 先路由及相应功率设置作为初始网络发现/映射的一部分而被保持在各个 节点缓存中。
构成优先路由的各个节点知道从该节点出发的优先路由的方向(N、 N/E、 E、 S/E、 S、 S/W、 W、 N/W)。由于用于优先路由的潜在的增大功 率设置，在支持优先路由的分段中的节点可以侦听到优先消息RREQ， 但是并不作为优先路由的一部分(例如，由于延迟问题)，这种节点仅侦 听RREQ但是并不作出响应。这些节点限定其功率，并且指示它们在支 持该路由的分段中的家族成员按照类似的方式限定它们的功率。并不处听到该消息的节点类似地限定其功率。该 节点还指示其家族成员按照类似的方式限定它们的功率。作用在于创建
没有针对优先消息的竞争通信的区域740(图12)。假设限定了发送功率， 使得区域742不干扰优先路由的冲突/干扰要求和/或遭受优先路由的冲突 /干扰要求，则区域740边界之外的区域742对于通信保持可用。区域742 基本上由与优先路由相邻但是并不在支持该优先路由的分段中的节点的 家族成员组成。
上述讨论通常涉及层2节点操作。层3节点通常具有比任意周围节 点(例如，层2节点及层1节点)高的接地电平以上的天线中心线。图 13例示了网络700'。网络700，基本上是还包括层3节点750、 752及754 的上述网状网络700。层3节点750、 752及754基本上位于层2节点及 层1节点上方，例如，位于障碍704、 705及706上，所以层3节点750、 752及754能够看见层2节点或层1节点不能看见的节点。当接收到RREQ 时，层3节点(例如，节点752)将RREQ单播给在目的地分段中的家 族成员756，即使该层3节点并不在原始源节点758的目的地分段中。这 使得能够创建越过障碍704的路由770，这与使用层2节点及层1节点(例 如，764)来绕过障碍704的情况相反，从而减小了延迟。此外，该设置 支持从层2节点的第一聚类766到层2节点的第二聚类768的聚类到聚 类的通信。
此外，层3节点750、 752及754支持回程通信，与中央点进行通信 并且通过减小路由构成节点的数量来减小延迟。参照图14，层3节点750 接收到由层2节点772发起的到目的地节点774的RREQ。节点750将 RREQ单播给层3节点752，层3节点752进而将RREQ单播给层3节点 754。节点754将RREQ单播给目的地节点774。当在节点750与节点752 之间和在节点752与节点754之间进行单播时，节点756及节点754将 层3节点标识符附加到RREQ，使进行监听并且能够听到RREQ的层2 节点及层1节点不对RREQ进行响应。
图15-19的流程图示出了处于多层网状网络结构中的节点根据运行 协议(诸如上述网络及运行协议)的操作。图15示出了源节点RJREQ发
21起。在1502处，识别目的地节点的地址，并且在1504处，该源节点査 看其缓存以确定要被附加到RREQ内的目的地节点地址的位置指示符。 在1506处如果缓存内不包含目的地节点位置指示符，则在1508处源节 点附加其坐标，并且在1510处发送RREQ。如果缓存内包含目的地位置 指示符，则在1512处源节点检査这是否是对RREQ的重发。RREQ重发 是表示家族节点没有对原始RREQ作出响应的指示。为了扩大在监听到 RREQ的家族节点中会作出响应的家族节点的数量，在1514处可以将边 缘节点标识符附加到RREQ，使得能够进行RREQ的多播并且得到更广 泛的响应。如果在1518处确定目的地分段是静默扇区，则情况也一样。 图16的流程图示出了接收RREQ的节点的响应。在1602处，节点 等待接收RREQ。在1604处当接收到RREQ时，节点首先在1606处确 定该路由是否是优先路由，根据图19的流程图来处理优先路由。如果该 路由不是优先路由，则在1608处接收节点对该路由源/目的地节点地址及 坐标进行缓存。接下来，在1610处该节点对目的地节点位置指示符进行 检査，并且如果目的地节点位置指示符并不存在(这可能是因为RREQ 失效所以源节点并没有将目的地位置指示符包括在内的结果)，则在1612 处将本地节点地址及位置指示符添加到RREQ，并且在1614处重发 RREQ。否则，在1616处针对边缘节点指示符检査所接收的RREQ。如 果边缘节点指示符存在并且在1618处确定之前发送了 RREQ，则该节点 返回到等待接收RREQ。否则，在1620处该节点检査该路由是否在静默 分段中。如果该路由不到静默扇区，则在1612处添加本地节点地址及位 置指示符，并且在1614处再重发RREQ。否则，在添加本地节点地址及 位置并且重发RREQ之前，在1622中添加边缘节点指示符。在缺少边缘 指示符的情况下，在1624处该节点检查RREQ，以确定RREQ是否是层 3RREQ，并且如果是，则该节点返回到在1602处等待接收RREQ。如果 RREQ不是层3 RREQ并且在1626处该节点处于支持该路由的分段中， 则在添加边缘节点指示符(在1622处)之前，如果合适，并在重发RREQ (在1614中)之前的添加本地节点地址及位置指示符(在1612处)之 前，在1620处执行静默扇区检査。图17按照流程图形式例示了对层3节点接收到RREQ的类似响应。 在1702处，节点等待接收RREQ。在1704处当接收到RREQ时，该节 点首先在1706处确定该路由是否是优先路由。如果该路由不是优先路由， 则在1708处接收节点对该路由源/目的地节点地址及坐标进行缓存。接下 来，在1710处该节点对目的地节点位置指示符是否存在进行检查，并且 如果目的地节点位置指示符不存在，则在1712处将节点位置指示符添加 到RREQ，并且在1714处重发RREQ。否则，在1716处针对边缘节点指 示符检查所接收的RREQ。如果边缘节点指示符存在并且在1718处先前 发送了RREQ，则该节点返回到1702处等待接收RREQ。否则，在1720 处该节点检査该路由是否在静默分段中。如果该路由在静默分段中，则 在1722处添加边缘节点指示符，在1712处将节点位置添加到RREQ， 并且在1714处重发RREQ。否则，在1724处该节点检查RREQ以确定 该RREQ是否是层3 RREQ，并且如果是，则在1726处该节点添加层3 指示符，在1712处将节点位置添加到RREQ中，并且在1714处重发 RREQ。
图18例示了在确定RREQ涉及优先路由(如图16及17所示)之后 的优先路由处理。当在1802处接收到RREQ并且在1804处确认RREQ 与优先路由相关联时，在1806处该节点检查RREQ功率级别。如果功率 级别最低(Pl)，则在1808处检查延迟，并且分别在1810和1812处发 送RREP-P1或RERR-L1。如果在1814处确定功率级别是中等功率级别
(P2、 P3、…、Pn)，则在1816处检查延迟，并且分别在1818和1820 处发送RREP-Pn或RERR-Ln。如果在1822处功率级别是最大功率级别
(PX)，则在1824处检查延迟，并且如果延迟是"正确(ok)"则在1826 处发送RREP-PX。如果延迟不是"正确"，则在1828处发送最佳的延迟 答复RREP (PX)，并且在1830处生成延迟告警。
图19示出了源节点针对RREP/RERR消息的动作。当在1902处接 收到RREP或RERR时，在1904处对该路由的优先级状态进行检査，并 且如果在1906处对于RERR消息该路由不是优先路由，则在1908中重 发RREQ。否则，在1910处经由该路由发送数据。确认了该路由的优先状态，在1912处检査RERR (Ll) /RREP (Pl)消息。如果存在延迟错 误，则在1914处按照下一功率级别来发送RREQ。如果在功率级别Pl 上不存在延迟错误并且在1916处存在路由答复(RREP(P1))，则在1910 处发送数据。如果既不存在RREP(Pl)也不存在RERR(LO，则在1918 处检査RERR (L2) /RREP (P2)消息。如果存在延迟错误，则在1920
处按照下一功率级别来发送RREQ。如果在中等功率级别(P2、 P3.....
Pn)上不存在延迟错误并且在1922处存在处于中等功率级别(RREP(Pn)) 上的路由答复，则在1910中发送数据。如果既不存在RREP (P2)也不 存在RERR (L2)，则在1924中检査RREP (P3) /RREP (PX)消息。如 果在1926处存在RREP (PX)消息，则在1928处将发送功率级别设置 为最大(PX),在1910处发送数据，并且在1930处生成延迟告警。否则， 在1910处基于RREP (Pn)发送数据。
这里所述的多层网状网络及运行协议具有很多应用。在这里所述的 主要实施方式中，该网络及协议可以应用于具有带有通信能力的分布式 源、开关/控制及负载元件的配电系统中。在该领域中的新技术要求识别 和传输优先消息并且减小延迟的通信能力。这对于使得对等切换设备能 够足够快速地反应以检测、保护和恢复覆盖了 5到IO平方英里基础设施 的电网而言是必要的。多个节点必须在数毫秒内对较高优先消息进行检 测、反应及传输，以防止电路过载并且保护昂贵的公共基础设施。同时， 并不直接地涉及紧急会话的多个节点需要快速地限定它们的功率，以最 小化对要传输的优先消息的干扰。
这里所述的网络结构及协议的另一应用在于货物(commodity)处理 和/或分配系统，诸如石油处理及分配系统。与配电系统相类似，石油处 理及分配需要其能够自动地/远程地对故障阀门、破损管道及故意破坏/ 恐怖主义袭击进行检测及隔离的系统。在这种应用中，第二层节点通常 具有关键任务(mission critical)责任，并且相对于第一层节点及第三层 节点而言是核心基础设施。在这种应用中基础设施保护是第二层网络的 主要任务，因为对于给定网格分区对紧急通信需要的时间不到5%。丙此， 该通信网络及协议大部分时间可以用于SCADA、遥测(telemetry)、仪表读数(meter reading)、视频监视、车辆及语音。这里所述的网络及协 议能够快速、自动、及时地将应用从日常通信变换到紧急通信。根据这 里所述的实施方式的网络及协议还适于将第二层节点设置为容纳第一层 语音及数据，并将其从移动单元路由到第三层节点以用于回程，而不会 忽视其保护基础设施的原始任务。
另一应用主要涉及紧急/本地通信/第一响应方服务。因为其对优先消 息、车辆/节点位置及视频监视进行反应的能力，这里所述的网络及协议 非常适于提供用于紧急通信的可靠网络。此外，这些网络及协议使得能 够实现移动(migration)路径汇聚技术。在这种应用中，第一层节点具 有关键任务责任，并且形成相对于第二层节点及第三层节点而言的基础 设施的核心。在这种情况下，第二层固定节点主要在第一和第三层节点 回程之间用作中继器(有时是视频监视节点)，并且针对第一层节点连接 性为地理区域(类似于小区站点)提供RF覆盖区(footprint)。由第一层 移动节点生成优先消息，并且经由第二层节点及第三层节点传输到中央 指令/调度(dispatch)部。
虽然按照配电保护及恢复系统以及相应方法的多个优选实施方式来 说明了本发明，但是可以理解的是，本发明并不限于这些系统及方法。 可以结合任意数量的系统、设备及方法来应用本发明的概念以提供同等 的分配系统保护中。
虽然本申请可以采用各种修改例及替换形式，但是通过附图中的示
例及这里所述的实施方式来示出了某些实施方式。然而，可以理解的是， 本公开并不旨在将本发明限制为所述的具体形式，相反，本发明旨在涵 盖由所附权利要求限定的全部修改例、替换例及等同物。
还应当理解的是，除非在本发明中使用了"如这里使用的，术语'一， 在这里被定义为表示……"的语句或类似的语句来明确地定义某一术语， 否则并不旨在明示或暗示地将该术语的含义限制为超出其字面或普通含 义，并且不应当基于在本发明的任意部分(除了权利要求的文字外)作 出的任意陈述而认为是对这些术语在范围上的限制。就本发明中按照与 单个含义一致的方式来使用在本发明结尾的权利要求中表述的任意术语来说，这只是出于清楚的目的，以不使读者困惑，并且并不旨在使得这 些权利要求术语限于(通过暗示或其它方式)该单个含义。除非通过引
用词语"装置(means)"和没有描述任意结构的功能来定义权利要求的 要素，否则并不基于35 U.S.C.§112、第六段而对任意权利要求的要素的 范围进行解读。
权利要求
1、在具有分布式源、开关及负载组件的配电系统中，以下将分布式源、开关及负载组件称为节点，各节点都具有通信能力，一种与该系统相关联的用于在所述节点之间进行消息通信的通信协议，该协议包括对于各节点确定家族节点，其中，各家族节点的指定包括地址和位置指示符；从源节点向目的地节点发起路由请求，所述路由请求包括所述目的地节点的地址和所述目的地节点的位置指示符；以及根据所述位置指示符，将所述路由请求单播给所述源节点的家族节点。
2、 根据权利要求1所述的协议，其中，各节点根据该节点的至少一 个特性与第一层或第二层中的一个层相关联。
3、 根据权利要求2所述的协议，其中，所述特性包括移动性、物 理关系或节点功能。
4、 根据权利要求3所述的协议，其中，物理关系包括所述节点相对 于其余节点的相对标高。
5、 根据权利要求l所述的协议，其中，在所述节点中的一个或更多 个节点周围的区间集中的各个区间中没有家族节点的情况下，将该节点 指定为边缘节点。
6、 根据权利要求5所述的协议，其中，所述边缘节点被配置为响应 于与所述边缘节点相关联的家族节点的存在及位置，来单播或广播所述 路由请求。
7、 根据权利要求1所述的协议，其中，与承载有位置指示符的所述 路由不相关联的节点被配置为不对所述路由请求进行响应。
8、 根据权利要求1所述的协议，所述源节点响应于没有接收到对所 述路由请求的所述单播的路由答复，来广播所述路由请求。
9、 根据权利要求1所述的协议，其中，还根据所述节点与所述家族 节点进行通信所需要的功率级别值来指定所述家族节点。
10、 根据权利要求1所述的协议，其中，所述节点在物理上分布在三维地理区域上，并且其中，各节点根据所述节点的物理位置的特性而 与第一层和第二层中的一个层相关联。
11、 根据权利要求io所述的协议，所述第二层节点相对于所述第一层节点具有更高的物理标高，所述第二层节点。
12、 根据权利要求10所述的协议，所述第二层节点被配置为与其相 对于所述目的地节点的位置关系无关地对路由请求进行响应。
13、 根据权利要求10所述的协议，所述第二层节点被配置为将第二 层节点指示符附加到所述路由请求上以提供修改后的路由请求，所述第 二层节点被配置为当第一层节点被配置为忽略所述修改后的路由请求时 对所述修改后的路由请求进行响应。
14、 根据权利要求1所述的协议，其中，所述路由请求与优先消息 和优先路由相关，由所述节点的集合来定义所述优先路由。
15、 根据权利要求14所述的协议，其中，定义所述优先路由的所述 节点集合的家族节点在传送所述优先消息的期间具有边界功率。
16、 根据权利要求1所述的协议，所述路由请求包括延迟要求指示， 并且其中，所述目的地节点响应于接收到所述路由请求及所述延迟要求 指示而提供路由答复消息或路由错误消息，所述源节点响应于所述路由 答复消息来开始数据通信，并且所述源节点还响应于所述路由错误消总 来重发所述路由请求。
17、 根据权利要求16所述的协议，其中，所述源节点响应于所述路 由错误消息来以增大的功率级别重发所述路由请求消息。
18、 根据权利要求16所述的协议，其中，所述源节点响应于所述路 由错误消息，作为广播路由请求而重发所述路由请求消息。
19、 根据权利要求1所述的协议，该协议包括 响应于所述路由请求在所述源节点与所述目的地节点之间建立路由，所述路由包括中间节点，所述中间节点与所述位置指示符相关联。
20、 根据权利要求19所述的协议，该协议包括 响应于所述路由请求在所述源节点与所述目的地节点之间建立两条路由。
21、 根据权利要求20所述的协议，其中，所述路由包括所述两条路 由的汇聚。
22、 一种用于在通信网络的节点之间进行消息通信的通信协议，该协议包括对于各节点确定家族节点，其中，各家族节点的指定包括地址及位置指示符；从源节点向目的地节点发起路由请求，所述路由请求包括所述目的 地节点的地址和所述目的地节点的位置指示符；以及根据所述位置指示符，将所述路由请求单播给所述源节点的家族节点。
23、 根据权利要求22所述的协议，其中，各节点根据该节点的至少 一个特性与第一层或第二层中的一个层相关联。
24、 根据权利要求23所述的协议，其中，所述特性包括移动性、 物理关系或节点功能。
25、 根据权利要求22所述的协议，其中，所述节点在物理上分布在 三维地理区域上，并且其中，各节点根据该节点的物理位置的特性而与 第一层和第二层中的一个层相关联。
26、 根据权利要求25所述的协议，所述第二层节点被配置为与其相 对于所述目的地节点的位置关系无关地对路由请求进行响应。
27、 根据权利要求22所述的协议，所述路由请求包括延迟要求指示， 并且其中，所述目的地节点响应于接收到所述路由请求和所述延迟要求 指示而提供路由答复消息或路由错误消息，所述源节点响应于所述路由 答复消息来开始数据通信，并且所述源节点还响应于所述路由错误消息 来重发所述路由请求。
28、 根据权利要求27所述的协议，其中，所述源节点响应于所述路 由错误消息来以增大的功率级别重发所述路由请求消息。
29、 在具有分布式网络组件的货物处理和/或分配系统中，以下将所 述分布式网络组件称为节点，各节点都具有通信能力， 一种与该系统相关联的用于在所述节点之间进行消息通信的通信协议，该协议包括对于各节点确定家族节点，其中，各家族节点的指定包括地址及位 置指示符；从源节点向目的地节点发起路由请求，所述路由请求包括所述目的 地节点的地址和所述目的地节点的位置指示符；以及根据所述位置指示符，将所述路由请求单播给所述源节点的家族节点。
全文摘要
配电系统可以包括网络通信能力。网络(100)通信能力可被配置为多层、网状网络或者是可配置的多层、网状网络。该网络可以具有两层固定节点网(层2和层3)以及一层移动节点网(层1)。各层及各层的各节点(106、108)具有与应用、路由类型、发送功率控制、物理配置及消息优先级相关的不同特性。网络配置及特性基于该网络的应用及通信需要的变化而改变。
文档编号H04L12/28GK101517970SQ200780033993
公开日2009年8月26日 申请日期2007年9月7日 优先权日2006年9月15日
发明者马丁·P·詹森 申请人:施恩禧电气有限公司