一種具有自愈能力的輸電線路通信系統(tǒng)

田 霖 袁華璐 朱一峰 劉 淼 茹正輝 韓東升 高 強(qiáng)

一種具有自愈能力的輸電線路通信系統(tǒng)

田 霖 袁華璐 朱一峰 劉 淼 茹正輝 韓東升 高 強(qiáng)

輸電線路需要采集多種狀態(tài)信息，這些信息包含的數(shù)據(jù)量較大，要求輸電線路通信系統(tǒng)具有帶寬寬、實(shí)時(shí)性好、不受外界因素限制的特點(diǎn)。本文結(jié)合光通信技術(shù)，研究以無線mesh網(wǎng)絡(luò)為架構(gòu)的輸電線路通信系統(tǒng)，沿輸電線路鐵塔安裝通信設(shè)備，建立雙向?qū)拵ㄐ畔到y(tǒng)。在該通信系統(tǒng)中，出現(xiàn)某點(diǎn)故障有自愈能力，不影響正常通信。

輸電線路是電力系統(tǒng)重要的設(shè)備，由于電力系統(tǒng)分布廣、所處地理環(huán)境惡劣，因此首當(dāng)其沖成為災(zāi)害影響的對(duì)象。而輸電線路一旦發(fā)生故障將造成大面積停電，給國民經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重的損失。因此，各地的供電局都制定了比較詳細(xì)的規(guī)章制度來對(duì)輸電線路設(shè)備進(jìn)行巡查，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，盡早處理問題。因此，及時(shí)有效地獲取輸電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括視頻信息是非常必要的。

及時(shí)有效地獲取輸電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)則是輸電線路通信系統(tǒng)，堅(jiān)強(qiáng)靈活、具有一定自愈能力的輸電線路通信系統(tǒng)可以為狀態(tài)數(shù)據(jù)的獲取提供有力的保證。然而，現(xiàn)有輸電線路通信系統(tǒng)不能滿足這些要求?，F(xiàn)有輸電線路通信系統(tǒng)主要包括電力線載波通信、光纖通信和無線通信方式。如果將電力線載波應(yīng)用于輸電線路監(jiān)測(cè)的通信方式，那么作為監(jiān)測(cè)對(duì)象的輸電線路發(fā)生故障或損壞時(shí)，這種依靠電力線路作為傳輸介質(zhì)的通信方式將無法工作，也就失去監(jiān)測(cè)意義。光纖通信在輸電線路中非常普遍，但是一旦出現(xiàn)故障則需要一定的時(shí)間恢復(fù)。而現(xiàn)有的無線通信方式則存在穩(wěn)定性差、傳輸速率有限等問題。為此，本為構(gòu)建了一種具有自愈能力的輸電線路通信系統(tǒng)。采用無線mesh和有線光纖通信技術(shù)相結(jié)合，建立雙向?qū)拵ㄐ畔到y(tǒng)。在該通信系統(tǒng)中，出現(xiàn)某點(diǎn)故障有自愈能力， 節(jié)點(diǎn)可以切換到其他的鏈路，不影響正常通信。

無線mesh網(wǎng)

無線mesh網(wǎng)絡(luò)，由mesh routers（路由器）和mesh clients（客戶端）組成，其中mesh routers構(gòu)成骨干網(wǎng)絡(luò)，并和有線的internet網(wǎng)相連接，負(fù)責(zé)為mesh clients提供多跳的無線internet連接。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)（無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)）也稱為“多跳（multi-hop）”網(wǎng)絡(luò)，它是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。主要特點(diǎn)如下：1）快速部署和易于安裝；2）非視距傳輸（NLOS）；3）健壯性。如果某個(gè)路由器發(fā)生故障，信息由其他路由器通過備用路徑傳送；4）結(jié)構(gòu)靈活；5）高帶寬。

具有自愈能力的輸電線路通信系統(tǒng)

系統(tǒng)框架

如圖1所示，一種具有自愈能力的輸電線路通信系統(tǒng)由四部分組成，分別為：無線mesh節(jié)點(diǎn)，供電單元，光纖接入點(diǎn)和光纖傳輸線。光纖傳輸線用于長距離的傳輸，在重點(diǎn)區(qū)域配備無線mesh節(jié)點(diǎn)，無線mesh節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過光纖接入點(diǎn)進(jìn)入光纖傳輸線傳輸，供電單元為無線mesh節(jié)點(diǎn)供電。 在兩個(gè)光纖接入點(diǎn)之間配置多個(gè)mesh節(jié)點(diǎn)， mesh節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)向下一跳mesh節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)幾跳后數(shù)據(jù)達(dá)到光纖接入點(diǎn)，由光纖傳輸線解決更遠(yuǎn)距離的傳輸。供電單元為無線mesh節(jié)點(diǎn)供電，其實(shí)現(xiàn)方法可采用太陽能供電，配合儲(chǔ)能設(shè)備存儲(chǔ)能量或高壓感應(yīng)取電方式。整個(gè)系統(tǒng)利用無線mesh技術(shù)的自組網(wǎng)、自修復(fù)、多跳級(jí)聯(lián)、節(jié)點(diǎn)自我管理等智能特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自愈功能。系統(tǒng)在配置mesh節(jié)點(diǎn)時(shí)，留有適當(dāng)?shù)娜哂啵?dāng)出現(xiàn)鏈路故障時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自愈，不影響正常通信。具體說來，當(dāng)某一無線mesh節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)可以選擇其它mesh節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，不影響正常通信。當(dāng)某一光纖接入節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)，搶救“信息孤島”，不影響正常通信。當(dāng)mesh節(jié)點(diǎn)或光纖接入點(diǎn)故障排除后，系統(tǒng)可以恢復(fù)原最優(yōu)路由。

系統(tǒng)功能

如圖1所示在兩個(gè)光纖接入點(diǎn)中間配備若干無線mesh節(jié)點(diǎn)（圖1所示為6個(gè)mesh節(jié)點(diǎn)），兩個(gè)無線mesh節(jié)點(diǎn)之間的距離最大為13～20km，為了冗余備份，一般節(jié)點(diǎn)之間距離為5～10km。在通信線路正常時(shí)，路由規(guī)劃時(shí)可以從中間點(diǎn)分開，中間點(diǎn)兩側(cè)的信息分別經(jīng)本端光纖接入點(diǎn)進(jìn)入光纖傳輸線傳輸。如圖1中，節(jié)點(diǎn)1、2、3、4中的數(shù)據(jù)經(jīng)光纖接入點(diǎn)1進(jìn)入光纖傳輸線，節(jié)點(diǎn)5、6、7、8中的數(shù)據(jù)經(jīng)光纖接入點(diǎn)2進(jìn)入光纖傳輸線。這樣，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)少，帶寬充足，只有在某些無線mesh路由器或某個(gè)光纖接入點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，斷開的兩端分別向可連通的變電站端傳輸信息，完成通信系統(tǒng)的自愈。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2是本文提供的一種具有自愈能力的輸電線路通信系統(tǒng)中無線mesh節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，系統(tǒng)自愈過程的示意圖。圖2-a中，無線mesh節(jié)點(diǎn)3發(fā)生故障，不能中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)4發(fā)送的數(shù)據(jù)，普通的輸電線路通信系統(tǒng)將出現(xiàn)通信中斷。本文提出的系統(tǒng)在配置無線節(jié)點(diǎn)的時(shí)候留有一定的冗余距離，當(dāng)某一個(gè)無線mesh節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障的話，系統(tǒng)可以選擇其它mesh節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，不影響正常通信。如圖2-b中所示，節(jié)點(diǎn)4與節(jié)點(diǎn)2建立連接，直接通過節(jié)點(diǎn)2轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)3的故障排除后，節(jié)點(diǎn)4恢復(fù)與節(jié)點(diǎn)3的連接，系統(tǒng)恢復(fù)圖1所示的路由。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)故障超出冗余距離時(shí)，如圖2-c中節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3同時(shí)發(fā)生故障，節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)4之間的距離超出了冗余距離，此時(shí)節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)4之間無法直接建立連接，此時(shí)節(jié)點(diǎn)4可以通過節(jié)點(diǎn)5，迂回到光纖接入點(diǎn)2，接入光纖傳輸線，也可以實(shí)現(xiàn)正常通信，如圖2-d所示。當(dāng)節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3的故障排除后，系統(tǒng)恢復(fù)圖1所示路由。

圖3是本文提供的一種具有自愈能力的輸電線路通信系統(tǒng)中光纖接入點(diǎn)發(fā)生故障，系統(tǒng)自愈過程的示意圖。圖3-a中，光纖接入點(diǎn)2發(fā)生故障，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)到光纖傳輸線的接入功能，則此時(shí)節(jié)點(diǎn)5、6、7、8無法與外界通信，形成了“信息孤島”。采用本實(shí)用新型，可以實(shí)現(xiàn)迂回路由，搶救“信息孤島”。如圖3-b所示，節(jié)點(diǎn)可以分別通過相鄰的光纖接入點(diǎn)接入光纖傳輸線。當(dāng)光纖接入點(diǎn)2的故障排除后，系統(tǒng)恢復(fù)圖1所示路由。

圖2　無線mesh節(jié)點(diǎn)故障自愈示意圖

圖3　光纖接入點(diǎn)故障自愈示意圖

系統(tǒng)特點(diǎn)

本文提供的一種具有自愈能力的輸電線路通信系統(tǒng)，采用多個(gè)無線mesh節(jié)點(diǎn)連接光纖接入裝置，無線mesh不會(huì)因線路斷路發(fā)生故障，而當(dāng)某個(gè)無線路由器發(fā)生故障無法工作時(shí)，采用無線mesh路由器，沒有發(fā)生故障的無線mesh路由器依然會(huì)相互連接傳輸數(shù)據(jù)，使得光纖傳輸線不會(huì)斷路。具體說來，本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

（1）自愈功能：采用智能結(jié)構(gòu)體系。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)通信中斷時(shí)，可自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)，搶救“信息孤島”，恢復(fù)系統(tǒng)。

（2）組網(wǎng)成本低：利用現(xiàn)有光線網(wǎng)絡(luò)或變電站，結(jié)合無線通信。布網(wǎng)迅速，節(jié)省資源。

（3）良好的可擴(kuò)展性：直接在新的監(jiān)控點(diǎn)架設(shè)無線mesh設(shè)備，即通過自動(dòng)組網(wǎng)功能與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)相連接。

（4）故障維修簡(jiǎn)便：系統(tǒng)自組網(wǎng)、自愈合特點(diǎn)，出現(xiàn)部分設(shè)備故障不影響系統(tǒng)正常工作，同時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯示出故障設(shè)備標(biāo)號(hào)。

（5）具有應(yīng)急通信功能：可以實(shí)現(xiàn)多層次立體組網(wǎng)，在出現(xiàn)大規(guī)模故障或?yàn)?zāi)害時(shí)，能快速恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信功能。

結(jié)束語

輸電線路的特點(diǎn)是點(diǎn)多、面廣、線長，長期裸露野外，往往跨越無人區(qū)域。受到各種因素的影響，通信線路可能會(huì)發(fā)生中斷；而且一旦出現(xiàn)中斷不易恢復(fù)。為此，建立具有一定自愈能力的輸電線路通信系統(tǒng)十分必要。本文采用無線mesh技術(shù)，搭建輸電線路無線mesh通信架構(gòu)。在該通信系統(tǒng)中，出現(xiàn)某點(diǎn)故障有自愈能力，不影響正常通信。如果故障發(fā)生，節(jié)點(diǎn)可以切換到其他的鏈路，實(shí)現(xiàn)具有自愈功能的輸電線路堅(jiān)強(qiáng)無線mesh通信系統(tǒng)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.022