基于物聯網的電力脫網應急通信方法研究

蘇 峰，李志強

（國網新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 基于電力物聯網的感知層設計

電力脫網通信的感知平臺搭建是及時有效處理應急通信的關鍵。基于物聯網的感知層設計是當前行之有效的方法之一。物聯網是通信、傳感以及自動化等多重技術融合的一種體現，能夠識別物品信息，隨時隨地采集物體的動態信息[1-2]。采集的數據可以通過網絡匯總至云端，從而進行信息共享和管理。另外，物聯網可以通過互聯網實時傳輸資源，實現信息智能分析和管理。當前，電力設備朝著智能化和現代化方向不斷發展，智能電網與物聯網的聯系日益緊密。

物聯網在電力通信系統中可以理解為一個滿足電網基礎設施、人員、環境識別、互聯、感知和控制要求的網絡系統，從而實現實體之間的協同和互動，形成一個智能的電力生產、生活體系。從系統架構上看，電力物聯網可以分為3個部分，分別為感知層、網絡層和應用層[3]。物聯網的全部技術體系如圖1所示。

感知層包括感知控制子層和通信擴展子層，主要通過智能傳感器、智能采集設備等收集與電力系統、環境狀態和機械狀態有關的信息。網絡層由核心網和接入網組成，主要實現傳輸、路由和信息管理。由于網格系統對數據信息的實時性、可靠性和安全性有嚴格要求，物聯網必須通過電力網傳輸、聚合和控制信息。應用程序層包括網格應用程序基礎結構、中間件和各種應用程序。可視化可以使用常見的基本服務實現，如信息處理和計算，為有效使用智能網絡開辟了道路。

圖1 電力物聯網的技術體系

2 物聯網在電力脫網應急通信中的處理方法

基于物聯網電力脫網感知平臺的設計，處理層的具體操作方法主要體現在RFID技術、無線傳感器網絡以及設備智能化水平上。

2.1 RFID技術

在電力物聯網系統中，數據采集是一項重要的基礎工作。其中，標識事物的RFID射頻識別技術可以借助射頻信號自動識別并搜集信息。該技術可以從不同節點獲取數據，可識別高速運動物體，并且可以識別多個標簽，最終根據需求向處理器傳輸相關數據。RFID射頻識別技術在物聯網中的應用可以有效避免數據丟失、錯誤和重復等情況。

2.2 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡能夠將分散的傳感器單元通過自行組織的無線網絡進行連接，進而達到匯總和傳輸數據的目的。無線傳感器網絡包含各種類型的傳感器，能夠勘查周邊環境中檢測對象的各類型參數，如溫度、濕度、壓力以及土壤成分等，實現對監測對象全方位的立體數據監控。

2.3 設備智能化水平

智能技術指在檢測對象中植入智能系統，融合傳感、人工智能等新技術，賦予物體一定的智能性，并借助網絡系統判斷和分析對象的相關參數信息，如圖2所示。智能化設備的應用很大程度上改進了電網的運行效率，推進了電力物聯網建設的進程。

圖2 電網設備物理系統結構圖

3 物聯網技術在電力脫網通信中的具體表現

3.1 應急通信

由于應急通信的時間和發生地點是不確定的，因此指揮中心與事故地點聯系變得十分困難，通常需要搶修人員到達場地后對現場問題進行信息搜集后傳回指揮中心，效率較低。物聯網技術的應用，為指揮中心開展工作提供了便利，可以準確實時傳回現場事故狀況，并及時準確定位事故現場和具體情況，提高效率的同時降低人力、物力消耗[4-5]。

3.2 配網通信

配網是相對于高壓輸變電網而言的，結構通常比較復雜，尤其是10 kV等級下的電壓網絡，具有配電設備量多、電壓等級多、支線多、分布廣以及變動頻繁等特點。由于配網經常變動，在市內進行光纖施工難度較大，不能靈活改變，存在局限性。應用物聯網技術可以將配網中的設備與互聯網接通，順利解決了配電網中的終端與通信問題。

3.3 智能電網

智能電網是一個具有先進技術水平的現代化電網，具有安全性高、可靠性強以及高效靈活等特點。在智能電網中，各級電壓協調發展，傳感測量、通信技術和控制技術等技術的融合，使得電網能夠安全高效地持續運行，完成了電網管理工作從事后處理到事前預防的轉變，同時滿足了社會發展的需求。

4 智能路由算法方案在電力脫網應急通信中的實施

電力物聯網的應用使得電網系統通信實現信息采集、電力操控等功能。但是，智能電網可靠性全部依賴于基站，一旦基站發生故障，將造成通信網絡局部中斷，影響電網系統的安全運行。本文針對配用電脫網應急通信需求設計了新型多模式節點，具備專網與公網技術結合的多模式通信能力，通過收集數據上傳至云端實現數據的實時有效傳輸，從而達到脫網應急通信。

4.1 脫網應急技術

目前，常見的脫網應急通信有普通直通方式、網絡參與的直通方式和多跳中繼直通方式。普通直通方式沒有其他設備參與，需要依照獨立通信標準，不適用于大規模普通節點的網絡。網絡參與的直通方式需要其他資源協同，主要通過移動端發起請求，由網絡分配資源。多跳中繼直通方式以普通直通方式為前提，通過中間節點中繼實現多跳通信，具體模式如圖3所示。3種脫網通信方式都存在相應的弊端，現提出邊緣網絡多跳中繼直通方法，同時設計終端模塊通信機制，以更加有效地解決脫網通信問題[6]。

圖3 多跳中繼直通方式模式

4.2 網絡架構設計

為了確保通信在基站故障的情況下可以順利完成通信，應借助多模通信機制，提高網絡的抗毀能力[4]，工作模式如圖4所示。

圖4 脫網應急通信架構

智能路由算法是脫網應急通信的關鍵所在[7-8]。傳統路由協議存在網絡拓撲變化太快、負荷重、周期性刷新加大了能量消耗、復雜的路由信息交換減少了有效系統帶寬等問題。在構建路由表時，根據邊緣網絡特殊性質，設定網絡節點必須遵照以下3個原則：（1）空間度量原則，即中間中繼節點在路由表中的位置P(Ni)越接近目標節點CH，暢通度越高；（2）權重度量原則，即若傳輸鏈路徑長度相同，權重r(Ni)越大，暢通度越高；（3）時間度量原則，即若傳輸鏈路徑長度相同，消息時延（節點Nj到Ni）越小，暢通度越高。

每個節點維持一個暢通度列表ST，代表節點問的暢通能力，如：

其中，ST為n×n二維矩陣；Sij表示節點Ni對節Nj的暢通度；ST中的行向量Sj表示目標節點Nj對網絡中相鄰中繼節點的通暢度。當任意節點收到Nj動態回饋信息后，對ST中的相關性數據進行更新。ST隨著網絡運行和狀態變化而動態變化。

現定義節點暢通度：設ξ(Ni)為節點Ni對節點Nj在某個路由上的暢通度，令：

根據式（1）和式（2），在路由建立過程中，目標節點經過多個數量的路由中間節點，逐步形成暢通度向量表STj，建立路由通道及節點計量，并不斷維護和更新向量表中節點的暢通度。節點之間相互交換攜帶的暢通度[9]。

5 結 論

配電網絡的脫網嚴重影響了信息傳遞，進而導致電力系統故障，影響企業和用戶的正常生產和生活。物聯網在電網通信中的應用在改善電力脫網應急通信技術的基礎上，提高了通信網絡的穩定性和可靠性。電力物聯網作為電力系統的重要通信方法，使得電力應急救援工作的開展得以智能化、實時化和高效化，大大降低了應急通信故障的維修成本，提高了經濟效益。然而，物聯網目前尚且正處于起步階段，技術應用中還存在一些不完善和不成熟的地方，需要各方共同努力，加快研發和完善電力物聯網的技術應用，使其成為電力應急救援中的重要力量，進而為促進我國經濟發展、維護社會和諧穩定添磚加瓦。