大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡的周期性低功耗通信技術方案

占亞波，涂潛，李俊，宗震

大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡的周期性低功耗通信技術方案

占亞波，涂潛，李俊，宗震

（國網安徽省電力有限公司建設分公司，安徽 合肥 230071）

為了實現輸電線路監測的功耗低、壽命長、綠色發展的目的，提出大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡周期性低功耗通信技術方案。依據網絡中傳感器網絡組網特征以及節點運行狀態轉換特點，設置睡眠定時器，以周期性運行方式使傳感器網絡通信節點在初始化、睡眠、激活狀態間轉換，通信節點在輸電線路狀態監測數據無傳遞需求時進入睡眠狀態，節省通信功耗；傳感器網絡匯聚（sink）節點利用梯度創建上行路由，通過源路由的方式創建下行路由，以跳數和剩余能量為依據進行上、下行路由數據分組傳遞，降低節點功耗，延長通信運行時間。實驗顯示，大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡應用該技術方案后，通信功耗明顯降低，運行時間明顯延長，且不會影響監測傳感器網絡的數據傳輸性能，延長了監測傳感器網絡的使用壽命。

狀態監測傳感器網絡；低功耗通信；傳感器網絡節點；路由節點；周期性睡眠；數據分組

0 引言

2021年7月，國家電網有限公司印發《關于全面推進輸變電工程綠色建造的指導意見》（2021年367號文）以及《輸變電工程綠色建造指引（1.0版）》，明確推動輸變電工程綠色建造是立足新發展階段和實現輸變電工程高質量建設的內在要求[1]，其中大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡可有效監測輸變電工程綠色建造質量，便于掌控輸電線路的實際情況，助力變電工程綠色發展。由于監測傳感器網絡的低功耗通信性能是衡量網絡實際應用效果的關鍵因素，許多研究者針對輸電線路的低功耗通信問題進行了研究。例如，常鐵原等[2]通過設計成簇算法實現無線傳感器網絡的低功耗通信，可通過簇頭節點的合理選取，均衡網絡整體通信功耗。該方法雖然能夠均衡功耗，但簇頭節點選取不合理會增加網絡信息傳輸時延，影響傳輸效果，通信網絡的使用壽命較短。張安安等[3]研究了監測技術，利用中繼節點傳輸時延模型，對網絡時延性能進行分析，雖然通信效果好，但沒有解決功耗問題，通信功耗較大。陳錦銘等[4]利用遠距離無線電（long range radio，LoRa）技術實現了低功耗廣域網通信，應用LoRa擴頻傳輸技術構建低功耗傳感器網絡，網關支持多個終端，采集傳感信息。該方法的網絡通信覆蓋范圍較廣，但功耗降低效果不理想，運行時間較短。

為了降低輸電線路監測傳感器網絡通信的功耗、延長監測傳感器網絡通信運行時間，本文設計了大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡周期性低功耗通信技術方案，通過傳感器網絡的路由低功耗地建立與傳輸，在滿足通信需求的基礎上，降低功耗。

1 大規模輸電線路監測傳感器網絡結構

1.1 網絡構架

大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡利用智能電子設備（intelligent electronic device，IED）進行數據及命令傳遞，輸電線路狀態監測傳感器網絡的具體構架，網絡總體架構如圖1所示。

圖1 網絡總體架構

根據圖1可知，過程層利用傳感器網絡對輸電線路狀態信息進行終端采集，由于大規模輸電線路狀態的信息種類較多，涉及通信的范圍較廣，對通信實時性等要求不是特別嚴格；間隔層位于中間，是過程層與站控層相互通信的橋梁，將過程層采集的輸電線路狀態監測數據實時匯報給站控層，其中交換機部署結構如圖2所示。站控層作為控制中心，對輸電線路狀態信息進行統一管理。

圖2 交換機部署結構

1.2 傳感器網絡特征及節點狀態轉換

大規模輸電線路一般為超高壓主網輸電線路，分布類似帶狀。為了對線路狀態進行監測，需要在大規模輸電線路上布置數量較多的傳感器節點，建立傳感器網絡，完成通信任務[5]。采用基于ZigBee的通信技術建立的傳感器網絡可以自動組網，將輸電線路狀態監測數據迅速地傳至匯聚節點，最終將輸電線路狀態監測數據傳回遠端控制中心。大規模輸電線路和電力桿塔需要建造在人煙稀少的地方，此時塔基與塔基之間最有利于傳感器網絡數據傳輸。大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡利用傳感器網絡對輸電線路狀態實時監測，獲取狀態監測數據，為電力輸電線路的安全運行提供保障[6-7]。

多數節點安裝在桿塔周圍，造成傳感器網絡出現局部密集狀態，而傳感器節點功能有限，不能持續進行通信，因此在大規模輸電線路的三相線上，需要設立一些特殊的傳感器節點，作為中繼節點，利用多跳傳輸達到低功耗通信的目的[8]。

在傳感器網絡中，全部通信節點具有3種運行狀態，分別為初始化（initialization，INI）、睡眠（sleep，SLP）、激活（activation，ACT），運行轉換狀態，傳感器節點運行狀態轉換示意圖如圖3所示。

圖3 傳感器節點運行狀態轉換示意圖

根據圖3所示，節點可以根據需要在3種狀態下互相轉換，當節點處于INI狀態時，可以完成傳感器網絡的注冊、路由等初始化設置項目；如果通信裝置的數據端口處于關閉狀態，僅維持傳感器網絡裝置低功耗通信，此刻即SLP狀態；當各個通信端口恢復數據的收發時，節點處于ACT狀態。這3種狀態相互轉換，可以達到大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡實現低功耗通信的目的[9]。

2 周期性低功耗通信方案

針對基于ZigBee的無線傳感通信技術設計低功耗通信方案。采用傳感器網絡節點狀態轉換的方式，利用睡眠狀態達到低功耗的目的[10]。如果沒有輸電線路狀態監測數據需要傳遞，整個監測傳感器網絡的通信裝置進入睡眠狀態；如果有輸電線路狀態監測數據需要進行傳遞，通信裝置進入激活狀態。利用大規模輸電線路傳感器網絡的周期性能，實現大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡低功耗通信的目的[11]。

2.1 路由節點睡眠方案

當終端節點開啟運行模式時，先判斷大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡是否有輸電線路狀態數據采集的需求，若沒有需求，當異步睡眠定時器開始工作時，終端節點將根據定時器設置的時間，被異步睡眠叫醒。然后繼續對網絡的需求進行判斷，若有需求，就開始進入運行模式；若沒有需求，則繼續進入睡眠狀態。整個網絡會同步進入一個睡眠周期，睡眠周期結束，則開啟下一個周期。同步睡眠周期流程如圖4所示。

根據圖4可知，在同一級的終端節點同步睡眠周期流程中，同步睡眠叫醒時間相同會引起父節點同時被叫醒，這種情況會造成通信時，信道不能滿足大量通信數據的傳輸，從而導致通信功耗增多，此時在同步睡眠周期流程中，加入隨機延長時間的步驟，有效地避免信道阻塞，降低了通信功耗。

圖4 同步睡眠周期流程

2.2 路由構建

2.2.1 上、下行路由的建立

為了避免過多的網絡開銷，在下行路由的建立過程中，可以不采用建立分組的方式，而通過源路由的方式進行下行路由建立，具體過程如下。

在數據分組傳遞的過程中，需要先建立路由中繼表，并設置表的長度，還需要有一定的可變性[14-15]。路由中繼表建立的位置被確定在傳感器節點傳至匯聚節點的第一個數據分組上，并且是該數據分組的第一位。該表可以按順序記錄轉發節點的ID，并更新中繼表記錄的信息，可一直記錄到匯聚節點。整個下行路由建立示意圖如圖5所示。

圖5 下行路由建立示意圖

根據圖5可知，各個傳感器節點需要對其他節點傳來的第1個數據分組進行區分，若是未發送過的新數據分組，則需將新數據加入中繼表內，跳數信息也要做出相應的調整，然后再對數據分組進行傳遞[16-18]；若是已發送過的舊數據分組，則先對數據分組首位的路由中繼表信息進行采集，利用采集的首位路由中繼表信息對自身下行路由表的項目進行調整，再把自身的ID記錄到路由中繼表中，并改變跳數信息，然后將數據組分傳遞至下一跳節點。在規定時間內，傳感器節點需要按時完成傳遞數據的任務，即使沒有任何傳遞需求，也要繼續向匯聚節點傳遞數據，但此時傳遞的數據沒有任何實際的內容。

在下行路由建立過程中，將數據分組首部信息作為區分條件，對數據分組的節點進行接收，查看下行路由表里是否存在數據源節點的路由，若沒有，則需要在下行路由表里創建一個到數據源節點的路由；若經過查看，發現已有數據源節點的路由，此時只要對該路由進行更新即可。

2.2.2 數據分組傳遞

在大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡中路由的建立，需要數據分組在上、下行路由間進行傳輸，利用跳數和剩余能量作為傳輸依據。先以跳數作為第一標準，若第一標準一致，則利用第二標準，即剩余能量，多則視為優先傳遞節點。

利用路徑長度測量原理，對跳數進行計算，如式（6）所示：

3 實例驗證

國家某地電網有限公司利用本文周期性低功耗通信技術方案，構建了大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡。該輸電線路長達8 km，為超高壓主網輸電線路，由35 kV變電所建設線路某一、二回線路至開關站，負責管轄35 kV及以上輸電線路桿塔數42基。通過太陽能蓄電池對監測傳感器網絡通信裝置進行供電，實驗使用的電池容量為150 Ah，電壓為15 V。通過應用本文技術方案，對大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡的節能性、數據傳輸性和使用壽命進行驗證。

通信路由節點布置方案為直線無障礙傳輸環境節點距離30～40 m，有障礙傳輸環境節點距離為10 m。

3.1 低功耗通信節能性

實驗中不考慮電池本身充電及損耗造成的電壓下降等因素，采用本文通信技術方案設計3種周期性睡眠方案，驗證周期性睡眠方案的節能性。周期性睡眠方案的參數設定見表1。

表1 周期性睡眠方案參數設定

根據表1可知，3種不同的參數對應了3種周期性睡眠方案，將沒有使用節能方法的大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡與使用了3種睡眠方案的監測傳感器網絡進行對比，周期性睡眠方案性能對比結果見表2。

表2 周期性睡眠方案性能對比結果

根據表2可知，功耗節約率代表使用周期性睡眠方案的監測傳感器網絡，與沒有使用周期性睡眠方案的普通監測傳感器網絡相比較節省的功耗百分率；時間增加率，是二者運行延長的時間百分比。監測傳感器網絡應用本文技術方案設計的3種周期性睡眠方案后，通信裝置的功耗明顯降低，運行時間明顯延長。因此，若大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡的通信裝置，運行在條件艱苦且沒有電源提供能量的環境中，裝置可以提供較長的通信使用時間，同時減少修理通信裝置的成本，維護大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡的持續運行。通過3種周期性睡眠方案性能的比較，了解激活周期的長短影響裝置的功耗，若激活周期短點，則大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡通信裝置的平均功耗降低效果會好些。

3.2 數據傳輸性能

將本文設計的周期性低功耗通信技術方案應用到大規模輸電線狀態監測傳感器網絡中，通過不同節點的不同狀態進行數據傳輸，本文方案的數據傳輸性能如圖6所示。

根據圖6可知，由于監測傳感器網絡需要一定的啟動時間，所以實驗在4 s后對固定量的數據分組進行傳送，在實驗期間不再有額外的數據分組進行傳送。在節點相同的情況下，應用本文方案與不應用本文方案進行數據傳送的成功率沒有明顯差異，實驗表明本文方案并不影響數據的傳輸性能，可以保障將大規模輸電線路狀態的數據傳輸到遠端控制中心，不影響監測結果。

圖6 本文方案的數據傳輸性能

3.3 監測傳感器網絡壽命

監測傳感器網絡由安裝了監控軟件的遠端變電站控制中心上位機、TLKS-PMG-100輸電線路監測傳感器節點和通信裝置NB-IoT天線組成。各節點通過無線信道連接，匯聚節點與上位機監控程序通過RS-232異步串口總線連接。測試大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡使用壽命，利用變電站控制中心終端顯示器顯示的傳感器網絡節點數量進行判斷。如果在實驗中具有活性的節點數量比例低于18%時，就可以判定該輸電線路狀態監測傳感器網絡已經到了使用壽命，通過設定節點個數分別為60、120、180和240的不同場景，對網絡進行測試，驗證本文技術方案對輸電線路狀態監測傳感器網絡壽命的影響。不同場景下網絡壽命對比如圖7所示。

根據圖7可知，隨著節點數量的不斷增加，本文營造了4種不同的應用場景，對大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡進行測試，將普通未使用本文方案的網絡和已使用本文方案的網絡進行比較。可以看出，在4種場景里，使用本文方案的輸電線路狀態監測傳感器網絡的總體壽命均有了明顯的提高，比未使用本文方案的輸電線路狀態監測傳感器網絡壽命提高了約50%。分析壽命提高的原因，主要是本文方案采用傳感器網絡節點狀態轉換的方式，根據數據傳輸任務自動調整睡眠和激活狀態，在同步睡眠周期流程中加入隨機延長時間的步驟，有效避免了同步睡眠和異步睡眠沖突，減少通信設備無效激活損耗的次數，保證通信節點的睡眠時間，因此每個節點的壽命都有不同程度的延長，這使整個輸電線路狀態監測傳感器網絡壽命得到了明顯的延長。實驗表明本文方案可有效延長大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡的使用壽命，有助于達到輸變電工程綠色建設的目的。

圖7 不同場景下網絡壽命對比

4 結束語

為了降低大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡的功耗，提出大規模輸電線路狀態監測傳感器網絡周期性低功耗通信技術方案。以周期性運行方式轉換傳感器網絡通信節點狀態，節省通信功耗；在梯度創建上行路由，通過源路由的方式創建下行路由，分組傳遞路由數據，降低節點功耗。實驗結果表明應用本文方案后，通信裝置的功耗大幅度降低，監測傳感器網絡使用壽命延長，可以助力實現大規模輸電線路通信的綠色建設。由于條件有限，本文方案對傳感器網絡的通信效率未做明顯提高，未來研究可以在保持低功耗的基礎上提高通信效率。

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Periodic low-power communication technology scheme for large-scale transmission line condition monitoring sensor network

ZHAN Yabo, XU Qian, LI Jun, ZONG Zhen

State Grid Anhui Electric Power Co., Ltd., Construction Company, Hefei 230071, China

In order to realize the purpose of low energy consumption, long service life and green development of transmission line monitoring, a periodic low-power communication technology scheme of large-scale transmission line condition monitoring sensor network was proposed. According to the networking characteristics of sensor networks in large-scale transmission line condition monitoring networks and the characteristics of node operation condition conversion, sleep timers were set to make the communication nodes of sensor networks switch between initialization, sleep and activation states in a periodic operation mode. The communication nodes entered the sleep state when there was no transmission demand for transmission line condition monitoring data, so as to save communication energy consumption. Sink nodes in sensor networks used gradients to create uplink routes and source routes to create downlink routes. Based on the number of hops and residual energy, sink nodes transmitted uplink and downlink routing data packets, to reduce node energy consumption and prolong communication running time. Experiments show that after the large-scale transmission line condition monitoring sensor network applies the technical solution, the communication energy consumption is significantly reduced, the running time is significantly prolonged, and the data transmission performance of the monitoring sensor network is not affected, and the service life of the monitoring sensor network is prolonged.

condition-monitoring sensing network, low-power communication, sensor network node, routing node, periodic sleep, data packet

TP393

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2023022

占亞波（1979-），男，國網安徽省電力有限公司建設分公司高級工程師，主要研究方向為輸變電工程建設管理、質量管理和安全管理等。

涂潛（1976-），男，國網安徽省電力有限公司建設分公司高級工程師，主要研究方向為輸變電工程建設管理、安全管理等。

李俊（1988-），男，國網安徽省電力有限公司建設分公司高級工程師，主要研究方向為輸變電工程建設管理。

宗震（1993-），男，國網安徽省電力有限公司建設分公司工程師，主要研究方向為輸變電工程建設管理、安全管理等。

2022-07-12；

2023-01-20