田 霖 袁華璐 朱一峰 劉 淼 茹正輝 韓東升 高 強

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

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、實時性好、不受外界因素限制的特點。本文結合光通信技術，研究以無線mesh網絡為架構的輸電線路通信系統(tǒng)，沿輸電線路鐵塔安裝通信設備，建立雙向寬帶通信系統(tǒng)。在該通信系統(tǒng)中，出現(xiàn)某點故障有自愈能力，不影響正常通信。

輸電線路是電力系統(tǒng)重要的設備，由于電力系統(tǒng)分布廣、所處地理環(huán)境惡劣，因此首當其沖成為災害影響的對象。而輸電線路一旦發(fā)生故障將造成大面積停電，給國民經濟造成嚴重的損失。因此，各地的供電局都制定了比較詳細的規(guī)章制度來對輸電線路設備進行巡查，以便及時發(fā)現(xiàn)問題，盡早處理問題。因此，及時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。

及時有效地獲取輸電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)的基礎則是輸電線路通信系統(tǒng)，堅強靈活、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用于輸電線路監(jiān)測的通信方式，那么作為監(jiān)測對象的輸電線路發(fā)生故障或損壞時，這種依靠電力線路作為傳輸介質的通信方式將無法工作，也就失去監(jiān)測意義。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間恢復。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相結合，建立雙向寬帶通信系統(tǒng)。在該通信系統(tǒng)中，出現(xiàn)某點故障有自愈能力， 節(jié)點可以切換到其他的鏈路，不影響正常通信。

無線mesh網

無線mesh網絡，由mesh routers（路由器）和mesh clients（客戶端）組成，其中mesh routers構成骨干網絡，并和有線的internet網相連接，負責為mesh clients提供多跳的無線internet連接。無線Mesh網絡（無線網狀網絡）也稱為“多跳（multi-hop）”網絡，它是一種與傳統(tǒng)無線網絡完全不同的新型無線網絡技術。主要特點如下：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）結構靈活；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，供電單元，光纖接入點和光纖傳輸線。光纖傳輸線用于長距離的傳輸，在重點區(qū)域配備無線mesh節(jié)點，無線mesh節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過光纖接入點進入光纖傳輸線傳輸，供電單元為無線mesh節(jié)點供電。 在兩個光纖接入點之間配置多個mesh節(jié)點， mesh節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)向下一跳mesh節(jié)點轉發(fā)，經幾跳后數(shù)據(jù)達到光纖接入點，由光纖傳輸線解決更遠距離的傳輸。供電單元為無線mesh節(jié)點供電，其實現(xiàn)方法可采用太陽能供電，配合儲能設備存儲能量或高壓感應取電方式。整個系統(tǒng)利用無線mesh技術的自組網、自修復、多跳級聯(lián)、節(jié)點自我管理等智能特點，實現(xiàn)系統(tǒng)的自愈功能。系統(tǒng)在配置mesh節(jié)點時，留有適當?shù)娜哂啵敵霈F(xiàn)鏈路故障時可以實現(xiàn)自愈，不影響正常通信。具體說來，當某一無線mesh節(jié)點發(fā)生故障時，系統(tǒng)可以選擇其它mesh節(jié)點作為轉發(fā)節(jié)點，不影響正常通信。當某一光纖接入節(jié)點出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可以進行網絡拓撲重構，搶救“信息孤島”，不影響正常通信。當mesh節(jié)點或光纖接入點故障排除后，系統(tǒng)可以恢復原最優(yōu)路由。

系統(tǒng)功能

如圖1所示在兩個光纖接入點中間配備若干無線mesh節(jié)點（圖1所示為6個mesh節(jié)點），兩個無線mesh節(jié)點之間的距離最大為13～20km，為了冗余備份，一般節(jié)點之間距離為5～10km。在通信線路正常時，路由規(guī)劃時可以從中間點分開，中間點兩側的信息分別經本端光纖接入點進入光纖傳輸線傳輸。如圖1中，節(jié)點1、2、3、4中的數(shù)據(jù)經光纖接入點1進入光纖傳輸線，節(jié)點5、6、7、8中的數(shù)據(jù)經光纖接入點2進入光纖傳輸線。這樣，數(shù)據(jù)轉發(fā)次數(shù)少，帶寬充足，只有在某些無線mesh路由器或某個光纖接入點發(fā)生故障時，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)結構圖

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3發(fā)生故障，不能中繼轉發(fā)節(jié)點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)點的時候留有一定的冗余距離，當某一個無線mesh節(jié)點發(fā)生故障的話，系統(tǒng)可以選擇其它mesh節(jié)點作為轉發(fā)節(jié)點，不影響正常通信。如圖2-b中所示，節(jié)點4與節(jié)點2建立連接，直接通過節(jié)點2轉發(fā)數(shù)據(jù)。當節(jié)點3的故障排除后，節(jié)點4恢復與節(jié)點3的連接，系統(tǒng)恢復圖1所示的路由。當系統(tǒng)中出現(xiàn)多個節(jié)點故障超出冗余距離時，如圖2-c中節(jié)點2和節(jié)點3同時發(fā)生故障，節(jié)點1與節(jié)點4之間的距離超出了冗余距離，此時節(jié)點1與節(jié)點4之間無法直接建立連接，此時節(jié)點4可以通過節(jié)點5，迂回到光纖接入點2，接入光纖傳輸線，也可以實現(xiàn)正常通信，如圖2-d所示。當節(jié)點2和節(jié)點3的故障排除后，系統(tǒng)恢復圖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2發(fā)生故障，不能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)到光纖傳輸線的接入功能，則此時節(jié)點5、6、7、8無法與外界通信，形成了“信息孤島”。采用本實用新型，可以實現(xiàn)迂回路由，搶救“信息孤島”。如圖3-b所示，節(jié)點可以分別通過相鄰的光纖接入點接入光纖傳輸線。當光纖接入點2的故障排除后，系統(tǒng)恢復圖1所示路由。

圖2　無線mesh節(jié)點故障自愈示意圖

圖3　光纖接入點故障自愈示意圖

系統(tǒng)特點

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

（1）自愈功能：采用智能結構體系。當某一節(jié)點通信中斷時，可自動進行網絡拓撲重構，搶救“信息孤島”，恢復系統(tǒng)。

（2）組網成本低：利用現(xiàn)有光線網絡或變電站，結合無線通信。布網迅速，節(jié)省資源。

（3）良好的可擴展性：直接在新的監(jiān)控點架設無線mesh設備，即通過自動組網功能與現(xiàn)有網絡相連接。

（4）故障維修簡便：系統(tǒng)自組網、自愈合特點，出現(xiàn)部分設備故障不影響系統(tǒng)正常工作，同時拓撲結構顯示出故障設備標號。

（5）具有應急通信功能：可以實現(xiàn)多層次立體組網，在出現(xiàn)大規(guī)模故障或災害時，能快速恢復，實現(xiàn)應急通信功能。

結束語

輸電線路的特點是點多、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，通信線路可能會發(fā)生中斷；而且一旦出現(xiàn)中斷不易恢復。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，搭建輸電線路無線mesh通信架構。在該通信系統(tǒng)中，出現(xiàn)某點故障有自愈能力，不影響正常通信。如果故障發(fā)生，節(jié)點可以切換到其他的鏈路，實現(xiàn)具有自愈功能的輸電線路堅強無線mesh通信系統(tǒng)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.022