占亞波，涂潛，李俊，宗震

大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)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(wǎng)安徽省電力有限公司建設分公司，安徽 合肥 230071）

為了實現(xiàn)輸電線路監(jiān)測的功耗低、壽命長、綠色發(fā)展的目的，提出大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡周期性低功耗通信技術方案。依據(jù)網(wǎng)絡中傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)特征以及節(jié)點運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換特點，設置睡眠定時器，以周期性運行方式使傳感器網(wǎng)絡通信節(jié)點在初始化、睡眠、激活狀態(tài)間轉(zhuǎn)換，通信節(jié)點在輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)無傳遞需求時進入睡眠狀態(tài)，節(jié)省通信功耗；傳感器網(wǎng)絡匯聚（sink）節(jié)點利用梯度創(chuàng)建上行路由，通過源路由的方式創(chuàng)建下行路由，以跳數(shù)和剩余能量為依據(jù)進行上、下行路由數(shù)據(jù)分組傳遞，降低節(jié)點功耗，延長通信運行時間。實驗顯示，大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)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(jiān)測傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸性能，延長了監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡的使用壽命。

狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡；低功耗通信；傳感器網(wǎng)絡節(jié)點；路由節(jié)點；周期性睡眠；數(shù)據(jù)分組

0 引言

2021年7月，國家電網(wǎng)有限公司印發(fā)《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(fā)展階段和實現(xiàn)輸變電工程高質(zhì)量建設的內(nèi)在要求[1]，其中大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡可有效監(jiān)測輸變電工程綠色建造質(zhì)量，便于掌控輸電線路的實際情況，助力變電工程綠色發(fā)展。由于監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡的低功耗通信性能是衡量網(wǎng)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(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡的低功耗通信，可通過簇頭節(jié)點的合理選取，均衡網(wǎng)絡整體通信功耗。該方法雖然能夠均衡功耗，但簇頭節(jié)點選取不合理會增加網(wǎng)絡信息傳輸時延，影響傳輸效果，通信網(wǎng)絡的使用壽命較短。張安安等[3]研究了監(jiān)測技術，利用中繼節(jié)點傳輸時延模型，對網(wǎng)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(xiàn)了低功耗廣域網(wǎng)通信，應用LoRa擴頻傳輸技術構(gòu)建低功耗傳感器網(wǎng)絡，網(wǎng)關支持多個終端，采集傳感信息。該方法的網(wǎng)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(jiān)測傳感器網(wǎng)絡通信的功耗、延長監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡通信運行時間，本文設計了大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡周期性低功耗通信技術方案，通過傳感器網(wǎng)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(guī)模輸電線路監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡構(gòu)架

大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡利用智能電子設備（intelligent electronic device，IED）進行數(shù)據(jù)及命令傳遞，輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡的具體構(gòu)架，網(wǎng)絡總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡總體架構(gòu)

根據(jù)圖1可知，過程層利用傳感器網(wǎng)絡對輸電線路狀態(tài)信息進行終端采集，由于大規(guī)模輸電線路狀態(tài)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(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時匯報給站控層，其中交換機部署結(jié)構(gòu)如圖2所示。站控層作為控制中心，對輸電線路狀態(tài)信息進行統(tǒng)一管理。

圖2 交換機部署結(jié)構(gòu)

1.2 傳感器網(wǎng)絡特征及節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)換

大規(guī)模輸電線路一般為超高壓主網(wǎng)輸電線路，分布類似帶狀。為了對線路狀態(tài)進行監(jiān)測，需要在大規(guī)模輸電線路上布置數(shù)量較多的傳感器節(jié)點，建立傳感器網(wǎng)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(wǎng)絡可以自動組網(wǎng)，將輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)迅速地傳至匯聚節(jié)點，最終將輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳回遠端控制中心。大規(guī)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(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸。大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡利用傳感器網(wǎng)絡對輸電線路狀態(tài)實時監(jiān)測，獲取狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，為電力輸電線路的安全運行提供保障[6-7]。

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

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

圖3 傳感器節(jié)點運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖

根據(jù)圖3所示，節(jié)點可以根據(jù)需要在3種狀態(tài)下互相轉(zhuǎn)換，當節(jié)點處于INI狀態(tài)時，可以完成傳感器網(wǎng)絡的注冊、路由等初始化設置項目；如果通信裝置的數(shù)據(jù)端口處于關閉狀態(tài)，僅維持傳感器網(wǎng)絡裝置低功耗通信，此刻即SLP狀態(tài)；當各個通信端口恢復數(shù)據(jù)的收發(fā)時，節(jié)點處于ACT狀態(tài)。這3種狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換，可以達到大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)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(wǎng)絡節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方式，利用睡眠狀態(tài)達到低功耗的目的[10]。如果沒有輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)需要傳遞，整個監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡的通信裝置進入睡眠狀態(tài)；如果有輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)需要進行傳遞，通信裝置進入激活狀態(tài)。利用大規(guī)模輸電線路傳感器網(wǎng)絡的周期性能，實現(xiàn)大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡低功耗通信的目的[11]。

2.1 路由節(jié)點睡眠方案

當終端節(jié)點開啟運行模式時，先判斷大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡是否有輸電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)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(jié)點將根據(jù)定時器設置的時間，被異步睡眠叫醒。然后繼續(xù)對網(wǎng)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(xù)進入睡眠狀態(tài)。整個網(wǎng)絡會同步進入一個睡眠周期，睡眠周期結(jié)束，則開啟下一個周期。同步睡眠周期流程如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，在同一級的終端節(jié)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(jié)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(shù)據(jù)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(gòu)建

2.2.1 上、下行路由的建立

為了避免過多的網(wǎng)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(shù)據(jù)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(jié)點傳至匯聚節(jié)點的第一個數(shù)據(jù)分組上，并且是該數(shù)據(jù)分組的第一位。該表可以按順序記錄轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的ID，并更新中繼表記錄的信息，可一直記錄到匯聚節(jié)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(jù)圖5可知，各個傳感器節(jié)點需要對其他節(jié)點傳來的第1個數(shù)據(jù)分組進行區(qū)分，若是未發(fā)送過的新數(shù)據(jù)分組，則需將新數(shù)據(jù)加入中繼表內(nèi)，跳數(shù)信息也要做出相應的調(diào)整，然后再對數(shù)據(jù)分組進行傳遞[16-18]；若是已發(fā)送過的舊數(shù)據(jù)分組，則先對數(shù)據(jù)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(diào)整，再把自身的ID記錄到路由中繼表中，并改變跳數(shù)信息，然后將數(shù)據(jù)組分傳遞至下一跳節(jié)點。在規(guī)定時間內(nèi)，傳感器節(jié)點需要按時完成傳遞數(shù)據(jù)的任務，即使沒有任何傳遞需求，也要繼續(xù)向匯聚節(jié)點傳遞數(shù)據(jù)，但此時傳遞的數(shù)據(jù)沒有任何實際的內(nèi)容。

在下行路由建立過程中，將數(shù)據(jù)分組首部信息作為區(qū)分條件，對數(shù)據(jù)分組的節(jié)點進行接收，查看下行路由表里是否存在數(shù)據(jù)源節(jié)點的路由，若沒有，則需要在下行路由表里創(chuàng)建一個到數(shù)據(jù)源節(jié)點的路由；若經(jīng)過查看，發(fā)現(xiàn)已有數(shù)據(jù)源節(jié)點的路由，此時只要對該路由進行更新即可。

2.2.2 數(shù)據(jù)分組傳遞

在大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡中路由的建立，需要數(shù)據(jù)分組在上、下行路由間進行傳輸，利用跳數(shù)和剩余能量作為傳輸依據(jù)。先以跳數(shù)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(yōu)先傳遞節(jié)點。

利用路徑長度測量原理，對跳數(shù)進行計算，如式（6）所示：

3 實例驗證

國家某地電網(wǎng)有限公司利用本文周期性低功耗通信技術方案，構(gòu)建了大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡。該輸電線路長達8 km，為超高壓主網(wǎng)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(shù)42基。通過太陽能蓄電池對監(jiān)測傳感器網(wǎng)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(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡的節(jié)能性、數(shù)據(jù)傳輸性和使用壽命進行驗證。

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

3.1 低功耗通信節(jié)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(jié)能性。周期性睡眠方案的參數(shù)設定見表1。

表1 周期性睡眠方案參數(shù)設定

根據(jù)表1可知，3種不同的參數(shù)對應了3種周期性睡眠方案，將沒有使用節(jié)能方法的大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡與使用了3種睡眠方案的監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡進行對比，周期性睡眠方案性能對比結(jié)果見表2。

表2 周期性睡眠方案性能對比結(jié)果

根據(jù)表2可知，功耗節(jié)約率代表使用周期性睡眠方案的監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡，與沒有使用周期性睡眠方案的普通監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡相比較節(jié)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(jiān)測傳感器網(wǎng)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(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡的通信裝置，運行在條件艱苦且沒有電源提供能量的環(huán)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(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡的持續(xù)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(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡通信裝置的平均功耗降低效果會好些。

3.2 數(shù)據(jù)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(guī)模輸電線狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡中，通過不同節(jié)點的不同狀態(tài)進行數(shù)據(jù)傳輸，本文方案的數(shù)據(jù)傳輸性能如圖6所示。

根據(jù)圖6可知，由于監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡需要一定的啟動時間，所以實驗在4 s后對固定量的數(shù)據(jù)分組進行傳送，在實驗期間不再有額外的數(shù)據(jù)分組進行傳送。在節(jié)點相同的情況下，應用本文方案與不應用本文方案進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的傳輸性能，可以保障將大規(guī)模輸電線路狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h端控制中心，不影響監(jiān)測結(jié)果。

圖6 本文方案的數(shù)據(jù)傳輸性能

3.3 監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡壽命

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

根據(jù)圖7可知，隨著節(jié)點數(shù)量的不斷增加，本文營造了4種不同的應用場景，對大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡進行測試，將普通未使用本文方案的網(wǎng)絡和已使用本文方案的網(wǎng)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(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)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(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)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(wǎng)絡節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方式，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸任務自動調(diào)整睡眠和激活狀態(tài)，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(shù)，保證通信節(jié)點的睡眠時間，因此每個節(jié)點的壽命都有不同程度的延長，這使整個輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)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(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)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(wǎng)絡壽命對比

4 結(jié)束語

為了降低大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡的功耗，提出大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡周期性低功耗通信技術方案。以周期性運行方式轉(zhuǎn)換傳感器網(wǎng)絡通信節(jié)點狀態(tài)，節(jié)省通信功耗；在梯度創(chuàng)建上行路由，通過源路由的方式創(chuàng)建下行路由，分組傳遞路由數(shù)據(jù)，降低節(jié)點功耗。實驗結(jié)果表明應用本文方案后，通信裝置的功耗大幅度降低，監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡使用壽命延長，可以助力實現(xiàn)大規(guī)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(wǎng)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(wǎng)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(zhì)量管理和安全管理等。

涂潛（1976-），男，國網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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