基于物聯(lián)網(wǎng)的電力脫網(wǎng)應(yīng)急通信方法研究

蘇 峰，李志強

（國網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 基于電力物聯(lián)網(wǎng)的感知層設(shè)計

電力脫網(wǎng)通信的感知平臺搭建是及時有效處理應(yīng)急通信的關(guān)鍵。基于物聯(lián)網(wǎng)的感知層設(shè)計是當前行之有效的方法之一。物聯(lián)網(wǎng)是通信、傳感以及自動化等多重技術(shù)融合的一種體現(xiàn)，能夠識別物品信息，隨時隨地采集物體的動態(tài)信息[1-2]。采集的數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)匯總至云端，從而進行信息共享和管理。另外，物聯(lián)網(wǎng)可以通過互聯(lián)網(wǎng)實時傳輸資源，實現(xiàn)信息智能分析和管理。當前，電力設(shè)備朝著智能化和現(xiàn)代化方向不斷發(fā)展，智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系日益緊密。

物聯(lián)網(wǎng)在電力通信系統(tǒng)中可以理解為一個滿足電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、人員、環(huán)境識別、互聯(lián)、感知和控制要求的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)實體之間的協(xié)同和互動，形成一個智能的電力生產(chǎn)、生活體系。從系統(tǒng)架構(gòu)上看，電力物聯(lián)網(wǎng)可以分為3個部分，分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[3]。物聯(lián)網(wǎng)的全部技術(shù)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(shè)備等收集與電力系統(tǒng)、環(huán)境狀態(tài)和機械狀態(tài)有關(guān)的信息。網(wǎng)絡(luò)層由核心網(wǎng)和接入網(wǎng)組成，主要實現(xiàn)傳輸、路由和信息管理。由于網(wǎng)格系統(tǒng)對數(shù)據(jù)信息的實時性、可靠性和安全性有嚴格要求，物聯(lián)網(wǎng)必須通過電力網(wǎng)傳輸、聚合和控制信息。應(yīng)用程序?qū)影ňW(wǎng)格應(yīng)用程序基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、中間件和各種應(yīng)用程序?？梢暬梢允褂贸Ｒ姷幕痉?wù)實現(xiàn)，如信息處理和計算，為有效使用智能網(wǎng)絡(luò)開辟了道路。

圖1 電力物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)體系

2 物聯(lián)網(wǎng)在電力脫網(wǎng)應(yīng)急通信中的處理方法

基于物聯(lián)網(wǎng)電力脫網(wǎng)感知平臺的設(shè)計，處理層的具體操作方法主要體現(xiàn)在RFID技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及設(shè)備智能化水平上。

2.1 RFID技術(shù)

在電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集是一項重要的基礎(chǔ)工作。其中，標識事物的RFID射頻識別技術(shù)可以借助射頻信號自動識別并搜集信息。該技術(shù)可以從不同節(jié)點獲取數(shù)據(jù)，可識別高速運動物體，并且可以識別多個標簽，最終根據(jù)需求向處理器傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID射頻識別技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用可以有效避免數(shù)據(jù)丟失、錯誤和重復(fù)等情況。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⒎稚⒌膫鞲衅鲉卧ㄟ^自行組織的無線網(wǎng)絡(luò)進行連接，進而達到匯總和傳輸數(shù)據(jù)的目的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包含各種類型的傳感器，能夠勘查周邊環(huán)境中檢測對象的各類型參數(shù)，如溫度、濕度、壓力以及土壤成分等，實現(xiàn)對監(jiān)測對象全方位的立體數(shù)據(jù)監(jiān)控。

2.3 設(shè)備智能化水平

智能技術(shù)指在檢測對象中植入智能系統(tǒng)，融合傳感、人工智能等新技術(shù)，賦予物體一定的智能性，并借助網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)判斷和分析對象的相關(guān)參數(shù)信息，如圖2所示。智能化設(shè)備的應(yīng)用很大程度上改進了電網(wǎng)的運行效率，推進了電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的進程。

圖2 電網(wǎng)設(shè)備物理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力脫網(wǎng)通信中的具體表現(xiàn)

3.1 應(yīng)急通信

由于應(yīng)急通信的時間和發(fā)生地點是不確定的，因此指揮中心與事故地點聯(lián)系變得十分困難，通常需要搶修人員到達場地后對現(xiàn)場問題進行信息搜集后傳回指揮中心，效率較低。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，為指揮中心開展工作提供了便利，可以準確實時傳回現(xiàn)場事故狀況，并及時準確定位事故現(xiàn)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(wǎng)通信

配網(wǎng)是相對于高壓輸變電網(wǎng)而言的，結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜，尤其是10 kV等級下的電壓網(wǎng)絡(luò)，具有配電設(shè)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(wǎng)經(jīng)常變動，在市內(nèi)進行光纖施工難度較大，不能靈活改變，存在局限性。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以將配網(wǎng)中的設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)接通，順利解決了配電網(wǎng)中的終端與通信問題。

3.3 智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)是一個具有先進技術(shù)水平的現(xiàn)代化電網(wǎng)，具有安全性高、可靠性強以及高效靈活等特點。在智能電網(wǎng)中，各級電壓協(xié)調(diào)發(fā)展，傳感測量、通信技術(shù)和控制技術(shù)等技術(shù)的融合，使得電網(wǎng)能夠安全高效地持續(xù)運行，完成了電網(wǎng)管理工作從事后處理到事前預(yù)防的轉(zhuǎn)變，同時滿足了社會發(fā)展的需求。

4 智能路由算法方案在電力脫網(wǎng)應(yīng)急通信中的實施

電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用使得電網(wǎng)系統(tǒng)通信實現(xiàn)信息采集、電力操控等功能。但是，智能電網(wǎng)可靠性全部依賴于基站，一旦基站發(fā)生故障，將造成通信網(wǎng)絡(luò)局部中斷，影響電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行。本文針對配用電脫網(wǎng)應(yīng)急通信需求設(shè)計了新型多模式節(jié)點，具備專網(wǎng)與公網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的多模式通信能力，通過收集數(shù)據(jù)上傳至云端實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時有效傳輸，從而達到脫網(wǎng)應(yīng)急通信。

4.1 脫網(wǎng)應(yīng)急技術(shù)

目前，常見的脫網(wǎng)應(yīng)急通信有普通直通方式、網(wǎng)絡(luò)參與的直通方式和多跳中繼直通方式。普通直通方式?jīng)]有其他設(shè)備參與，需要依照獨立通信標準，不適用于大規(guī)模普通節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)參與的直通方式需要其他資源協(xié)同，主要通過移動端發(fā)起請求，由網(wǎng)絡(luò)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(jié)點中繼實現(xiàn)多跳通信，具體模式如圖3所示。3種脫網(wǎng)通信方式都存在相應(yīng)的弊端，現(xiàn)提出邊緣網(wǎng)絡(luò)多跳中繼直通方法，同時設(shè)計終端模塊通信機制，以更加有效地解決脫網(wǎng)通信問題[6]。

圖3 多跳中繼直通方式模式

4.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)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(yīng)借助多模通信機制，提高網(wǎng)絡(luò)的抗毀能力[4]，工作模式如圖4所示。

圖4 脫網(wǎng)應(yīng)急通信架構(gòu)

智能路由算法是脫網(wǎng)應(yīng)急通信的關(guān)鍵所在[7-8]。傳統(tǒng)路由協(xié)議存在網(wǎng)絡(luò)拓撲變化太快、負荷重、周期性刷新加大了能量消耗、復(fù)雜的路由信息交換減少了有效系統(tǒng)帶寬等問題。在構(gòu)建路由表時，根據(jù)邊緣網(wǎng)絡(luò)特殊性質(zhì)，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點必須遵照以下3個原則：（1）空間度量原則，即中間中繼節(jié)點在路由表中的位置P(Ni)越接近目標節(jié)點CH，暢通度越高；（2）權(quán)重度量原則，即若傳輸鏈路徑長度相同，權(quán)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(jié)點Nj到Ni）越小，暢通度越高。

每個節(jié)點維持一個暢通度列表ST，代表節(jié)點問的暢通能力，如：

其中，ST為n×n二維矩陣；Sij表示節(jié)點Ni對節(jié)Nj的暢通度；ST中的行向量Sj表示目標節(jié)點Nj對網(wǎng)絡(luò)中相鄰中繼節(jié)點的通暢度。當任意節(jié)點收到Nj動態(tài)回饋信息后，對ST中的相關(guān)性數(shù)據(jù)進行更新。ST隨著網(wǎng)絡(luò)運行和狀態(tài)變化而動態(tài)變化。

現(xiàn)定義節(jié)點暢通度：設(shè)ξ(Ni)為節(jié)點Ni對節(jié)點Nj在某個路由上的暢通度，令：

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

5 結(jié) 論

配電網(wǎng)絡(luò)的脫網(wǎng)嚴重影響了信息傳遞，進而導(dǎo)致電力系統(tǒng)故障，影響企業(yè)和用戶的正常生產(chǎn)和生活。物聯(lián)網(wǎng)在電網(wǎng)通信中的應(yīng)用在改善電力脫網(wǎng)應(yīng)急通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，提高了通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。電力物聯(lián)網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的重要通信方法，使得電力應(yīng)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(yīng)急通信故障的維修成本，提高了經(jīng)濟效益。然而，物聯(lián)網(wǎng)目前尚且正處于起步階段，技術(shù)應(yīng)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(fā)和完善電力物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)應(yīng)用，使其成為電力應(yīng)急救援中的重要力量，進而為促進我國經(jīng)濟發(fā)展、維護社會和諧穩(wěn)定添磚加瓦。