基于Mesh網絡技術的電力應急通信技術應用

摘要：電力通信專網是保障國家電力系統安全穩定運行的重要網絡，電力通信設施分布在人員稀少的戶外，這種環境下不可避免會出現一些電力通信設施的突發損壞情況。電力應急通信技術作為在電力通信專網因突發事件而中斷時的快速通信手段，在保障電網安全運行生產上產生非常重要的作用。其中，Mesh網絡技術作為一種新型的無線通信技術，組網快速方便，為電力搶修應急通信等工作提供更為良好的通信方式。文章通過對Mesh網絡技術在電力應急通信中的應用進行探究，對Mesh網絡技術的網絡體系結構以及應用優勢進行分析，結合電力應急通信中對通信系統的需求構建完善的Mesh網絡系統，并將其應用在電力搶修應急工作中，進一步提高電力搶修的工作質量和安全性。

關鍵詞：電力系統；Mesh網絡技術；電力通信；應急通信

中圖分類號：TM73

文獻標志碼：A

0 引言

應急通信作為通信的一種，它區別于常規形式的通信，在出現突發不可抗力或人為因素造成的突發事件的情況下，已有的通信設備無法正常工作，為保證緊急事件必須通過通信來協助解決。其中，電力應急通信系統的安全可靠性，直接影響國家電力系統的電網安全穩定運行，關系到國家民生的生活和安全。因此，對電力應急通信技術的研究和應用至關重要。Mesh網絡技術作為一種成熟的技術，在電力應急通信領域中引入無中心、自組織、多跳路由等特點的Mesh網絡技術，能保證電力應急通信網絡具有較強的靈活性和網絡的穩定性，可為電力應急隊伍在各種類型的應急場景下提供可靠、穩定的通信保障。

1 Mesh網絡架構概述

1.1 Mesh網絡架構

Mesh網絡是一種輕量級的網絡，它是在Ad Hoc網絡技術的基礎上發展起來的一種網絡技術，是為了解決“最后一公里”通信的重要技術之一^［1］。隨著5 G技術的發展，目前的通信網絡覆蓋已實現人員生活區域的全域覆蓋。然而，存在一些特殊的應用場景，如地下室、地下管網隧道、野外無人生活區等一些場所仍無法覆蓋常規通信網絡。Mesh網絡技術能夠較好地解決這些無常規通信網絡覆蓋的區域通信問題，能提供快速可靠的通信網絡。

1.2 Mesh網絡中的節點分類

Mesh網絡作為一種自組式通信網絡，其網絡中存在大量的網絡節點。根據Mesh網絡中各節點的功能不同，可以將Mesh網絡的節點分成3種類型：客戶端網絡節點、路由器網絡節點和網關網絡節點。這3種類型的網絡節點組成了3種類型的網絡：客戶端Mesh網、骨干Mesh網和混合Mesh網^［2］。

1.2.1 客戶端Mesh網絡

在Mesh網絡中，所有的網絡節點都可以作為客戶端節點或路由器節點，例如：僅由手機、帶無線網卡的電腦、平板等無線終端組成的通信網絡^［3］。在這種網絡架構中，所有終端都可以作為源節點和目的節點進行網絡通信，網絡中其他的無線終端可以作為中間節點轉發數據包。

1.2.2 骨干Mesh網絡

骨干型Mesh網絡由路由器網絡節點或網關網絡節點組成，實現Mesh客戶端節點之間的網絡通信。

1.2.3 混合Mesh網絡

混合Mesh網絡由客戶端Mesh網絡和骨干Mesh網絡組成^［3］，Mesh客戶端節點通過其他中間節點中繼多跳的方式實現網絡的通信。同時，Mesh客戶端也可以通過接入路由器節點或者網關節點的方式實現通信。混合型Mesh網絡可以解決骨干Mesh網絡中客戶端節點無法直接接入路由器節點中的問題。

1.3 無線Mesh網絡的特點

1.3.1 無線Mesh網絡優勢

無線Mesh網絡（Wireless Mesh Network，WMN）是一種自組式網格狀的拓撲網絡，通過多跳多路徑的傳輸模式形成無線傳輸網絡^［4］。WMN傳輸路徑多樣且網絡傳輸速率較高，每一個節點都可以作為客戶端節點，在應急通信系統中能解決節點移動的靈活性和傳輸路徑的可變性。WMN作為一種無線網絡結構，其結構形態已經收入802.16e無線網絡標準，如圖1所示。

1.3.2 Mesh網絡組網靈活性

在應急通信網絡中，無線Mesh網絡中所有網絡節點在傳輸通信數據的過程中，傳輸路徑上存在多條路徑可以選擇。單突發事件導致應急通信中的某個或某些節點被破壞，可以通過其他路徑轉發數據并及時反饋故障節點，這種多路徑路由傳輸的方式保證了網絡的可靠性和穩定性。另外，無線Mesh節點設備接入網絡簡單，只需要打開電源就可以提供網絡信號的接入和數據傳輸。在組成的Mesh網絡中，只要節點信號臨近接收范圍內，均可以新增節點設備接入網

絡，保證了網絡的延展性。Mesh網絡環境中，針對Mesh網絡之外的外網，只需要少量接通電源的網絡節點接入，其他Mesh網絡節點不需要連接外網的功能，內部節點可以隨時隨地移動。Mesh網絡配置上手容易，安裝簡單，在正常情況下，只需打開電源開關，在保證和其他某個Mesh節點能正常通信的情況下。可隨身攜帶，也可以放置在任何位置，這種安裝簡單的特性保證了Mesh網絡在極端和特殊環境中的應用。

2 電力系統應急通信技術需求

從難以實現到多樣技術，從語音交流到實時視頻，從僅解決小區域的通信故障到目前的大面積自然災害、大型會議活動等，電力系統應急通信技術更新迭代。

經過十幾年的電力通信技術的發展，我國對電力應急通信技術有了更高的要求。因此，電力系統應急通信網絡技術需要不斷完善，以滿足越來越高的電力生產及電力應急的需求。

2.1 網絡部署迅速

當出現緊急事件或自然災害時，電力系統應急通信網絡需要快速部署響應。現場工作人員要在最短的時間內對現場實施救援，并將現場的救援情況實時傳輸到應急指揮中心，保證指揮中心能快速及時地響應現場救援，保證救援工作快速有效開展。

2.2 通信設備電源便捷

在電力應急通信網絡中，由于部署區域的隨機性，網絡所在現場的電源數量少，因此需要較少電源數量及使用功率的前提下保證最大的網絡覆蓋區域和網絡通信時間。

2.3 網絡自動配置和管理

由于應急現場的突發性、臨時性，通信網絡配置管理可能無法及時安排通信網絡專業人員第一時間到達現場，在這種情況下，要提高通信網絡的自動化和便捷化。

2.4 網絡異構性

應急通信網絡中包含了多種網絡傳輸方式，需要快速有效地整合各種網絡傳輸方式接入網絡，并保證應急通信網絡的利用率和延展性。

2.5 網絡可靠性

由于突發救援現場環境惡劣，因此，對現場的應急通信網絡要保證安全、可靠、穩定。在最大限度地保證現場救援人員的自身安全前提下實施現場救援，進一步確保工作人員的生命安全。

2.6 網絡可擴展性

突發救援現場突發事件多變，需要根據救援現場實時選擇不同規模的通信網絡和通信方式。因此，電力應急通信網絡的可擴展性就顯得尤為重要。

2.7 網絡質量

在突發救援現場，指揮中心需要組織現場救援、決策安排、智慧調度等保障措施，因此，實時接受救援信息至關重要。這對實時的網絡視頻傳輸和通話質量保證等均有非常高的要求，網絡質量是保證應急通信網絡的重要指標之一。

3 基于Mesh網絡的電力應急系統架構建設與應用

結合電力系統應急通信技術的需求和Mesh網絡的優勢結構，通過Mesh網絡技術引入電力應急通信系統，使電力應急系統具有更有效的傳輸方式和通信能力，提高應急救援的現場處理效率。在進行應急救援的過程中，在救援現場設立臨時救援通信基站，通過臨時救援通信基站與應急指揮中心連接，同時需要保證現場救援的網絡覆蓋范圍，使每組現場區域內的救援人員和現場指揮人員能直接交流溝通。在提高現場區域內救援效率的同時，指揮中心的總體調度又保證了整場救援的效率和能力。基于以上電力應急通信架構建設需求及網絡特點，本方案設計了一種基于Mesh網絡的電力應急通信系統。現場通信網絡架構主要由現場區域救援中心、現場中繼節點、無線網絡終端、通信鏈路4個部分組成，如圖2所示。

3.1 現場指揮中心部署設計

現場指揮中心是應急現場的樞紐，對現場搶修救援進行全面指揮、調度。現場指揮中心通過現場中繼節點同現場區域指揮組溝通，通過電力傳輸專網或公網VPN通道這種遠距離通信鏈路與總指揮部聯系溝通，從而能夠集合并合理調集所有參加應急搶修救援力量。現場搶修救援指揮中心可以基于電力傳輸專網、應急通信指揮車或衛星通信網絡建立。現場指揮中心由多個區域指揮組構成，通過對各個區域指揮組的各項工作精準調度安排，確定現場救援網絡結構的合理性，并通過各組實際救援情況隨時調整現場網絡的部署結構。現場指揮中心通信設備包含多種網絡接口，Mesh網絡接口也可以為多種樣式的節點設備，直接連接指揮中心設備，既保證了組網的便利和快速，又保證了現場網絡信息的傳輸速率。

3.2 現場中繼節點部署方案

搶修救援現場由多個搶修救援區域構成，可以按現場人員分工、搶修救援區域人員位置等多類型劃分，該區域為應急通信網絡的最小網格單元，通過在現場布放無線Mesh網絡中繼設備，組成最小網格通信網絡單元。

現場的中繼節點部署主要通過異構Mesh網絡技術實現，根據應急搶修救援現場的環境、障礙物數量等復雜情況，部署大量的Mesh通信中繼節點。中繼節點通過自身的自組織連接方式接入現場通信網絡。數據通過中繼節點網絡多跳的方式進行傳輸，針對不同的搶修現場要求放置不同類型的中繼節點，保證最小網格通信網絡單元各自發揮自身網絡的作用。建立的最小網格通信網絡單元要有明確的分組規劃，避免在同一個最小網格通信網絡單元接入而出現網絡延時卡頓等現象。各應急救援區域滿足各自區域語音、視頻、圖像等類型的信息傳輸至區域指揮組、現場指揮中心以及總指揮部，保證了現場救援通信網絡的安全、高效、有層次。

現場的中繼節點總體部署方案按先外圍、后中心，先重點區域、后全部區域，先主體、后分支的原則實施。中繼節點設備上設置數據傳輸類型信號燈，數據傳輸類型包含音配、視頻、圖像等擋位的按鈕，隨時切換數據傳輸類型。同時，設備上還設置網絡接入信號燈，當中繼節點設備接入網絡時，設備信號燈呈現綠色。未接入網絡時，信號燈呈現紅色。這樣，能保證現場救援人員能簡單布放中繼節點設備，快速搭建現場通信網絡。

3.2.1 先外圍、后中心

應急救援現場具有突發性、臨時性等特點。確保應急現場區域的整體通信暢通，采樣才能合理規劃搶修救援方案，保證救援效率的同時，保證救援人員的人身安全。隨著救援方案的部署及救援區域的劃分，按實際搶修救援情況逐步推進核心區域，部署核心中心區域中繼節點，構建整體應急救援現場的整體通信網絡。

3.2.2 先重點區域、后全部區域

應急工作啟動是隨機和臨時的，第一時間發現并安排至現場參與工作的人員有限。在這種前提下，應突出工作區域的重點和難點。對第一時間到達人員所處區域搭建現場通信網絡，保障這些應急人員的通信需求；隨著后續人員設備的陸續到達，通信保障人員的數量增加，再精細化最小通信網格網絡單元，建立全部區域的應急通信網絡。

3.2.3 先主體、后分支

應急現場的通信網絡在先以建立一條主體通信網絡鏈路為主，滿足救援人員最基本的通信要求的前提下，再對主體通信網絡進行擴展和延伸，最終構成一個完整的無線應急通信網。主體通信網絡作為整個無線應急通信網的基礎，不僅要滿足應急現場的區域覆蓋和人員溝通，還要滿足搶修救援現場工作逐步推進開展的通信需求。

現場的中繼節點室外部署方案按先高處、后低處；先接通、后優化的原則部署^［5］。（1）先高處、后低處。無線通信網絡布放在高處能最大化地保證網絡的覆蓋范圍，保證節點設備的傳輸信號避免因地形導致信號被各種障礙物阻擋，而且無障礙物阻擋的中繼節點間以及中繼節點和終端設備間傳輸功率相對較低。這樣能最大化地提高中繼節點和設備的待機時長，在無高處部署的情況下，再考慮相對空曠的低處。（2）先接通、后優化。無線中繼節點的室外布放原則在保障中繼節點間正常通信的前提下，接通應急區域的通信網絡。在完成基本通信的前提下，再通過專業通信人員選點放置中繼節點形成多個覆蓋區域網格網絡，確保整個網絡結構不存在冗余覆蓋和帶寬分布不合理，提升整個應急區域的信號傳輸能力。

現場的中繼節點室內部署方案按先重點區域、后內部全域；先復雜區域、后空曠區域。（1）先重點區域、后內部全域。應急救援的重點區域需要重點關注，在保證應急網絡正常覆蓋的前提下還要保障網絡的通信可靠性，重點區域的中繼節點布放要優先且密集。（2）先復雜區域、后空曠區域。室內環境復雜多樣，存在大量樓梯、拐角、窗戶等邊緣位置，這些地方信號容易發生阻擋和泄露，是構成應急網絡的薄弱網格區域，因此這些區域的中繼節點布放也需要重點布放，提升網絡覆蓋能力，保證網絡可靠性。

3.3 無線網絡終端部署設計

無線網絡終端設備相當于指揮中心的眼睛和耳朵，是實現應急網絡數據信息傳輸的關鍵。因此，終端設備的部署直接決定了應急能力的效率；終端設備可以根據設備語音、視頻、報警、數據傳輸等類型接入不同的網格網絡，保證網絡的數據傳輸有條不紊。終端設備也需要根據應急網絡分成救援人員攜帶的移動終端和環境設備等監測的固定終端，攜帶的移動終端也分成語音視頻傳輸終端和救援人員安全監測終端。應急救援現場的多元化信息通過這些無線網絡終端設備收集后由現場無線Mesh應急網絡傳輸至指揮組和指揮中心，保證應急救援效率的同時還保證了救援人員的個人生命安全。

3.4 總指揮部傳輸通信鏈路設計

應急通信是在現場無常規通信的前提下使用的通信方式。應急現場的通信孤島導致現場的通信無法通過常規的通信方式傳輸到總指揮部。Mesh網絡作為現場網絡覆蓋通信方式，無法遠距離大面積傳輸。信息傳遞到總指揮部就需要通過其他方式的通信鏈路。一般情況下，通信鏈路的選擇方案有以下幾種。

3.4.1 低軌道衛星通信系統

衛星距離地面距地面500 km到2 000 km，傳輸時延和功耗都比較小，覆蓋范圍廣，作為通信鏈路的一種方式，保證了網絡傳輸的可靠性和及時性^［6］。

3.4.2 運營商VPN專網

運營商作為通信專業的主流通信服務商，可以借助其通信網絡保障應急鏈路的傳輸可靠性。VPN專網保障網絡的安全性。

3.4.3 電力傳輸專網

通過現場搭建臨時傳輸設備和無線接收設備，借助輸電線路的通信網架網絡接入電力傳輸專網，安全性和可靠性均能得到最大程度的保證。

4 結語

電力系統中的應急通信是否安全可靠，直接影響到電網系統的穩定安全，而且還關系到國家民生的安全。應急環境的復雜多樣，對應急通信網絡的要求極大。Mesh網絡技術在電力應急通信領域中的應用具有非常重要的意義，其為電力應急通信提供有效可靠的網絡支撐，通過提高信息傳輸效果使電力應急救援的救援工作和指揮部的調度效率均得到顯著提升，有效保障突發災害的快速響應，確保電力系統的安全生產。

參考文獻

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［6］楊逸，梁婧.衛星通信技術在電力應急通信搶修中的應用［J］.電力信息與通信技術，2014（12）：34-38.

（編輯 王永超）

Application of power emergency communication technology based on Mesh network technology

Chen Baihai

（Energy Shenwan Anqing Power Generation Co.， Ltd.， Anqing 246000， China）

Abstract： Electric power communication private network is an important to ensure the safe and stable operation of national electric power system network. Power communication facilities are distributed in the scarce outdoor. This environment will inevitably appear some power communication facilities， power emergency communication technology as the power communication private network interruption of rapid means of communication， in the safe operation of power grid production. Among them， Mesh network technology as a kind of new wireless communication technology， network fast and convenient， for power repair emergency communication work provides a better way of communication. This paper explores the application of Mesh network technology in power emergency communication， analyzes the network architecture and application advantages of Mesh network technology， combines the demand for communication system in power emergency communication to build a perfect Mesh network system， applied in the power emergency work， to further improve the quality and safety of the power repair.

Key words： power system; Mesh network technology; power communication; emergency communication