一种具有自愈能力的输电线路通信系统

田 霖 袁华璐 朱一峰 刘 淼 茹正辉 韩东升 高 强

一种具有自愈能力的输电线路通信系统

田 霖 袁华璐 朱一峰 刘 淼 茹正辉 韩东升 高 强

输电线路需要采集多种状态信息，这些信息包含的数据量较大，要求输电线路通信系统具有带宽宽、实时性好、不受外界因素限制的特点。本文结合光通信技术，研究以无线mesh网络为架构的输电线路通信系统，沿输电线路铁塔安装通信设备，建立双向宽带通信系统。在该通信系统中，出现某点故障有自愈能力，不影响正常通信。

输电线路是电力系统重要的设备，由于电力系统分布广、所处地理环境恶劣，因此首当其冲成为灾害影响的对象。而输电线路一旦发生故障将造成大面积停电，给国民经济造成严重的损失。因此，各地的供电局都制定了比较详细的规章制度来对输电线路设备进行巡查，以便及时发现问题，尽早处理问题。因此，及时有效地获取输电线路状态数据，包括视频信息是非常必要的。

及时有效地获取输电线路状态数据的基础则是输电线路通信系统，坚强灵活、具有一定自愈能力的输电线路通信系统可以为状态数据的获取提供有力的保证。然而，现有输电线路通信系统不能满足这些要求。现有输电线路通信系统主要包括电力线载波通信、光纤通信和无线通信方式。如果将电力线载波应用于输电线路监测的通信方式，那么作为监测对象的输电线路发生故障或损坏时，这种依靠电力线路作为传输介质的通信方式将无法工作，也就失去监测意义。光纤通信在输电线路中非常普遍，但是一旦出现故障则需要一定的时间恢复。而现有的无线通信方式则存在稳定性差、传输速率有限等问题。为此，本为构建了一种具有自愈能力的输电线路通信系统。采用无线mesh和有线光纤通信技术相结合，建立双向宽带通信系统。在该通信系统中，出现某点故障有自愈能力， 节点可以切换到其他的链路，不影响正常通信。

无线mesh网

无线mesh网络，由mesh routers（路由器）和mesh clients（客户端）组成，其中mesh routers构成骨干网络，并和有线的internet网相连接，负责为mesh clients提供多跳的无线internet连接。无线Mesh网络（无线网状网络）也称为“多跳（multi-hop）”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。主要特点如下：1）快速部署和易于安装；2）非视距传输（NLOS）；3）健壮性。如果某个路由器发生故障，信息由其他路由器通过备用路径传送；4）结构灵活；5）高带宽。

具有自愈能力的输电线路通信系统

系统框架

如图1所示，一种具有自愈能力的输电线路通信系统由四部分组成，分别为：无线mesh节点，供电单元，光纤接入点和光纤传输线。光纤传输线用于长距离的传输，在重点区域配备无线mesh节点，无线mesh节点传输的数据通过光纤接入点进入光纤传输线传输，供电单元为无线mesh节点供电。 在两个光纤接入点之间配置多个mesh节点， mesh节点将接收到的数据向下一跳mesh节点转发，经几跳后数据达到光纤接入点，由光纤传输线解决更远距离的传输。供电单元为无线mesh节点供电，其实现方法可采用太阳能供电，配合储能设备存储能量或高压感应取电方式。整个系统利用无线mesh技术的自组网、自修复、多跳级联、节点自我管理等智能特点，实现系统的自愈功能。系统在配置mesh节点时，留有适当的冗余，当出现链路故障时可以实现自愈，不影响正常通信。具体说来，当某一无线mesh节点发生故障时，系统可以选择其它mesh节点作为转发节点，不影响正常通信。当某一光纤接入节点出现故障时，系统可以进行网络拓扑重构，抢救“信息孤岛”，不影响正常通信。当mesh节点或光纤接入点故障排除后，系统可以恢复原最优路由。

系统功能

如图1所示在两个光纤接入点中间配备若干无线mesh节点（图1所示为6个mesh节点），两个无线mesh节点之间的距离最大为13～20km，为了冗余备份，一般节点之间距离为5～10km。在通信线路正常时，路由规划时可以从中间点分开，中间点两侧的信息分别经本端光纤接入点进入光纤传输线传输。如图1中，节点1、2、3、4中的数据经光纤接入点1进入光纤传输线，节点5、6、7、8中的数据经光纤接入点2进入光纤传输线。这样，数据转发次数少，带宽充足，只有在某些无线mesh路由器或某个光纤接入点发生故障时，断开的两端分别向可连通的变电站端传输信息，完成通信系统的自愈。

图1　系统结构图

图2是本文提供的一种具有自愈能力的输电线路通信系统中无线mesh节点发生故障，系统自愈过程的示意图。图2-a中，无线mesh节点3发生故障，不能中继转发节点4发送的数据，普通的输电线路通信系统将出现通信中断。本文提出的系统在配置无线节点的时候留有一定的冗余距离，当某一个无线mesh节点发生故障的话，系统可以选择其它mesh节点作为转发节点，不影响正常通信。如图2-b中所示，节点4与节点2建立连接，直接通过节点2转发数据。当节点3的故障排除后，节点4恢复与节点3的连接，系统恢复图1所示的路由。当系统中出现多个节点故障超出冗余距离时，如图2-c中节点2和节点3同时发生故障，节点1与节点4之间的距离超出了冗余距离，此时节点1与节点4之间无法直接建立连接，此时节点4可以通过节点5，迂回到光纤接入点2，接入光纤传输线，也可以实现正常通信，如图2-d所示。当节点2和节点3的故障排除后，系统恢复图1所示路由。

图3是本文提供的一种具有自愈能力的输电线路通信系统中光纤接入点发生故障，系统自愈过程的示意图。图3-a中，光纤接入点2发生故障，不能实现对数据到光纤传输线的接入功能，则此时节点5、6、7、8无法与外界通信，形成了“信息孤岛”。采用本实用新型，可以实现迂回路由，抢救“信息孤岛”。如图3-b所示，节点可以分别通过相邻的光纤接入点接入光纤传输线。当光纤接入点2的故障排除后，系统恢复图1所示路由。

图2　无线mesh节点故障自愈示意图

图3　光纤接入点故障自愈示意图

系统特点

本文提供的一种具有自愈能力的输电线路通信系统，采用多个无线mesh节点连接光纤接入装置，无线mesh不会因线路断路发生故障，而当某个无线路由器发生故障无法工作时，采用无线mesh路由器，没有发生故障的无线mesh路由器依然会相互连接传输数据，使得光纤传输线不会断路。具体说来，本系统具有以下特点。

（1）自愈功能：采用智能结构体系。当某一节点通信中断时，可自动进行网络拓扑重构，抢救“信息孤岛”，恢复系统。

（2）组网成本低：利用现有光线网络或变电站，结合无线通信。布网迅速，节省资源。

（3）良好的可扩展性：直接在新的监控点架设无线mesh设备，即通过自动组网功能与现有网络相连接。

（4）故障维修简便：系统自组网、自愈合特点，出现部分设备故障不影响系统正常工作，同时拓扑结构显示出故障设备标号。

（5）具有应急通信功能：可以实现多层次立体组网，在出现大规模故障或灾害时，能快速恢复，实现应急通信功能。

结束语

输电线路的特点是点多、面广、线长，长期裸露野外，往往跨越无人区域。受到各种因素的影响，通信线路可能会发生中断；而且一旦出现中断不易恢复。为此，建立具有一定自愈能力的输电线路通信系统十分必要。本文采用无线mesh技术，搭建输电线路无线mesh通信架构。在该通信系统中，出现某点故障有自愈能力，不影响正常通信。如果故障发生，节点可以切换到其他的链路，实现具有自愈功能的输电线路坚强无线mesh通信系统。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.022