融合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與射頻識別的輸電線路桿塔狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)低延時技術(shù)

張安安， 鄧芳明

(1.江西省科學(xué)院能源研究所，南昌 330029； 2.華東交通大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院， 南昌 330013)

輸電線路桿塔是輸電線路的關(guān)鍵組成部分，它的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其他所承載的絕緣子、金具、導(dǎo)線等附件的工況是整條輸電線路運(yùn)行安全的重要保障[1]。2015 年 9 月國家電網(wǎng)公司印發(fā)了《信息通信新技術(shù)推動智能電網(wǎng)和“一強(qiáng)三優(yōu)”現(xiàn)代公司創(chuàng)新發(fā)展行動計劃》國家電網(wǎng)信通〔2015〕899 號文件提出了開展“SG-ERP 3.0 資產(chǎn)全壽命周期典型應(yīng)用”試點任務(wù)，要求綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、移動應(yīng)用、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，實現(xiàn)資產(chǎn)全壽命周期管理的信息貫通與質(zhì)的飛躍[2]。

傳統(tǒng)輸電線路檢測采用人工巡檢方式[3-4]，工人采用目測或與測量儀器相結(jié)合的方式巡檢輸電線路，這種方式不僅費(fèi)時費(fèi)力，且準(zhǔn)確度低。文獻(xiàn)[5-6]采用機(jī)器人或無人機(jī)自動巡檢線路，其檢測成本高，而且實時性差，無法對輸電線路狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測。輸電線路監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸通常采用有線通信技術(shù)[7-8]。有線通信技術(shù)雖然具有容量大、速率快等優(yōu)點，然而昂貴的前期安裝和后期維護(hù)成本限制了其進(jìn)一步發(fā)展，因此基于無線通信的輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)是智能電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢?；谝苿油ㄐ偶夹g(shù)的無線監(jiān)測技術(shù)[9-10]具有傳輸范圍廣、速率高、容量大等優(yōu)點，但由于需要長期租用移動通信服務(wù)，運(yùn)行成本高。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network, WSN)作為一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，憑借其部署簡單、布置密集、低成本、通信免費(fèi)和無需現(xiàn)場維護(hù)等優(yōu)點[11]，自其出現(xiàn)便迅速取代傳統(tǒng)有線環(huán)境監(jiān)測方法被廣泛運(yùn)用到各領(lǐng)域中。楊征[12]采用融合ZigBee和GSM網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了輸電線路桿塔傾斜監(jiān)測系統(tǒng)；曹新莉等[13]針對輸電線路桿塔傾斜度監(jiān)測的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)組織問題，給出了一種桿塔監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的自組織路由算法；任堂正等[14]針對現(xiàn)有覆冰區(qū)輸電桿塔傾斜檢測系統(tǒng)實時性和準(zhǔn)確性低的特點，設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的覆冰區(qū)桿塔傾斜在線監(jiān)測系統(tǒng)。

WSN和射頻識別(radio frequency identification, RFID)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)前端兩大關(guān)鍵技術(shù)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，WSN與RFID相結(jié)合的研究成為一種趨勢。RFID技術(shù)有工作距離短的缺點(一般10 m內(nèi))，但是如果將WSN與RFID相結(jié)合起來，利用前者100 m的通信半徑及多跳傳輸特性，形成融合通信網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用前景不可估量[15]。中外已經(jīng)開展了一系列WSN與RFID技術(shù)融合的研究[16-18]，然而針對輸電線路狀態(tài)監(jiān)測的融合研究外還沒有相關(guān)報道。

現(xiàn)提出一種融合WSN與RFID的輸電線路桿塔狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具有監(jiān)測成本低、故障定位迅速和適合長期監(jiān)測的優(yōu)點。中繼節(jié)點設(shè)置是所提出監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)性能研究的關(guān)鍵，因此本文建立了中繼節(jié)點傳輸延時模型，有利于分析不同條件下的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)延時性能。

1 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

輸電線路兩相鄰變電站間的距離通常為幾十至幾百千米，每隔幾百至幾千米設(shè)置一桿塔作為架空輸電線路支撐，因此兩變電站間桿塔數(shù)量為20～100。每個桿塔內(nèi)的傳感器節(jié)點間距不超過100 m，而相鄰桿塔間的距離能達(dá)到1 km，因此考慮到WSN技術(shù)特點，在每個輸電線路桿塔上設(shè)置一中繼節(jié)點[19]。中繼節(jié)點同時具有短距離和長距離無線通信功能，各輸電線路桿塔內(nèi)的傳感器節(jié)點通過短距離通信將數(shù)據(jù)匯聚至桿塔中繼節(jié)點，然后各桿塔中繼節(jié)點通過長距離通信將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至相鄰桿塔。為了避免線性監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時過長，選取特定桿塔節(jié)點為具備移動通信的中繼節(jié)點，能夠和控制中心之間完成直接通信。

根據(jù)以上分析，提出一種融合WSN與RFID的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖1所示。根據(jù)通信功能，所提出的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以分為四層。

圖1 基于RFSN的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Network architecture of transmission line condition monitoring based on RFSN

第一層通信層負(fù)責(zé)將RFID傳感標(biāo)簽信息傳輸至RFID閱讀器與ZigBee融合(RRZ)節(jié)點，它由位于桿塔塔基內(nèi)或塔身的RFID傳感標(biāo)簽和位于塔身的RRZ節(jié)點構(gòu)成。塔基內(nèi)的RFID傳感標(biāo)簽工作于無源狀態(tài)，適合對塔基健康進(jìn)行長期監(jiān)測[15]。RRZ節(jié)點同時具有超高頻RFID和ZigBee兩種通信方式，它與RFID傳感標(biāo)簽之間采用超高頻RFID通信，并將收集到的塔基等狀態(tài)信息以ZigBee短距離通信方式傳輸至桿塔中繼節(jié)點。

第二層通信層負(fù)責(zé)將輸電線路各桿塔的傳感節(jié)點信息匯聚至桿塔中繼節(jié)點，它由位于塔身的傳感節(jié)點、RRZ節(jié)點和中繼節(jié)點構(gòu)成。傳感節(jié)點與中繼節(jié)點間采用ZigBee短距離通信方式(<100 m)，而各桿塔中繼節(jié)點間采用ZigBee長距離通信方式(>1 km)。中繼節(jié)點的電源供給問題一直是輸電線路桿塔監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一，中外已開展廣泛研究。中繼站取能可通過太陽能[20-21]，風(fēng)能[22]，電流互感[23-24]以及混合取能[25]等多種方法。

第三層通信層負(fù)責(zé)將各桿塔中繼節(jié)點信息傳輸至變電站或移動基站，它由各桿塔中繼節(jié)點、變電站和移動基站構(gòu)成。考慮到長距離線性網(wǎng)絡(luò)容易造成延時過長及移動通信高成本問題，線性網(wǎng)絡(luò)中的某些中繼節(jié)點同時具有移動通信模塊，將接收的桿塔健康信息傳輸至移動基站。桿塔中繼節(jié)點與變電站和移動基站之間分別采用ZigBee和4G移動通信方式。

第四層通信層負(fù)責(zé)將變電站或移動基站接收的桿塔健康信息傳輸至控制中心，它由變電站、移動基站和控制中心構(gòu)成。變電站與控制中心之間采用現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(supervisory control and data acquisition, SCADA)系統(tǒng)，有利于降低成本；移動基站與控制中心之間采用4G移動通信方式。

2 中繼節(jié)點設(shè)置優(yōu)化

輸電線路狀態(tài)監(jiān)測線性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸延時，通過為網(wǎng)絡(luò)中某些中繼節(jié)點配備移動通信模塊構(gòu)成匯聚節(jié)點，有利于獲得網(wǎng)絡(luò)延時性能與成本的平衡，因此匯聚節(jié)點的設(shè)置優(yōu)化研究在輸電線健康監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)傳輸性能研究的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[26]提出了一種匯聚節(jié)點優(yōu)化設(shè)置模型，作者假定所有節(jié)點具備相同性能，并從附近傳感器收集相同數(shù)量的數(shù)據(jù)，這些傳感器完全依賴于底層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施的對稱性。然而，由于實際情況中有眾多因素可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的不對稱性，因此需要考慮網(wǎng)絡(luò)不對稱下的節(jié)點優(yōu)化設(shè)置。由于在輸電線路狀態(tài)監(jiān)測中，WSN節(jié)點功耗不再是系統(tǒng)設(shè)計的主要目標(biāo)，因此主要從傳輸延時方面分析匯聚節(jié)點的優(yōu)化設(shè)置。輸電線路監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)可以簡化為圖2所示。

圖2 輸電線路狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.2 Network topology of transmission line condition monitoring

圖2由控制中心CC、變電站SS1和SS2以及n個中繼節(jié)點組成。假設(shè)將n個中繼節(jié)點分為g(3≤g≤n)組，每組有ri個中繼節(jié)點，中間若干節(jié)點組(G2～Gg-1組)選擇組內(nèi)一中繼節(jié)點GPi裝備有移動通信模塊作為匯聚節(jié)點。

圖2所示的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包含三種節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸方式。如圖3(a)所示為最左邊G1組內(nèi)的節(jié)點依次向左，通過ZigBee傳輸方式將中繼節(jié)點數(shù)據(jù)匯聚至變電站SS1，然后變電站通過SCADA傳輸方式將匯聚的節(jié)點數(shù)據(jù)傳遞至控制中心CC；如圖3(b)所示最右邊Gg組內(nèi)的節(jié)點依次向右通過ZigBee傳輸方式，將中繼節(jié)點數(shù)據(jù)匯聚至變電站SS2，然后變電站通過SCADA傳輸方式將匯聚的節(jié)點數(shù)據(jù)傳遞至控制中心CC；如圖3(c)所示中間若干分組內(nèi)的各中繼節(jié)點通過ZigBee傳輸方式，將節(jié)點數(shù)據(jù)匯聚至各組內(nèi)具有移動通信功能的匯聚節(jié)點GPi，匯聚節(jié)點再通過移動通信將匯聚的節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸至控制中心CC。

圖3 節(jié)點數(shù)據(jù)匯聚傳輸方式Fig.3 Node data converging method

圖3(a)所示左側(cè)變壓器SS1所在的G1組內(nèi)共有r1個中繼節(jié)點，節(jié)點Pr1首先將它的數(shù)據(jù)傳輸至節(jié)點Pr1-1，節(jié)點Pr1-1將它自身的數(shù)據(jù)和從Pr1接收到的數(shù)據(jù)一起傳輸至Pr1-2，最終所有的節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸至變電站SS1。圖3(b)所示左側(cè)變壓器SS2所在的Gg組的傳輸時間計算與G1組一致。考慮到RFID通信系統(tǒng)的加入和無線信道采用共享機(jī)制，變電站傳輸數(shù)據(jù)至控制中心的延時可以忽略，因此G1組和Gg組的傳輸總延時ti可以表示為

(1)

式(1)中：tc為平均信道接入延時，tR代表RFID系統(tǒng)傳輸時間；ri代表第i組內(nèi)的節(jié)點數(shù)；Dij表示第i組內(nèi)第j節(jié)點的數(shù)據(jù)量；VZ代表ZigBee的傳輸速率。式(1)包含三部分:第一部分代表信道接入延時，第二部分代表桿塔節(jié)點內(nèi)RFID層傳輸延時，第三部分代表中繼節(jié)點傳輸延時。

由于每組傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小不一，因此中間每組內(nèi)匯聚節(jié)點GPi兩側(cè)中繼節(jié)點數(shù)目也不相同。假設(shè)第i組內(nèi)匯聚節(jié)點GPi兩側(cè)的中繼節(jié)點數(shù)分別為ri1和ri2，則第i組內(nèi)中繼節(jié)點數(shù)量為ri=ri1+ri2+1，因此根據(jù)式(1)可以得到兩側(cè)中繼節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)至匯聚節(jié)點GPi所需的延時ti1和ti2分別為

(2)

(3)

(4)

ti=max(ti)，i=1,2,…,g

(5)

3 仿真結(jié)果與分析

圖4 不同分組數(shù)下的最大延時Fig.4 Maximum delay time under different group number

為了仿真分析此線性結(jié)構(gòu)的延時性能，假設(shè)第1組和第g組具有相同的結(jié)構(gòu)，中間第2組至第g-1組也具有相同的結(jié)構(gòu)。假設(shè)線性網(wǎng)絡(luò)的中繼節(jié)點數(shù)n為100，每個節(jié)點獲取的數(shù)據(jù)包為4 kb/s，ZigBee的傳輸速率VZ為31.25 kb/s，信道接入延時tc為41 ms，RFID系統(tǒng)傳輸延時tR為2 ms，移動通信3G和4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率VM分別為200、2 000 kb/s時，所得到的傳輸延時與分組數(shù)目g的關(guān)系如圖4所示?？梢耘袛?，當(dāng)g<10隨著分組數(shù)目g的增加，傳輸延時明顯降低。但是當(dāng)g>10時，傳輸延時的降低不明顯，曲線變化呈扁平狀。還可以得到，由于4G移動網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率相比3G網(wǎng)絡(luò)大得多，因此對于同樣的分組數(shù)目g，采用4G移動通信網(wǎng)絡(luò)的最大延時明顯比3G網(wǎng)絡(luò)的最大延時低。所以綜合考慮到分組成本問題，g=10為合理分組方案。

圖5對比了信道接入延時分別為41 ms和200 ms條件下，傳輸延時與分組數(shù)目g的關(guān)系。從圖5中可以看到，在同為3G或4G通信的條件下，不同信道接入延時對總傳輸延時曲線變化影響較小，而且具有相同的變化趨勢，因此可以得到，信道接入延時對整個網(wǎng)絡(luò)的性能影響較小。

圖5 不同信道延時對網(wǎng)絡(luò)性能的影響Fig.5 Different channel access time impact on network performance

圖6 不同分組數(shù)下信道延時與系統(tǒng)能量消耗的關(guān)系Fig.6 The relation between channel delay and system energy consumption under different grouping numbers

另一方面，在考慮系統(tǒng)能量消耗性價比時，4G則顯示出優(yōu)勢。從圖6可以看出，4G擁有更低的延遲但能耗偏高，3G雖然能耗低但是延時更高且分組數(shù)越高能耗優(yōu)勢越小。在3G和4G無線鏈路延時與能耗對比圖中，曲線顯示為V形，并且在總能耗方面具有明顯的最小值。因為盡管無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸一個數(shù)據(jù)單元的能量比蜂窩鏈路中的能量小，但在中繼中，每個節(jié)點都花費(fèi)大量的能量來幫助相鄰節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，從而增加了總體能量消耗。當(dāng)增加分組數(shù)時，中繼的數(shù)據(jù)量減少而降低的能量與增加的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的能量是中等的，因此延遲和總能量消耗都會減少。然而，如果分組數(shù)過多，那么蜂窩網(wǎng)絡(luò)的高能量消耗將開始主導(dǎo)總能量。這個結(jié)果清楚地表明了總能耗和系統(tǒng)延遲之間的平衡。

4 結(jié)論

提出一種融合WSN和RFID的輸電線路桿塔狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，具有監(jiān)測成本低、故障定位迅速和適合長期監(jiān)測的優(yōu)點。由于輸電線路桿塔拓?fù)渚哂虚L距離鏈狀特點，傳輸延時是監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)性能研究的關(guān)鍵。具備移動通信功能的中繼節(jié)點設(shè)置是影響傳輸延時的主要因素，因此建立了中繼節(jié)點傳輸延時模型，有利于分析不同條件下的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)延時性能。