大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的周期性低功耗通信技術(shù)方案

占亞波，涂潛，李俊，宗震

大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的周期性低功耗通信技術(shù)方案

占亞波，涂潛，李俊，宗震

（國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司建設(shè)分公司，安徽 合肥 230071）

為了實(shí)現(xiàn)輸電線路監(jiān)測(cè)的功耗低、壽命長(zhǎng)、綠色發(fā)展的目的，提出大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)周期性低功耗通信技術(shù)方案。依據(jù)網(wǎng)絡(luò)中傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)特征以及節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換特點(diǎn)，設(shè)置睡眠定時(shí)器，以周期性運(yùn)行方式使傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)在初始化、睡眠、激活狀態(tài)間轉(zhuǎn)換，通信節(jié)點(diǎn)在輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無傳遞需求時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，節(jié)省通信功耗；傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚（sink）節(jié)點(diǎn)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(jìn)行上、下行路由數(shù)據(jù)分組傳遞，降低節(jié)點(diǎn)功耗，延長(zhǎng)通信運(yùn)行時(shí)間。實(shí)驗(yàn)顯示，大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用該技術(shù)方案后，通信功耗明顯降低，運(yùn)行時(shí)間明顯延長(zhǎng)，且不會(huì)影響監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸性能，延長(zhǎng)了監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

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

0 引言

2021年7月，國(guó)家電網(wǎng)有限公司印發(fā)《關(guān)于全面推進(jìn)輸變電工程綠色建造的指導(dǎo)意見》（2021年367號(hào)文）以及《輸變電工程綠色建造指引（1.0版）》，明確推動(dòng)輸變電工程綠色建造是立足新發(fā)展階段和實(shí)現(xiàn)輸變電工程高質(zhì)量建設(shè)的內(nèi)在要求[1]，其中大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)可有效監(jiān)測(cè)輸變電工程綠色建造質(zhì)量，便于掌控輸電線路的實(shí)際情況，助力變電工程綠色發(fā)展。由于監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗通信性能是衡量網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素，許多研究者針對(duì)輸電線路的低功耗通信問題進(jìn)行了研究。例如，常鐵原等[2]通過設(shè)計(jì)成簇算法實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗通信，可通過簇頭節(jié)點(diǎn)的合理選取，均衡網(wǎng)絡(luò)整體通信功耗。該方法雖然能夠均衡功耗，但簇頭節(jié)點(diǎn)選取不合理會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)信息傳輸時(shí)延，影響傳輸效果，通信網(wǎng)絡(luò)的使用壽命較短。張安安等[3]研究了監(jiān)測(cè)技術(shù)，利用中繼節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)延模型，對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延性能進(jìn)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(yuǎn)距離無線電（long range radio，LoRa）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低功耗廣域網(wǎng)通信，應(yīng)用LoRa擴(kuò)頻傳輸技術(shù)構(gòu)建低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)支持多個(gè)終端，采集傳感信息。該方法的網(wǎng)絡(luò)通信覆蓋范圍較廣，但功耗降低效果不理想，運(yùn)行時(shí)間較短。

為了降低輸電線路監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的功耗、延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)通信運(yùn)行時(shí)間，本文設(shè)計(jì)了大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)周期性低功耗通信技術(shù)方案，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由低功耗地建立與傳輸，在滿足通信需求的基礎(chǔ)上，降低功耗。

1 大規(guī)模輸電線路監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)利用智能電子設(shè)備（intelligent electronic device，IED）進(jìn)行數(shù)據(jù)及命令傳遞，輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體構(gòu)架，網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

根據(jù)圖1可知，過程層利用傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸電線路狀態(tài)信息進(jìn)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(duì)通信實(shí)時(shí)性等要求不是特別嚴(yán)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(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匯報(bào)給站控層，其中交換機(jī)部署結(jié)構(gòu)如圖2所示。站控層作為控制中心，對(duì)輸電線路狀態(tài)信息進(jìn)行統(tǒng)一管理。

圖2 交換機(jī)部署結(jié)構(gòu)

1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)特征及節(jié)點(diǎn)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(duì)線路狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(diǎn)，建立傳感器網(wǎng)絡(luò)，完成通信任務(wù)[5]。采用基于ZigBee的通信技術(shù)建立的傳感器網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)組網(wǎng)，將輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)迅速地傳至匯聚節(jié)點(diǎn)，最終將輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳回遠(yuǎn)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(shí)塔基與塔基之間最有利于傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)利用傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸電線路狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為電力輸電線路的安全運(yùn)行提供保障[6-7]。

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

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

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖

根據(jù)圖3所示，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)需要在3種狀態(tài)下互相轉(zhuǎn)換，當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于INI狀態(tài)時(shí)，可以完成傳感器網(wǎng)絡(luò)的注冊(cè)、路由等初始化設(shè)置項(xiàng)目；如果通信裝置的數(shù)據(jù)端口處于關(guān)閉狀態(tài)，僅維持傳感器網(wǎng)絡(luò)裝置低功耗通信，此刻即SLP狀態(tài)；當(dāng)各個(gè)通信端口恢復(fù)數(shù)據(jù)的收發(fā)時(shí)，節(jié)點(diǎn)處于ACT狀態(tài)。這3種狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換，可以達(dá)到大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)低功耗通信的目的[9]。

2 周期性低功耗通信方案

針對(duì)基于ZigBee的無線傳感通信技術(shù)設(shè)計(jì)低功耗通信方案。采用傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方式，利用睡眠狀態(tài)達(dá)到低功耗的目的[10]。如果沒有輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要傳遞，整個(gè)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信裝置進(jìn)入睡眠狀態(tài)；如果有輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行傳遞，通信裝置進(jìn)入激活狀態(tài)。利用大規(guī)模輸電線路傳感器網(wǎng)絡(luò)的周期性能，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗通信的目的[11]。

2.1 路由節(jié)點(diǎn)睡眠方案

當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)開啟運(yùn)行模式時(shí)，先判斷大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)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(dāng)異步睡眠定時(shí)器開始工作時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)將根據(jù)定時(shí)器設(shè)置的時(shí)間，被異步睡眠叫醒。然后繼續(xù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求進(jìn)行判斷，若有需求，就開始進(jìn)入運(yùn)行模式；若沒有需求，則繼續(xù)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)同步進(jìn)入一個(gè)睡眠周期，睡眠周期結(jié)束，則開啟下一個(gè)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(jí)的終端節(jié)點(diǎn)同步睡眠周期流程中，同步睡眠叫醒時(shí)間相同會(huì)引起父節(jié)點(diǎn)同時(shí)被叫醒，這種情況會(huì)造成通信時(shí)，信道不能滿足大量通信數(shù)據(jù)的傳輸，從而導(dǎo)致通信功耗增多，此時(shí)在同步睡眠周期流程中，加入隨機(jī)延長(zhǎng)時(shí)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(luò)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(jìn)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(shè)置表的長(zhǎng)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(diǎn)傳至匯聚節(jié)點(diǎn)的第一個(gè)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(diǎn)的ID，并更新中繼表記錄的信息，可一直記錄到匯聚節(jié)點(diǎn)。整個(gè)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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)需要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)傳來的第1個(gè)數(shù)據(jù)分組進(jìn)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(yīng)的調(diào)整，然后再對(duì)數(shù)據(jù)分組進(jìn)行傳遞[16-18]；若是已發(fā)送過的舊數(shù)據(jù)分組，則先對(duì)數(shù)據(jù)分組首位的路由中繼表信息進(jìn)行采集，利用采集的首位路由中繼表信息對(duì)自身下行路由表的項(xiàng)目進(jìn)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(diǎn)。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)需要按時(shí)完成傳遞數(shù)據(jù)的任務(wù)，即使沒有任何傳遞需求，也要繼續(xù)向匯聚節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)，但此時(shí)傳遞的數(shù)據(jù)沒有任何實(shí)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(duì)數(shù)據(jù)分組的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行接收，查看下行路由表里是否存在數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)的路由，若沒有，則需要在下行路由表里創(chuàng)建一個(gè)到數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)的路由；若經(jīng)過查看，發(fā)現(xiàn)已有數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)的路由，此時(shí)只要對(duì)該路由進(jìn)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(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中路由的建立，需要數(shù)據(jù)分組在上、下行路由間進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，若第一標(biāo)準(zhǔn)一致，則利用第二標(biāo)準(zhǔn)，即剩余能量，多則視為優(yōu)先傳遞節(jié)點(diǎn)。

利用路徑長(zhǎng)度測(cè)量原理，對(duì)跳數(shù)進(jìn)行計(jì)算，如式（6）所示：

3 實(shí)例驗(yàn)證

國(guó)家某地電網(wǎng)有限公司利用本文周期性低功耗通信技術(shù)方案，構(gòu)建了大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。該輸電線路長(zhǎng)達(dá)8 km，為超高壓主網(wǎng)輸電線路，由35 kV變電所建設(shè)線路某一、二回線路至開關(guān)站，負(fù)責(zé)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(duì)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)通信裝置進(jìn)行供電，實(shí)驗(yàn)使用的電池容量為150 Ah，電壓為15 V。通過應(yīng)用本文技術(shù)方案，對(duì)大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能性、數(shù)據(jù)傳輸性和使用壽命進(jìn)行驗(yàn)證。

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

3.1 低功耗通信節(jié)能性

實(shí)驗(yàn)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(shù)方案設(shè)計(jì)3種周期性睡眠方案，驗(yàn)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(shè)定見表1。

表1 周期性睡眠方案參數(shù)設(shè)定

根據(jù)表1可知，3種不同的參數(shù)對(duì)應(yīng)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(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)與使用了3種睡眠方案的監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對(duì)比，周期性睡眠方案性能對(duì)比結(jié)果見表2。

表2 周期性睡眠方案性能對(duì)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(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，與沒有使用周期性睡眠方案的普通監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)相比較節(jié)省的功耗百分率；時(shí)間增加率，是二者運(yùn)行延長(zhǎng)的時(shí)間百分比。監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用本文技術(shù)方案設(shè)計(jì)的3種周期性睡眠方案后，通信裝置的功耗明顯降低，運(yùn)行時(shí)間明顯延長(zhǎng)。因此，若大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信裝置，運(yùn)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(zhǎng)的通信使用時(shí)間，同時(shí)減少修理通信裝置的成本，維護(hù)大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)運(yùn)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(zhǎng)短影響裝置的功耗，若激活周期短點(diǎn)，則大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)通信裝置的平均功耗降低效果會(huì)好些。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸性能

將本文設(shè)計(jì)的周期性低功耗通信技術(shù)方案應(yīng)用到大規(guī)模輸電線狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通過不同節(jié)點(diǎn)的不同狀態(tài)進(jìn)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(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)需要一定的啟動(dòng)時(shí)間，所以實(shí)驗(yàn)在4 s后對(duì)固定量的數(shù)據(jù)分組進(jìn)行傳送，在實(shí)驗(yàn)期間不再有額外的數(shù)據(jù)分組進(jìn)行傳送。在節(jié)點(diǎn)相同的情況下，應(yīng)用本文方案與不應(yīng)用本文方案進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的成功率沒有明顯差異，實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)端控制中心，不影響監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖6 本文方案的數(shù)據(jù)傳輸性能

3.3 監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命

監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)由安裝了監(jiān)控軟件的遠(yuǎn)端變電站控制中心上位機(jī)、TLKS-PMG-100輸電線路監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)和通信裝置NB-IoT天線組成。各節(jié)點(diǎn)通過無線信道連接，匯聚節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)監(jiān)控程序通過RS-232異步串口總線連接。測(cè)試大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行判斷。如果在實(shí)驗(yàn)中具有活性的節(jié)點(diǎn)數(shù)量比例低于18%時(shí)，就可以判定該輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)到了使用壽命，通過設(shè)定節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為60、120、180和240的不同場(chǎng)景，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證本文技術(shù)方案對(duì)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的影響。不同場(chǎng)景下網(wǎng)絡(luò)壽命對(duì)比如圖7所示。

根據(jù)圖7可知，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不斷增加，本文營(yíng)造了4種不同的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，將普通未使用本文方案的網(wǎng)絡(luò)和已使用本文方案的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較。可以看出，在4種場(chǎng)景里，使用本文方案的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)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(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方式，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)自動(dòng)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(jī)延長(zhǎng)時(shí)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(shè)備無效激活損耗的次數(shù)，保證通信節(jié)點(diǎn)的睡眠時(shí)間，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壽命都有不同程度的延長(zhǎng)，這使整個(gè)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命得到了明顯的延長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)表明本文方案可有效延長(zhǎng)大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，有助于達(dá)到輸變電工程綠色建設(shè)的目的。

圖7 不同場(chǎng)景下網(wǎng)絡(luò)壽命對(duì)比

4 結(jié)束語

為了降低大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的功耗，提出大規(guī)模輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)周期性低功耗通信技術(shù)方案。以周期性運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)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(diǎn)功耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明應(yīng)用本文方案后，通信裝置的功耗大幅度降低，監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)使用壽命延長(zhǎng)，可以助力實(shí)現(xiàn)大規(guī)模輸電線路通信的綠色建設(shè)。由于條件有限，本文方案對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)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(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司建設(shè)分公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檩斪冸姽こ探ㄔO(shè)管理、質(zhì)量管理和安全管理等。

涂潛（1976-），男，國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司建設(shè)分公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檩斪冸姽こ探ㄔO(shè)管理、安全管理等。

李俊（1988-），男，國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司建設(shè)分公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檩斪冸姽こ探ㄔO(shè)管理。

宗震（1993-），男，國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司建設(shè)分公司工程師，主要研究方向?yàn)檩斪冸姽こ探ㄔO(shè)管理、安全管理等。

2022-07-12；

2023-01-20