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《電力系統保護與控制雜志》2015年第二十三期

摘要：

近年來頻發火燒山導致輸電線路跳閘，對輸電線路安全運行造成了很大的影響。針對輸電線路長鏈狀結構、山區公網信號覆蓋不到位的情況，提出利用無線Mesh網絡特性、采用嵌入式技術和長鏈狀低功耗路由算法。根據山火特性，開發了以山火探測終端、中繼器以及協調器組成的探測通信網絡和基于B/S架構與GIS的專家監測軟件構成的山火預警監視系統。經掛網運行數月后表明，該系統能準確探測和傳輸火災信息，為輸電線路山火預警提供了一種有效手段。

關鍵詞：

輸電線路；山火監測；Mesh網絡；L-MPRP

隨著輸電線路等級的提高，做好輸電線路的安全保障顯得日益重要。近年來，福建電網因山火導致的輸電線路跳閘事故占總跳閘事故比重逐年上升。同時，因山火致線路絕緣水平劇烈下降，重合閘成功率較低，停電時間長，嚴重威脅電網的穩定運行[1]。對山火提前預警，對科學調度決策有重要的意義。現如今采用較為廣泛的防山火措施有視頻監控系統，衛星遙感，紅外成像等。以上技術均能在一定區域內捕捉火情并通過GPRS公網傳輸。但是不足在于輸電線路多布于人煙稀少地區，公網信號強度低甚至沒有信號。依賴于單技術探測火災信息往往容易產生漏報或誤報。采用航空或者航天巡護費用高昂且巡視周期間隔長，無法應對爆發性山火[2-4]。針對以上問題，研制了基于無線mesh網絡的輸電線路山火預警監視系統。該系統主要特點在于結合輸電線路長鏈狀結構與無線mesh網絡，突破了公網信號覆蓋限制，將輸電線路沿線探測到的火災信息傳送到管理部門，拓展了監測范圍。此外，提出的低功耗路由算法L-MPRP用于均衡網絡能量，提高網絡吞吐量。終端探測設備采用多鑒探測，能極大降低誤報率，提高監測可信度[4]。本套系統已掛網運行于福建電網福中I路500kV線路沿線。

1系統原理

無線mesh即“多跳網絡”。其處理消息的方式是把信息包從一個節點傳遞到另一個節點，直到信息包到達目的地。每個無線Mesh網絡的節點可以作為接入終端，也可具有路由和信息轉發功能，具有極高的組網自由度[5]。無線mesh網絡與傳統的GPRS網絡結合起來，就可以建立起一套覆蓋范圍廣、高可靠性、低成本的輸電電力線路基礎通信系統。圖1為基于無線mesh網絡的山火預警監視系統原理圖。采用ZigBee模塊與傳感模塊組成終端節點，對監測環境中的溫度、煙霧等火災特征信息進行實時采集并傳至中繼器，由中繼器轉發其他AP傳輸來的信息，多次轉發后信息到達該子網的協調器。協調器把這些數據通過GPRS模塊發送到服務器。由監控服務器負責數據存儲、統計、分析后產生預警和決策指導。為適應輸電線路特殊的鏈狀地理形勢，采用樹狀mesh網絡。因相鄰的輸電桿塔間距多為1~1.5km，所以中繼器采用具有3km透傳功能的增強型Em357模塊。中繼器雙臺冗余布置安裝于輸電桿塔上，且相鄰桿塔間的中繼器為視距傳輸。因此，在樹狀mesh網絡中，信息既可以通過相鄰節點傳輸也可以通過中繼器進行傳輸，不會因為個別節點的“消亡”影響其他節點的通信，提高了系統的可靠性。終端探測設備沿電力線兩側叢林中布設，布設間距為30~50m左右，并注意使終端探測設備的引出天線相互之間盡量滿足視距傳輸要求，并置于中繼器覆蓋范圍內，這樣終端探測設備之間既可相互跳轉傳輸信息，而且也能與中繼器通信。

2基于L-MPRP的長鏈樹狀Mesh網絡路由算法優化

1)洪泛階段：在終端設備布設于網絡當中時，由協調器發起連接請求。在由附近中繼器接收到信息后，將自己的ID添加為源地址，并轉發路徑包。所有終端以第一次接收到的廣播中的源地址為路由表中的上一跳地址，并轉發廣播包；若非第一次接收到廣播包，則判斷上一跳是否為中繼器的廣播包，若是則更新路由表，為優先轉發路線；若不是則將其添加進路由表，準備多條傳輸路徑。2)數據發送階段：當組網完成之后，網絡中的任何一個終端設備就可以通過路由表向協調器發送數據包。3)路由修復階段：因終端設備多布設于森林地區，由于樹障、能量消耗等原因可能導致信號不穩、設備失聯的情況出現。為此，提出使用中間終端做路由修復的修復機制，即由失效終端的下一跳終端根據路由表順序發出路徑出錯包，在其他的終端接收到接收路徑出錯廣播包時，若自身可以做修復點，則在發送路徑應答包時，同時更新路由表。為了驗證無線mesh網絡中L-MPRP路由算法的可行性以及有效性。分別從節點剩余能量、網絡端對端的平均時延、網絡吞吐量三個方面與廣泛使用的AODV協議進行對比，采用NS-2仿真平臺，用于仿真對比的網絡模型為長鏈狀[6-11]。圖2給出了節點剩余能量的曲線圖。仿真結果表明L-MPRP路由協議相比較與AODV協議更能節省節點能量，降低路由開銷。對于僅用電池供電的無線mesh節點有很大的優勢。此外，L-MPRP協議節點剩余能量相對平均，避免了“熱點”問題產生的網絡不均等導致的網絡消亡。圖3給出了端到端平均時延隨網絡負載的變化關系。可以看出在網絡負載不大的時候，端到端時延差距不大。不過在網絡負載達到100Kps以上時，L-MPRP協議因其多路徑特性相較AODV協議的時延有明顯下降。這在發生集群報警時，能降低傳輸時延，報警也更加迅速。圖4給出了mesh網絡吞吐量隨仿真進程的變化關系。隨著仿真進行，L-MPRP協議與AODV協議最后均達到飽和。L-MPRP協議主要利用不休眠的雙臺中繼器進行傳輸，在路徑跳轉過程中總能選擇最短路徑到達協調器。因此，L-MPRP協議較AODV協議能較好實現網絡的擁塞控制與負載平衡，在網絡吞吐量上更具優勢。

3設備的軟硬件設計

3.1硬件設計協調器是mesh網絡與外部網進行通信的關鍵設備，它是數據傳輸的核心部分。硬件上MCU采用STM32系列低功耗芯片，GPRS模塊選用移遠公司的M72模塊。由鉛酸電池與太陽能混合供電。中繼器的主要任務是維持系統的數據轉發，它是整個系統的傳輸部分。硬件設計方面與探測終端基本相同，不同在于其Zigbee模塊采用增強型的EM357模塊。供電方式由鋰電池與太陽能混合供電。終端節點探測設備的硬件設計框圖如圖5所示。探測終端是進行火情探測與數據轉發的重要設備，它是整個系統的前端部分。根據山火的行為特性，可以從溫度、顆粒檢測兩個方面進行探測[12]。硬件設計方面，采用TI公司的msp430系列16位超低功耗單片機及其他功能模塊[13]，外接Ember公司的EM357無線收發模塊，傳感器采用接觸式溫度傳感器DS18B20、非接觸式紅外溫度傳感器TS105-4，兩種溫度傳感器均可直接探測環境溫度。采用紅外光束來探測煙霧信息，其工作原理是紅外二極管定期發送脈沖，紅外接收器則不斷監測是否有接收到脈沖信號，用來確定檢測腔內是否有煙霧的存在。電路整體供電由高能鋰電池供電。

3.2軟件設計軟件設計方面主要考慮設備的低功耗設計。其中，終端探測設備的CPU以間歇性進入LPM3休眠方式，只開啟ACLK用來接收定時器或者外部通信中斷[14]。中繼器以及協調器是信息傳輸的關鍵設備，因有太陽能供電而不進入休眠狀態。特別要注意的是，協調器是mesh網絡的中心節點，若其進入休眠狀態，則終端節點會不斷掃描信道以加入網絡，增加了節點能耗，加速節點“消亡”。因此協調器的能量供給采用高儲能的鉛酸電池與太陽能板混合供電以維持mesh網絡。因終端設備采用拋棄型布設，為防止尖峰脈沖干擾導致程序“跑飛”現象[15]，故使用msp430自帶的看門狗模塊，保障終端設備的正常運行。Mesh模塊的工作機制設定為間歇性地進入休眠狀態與載波偵聽狀態，如圖6所示，實現能量節約以及報警的快速反應。

4信號處理與分析

當發生山火時，由沿電力線布置的終端探測設備探測到煙霧信號或溫度上升。其中DS18B20溫度信號是數字信號，可直接采集得到，TS105-4輸出為模擬電壓信號，可由msp430內部ADC轉換得到實際溫度。如圖7所示，煙霧報警信號則通過檢測煙霧檢測腔內的紅外光束強度得到，當煙霧進入檢測腔后，紅外光束信號逐漸減弱則觸發后級報警器。為節省終端設備能量消耗，僅在采樣時控制使檢測電路進入工作狀態。紅外接收元件采用硅光敏二極管，運算放大器采用TLV2780。TLV2780主要功能是對光脈沖信號進行線性放大，使其能由msp430內的ADC轉換。考慮到探測器全天候的實際工作條件，在實際應用中可根據傳感器提供的環境信息或多種信息綜合，及時、準確地提供火情信息。當終端探測設備探測到溫度數據超過設定閾值時，或檢測到煙霧產生，則發出火災預警信號。

5火災信息處理平臺應用

如圖8所示為基于JAVA語言開發的B/S架構的上位機平臺。其中線條代表線路，標點為桿塔坐標。通過結合GIS地圖與實時溫度數據的標注，可以直觀準確監測現場環境情況。當發生火情時，報警位置地圖標注閃動，發出警報音并立即發送短信。此外，還有數據庫查詢、日志中心、管理中心等多種應用服務，為火災數據進行有效管理。6小結利用無線mesh網絡建立的輸電線路山火預警監視系統，實現了輸電線路周圍山火的預警與可靠監視，并在系統的健壯性與靈活性上更具優勢。基于L-MPRP路由算法的長鏈mesh網絡，在仿真驗證下能較好地延長終端設備的生命周期，修復失效路由鏈路。根據山火的行為特性，選取多種傳感量，降低了誤報概率。在軟件設計中，考慮多種設備耗能情況，并引入休眠機制，極大延長終端的續航能力。在工程應用中，采用低成本的拋棄型終端探測設備更能滿足實際布點密度需要，同時減少后期維護的工作量。所研制的輸電線路山火預警監視系統已掛網運行于福建電網福中I路500kV線路26-35桿塔沿線，該系統運行狀況良好，能準確探測和傳輸火災信息，為保障輸電線路安全運行提供了一種有效的山火預警輔助技術手段。

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作者：林銘瀚 胡永洪 薛毓強 凌飛鴻 單位：福州大學電氣工程與自動化學院 國網福建省電力有限公司