基于LoRa和GPRS的山...电线路监测信号无线传输方案_刘宇.pdf

基于LoRa和GPRS的山区输电线路监测信号无线传输方案刘宇1，胡上茂2，刘刚2，胡泰山2，廖民传2（1.广州供电局有限责任公司，广州510630；2.南方电网科学研究院有限责任公司，广州510000）摘要：文中针对偏远山区输电线路状态监测系统巡检与维修难度较大的现状，提出一种基于LoRa的山区输电线路在线监测方案。根据LoRa无线传输的特性以及山区监测环境，设计了基于GPRS和LoRa的山区输电线路传输架构。利用多目标优化算法优化山区输电线路线型拓扑结构中的LoRa传输分组并平衡传输模块的通信延时与传输能耗。仿真实验结果表明，监测系统数据传输成功率最高可达99%。与国内外现有输电线路状态监测系统相比，所提方案具有高可靠性传输、低成本以及长期监测的优点，适用于山区输电线路监测信号。关键词：山区输电线路；在线监测；LoRa动态分组；多目标优化算法Wireless Transmission Scheme of Transmission Line Monitoring Signals in MountainousArea Based on LoRa and GPRSLIU Yu1，HU Shangmao2，LIU Gang2，HU Taishan2，LIAO Minchuan2（1.China Southern Power Grid Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510630，China；2.Guangzhou Power Supply Bureau Co.，Ltd.，Guangzhou 510000，China）Abstract:In view of the difficult patrol inspection and maintenance of condition monitoring system of transmissionline in remote mountainous areas，a kind of online monitoring scheme for transmission lines in mountainous areasbased on LoRa is proposed in this paper.According to the characteristics of LoRa wireless transmission and monitoring environment in the mountainous area，the transmission architecture of mountainous transmission line based onGPRS and LoRa is designed.The multiobjective optimization algorithm is used to optimize the LoRa transmissiongroup in the linear topology of mountainous transmission lines and balance the communication delay and transmission energy consumption of transmission module.The simulation experimental results show that the data transmission success rate of the monitoring system is up to 99%.The proposed proposal，compared with the existing monitoring system of transmission line both at home and abroad，has such advantages as high reliability transmission，lowcost and longterm monitoring，and is suitable for transmission line monitoring signals in mountainous areas.Key words:transmission line in mountainous area；online monitoring；LoRa dynamic grouping；multiobjectiveoptimization algorithm0引言电网是国民经济重要的基础设施，输电线路是电网的重要的组成部分1，电网输电的可靠性在很大程度上取决于输电线路工作状态的可靠性。在建立高效电力物联网的过程中相比于人口密集的城市地区，偏远山区因地理位置特殊，监测及运维难度大，提供精准的输电线路及其周边地质稳定情况监测数据尤为重要，对监测与运维方案的成本控制起着决定性作用。传统输电线路检测采用人工巡检方式，这种方式不仅费时费力，而且准确性较低。文2-4提出使用机器人与无人机方式自动巡检线路，相比于人工巡检方式具有成本低、速度快等优点，但无法对输第59卷第2期：017701832023年2月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.2：01770183Feb.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.02.024_收稿日期：20220913；修回日期：20221117基金项目：南方电网公司科技项目(ZBKJXM20190058)；国家自然科学基金资助项目(51767006)。Project Supported by Science and Technology Project of China Southern Power Grid(ZBKJXM20190058)，National NaturalScience Foundation of China(51767006)。技术讨论2023年2月第59卷第2期电线路状态进行实时监测且在山区环境下难以正常工作。输电线路在线监测系统的出现弥补了输电线路状态监测实时性的不足，通常分为有线监测与无线监测。有线通信技术虽然具有容量大、速率快等优点5-6，然而在山区环境下昂贵的前期安装和后期维护成本限制了其进一步发展。无线传输技术拥有传输距离远、网络建设成本低等优点，文7提出基于移动蜂窝网络的输电线路在线监测技术，该技术具有无线传输范围广、速率高、容量大等优点8，然而移动蜂窝网络的通信成本昂贵，且该网络无法覆盖整条输电线路，在部分环境恶劣的偏远山区几乎无法传输数据。无线传感器网络(wirelesssensor network，WSN)作为一种全新的信息获取和处理技术，凭借其部署简单、布置密集、低成本、通信免费和无需现场维护等优点，自其出现便迅速取代常用的状态监测方法。在输电线路状态监测领域，国内外也开展了大量基于WSN技术的导线舞动9、覆冰预警10、杆塔倾斜11等在线监测技术研究，然而WSN技术的传输距离短，模块寿命低，难以适用于山区输电线路长期监测。低功耗广域网(low power wide area network，LPWAN)是一种新兴的物联网通信技术，是移动蜂窝技术与WSN的互补。与WSN相比，LPWAN技术的工作寿命更长(可达10年)，通信距离更大(可达10 km)12，因此被认为是5G物联网时代的主流通信技术13。窄带物联网(NB-IoT)和远程无线电(LoRa)是LPWAN的两种典型技术。NB-IoT建立在蜂窝网络上，在授权频谱中工作14；LoRa工作在未授权频谱中，可构建自组通信网络15。文16提出了一种基于LoRa的海上监测系统，实现了最大传输距离为8.33 km的高可靠传输。虽然NB-IoT可以提供更高的服务质量17，但由于蜂窝移动网络存在通信盲区的问题，LoRa比NBIoT更适合在山区输电线路监测系统。文18提出了一种蜂窝移动网络和LoRa相结合的信息监控方法，不仅提高了传输距离，而且降低了监控系统的运行成本，但是其通信架构依赖移动蜂窝网络，不适用于山区监测环境。相比于平原输电线路监测方案，山区输电线路监测方案在方案选择、测量精度、日常监测运行维护、实施等方面存在较大差异19。单一的通信方式与工作模式难以满足山区输电线路在线监测系统的要求20。文中提出了一种基于LoRa的山区输电线路在线监测方案。针对不同的故障率，提出了山区输电线路的3个监测状态。根据系统能耗和时延要求，设计了基于LoRa和GPRS混合网络的山区输电线路在线监测架构。通过采用多目标优化算法对系统的能耗和时延进行优化，得到适合于山区监测的工作模式，通过工作模式之间的转换不仅加强了数据传输的稳定性，而且能有效降低系统能耗以延长系统使用寿命，实现长期稳定监测。1监测系统方案设计根据对山区输电线路故障率的分析21-22，文中定义了3种山区输电线路监测状态：低风险状态、高风险状态和故障维修状态。输电线路在线监测系统故障发生率低时，系统进入低风险状态；故障发生率高时进入高风险状态；当输电线路已确认发生故障，正在等待定位检修时为故障维修状态。显然，3种监测状态对通信质量的要求不同，单一工作模式的监测系统无法解决系统的数据传输问题。文中提出了一种山区输电线路在线监测系统并根据山区监测环境建立了监控系统的时延模型、能量模型和路径损耗模型见图1。通过多目标优化算法可以得到平衡时延和能量的最优解。将基于路径损耗模型建立的LoRa传输模型与优化算法的最优解相结合，得到LoRa动态分组模型。最后，将不同监测状态的通信需求输入到LoRa动态分组模型中可得到适用于各个监测状态的组网方式。图1系统方案设计流程Fig.1System scheme design process文中根据山区环境使用了1种3层混合网络搭建山区输电线路在线监测架构。第1层网络传输主要采用LoRa作为低成本，低速率链路的无线传感器网络，利用GPRS组成第2层中价位高但数据速率高的数据传输网络；第3层利用现有的SCADA链路在变电站和监控中心之间进行通信，并利用GPRS网络将数据从某些传输塔直接传输到控制中心。输电线路监测网络架构见图2，该网络架构由监控中心、变电站与输电杆塔组成，监测网络中LoRa主要负责汇聚数据，将输电杆塔的传感器信息传输至汇聚节点；GPRS主要负责传输汇聚数据，减缓汇聚节点在后续传输中的数据累积，使用高服务质量的网络传输以降低系统的延时；监控中心汇总的输电杆塔信息主要由变电站和GPRS获得，监控中心拥有庞大的计算资源，能够高效处理和分析数 178据并下发控制指令，最终将数据与分析结果呈现给用户。图2山区输电线路监测网络架构Fig.2Monitoring network structure of transmissionline in mountainous area2模型建立2.1路径损耗模型OkumuraHata模型主要以准平坦地形大城市地区的场强中值路径损耗作为基准，对不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正，适用于工作频率在1501 500 MHz范围内，传播距离在120 km，发射器天线高度范围在30200 m的无线信号路径损耗的计算。当前，国家电网输电线路中输电杆塔塔高为1040 m，各杆塔之间距离在0.51.5 km，LoRa 的无线传输距离为 28 km。因此，OkumuraHata模型适用于计算LoRa在输电线路上的路径损耗。OkumuraHata模型的路径损耗公式为Lb=69.55+26.16lgf-13.82lghb-(hm)+(44.9-6.55lghb)lgd+Ccell(1)式(1)中：f为无限信号的工作频率；hb与hm分别是发射器天线与接收器天线的高度；d表示发射器天线与接收器天线之间的水平距离；(hm)为天线修正因子，其主要与工作频率以及收发距离等因素有关，具体关系为(hm)=(1.1lgf-0.7)hm