大规模输电线路状态监测传感...的周期性低功耗通信技术方案_占亚波.pdf

研究与开发 大规模输电线路状态监测传感器网络的 周期性低功耗通信技术方案 占亚波，涂潜，李俊，宗震（国网安徽省电力有限公司建设分公司，安徽 合肥 230071）摘 要：为了实现输电线路监测的功耗低、寿命长、绿色发展的目的，提出大规模输电线路状态监测传感器网络周期性低功耗通信技术方案。依据网络中传感器网络组网特征以及节点运行状态转换特点，设置睡眠定时器，以周期性运行方式使传感器网络通信节点在初始化、睡眠、激活状态间转换，通信节点在输电线路状态监测数据无传递需求时进入睡眠状态，节省通信功耗；传感器网络汇聚（sink）节点利用梯度创建上行路由，通过源路由的方式创建下行路由，以跳数和剩余能量为依据进行上、下行路由数据分组传递，降低节点功耗，延长通信运行时间。实验显示，大规模输电线路状态监测传感器网络应用该技术方案后，通信功耗明显降低，运行时间明显延长，且不会影响监测传感器网络的数据传输性能，延长了监测传感器网络的使用寿命。关键词：状态监测传感器网络；低功耗通信；传感器网络节点；路由节点；周期性睡眠；数据分组 中图分类号：TP393 文献标志码：A doi:10.11959/j.issn.1000-0801.2023022 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 Abstract: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 net-works in large-scale transmission line condition monitoring networks and the characteristics of node operation condi-tion conversion,sleep timers were set to make the communication nodes of sensor networks switch between initiali-zation,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,收稿日期：2022-07-12；修回日期：2023-01-20 研究与开发 84 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.Key words:condition-monitoring sensing network,low-power communication,sensor network node,routing node,periodic sleep,data packet 0 引言 2021 年7 月，国家电网有限公司印发关于全面推进输变电工程绿色建造的指导意见（2021 年367号文）以及 输变电工程绿色建造指引（1.0版），明确推动输变电工程绿色建造是立足新发展阶段和实现输变电工程高质量建设的内在要求1，其中大规模输电线路状态监测传感器网络可有效监测输变电工程绿色建造质量，便于掌控输电线路的实际情况，助力变电工程绿色发展。由于监测传感器网络的低功耗通信性能是衡量网络实际应用效果的关键因素，许多研究者针对输电线路的低功耗通信问题进行了研究。例如，常铁原等2通过设计成簇算法实现无线传感器网络的低功耗通信，可通过簇头节点的合理选取，均衡网络整体通信功耗。该方法虽然能够均衡功耗，但簇头节点选取不合理会增加网络信息传输时延，影响传输效果，通信网络的使用寿命较短。张安安等3研究了监测技术，利用中继节点传输时延模型，对网络时延性能进行分析，虽然通信效果好，但没有解决功耗问题，通信功耗较大。陈锦铭等4利用远距离无线电（long range radio，LoRa）技术实现了低功耗广域网通信，应用 LoRa扩频传输技术构建低功耗传感器网络，网关支持多个终端，采集传感信息。该方法的网络通信覆盖范围较广，但功耗降低效果不理想，运行时间较短。为了降低输电线路监测传感器网络通信的功耗、延长监测传感器网络通信运行时间，本文设计了大规模输电线路状态监测传感器网络周期性低功耗通信技术方案，通过传感器网络的路由低功耗地建立与传输，在满足通信需求的基础上，降低功耗。1 大规模输电线路监测传感器网络结构 1.1 网络构架 大规模输电线路状态监测传感器网络利用智能电子设备（intelligent electronic device，IED）进行数据及命令传递，输电线路状态监测传感器网络的具体构架，网络总体架构如图 1 所示。图 1 网络总体架构 根据图 1 可知，过程层利用传感器网络对输电线路状态信息进行终端采集，由于大规模输电线路状态的信息种类较多，涉及通信的范围较广，对通信实时性等要求不是特别严格；间隔层位于中间，是过程层与站控层相互通信的桥梁，将过程层采集的输电线路状态监测数据实时汇报给站控层，其中交换机部署结构如图 2 所示。站控层作为控制中心，对输电线路状态信息进行统一管理。图 2 交换机部署结构 85 电信科学 2023 年第 2 期 1.2 传感器网络特征及节点状态转换 大规模输电线路一般为超高压主网输电线路，分布类似带状。为了对线路状态进行监测，需要在大规模输电线路上布置数量较多的传感器节点，建立传感器网络，完成通信任务5。采用基于 ZigBee 的通信技术建立的传感器网络可以自动组网，将输电线路状态监测数据迅速地传至汇聚节点，最终将输电线路状态监测数据传回远端控制中心。大规模输电线路和电力杆塔需要建造在人烟稀少的地方，此时塔基与塔基之间最有利于传感器网络数据传输。大规模输电线路状态监测传感器网络利用传感器网络对输电线路状态实时监测，获取状态监测数据，为电力输电线路的安全运行提供保障6-7。多数节点安装在杆塔周围，造成传感器网络出现局部密集状态，而传感器节点功能有限，不能持续进行通信，因此在大规模输电线路的三相线上，需要设立一些特殊的传感器节点，作为中继节点，利用多跳传输达到低功耗通信的目的8。在传感器网络中，全部通信节点具有 3 种运行状态，分别为初始化（initialization，INI）、睡眠（sleep，SLP）、激活（activation，ACT），运行转换状态，传感器节点运行状态转换示意图如图 3所示。图 3 传感器节点运行状态转换示意图 根据图 3 所示，节点可以根据需要在 3 种状态下互相转换，当节点处于 INI 状态时，可以完成传感器网络的注册、路由等初始化设置项目；如果通信装置的数据端口处于关闭状态，仅维持传感器网络装置低功耗通信，此刻即 SLP 状态；当各个通信端口恢复数据的收发时，节点处于ACT 状态。这 3 种状态相互转换，可以达到大规模输电线路状态监测传感器网络实现低功耗通信的目的9。2 周期性低功耗通信方案 针对基于 ZigBee 的无线传感通信技术设计低功耗通信方案。采用传感器网络节点状态转换的方式，利用睡眠状态达到低功耗的目的10。如果没有输电线路状态监测数据需要传递，整个监测传感器网络的通信装置进入睡眠状态；如果有输电线路状态监测数据需要进行传递，通信装置进入激活状态。利用大规模输电线路传感器网络的周期性能，实现大规模输电线路状态监测传感器网络低功耗通信的目的11。2.1 路由节点睡眠方案 K表示传感器网络同步睡眠周期，H表示监测数据传输的运行时间，R表示睡眠时间，n表示路由的级数。通过协调器节点建立网络来保护路由；汇聚节点可以将输电线路状态监测数据进行汇集和传递；终端节点主要用于输电线路状态数据的收集。协调器节点是 0 级路由，该节点没有睡眠状态。如果第n级路由节点是终端节点，那么终端节点运行时间为nH，睡眠时间为nR，传感器网络同步睡眠周期计算方法，如式（1）所示：nnKHR=+（1）终端节点的父节点是第1n-级路由节点，睡眠时间1nR-和运行时间1nH-的计算方法见式（2）研究与开发 86 和式（3）：1randomnnRRK-=-（2）11nnHKR-=-（3）其中，randomK表示随机延长的时间。根据式（2）式（3），推断第 1 级节点睡眠时间1R和运行时间1H如式（4）和式（5）：12randomRRK=-（4）11HKR=-（5）当睡眠定时装置的睡眠时间结束时，由于1R是最短的，所以率先被叫醒，叫醒后的节点需要与簇头节点进行时间同步运行，之后会随机延长时间randomK，直到第 2 级路由节点被同步叫醒，以此类推，直到终端节点被叫醒，在每一个节点被叫醒的同时，与之对应的父节点的数据会同步运行，当所有节点都实现同步后，睡眠状态彻底结束，进入运行时间。当终端节点开启运行模式时，先判断大规模输电线路状态监测传感器网络是否有输电线路状态数据采集的需求，若没有需求，当异步睡眠定时器开始工作时，终端节点将根据定时器设置的时间，被异步睡眠叫醒。然后继续对网络的需求进行判断，若有需求，就开始进入运行模式；若没有需求，则