CN105530689A - 基于无线网络覆盖的输电线路系统中的动态电源管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无线网络覆盖的输电线路系统中的状态监测设备的动态电源管理方法。该方法是令无线中心站和无线中继设备的状态监测设备令状态监测设备处于工作休眠和唤醒三种状态，采取周期性地触发自身处于睡眠状态的供电系统的方式监测数据；并对无线WiFi接入人为的设置无线路由器的开关，只有当负责人来到这片区域时，才打开负责该区域，除此之外路由器处于关闭状态。该方案在不影响系统工作效率的情况下，保证耗电量最小，保证通信网络的稳定性和可靠性，提高了能源的使用效率。计算结果显示该方案可降低系统总耗电量至少一半，还可使通信设备维持更长时间的状态监测数据传输，降低了设备维护成本。

Description

基于无线网络覆盖的输电线路系统中的动态电源管理方法

技术领域：

本发明公开一种基于无线网络覆盖的输电线路系统中的动态电源管理方法，可以保无线网络覆盖的输电线路系统在正常工作的前提下，节省能耗，提高能源使用效率。

背景技术：

随着智能电网概念的提出、发展，以及电网运营管理工作不断深入的向科技化、综合化、自动化、智能化发展，输电线路的维管工作内容变得越来越多，科技含量也越来越高，直升机巡线、杆塔倾斜在线监测、微气象监控、绝缘子在线监测、覆冰监控、铁塔防外力破坏监测、应急抢修信息化等一系列的系统和设备逐步得到了应用和扩充。但是，当前各级电网和电线路杆塔，其状态监测装置大多位于人迹罕至的荒郊野外，数据通信网络的不畅通在一定程度上限制了各种在线监测系统的更进一步发展和推广应用，从而也影响到了电力部门的工作效率和工作效果。基于此，用无线网络覆盖输电线路，建设一种投资性价比高、接入内容多样、数据安全性高、用途广泛的输电线路监测系统，已经成为目前极为重要和紧迫的一项工作内容。

输电线路沿线的通信设备需要及时响应来自监测中心的数据，并完成数据传输，因此需要设备长时间工作。因此监测设备对功耗的要求很好。而输电线路监测设备的取能无非是太阳能、风力发电、耦合取电的其中一种或者几种的组合，但无论采用哪种模式，能源的有限性都是一个无法忽视的问题。因此，本发明设计了一种系统级的动态电源管理，在无线网络覆盖的输电线路系统中总体控制电网各个模块的开关，有限的能源下保证系统长时间供电和功耗需求，满足持续稳定可靠地无线网络通信。为了解决上述问题，本发明提出一种基于无线网络覆盖的输电线路系统中的动态电源管理方法。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于无线网络覆盖的输电线路系统中的状态监测设备的动态电源管理方法。该方法考虑到输电线路状态监测设备在正常情况下周期性发送状态监测数据这一事实，因此可以周期性的使状态监测设备在唤醒、工作和休眠三种状态切换，以节省电耗。

无线网络覆盖的输电线路基于光纤网络作为信号辐射源展开网络部署，无线中心站设备通过与光纤收发器的融合并实现基于OFDM调制的5.8G网络信号的无线发射。根据线路长距离分布情况，通过WiMax增加无线中继设备进行无线信号的放大和增强，保证信号的长距传输。每级铁塔配备无线接入路由设备，进行无线WiFi信号的覆盖。状态监测系统位于无线中心站、无线中继站和各级铁塔上，实时监测线路状态。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

提出一种基于无线网络覆盖的输电线路系统中的动态电源管理方法，使输电线路监测设备的能耗降低。由于无线中心站和无线中继设备的状态监测设备需要周期性的向监控中心发送监控数据，因此令状态监测设备处于工作休眠和唤醒三种状态，采取周期性地触发自身处于睡眠状态的供电系统的方式，监测并向监控中心通过WiMax报告状态监测数据，之后再次休眠。这是主动唤醒的工作模式；当监控中心需要实时视频监测下级状态，则向监测设备发送唤醒指令，该指令可以随时唤醒处于休眠中的设备。

各级铁塔一般位于人烟稀少的偏远地区，塔上的无线路由设备的作用是为区域负责人提供全覆盖的无线WiFi接入，便于其进行塔杆状态监测。一般一个负责人负责多个塔的状态监测，因此，只有当负责人来到这片区域时，再打开负责该区域无线信号的路由器。除此之外，路由器应关闭，其状态监测设备处于休眠状态，以便接收工作人员的唤醒指令。这是被动唤醒的工作模式。

表1输电线路系统各模块的全部工作状态

表1所述是采用动态电源管理方案后无线网络覆盖的输电线路系统中各个模块的所有工作状态。从表中可看出，无线中心站和无线中继站为了覆盖无线WiMax信号，应始终处于工作状态，其上安装的监测设备周期性在工作、休眠、唤醒三个状态之间转换。无线路由器上的监测设备的工作状态与中继站监测设备相同，不同之处在于，在工作状态接收到的数据，前者通过WiFi信号以短信形式发向负责人的手持设备中，，而后者通过WiMax网络发给监控中心。无线路由器则长期处于关闭状态，当无线路由器接收到负责人的唤醒指令后，再开启路由器设备。

根据上面分析，假设安装于不同位置(中心站、中继站和路由器)的状态监测设备的周期划分相同(可以设工作周期T为4min工作、唤醒时间T_w为1min、休眠时间T_s为10min)。设备的最大功耗表示为P_max，则其当前的功耗表示成δ*P_max，其中δ∈[0，1]，0表示当前无功率消耗，处于关闭状态，1表示当前部件处于性能最佳的最大功率工作状态，0＜δ＜1表示器件处于节能模式，趋近于0时表明δ处于休眠模式。处于休眠模式的设备进入工作模式需要先经历唤醒阶段。在一个运行周期内，状态监测设备的总功耗P_Monitor又可细分为系统唤醒阶段功耗P_wakeup、工作阶段的功耗P_work和休眠阶段的功耗P_sleep。因此，每个状态监测设备的总功耗可表示为：

P_Monitor＝P_wakeup+P_work+P_sleep

＝δ_wakeup*P_{Monitor_max}+δ_work*P_{Monitor_max}+δ_sleep*P_{Monitor_max}

假设一个无线网络覆盖的输电线路系统包括一个监控中心、一个无线中心站和k个无线中继站，每个无线中继站包含m个无线路由器，共有t个手持设备。因此该系统中有(1+k+k*m)个状态监测设备。由于监控中心长期有人值守，手持设备由巡检人员负责，不使用使就关闭，因此不考虑这两项的功耗。因此输电线路系统的中间三级在一个运行周期的功耗可表示为：

P＝P_Center+k*P_Relay+(m*k)*P_Router+(1+k+k*m)*P_Monitor

无线接入路由设备处于工作状态的功耗为P_{Router_max}，关闭状态的功耗为0。当此时有t个手持设备分别独立接入位于不同覆盖范围的WiFi网络时，需打开t个路由设备，此时路由设备的功耗(m*k)*P_Router＝t*P_{Router_max}。

本发明的有益效果是：

本发明涉及基于无线网络覆盖的输电线路系统中的动态电源管理方法，使系统中各个部件的工作状态动态变化。在不影响系统工作效率的情况下，保证耗电量最小，保证通信网络的稳定性和可靠性，提高了能源的使用效率。该方案应用于监测设备周期性上传监测数据，且对实时性要求不高的无线通信系统中，可降低系统总耗电量至少一半，还可使通信设备维持更长时间的状态监测数据传输，降低了设备维护成本。

附图说明：

下面结合附图和实施方案对本发明进一步说明。

图1是本发明提出的无线网络覆盖的输电线路系统架构。

图2是本发明中使用的状态监测设备的结构框图。

图3是本发明使用的状态监测设备的状态转移图。

图4是本发明提出的输电线路系统的网络连接图。

具体实施方式：

以下结合具体实例，对本发明进行详细说明。

图1是本发明提出的无线网络覆盖的输电线路系统架构。无线中心站设备通过与光纤收发器的融合并实现基于OFDM的5.8G网络信号的无线发射。根据线路长距离分布情况，通过WiMax增加无线中继设备进行无线信号的放大和增强，保证信号的长距传输，监控中心与无线中心站和中继站连接。无线中继站与多个无线接入路由设备连接，进行无线WiFi信号的覆盖。手持设备与无线接入路由设备连接，获取WiFi信号与状态监测数据。

图2本系统中使用的状态监测设备的结构框图，该装置由传感器模块(1)、电源唤醒模块(2)、多模通信模块(3)和供电单元(4)组成。传感器模块(1)包括气象传感器模块(5)、图像传感器模块(6)、倾角传感器模块(7)、气象传感器模块(8)以及温湿度传感器模块(9)，这些模块负责对设备自身的导线温度、塔杆倾斜程度等进行分析，也能对外界环境如风速、温湿度等进行分析并预警。传感器定期监测数据，并将其发送至电源唤醒模块(2)。电源唤醒模块(2)由定时器(10)、外部唤醒接口(11)和传感数据统计单元(12)组成。该模块接收来自传感器模块定时发送的传感数据，在传感数据统计单元(10)对数据进行统计和分析，通过多模通信模块(3)发送预警信息。多模通信模块包括5.8G通信模块(13)、WiFi模块(14)、WiMax模块(15)、光通信模块(16)。电源唤醒模块(2)同时通过外部唤醒接口(11)接收来自工作人员的短信唤醒以及来自监控中心的唤醒指令。

图3是本系统中使用的状态监测设备工作时序图。状态监测设备从关闭状态进入唤醒状态，再到工作状态和休眠状态。之后一直在唤醒、工作和休眠状态之间转换。

图4本发明提出的输电线路系统的网络连接图。监控中心与无线中心站和无线中继站之间建立无线WiMax连接，无线中继站与无线接入路由设备、无线路由设备与手持设备之间通过WiFi连接。

实施效果

为了验证本发明提出的输电线路系统中的动态电源管理方法的有效性，假设状态监测设备采用太阳能蓄电池，电池容量100Ah，电压10V。设状态监测设备的最大功耗P_{Monitor_max}＝10W，给出状态监测设备的在一个运行周期(15min)的两种时序设计方案和不同状态下的功耗占最大功耗的比例如表2所示。

表2状态监测设备的时序和功耗设计方案

	休眠时长(s)	唤醒时长(s)	工作时长(s)
				方案1	600	60	240
方案2	720	30	150
				δ	0.05	0.7	1

分别将表2的方案与无休眠模式比较，结果如表3所示。

表3基于动态电源管理的状态监测设备时序方案的性能比较

	平均功耗/W	工作时长/h	平均节省功耗/％
				无休眠模式	10	100	0
方案1	3.47	288.18	65.3％
				方案2	2.3	434.78	77％

假设系统有5个无线中继站和20个无线接入路由，其中3个路由设备在该一个运行周期开启，则中心站(P_{Center_max}＝40W)及中心站监测设备、各个中继站(P_{Relay_max}＝20W)与其监测设备、所有路由设备(P_{Router_max}＝12W)与其监测设备在上述三种方案下的电耗以及整个输电线路系统的总功耗和平均节省功耗如表4所示。

表4系统级功耗比较

从表3可知，状态监测设备采用方案一或方案二都可以使功耗节省60％以上，采用无休眠方案的状态监测设备在不充电情况下只能待机4天，而采用方案二可使设备一次性待机18天。表4所示的输电线路系统加入动态电源管理方案后，系统的总功耗可降低到不采用动态电源管理方案的一半多，方案二使整个系统平的功耗节省63.2％；各级子系统的耗电量均得到减少，设备的有效运行时间得到提高。因此，在无线网络覆盖的输电线路状态监测系统的搭建实施中，采用本发明提供的动态电源管理方法，并将方案二中设计的时序应用于系统的状态监测设备中，不仅可以降低系统总耗电量，还使通信设备维持更长的工作时间，降低了设备维护成本。

Claims (2)

1.一种基于无线网络覆盖的输电线路系统中的动态电源管理方法，该方法是基于无线中心站和无线中继设备的状态监测设备需要周期性的向监控中心发送监控数据这一事实，因此令状态监测设备处于工作休眠和唤醒三种状态，采取周期性地触发自身处于睡眠状态的供电系统的方式，监测并向监控中心通过WiMax报告状态监测数据；又考虑到各级铁塔一般位于人烟稀少的偏远地区，塔上的无线路由设备的作用是为区域负责人提供全覆盖的无线WiFi接入，便于其进行塔杆状态监测。一般一个负责人负责多个塔的状态监测，因此，只有当负责人来到这片区域时，再打开负责该区域无线信号的路由器。除此之外，路由器应关闭，其状态监测设备处于休眠状态，以便接收工作人员的唤醒指令。

2.根据权利要求1所述基于一种无线网络覆盖的输电线路系统中的动态电源管理方法，其特征在于，在不影响系统工作效率的情况下，保证耗电量最小，保证通信网络的稳定性和可靠性，提高了能源的使用效率。该方案应用于监测设备周期性上传监测数据，且对实时性要求不高的无线通信系统中，可降低系统总耗电量至少一半，还可使通信设备维持更长时间的状态监测数据传输，降低了设备维护成本。