CN112291736A - 一种野外无人区链路无线组网通讯系统 - Google Patents

一种野外无人区链路无线组网通讯系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种野外无人区链路无线组网通讯系统，属于输电线路巡检技术领域。该系统包括：后端服务器、中间控制器和前端设备，中间控制器接收前端设备数据，转发给后端服务器；同时接收后端服务指令，解析相关内容，发送到对应的前端设备；后端服务器控制N个中间控制器，后端服务器与中间控制器通过宽带进行通信；每个中间控制器下辖N个前端设备，每个前端设备控制2个摄像头，N个前端设备之间以及前端设备和中间控制器之间均通过骨干通信网络进行通信。本发明提供的野外无人区链路无线组网通讯系统采用双层异构通信网络架构，由窄带宽本地通信网络层和高带宽骨干通信网络层构成。

Description

一种野外无人区链路无线组网通讯系统
技术领域
本发明涉及输电线路巡检技术领域，尤其是一种野外无人区链路无线组网通讯系统。
背景技术
输电线路是国家电网/南方电网/其他地方电网的核心业务，一个省网公司往往负责3-5万公里野外输电线路的运行和维护，不同线路等级运维要求和标准不一样。在运维过程中，都需要占用大量的人力物力，且普遍采用人工巡视模式，不利于信息汇聚和时效性。有些虽然采用了在线监测等信息化系统来辅助线路运维，但各在线监测信息化系统往往只能解决某一个方面的问题，比如微气象、通道可视化等，各信息化系统一般分属不同厂家建设，相互之间信息共享困难。同时，供电企业人手有限，加上野外输电线路一般环境恶劣，给巡线工作带来较大困难，有些线路端很难甚至无法抵近巡视。在恶劣野外环境中，比如：高山，荒漠等条件下没有公网可用，给野外巡视造成了很大的麻烦。
我国幅员辽阔，地形和气候条件复杂，地理环境差异很大，有着山水秀丽的山川河谷，也有着林木惊奇的森林，有着人口聚集的大城市，自然也有荒芜恶劣的地区。其中高寒、高海拔等环境恶劣的地区常处在我国通信盲区，随着近年来我国电网在特高压新基建方向的发展，输电距离越来越长，许多特高压、超高压线路杆塔及设备部署于无人区或人烟稀少地区。无人区的通信壁垒对输电的安全传输及维护造成了巨大影响；除此之外，偏远地区的林业、水务等各个行业中也都存在着大面积的无人区，地震、洪水、泥石流、森林火灾等大型自然灾害时有发生，通信基础设施建设还未能全面覆盖，信息的互联互通还存在着壁垒。正是由于通信盲区的存在使得灾害监测、应急抢险的时效性不足，进而导致较大的人员和财产损失。
本技术方案主要实现野外无人区的无线组网,实现恶劣条件下输电线路的智能化在线监测，帮助供电企业维护输电线路。确保恶劣条件下稳定可靠工作，减少后期维护，其中恶劣条件指：野外、高海拔、无人区、低温冰雪环境。确保性能前提下，实现控制中心远程可维护。
为响应国家“互联网+”战略号召，提高运检效率效益，保障电网设备安全运行，解决“信息孤岛”现象，以物联网、大数据、AI等现代信息技术为支撑，搭建稳定可靠的通讯桥梁，实现输电线路实时在线监测及智慧应用是解决痛点的关键。但当前远程信息传输高度依赖工业互联网覆盖的深度和广度，三州地区输电走廊网络“通讯盲区”较多，如何实现经济可行的实时传输通信技术是急需攻克的难题。
发明内容
本发明专利提出了一种野外无人区链路无线组网通讯系统，以期解决背景技术中的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种野外无人区链路无线组网通讯系统，包括：后端服务器、中间控制器和前端设备，中间控制器接收前端设备数据，转发给后端服务器；同时接收后端服务指令，解析相关内容，发送到对应的前端设备；后端服务器控制N个中间控制器，后端服务器与中间控制器通过宽带进行通信；每个中间控制器下辖N个前端设备，每个前端设备控制2个摄像头，N个前端设备之间以及前端设备和中间控制器之间均通过骨干通信网络进行通信。
进一步的，所述前端设备包括电源模块、无线网桥、无线接入模块、集成数据控制器，所述电源模块分别与无线网桥、无线接入模块、集成数据控制器连接，无线接入模块接收前端设备外部各个传感器数据，将接收的数据上传到集成数据控制器，无线网桥为骨干通信网络的基础单元，各个无线网桥组成骨干通信网络，将上传到集成数据控制器的数据在相邻的前端设备的集成数据控制器之间进行传输。
进一步的，所述无线接入模块接收前端设备外部各个传感器数据以及将接收的数据上传到集成数据控制器均是通过低功耗的Zigbee/LoRa无线网络实现。
进一步的，每个前端设备均安装在输电线路的铁塔上，其中相邻的无线网桥安装方式是背靠背方式安装，天线方向分别对输电线路的大号侧和小号侧。
进一步的，相邻的无线网桥之间的距离不大于3公里。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
本发明提供的野外无人区链路无线组网通讯系统采用双层异构通信网络架构，由窄带宽本地通信网络层和高带宽骨干通信网络层构成。本地通信网络层采用低功耗的Zigbee/LoRa无线网络，支持各类传感器数据的接入。骨干通信网络层由塔间高性能高带宽微波通信网桥系统组成，实现高清视频等多媒体数据的远程中继。
附图说明
图1是本发明的一种野外无人区链路无线组网通讯系统的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1:
如图1所示，一种野外无人区链路无线组网通讯系统，包括：后端服务器、中间控制器(ITC)和前端设备(IDC)，中间控制器接收前端设备数据，转发给后端服务器；同时接收后端服务指令，解析相关内容，发送到对应的前端设备；后端服务器控制N个中间控制器，后端服务器与中间控制器通过宽带进行通信；每个中间控制器下辖N个前端设备，每个前端设备控制2个摄像头，N个前端设备之间以及前端设备和中间控制器之间均通过骨干通信网络进行通信。
在本实施例中，所述前端设备包括电源模块、无线网桥、无线接入模块、集成数据控制器，所述电源模块分别与无线网桥、无线接入模块、集成数据控制器连接，无线接入模块接收前端设备外部各个传感器数据，将接收的数据上传到集成数据控制器，无线网桥为骨干通信网络的基础单元，各个无线网桥组成骨干通信网络，将上传到集成数据控制器的数据在相邻的前端设备的集成数据控制器之间进行传输。
所述无线接入模块接收前端设备外部各个传感器数据以及将接收的数据上传到集成数据控制器均是通过低功耗的Zigbee/LoRa无线网络实现。
电源模块为整个设备提供总电源，感应取电、太阳能等电源为电池充电，并为其他模块提供电源输入。
集成数据控制器是整个前端设备的核心部分，接收各个模块数据并进行相应处理，存储数据和转发数据到无线网桥。
本实施例所采用的组网设备具有为各类传感数据通信及协议的集中管理、转发及标准化为国网I1协议的能力，可数据中转和控制设备，可接入/转发zigbee传感网络数据和LoRa传感网络数据，具有10/100/1000M的RJ45和RS485/RS232等多种接口。
本实施例的骨干通信网络具有信号加密功能保证信息传输安全，高带宽骨干网络的无线通信链路采用多跳链状Mesh无线网络将信号从上一跳传到邻近的一跳或多跳，如此反复循环，可将无人、无公网信号地区将数据收集并传输至几十上百公里以外的数据集中站(如光纤接入点、有4G/5G网络信号接入点)，统一汇聚后传输至监控中心服务器。多跳链状Mesh自组网络可保证通信链路的畅通；超低的数据掉包率，可避免网络不稳定而丢失重要数据报文。
带宽5.8GHz无线网桥是构成骨干通信网络的主要设备，无线网桥是利用无线传输方式实现在两个或者多个网络之间搭起通信的桥梁；无线网桥除了具备有线网桥的基本特点之外，无线网桥工作在2.4G或则5.8G的免申请无线执照的频段，因而比其他有线网桥网络设备更方便部署。无线网桥采用点对点的方式进行部署，最大速率能达到700Mbps,单跳传输距离5-10KM，能够满足输电线路可视化数据传输，每基塔的网络采用背靠背的方式进行安装，一边对到小号侧塔，和小号侧对到的铁塔上的网桥建立网络连接，另一边对到大号侧塔，和大号侧对到的铁塔上的网桥建立网络连接。以此类推，建立一整条无人区铁塔骨干网络链路。链路的两端建立数据接入点，确保链路稳定可靠，网络接入点另外一个重要功能是数据分离，根据业务数据要求，把不同的数据上传到不同的数据中心。以点对点多跳Mesh接力方式进行信号远程传输，实现线路状态的多维度感知和感知数据的可靠传输，实现输电线路的智慧运维。
本实施例的主要工作内容进行硬件的部署与系统调试，将双层异构网络链路打通。整体系统的硬件包括智能数据控制器(内装磷酸铁锂电池和集成控制终端)、网桥、摄像头、其他传感器、太阳能板、中间控制器、后端服务器等。后端服务器接收中间控制器(ITC)数据，同时向中间控制器(ITC)发送控制指令。中间控制器(ITC)接收前端智能数据控制器的数据，转发给后端服务器；同时接收后端服务器指令，解析相关内容，发送控制指令到对应的前端智能数据控制器。
后端服务平台可以控制多个中间控制器(ITC)；每个中间控制器(ITC)下辖多个前端智能数据控制器，每个前端智能数据控制器可控制2个摄像头和采集多类其他无线传感器数据。
摄像头和无线网桥通过网线连接到智能数据控制器，太阳能板通过电源线连接到控制终端(集成在智能数据控制器内)。所有线材均需要使用设备配套线材。控制终端接口均为航插，请注意识别方向。其他数据类传感器一般通过ZigBee或LoRa无线网络连接到智能数据控制器。
骨干网络链路是该方案最重要的组成部分，根据实际地形情况，选择合适的铁塔按前面所述对相关设备进行安装。每基铁塔为了搭建骨干网络，需要安装3种设备。1台智能数据控制器，2台用于通信的无线网桥，1套电源系统。智能数据控制器的功能是接入周边的终端设备数据和为无线网桥提供电源控制。2台无线网桥的安装方式是背靠背方式安装，天线方向分别对输电线路的大号侧和小号侧。网桥最佳传输距离在3公里，所以骨干网络设备安装选点，两个点之间的距离不大于3公里。视频可视化装置需要和骨干网络单元安装在同一基塔，通过以太网和骨干网络单元进行连接。将多基塔链路调通后组建成功方案中的骨干网。
Zigbee/LoRa本地通信网络采用全向天线，分步式故障诊断装置、覆冰监测装置、舞动监测装置等各类监测设备和传感器可以和骨干网络单元安装在同一个塔，也可以安装在3公里范围内的其它铁塔；安装在同一塔，可以通Zigbee/LoRa进行数据传输；安装在不同塔，通过LoRa进行数据传输。
该方案率先在国网四川甘孜州电力有限责任公司、国网四川省电力公司凉山供电公司进行试点，已经取得了比较好的经济效益。
国网四川甘孜州电力有限责任公司辖区内输电线路主要分布在高海拔、极寒地区，且自然环境恶劣，运行中不可避免的发生各种各样的故障或存在安全隐患，不仅加大了运行维护难度，运维成本也比较高。目前甘孜人力巡线投入情况如下：4组人，每天8小时，全线路巡视4天。4(组)*8小时/天*4天＝128个小时。若采取视频巡视，则可节约100小时，100/128＝78.125％。全线路年平均投入预估可节约78％。
国网四川省电力公司凉山供电公司人工巡视的应用工时是智慧应用服务工时的7.3倍，巡检频率一年来说，智慧应用服务是人工巡检的4.4倍。从精细化作业考虑，智慧应用服务优于人工巡视。采用智慧应用服务方式能够实现更高的线路巡视效率，能够随时随地获取线路铁塔的当前运行状态，确保输电线路安全运行。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种野外无人区链路无线组网通讯系统，其特征在于，包括：后端服务器、中间控制器和前端设备，中间控制器接收前端设备数据，转发给后端服务器；同时接收后端服务指令，解析相关内容，发送到对应的前端设备；后端服务器控制N个中间控制器，后端服务器与中间控制器通过宽带进行通信；每个中间控制器下辖N个前端设备，每个前端设备控制2个摄像头，N个前端设备之间以及前端设备和中间控制器之间均通过骨干通信网络进行通信。
2.根据权利要求1所述的一种野外无人区链路无线组网通讯系统，其特征在于，所述前端设备包括电源模块、无线网桥、无线接入模块、集成数据控制器，所述电源模块分别与无线网桥、无线接入模块、集成数据控制器连接，无线接入模块接收前端设备外部各个传感器数据，将接收的数据上传到集成数据控制器，无线网桥为骨干通信网络的基础单元，各个无线网桥组成骨干通信网络，将上传到集成数据控制器的数据在相邻的前端设备的集成数据控制器之间进行传输。
3.根据权利要求2所述的一种野外无人区链路无线组网通讯系统，其特征在于，所述无线接入模块接收前端设备外部各个传感器数据以及将接收的数据上传到集成数据控制器均是通过低功耗的Zigbee/LoRa无线网络实现。
4.根据权利要求2所述的一种野外无人区链路无线组网通讯系统，其特征在于，每个前端设备均安装在输电线路的铁塔上，其中相邻的无线网桥安装方式是背靠背方式安装，天线方向分别对输电线路的大号侧和小号侧。
5.根据权利要求2所述的一种野外无人区链路无线组网通讯系统，其特征在于，相邻的无线网桥之间的距离不大于3公里。
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