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《供用電雜志》2016年第11期

摘要：

為了解決電網(wǎng)業(yè)務(wù)環(huán)境中許多無(wú)線電信號(hào)深度衰落及電磁敏感等場(chǎng)景的通信問(wèn)題，提出了一種基于可見(jiàn)光通信與電力線通信深度融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)克服了傳統(tǒng)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)改造工程規(guī)模大、成本高的缺點(diǎn)，成本低并且容易實(shí)現(xiàn)。并對(duì)基于該架構(gòu)系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程、功能與主站平臺(tái)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，進(jìn)一步介紹了將可見(jiàn)光通信與電力線通信深度融合技術(shù)應(yīng)用于典型的電網(wǎng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景—變電站和電纜隧道智能巡檢，可以為現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員與后臺(tái)管理人員提供雙向語(yǔ)音通信，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員進(jìn)行定位服務(wù)，以保障巡檢人員的人身安全和電網(wǎng)生產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞：

可見(jiàn)光通信；電力線通信；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；智能巡檢；定位服務(wù)

0引言

可見(jiàn)光通信是一種在LED照明的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的技術(shù)手段，利用光源發(fā)出肉眼無(wú)法察覺(jué)的高頻閃爍可見(jiàn)光來(lái)傳輸信息［1–2］。同傳統(tǒng)的射頻無(wú)線電通信及其他無(wú)線光通信技術(shù)相比，VLC具有無(wú)處不在、傳輸速率高、不占用無(wú)線電頻譜資源、無(wú)電磁輻射、無(wú)電磁干擾等優(yōu)勢(shì)。它被認(rèn)為是無(wú)線頻譜資源受限、無(wú)線電信號(hào)深度衰落及電磁敏感等情況下最具前景和優(yōu)勢(shì)的短距離寬帶通信覆蓋技術(shù)，因此受到了學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注［3–6］。電力線通信使得電能傳輸與通信信號(hào)傳輸在一條線纜上完成，降低了通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的成本，并使得信號(hào)能夠通過(guò)電力線直接傳輸?shù)絃ED［7］。因此，PLC與VLC結(jié)合具有天然的優(yōu)勢(shì)，克服了傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線電射頻網(wǎng)絡(luò)的不足。另一方面，電網(wǎng)業(yè)務(wù)環(huán)境中存在許多無(wú)線電信號(hào)深度衰落及電磁敏感等場(chǎng)景，例如智能變電站及電力生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，基于傳統(tǒng)射頻無(wú)線電的通信方式難以適用，而基于VLC-PLC的網(wǎng)絡(luò)能夠很好勝任這些場(chǎng)合下的數(shù)據(jù)傳輸。本文克服傳統(tǒng)VLC與PLC協(xié)同工作的缺點(diǎn)［5，6，8–10］，提出了一種VLC-PLC深度融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并設(shè)計(jì)了VLC主站系統(tǒng)，以電網(wǎng)業(yè)務(wù)中的兩個(gè)典型場(chǎng)景為例，分析目前難以滿足的業(yè)務(wù)需求可以運(yùn)用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

1VLC-PLC融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前，針對(duì)VLC與PLC融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究十分有限。如圖1所示，為一種傳統(tǒng)的VLC、PLC協(xié)同工作的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，圖中PLC信號(hào)在接入每個(gè)LED燈之前需要經(jīng)過(guò)解調(diào)、解碼，再重新編碼驅(qū)動(dòng)LED燈。它的缺點(diǎn)是帶來(lái)現(xiàn)有照明網(wǎng)絡(luò)改造工程規(guī)模大、成本高；并且還存在如下問(wèn)題：

1）由于相鄰LED燈光照射區(qū)域重疊，帶來(lái)嚴(yán)重區(qū)域間干擾問(wèn)題。

2）由于每個(gè)LED燈覆蓋區(qū)域較小，用戶在不同LED覆蓋區(qū)域間移動(dòng)時(shí)，將面臨頻繁的區(qū)域切換，導(dǎo)致信號(hào)接收不穩(wěn)定。

3）紅外或射頻技術(shù)作為低速上行鏈路，這與VLC高速下行鏈路不對(duì)稱。為解決這些問(wèn)題，本文研究了一種基于VLC-PLC深度融合的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。多個(gè)LED燈連接到同一個(gè)電力線上，電力線與PLC調(diào)制解調(diào)器相連，用于與后臺(tái)以太網(wǎng)交換信息。多個(gè)LED燈采用VLC獨(dú)立傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)給終端用戶，用戶通過(guò)手持終端接收信號(hào)，手持終端支持VLC上行鏈路傳輸。LED燈具中的光檢測(cè)器接收到上行信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，隨后傳輸給PLC骨干網(wǎng)。這種方案針對(duì)VLC-PLC聯(lián)合信道統(tǒng)一調(diào)制編碼，避免了傳統(tǒng)VLC與PLC協(xié)同工作面臨的困境，無(wú)需對(duì)現(xiàn)有照明網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行復(fù)雜的升級(jí)改造，成本低容易實(shí)現(xiàn)，也不會(huì)因用戶在LED區(qū)域間移動(dòng)而帶來(lái)區(qū)域間干擾和切換問(wèn)題。此外，由于照明系統(tǒng)本身滿足的光照度均勻覆蓋特點(diǎn)，使得VLC-PLC通信網(wǎng)絡(luò)也能具有均勻覆蓋性。

2VLC-PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程及功能

VLC-PLC系統(tǒng)主要包括主站服務(wù)器、PLC主站、LED光源收發(fā)端（含PLC基站）、手持終端，其中PLC基站集成在光源收發(fā)模塊。每個(gè)PLC傳輸網(wǎng)絡(luò)中只能有一個(gè)主站節(jié)點(diǎn)，其余為基站節(jié)點(diǎn)，PLC基站連接在基站節(jié)點(diǎn)上，PLC主站連接在主站節(jié)點(diǎn)。只有基站節(jié)點(diǎn)與主站節(jié)點(diǎn)之間可相互通信，基站節(jié)點(diǎn)與基站節(jié)點(diǎn)之間不能相互通信。PLC主站節(jié)點(diǎn)具有廣播和單播的功能，PLC基站節(jié)點(diǎn)只有單播的功能。圖3所示為VLC-PLC系統(tǒng)業(yè)務(wù)示意圖，主要流程如下：

1）主站系統(tǒng)將信息源通過(guò)電力線傳輸?shù)絃ED光源端收發(fā)樣機(jī)，轉(zhuǎn)換成光信號(hào)發(fā)送到用戶手持終端。

2）利用LED照明設(shè)備以及PLC網(wǎng)絡(luò)，不但可以將主站的數(shù)據(jù)發(fā)送給手持終端接收，也能接收和處理手持終端通過(guò)VLC發(fā)送的數(shù)據(jù)。

同時(shí)，主站可以將某一終端用戶上傳的數(shù)據(jù)分享給其他終端的用戶。系統(tǒng)功能主要如下：

1）定位和軌跡記錄：系統(tǒng)可以定位手持設(shè)備的人員及其實(shí)時(shí)和歷史行動(dòng)軌跡。

2）主站聲音廣播、設(shè)備間通話互傳：主站可以向所有設(shè)備廣播通話，設(shè)備間也可通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行通話。

3）聲音調(diào)和、即時(shí)存儲(chǔ)：通過(guò)實(shí)時(shí)混音技術(shù)解決多人說(shuō)話時(shí)的聲音播放問(wèn)題并存儲(chǔ)聲音。

4）設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)：能夠監(jiān)測(cè)LED設(shè)備是否在線或是否處于工作狀態(tài)并在界面上提示。

2.2主站平臺(tái)設(shè)計(jì)

圖4所示為VLC-PLC系統(tǒng)主站業(yè)務(wù)架構(gòu)示意圖，包含應(yīng)用層、控制層和支撐層，各層功能說(shuō)明如下。

1）應(yīng)用層直接為用戶提供通信服務(wù)、定位服務(wù)、軌跡統(tǒng)計(jì)展示服務(wù)以及系統(tǒng)管理的各項(xiàng)服務(wù)。

2）控制層一方面向上提供給應(yīng)用層各個(gè)功能的調(diào)用接口，另一方面管理系統(tǒng)的用戶和數(shù)據(jù)資源。控制層提供數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)、終端定位、音頻處理、選擇性通信等功能，同時(shí)管理系統(tǒng)用戶、準(zhǔn)許接入系統(tǒng)的設(shè)備以及系統(tǒng)記錄的各類數(shù)據(jù)。

3）支撐層主要完成負(fù)載均衡、緩存加速及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。負(fù)載均衡建立在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之上，它提供了一種廉價(jià)有效透明的方法擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器的帶寬、增加吞吐量、加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力、提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可用性。緩存加速是一種充分利用服務(wù)器內(nèi)存的，能夠加快整個(gè)系統(tǒng)流暢運(yùn)行的策略。結(jié)合可見(jiàn)光通信主站系統(tǒng)，主要表現(xiàn)在接收終端數(shù)據(jù)和編碼、組裝和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，以及對(duì)多路數(shù)據(jù)進(jìn)行平行處理時(shí)采用緩存隊(duì)列和多線程并發(fā)處理技術(shù)，達(dá)到提高系統(tǒng)性能的目的。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)系統(tǒng)是一種即開(kāi)即用、穩(wěn)定可靠、可彈性伸縮的在線數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)。具有多重安全防護(hù)措施和完善的性能監(jiān)控體系，并提供專業(yè)的數(shù)據(jù)庫(kù)備份、恢復(fù)及優(yōu)化方案。

3智能巡檢應(yīng)用

在電網(wǎng)業(yè)務(wù)的很多場(chǎng)景中存在電磁信號(hào)屏蔽或深度衰落的情況，比如變電站巡檢、開(kāi)閉站巡檢、電纜隧道巡查等，可以采用可見(jiàn)光通信技術(shù)為人員或設(shè)備提供定位服務(wù)、語(yǔ)音通信等，保障人員人身安全和電網(wǎng)生產(chǎn)安全。下面對(duì)變電站巡檢和電纜隧道巡檢為應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行介紹。

3.1場(chǎng)景介紹

3.1.1變電站巡檢

變電站實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)的電壓變換，是一個(gè)城市的能源關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，所以變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系著全社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)安定。為了保障變電站的安全、正常運(yùn)行，需要對(duì)變電站進(jìn)行定期人工巡檢。變電站巡檢活動(dòng)中，對(duì)于巡檢人員“到位檢測(cè)”問(wèn)題是一項(xiàng)需要考核的重要內(nèi)容，以確保巡檢人員在巡檢過(guò)程中切實(shí)到達(dá)各個(gè)應(yīng)檢位置進(jìn)行了檢查工作，并確保巡檢人員及操作設(shè)備與其他站內(nèi)設(shè)施之間保持了安全距離，能夠防止巡檢人員因各種原因觸碰到帶電部位而發(fā)生安全事故。因此，為確保巡檢人員安全、正常地工作，對(duì)于巡檢人員實(shí)時(shí)位置的掌握有較強(qiáng)需求。同時(shí)，在變電站巡檢中對(duì)于聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)也具有強(qiáng)烈的需求，這可以為巡檢人員在巡檢過(guò)程中提供問(wèn)題上報(bào)、遠(yuǎn)程指導(dǎo)、即時(shí)信息記錄并存檔等功能。另一方面，巡檢人員在工作中往往需要與調(diào)度人員進(jìn)行語(yǔ)音通話，可以不用在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后回到辦公室撥打內(nèi)部電話，再回到現(xiàn)場(chǎng)巡視。然而，由于變電站內(nèi)電磁干擾以及安全等因素的考慮，基于傳統(tǒng)射頻無(wú)線電的通信手段難以滿足上述需求。

3.1.2電纜隧道巡檢

電纜隧道巡檢也是一項(xiàng)重要的電網(wǎng)業(yè)務(wù)。根據(jù)現(xiàn)行的電纜隧道運(yùn)維規(guī)章制度，一般至少每月進(jìn)行一次通道及路面巡視，耗時(shí)為5—6h；3個(gè)月進(jìn)行一次電纜線路測(cè)量巡視，耗時(shí)為6—7h。在隧道巡檢過(guò)程中，巡檢人員希望與地面集控中心保持通訊，同時(shí)在線路故障和意外事故發(fā)生時(shí)，與集控中心取得聯(lián)系，以協(xié)同排除故障并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)搶救。同時(shí)，由于隧道巡檢是一項(xiàng)具有危險(xiǎn)性的工作，針對(duì)人員的定位以及導(dǎo)航，具有較強(qiáng)的需求。然而，由于電纜隧道通常位于地下10余米深處，加之隧道內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特性和電磁特性影響，使得其內(nèi)的各類射頻無(wú)線電信號(hào)衰減嚴(yán)重，難以實(shí)現(xiàn)上述需求。

3.2智能巡檢網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

采用VLC-PLC系統(tǒng)，可以很好解決變電站和電纜隧道巡檢的上述問(wèn)題。利用變電站或電纜隧道內(nèi)的LED燈進(jìn)行通信，不會(huì)產(chǎn)生無(wú)線電波，不會(huì)對(duì)變電站內(nèi)或電纜隧道內(nèi)的設(shè)備產(chǎn)生干擾。將LED作為站內(nèi)的通信節(jié)點(diǎn)，巡檢人員在巡檢時(shí)能時(shí)刻與后臺(tái)作業(yè)系統(tǒng)保持網(wǎng)絡(luò)連接，獲得信息服務(wù)，并能進(jìn)行保密通信；同時(shí)，可以為巡檢人員及其操作的設(shè)備進(jìn)行精確定位。利用VLC與PLC融合技術(shù)組建變電站或電纜隧道內(nèi)的光通信局域網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示，為變電站或電纜隧道內(nèi)智能巡檢網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖，將業(yè)務(wù)系統(tǒng)的工作數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)阶冸娬净螂娎|隧道中不同位置的照明LED處；經(jīng)過(guò)研制的光源端收發(fā)機(jī)，將數(shù)據(jù)調(diào)制為光信號(hào)加載到LED上進(jìn)行發(fā)送；現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員可通過(guò)用戶端收發(fā)機(jī)接收VLC信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信服務(wù)和高精度定位服務(wù)；同時(shí)用戶端收發(fā)機(jī)通過(guò)可見(jiàn)光信號(hào)上行發(fā)送定位信息及通信數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)操作人員與后臺(tái)管理人員的實(shí)時(shí)監(jiān)控和互動(dòng)。一方面能夠確認(rèn)巡檢人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)并按預(yù)定路線巡視；另一方面，可以為巡檢人員提供安全、便捷的無(wú)線信息服務(wù)，使其可以通過(guò)手持終端隨時(shí)隨地完成信息的獲取、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)上報(bào)、檢測(cè)數(shù)值上傳等業(yè)務(wù)；此外，利用VLC定位實(shí)時(shí)確認(rèn)巡檢人員及其操作的設(shè)備在空間中的精確位置，對(duì)巡檢人員的違規(guī)操作及時(shí)做出警告，在巡檢全程保證巡檢人員的生命安全。

4結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種VLC-PLC深度融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及通信系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的主站設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，可實(shí)現(xiàn)雙向語(yǔ)音通信與定位服務(wù)。進(jìn)一步將該系統(tǒng)應(yīng)用于電網(wǎng)業(yè)務(wù)的變電站或電纜隧道巡檢的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，下一步該系統(tǒng)將在鄭州供電局的耿河變電纜隧道進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。本研究可為VPC-PLC系統(tǒng)在電網(wǎng)業(yè)務(wù)方面的應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)。

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［7］李中年.電力通信［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

作者:孫德棟 徐東博 龔桃榮 宋健 劉瑞 單位:國(guó)網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司 國(guó)網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)北京智芯微電子科技有限公司 清華大學(xué)