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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)務環(huán)境中許多無線電信號深度衰落及電磁敏感等場景的通信問題，提出了一種基于可見光通信與電力線通信深度融合的網(wǎng)絡架構，該架構克服了傳統(tǒng)架構網(wǎng)絡改造工程規(guī)模大、成本高的缺點，成本低并且容易實現(xiàn)。并對基于該架構系統(tǒng)業(yè)務流程、功能與主站平臺設計進行了分析，進一步介紹了將可見光通信與電力線通信深度融合技術應用于典型的電網(wǎng)業(yè)務場景—變電站和電纜隧道智能巡檢，可以為現(xiàn)場巡檢人員與后臺管理人員提供雙向語音通信，并對現(xiàn)場巡檢人員進行定位服務，以保障巡檢人員的人身安全和電網(wǎng)生產(chǎn)安全。

關鍵詞：

可見光通信；電力線通信；網(wǎng)絡架構；智能巡檢；定位服務

0引言

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

1VLC-PLC融合的網(wǎng)絡架構

目前，針對VLC與PLC融合網(wǎng)絡架構的研究十分有限。如圖1所示，為一種傳統(tǒng)的VLC、PLC協(xié)同工作的網(wǎng)絡構架，圖中PLC信號在接入每個LED燈之前需要經(jīng)過解調(diào)、解碼，再重新編碼驅動LED燈。它的缺點是帶來現(xiàn)有照明網(wǎng)絡改造工程規(guī)模大、成本高；并且還存在如下問題：

1）由于相鄰LED燈光照射區(qū)域重疊，帶來嚴重區(qū)域間干擾問題。

2）由于每個LED燈覆蓋區(qū)域較小，用戶在不同LED覆蓋區(qū)域間移動時，將面臨頻繁的區(qū)域切換，導致信號接收不穩(wěn)定。

3）紅外或射頻技術作為低速上行鏈路，這與VLC高速下行鏈路不對稱。為解決這些問題，本文研究了一種基于VLC-PLC深度融合的寬帶接入網(wǎng)絡，如圖2所示。多個LED燈連接到同一個電力線上，電力線與PLC調(diào)制解調(diào)器相連，用于與后臺以太網(wǎng)交換信息。多個LED燈采用VLC獨立傳輸數(shù)據(jù)信號給終端用戶，用戶通過手持終端接收信號，手持終端支持VLC上行鏈路傳輸。LED燈具中的光檢測器接收到上行信號進行解調(diào)，隨后傳輸給PLC骨干網(wǎng)。這種方案針對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，無需對現(xiàn)有照明網(wǎng)絡進行復雜的升級改造，成本低容易實現(xiàn)，也不會因用戶在LED區(qū)域間移動而帶來區(qū)域間干擾和切換問題。此外，由于照明系統(tǒng)本身滿足的光照度均勻覆蓋特點，使得VLC-PLC通信網(wǎng)絡也能具有均勻覆蓋性。

2VLC-PLC系統(tǒng)設計

2.1系統(tǒng)業(yè)務流程及功能

VLC-PLC系統(tǒng)主要包括主站服務器、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PLC傳輸網(wǎng)絡中只能有一個主站節(jié)點，其余為基站節(jié)點，PLC基站連接在基站節(jié)點上，PLC主站連接在主站節(jié)點。只有基站節(jié)點與主站節(jié)點之間可相互通信，基站節(jié)點與基站節(jié)點之間不能相互通信。PLC主站節(jié)點具有廣播和單播的功能，PLC基站節(jié)點只有單播的功能。圖3所示為VLC-PLC系統(tǒng)業(yè)務示意圖，主要流程如下：

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

2）利用LED照明設備以及PLC網(wǎng)絡，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VLC發(fā)送的數(shù)據(jù)。

同時，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)可以定位手持設備的人員及其實時和歷史行動軌跡。

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

3）聲音調(diào)和、即時存儲：通過實時混音技術解決多人說話時的聲音播放問題并存儲聲音。

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

2.2主站平臺設計

圖4所示為VLC-PLC系統(tǒng)主站業(yè)務架構示意圖，包含應用層、控制層和支撐層，各層功能說明如下。

1）應用層直接為用戶提供通信服務、定位服務、軌跡統(tǒng)計展示服務以及系統(tǒng)管理的各項服務。

2）控制層一方面向上提供給應用層各個功能的調(diào)用接口，另一方面管理系統(tǒng)的用戶和數(shù)據(jù)資源?？刂茖犹峁?shù)據(jù)中轉、終端定位、音頻處理、選擇性通信等功能，同時管理系統(tǒng)用戶、準許接入系統(tǒng)的設備以及系統(tǒng)記錄的各類數(shù)據(jù)。

3）支撐層主要完成負載均衡、緩存加速及數(shù)據(jù)存儲等。負載均衡建立在現(xiàn)有網(wǎng)絡結構之上，它提供了一種廉價有效透明的方法擴展網(wǎng)絡設備和服務器的帶寬、增加吞吐量、加強網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理能力、提高網(wǎng)絡的靈活性和可用性。緩存加速是一種充分利用服務器內(nèi)存的，能夠加快整個系統(tǒng)流暢運行的策略。結合可見光通信主站系統(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，以及對多路數(shù)據(jù)進行平行處理時采用緩存隊列和多線程并發(fā)處理技術，達到提高系統(tǒng)性能的目的。關系型數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)是一種即開即用、穩(wěn)定可靠、可彈性伸縮的在線數(shù)據(jù)庫服務。具有多重安全防護措施和完善的性能監(jiān)控體系，并提供專業(yè)的數(shù)據(jù)庫備份、恢復及優(yōu)化方案。

3智能巡檢應用

在電網(wǎng)業(yè)務的很多場景中存在電磁信號屏蔽或深度衰落的情況，比如變電站巡檢、開閉站巡檢、電纜隧道巡查等，可以采用可見光通信技術為人員或設備提供定位服務、語音通信等，保障人員人身安全和電網(wǎng)生產(chǎn)安全。下面對變電站巡檢和電纜隧道巡檢為應用場景進行介紹。

3.1場景介紹

3.1.1變電站巡檢

變電站實現(xiàn)不同等級的電壓變換，是一個城市的能源關鍵節(jié)點，所以變電站的安全穩(wěn)定運行關系著全社會的經(jīng)濟發(fā)展和社會安定。為了保障變電站的安全、正常運行，需要對變電站進行定期人工巡檢。變電站巡檢活動中，對于巡檢人員“到位檢測”問題是一項需要考核的重要內(nèi)容，以確保巡檢人員在巡檢過程中切實到達各個應檢位置進行了檢查工作，并確保巡檢人員及操作設備與其他站內(nèi)設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，對于巡檢人員實時位置的掌握有較強需求。同時，在變電站巡檢中對于聯(lián)網(wǎng)信息服務也具有強烈的需求，這可以為巡檢人員在巡檢過程中提供問題上報、遠程指導、即時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)度人員進行語音通話，可以不用在發(fā)現(xiàn)問題后回到辦公室撥打內(nèi)部電話，再回到現(xiàn)場巡視。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重要的電網(wǎng)業(yè)務。根據(jù)現(xiàn)行的電纜隧道運維規(guī)章制度，一般至少每月進行一次通道及路面巡視，耗時為5—6h；3個月進行一次電纜線路測量巡視，耗時為6—7h。在隧道巡檢過程中，巡檢人員希望與地面集控中心保持通訊，同時在線路故障和意外事故發(fā)生時，與集控中心取得聯(lián)系，以協(xié)同排除故障并進行現(xiàn)場搶救。同時，由于隧道巡檢是一項具有危險性的工作，針對人員的定位以及導航，具有較強的需求。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)部的結構特性和電磁特性影響，使得其內(nèi)的各類射頻無線電信號衰減嚴重，難以實現(xiàn)上述需求。

3.2智能巡檢網(wǎng)絡架構

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題。利用變電站或電纜隧道內(nèi)的LED燈進行通信，不會產(chǎn)生無線電波，不會對變電站內(nèi)或電纜隧道內(nèi)的設備產(chǎn)生干擾。將LED作為站內(nèi)的通信節(jié)點，巡檢人員在巡檢時能時刻與后臺作業(yè)系統(tǒng)保持網(wǎng)絡連接，獲得信息服務，并能進行保密通信；同時，可以為巡檢人員及其操作的設備進行精確定位。利用VLC與PLC融合技術組建變電站或電纜隧道內(nèi)的光通信局域網(wǎng)絡，如圖5所示，為變電站或電纜隧道內(nèi)智能巡檢網(wǎng)絡結構示意圖，將業(yè)務系統(tǒng)的工作數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸?shù)阶冸娬净螂娎|隧道中不同位置的照明LED處；經(jīng)過研制的光源端收發(fā)機，將數(shù)據(jù)調(diào)制為光信號加載到LED上進行發(fā)送；現(xiàn)場巡檢人員可通過用戶端收發(fā)機接收VLC信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信服務和高精度定位服務；同時用戶端收發(fā)機通過可見光信號上行發(fā)送定位信息及通信數(shù)據(jù)，實現(xiàn)現(xiàn)場操作人員與后臺管理人員的實時監(jiān)控和互動。一方面能夠確認巡檢人員到達現(xiàn)場并按預定路線巡視；另一方面，可以為巡檢人員提供安全、便捷的無線信息服務，使其可以通過手持終端隨時隨地完成信息的獲取、現(xiàn)場數(shù)據(jù)上報、檢測數(shù)值上傳等業(yè)務；此外，利用VLC定位實時確認巡檢人員及其操作的設備在空間中的精確位置，對巡檢人員的違規(guī)操作及時做出警告，在巡檢全程保證巡檢人員的生命安全。

4結語

本文提出了一種VLC-PLC深度融合的網(wǎng)絡架構及通信系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的主站設計進行了分析，可實現(xiàn)雙向語音通信與定位服務。進一步將該系統(tǒng)應用于電網(wǎng)業(yè)務的變電站或電纜隧道巡檢的網(wǎng)絡結構進行了設計，下一步該系統(tǒng)將在鄭州供電局的耿河變電纜隧道進行試驗驗證。本研究可為VPC-PLC系統(tǒng)在電網(wǎng)業(yè)務方面的應用提供經(jīng)驗。

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