【精彩论文】基于移动无线传感网的电缆通道应急监测系统

Original 中国电力中国电力 2023-12-18

戳蓝字“中国电力期刊”关注我们哦！

徐鑫乾，徐铼

国网江苏省电力有限公司

陈杰

国网江苏省电力有限公司电力科学研究院

引文信息

徐鑫乾, 徐铼, 陈杰, 等. 基于移动无线传感网的电缆通道应急监测系统[J]. 中国电力, 2020, 53(1): 66-71, 99.

XU Xinqian, XU Lai, CHEN Jie, et al. An emergency monitoring system for power cable tunnels based on mobile wireless sensor network[J]. Electric Power, 2020, 53(1): 66-71, 99.

研究背景

地下输电电缆具有受天气和外部环境影响小、有利于城市规划和环保等优点，逐渐取代架空线路成为城市配电网络的主导。地下电缆通道环境监测和设备状态感知是保障城市配电网安全稳定运行和实现智能运维的先决条件。当前，电缆通道的环境监测和安全巡检以人工定期巡检为主，部分配备了一定的自动化监测巡检系统，但配备的自动化监测巡检方案均依赖于电缆通道现场完备和稳定的通信系统，对电缆通道尚未搭建通信系统或者突发险情（如火灾、水灾、受到网络攻击等）时通信中断时，缺少有效的应急环境监测方案。

论文所解决的问题及意义

为实现电缆通道通信网络缺失、故障或受攻击等应急情况下的环境信息监测需求，本文提出一种基于移动无线传感网络技术的电缆通道环境监测系统方案。鉴于球形机器人具有不会倾覆且球形外壳可有效保护球内的监测传感元件的优点，研制搭载环境监测传感器和综合WIFI和超宽带（ultra-wide band，UWB）通信技术低成本球形移动机器人节点，构建无线移动传感队列，实现电缆通道内环境信息的实时稳定监测，辅助现场人员应急情况下决策或抢险。

论文重点内容

针对电缆通道应急环境监测需求，结合电缆通道相对封闭环境，单个移动节点监测范围有限，难以保证网络的有效覆盖也难以保证监测上位机和监测节点的稳定连接的实际情况，设计的用于封闭环境的移动自组网监测系统如图1所示。系统包括位于地上的监测上位机和位于地下电缆通道的由多个环境监测球形机器人移动节点组成的无线传感网络，多个环境监测移动节点以组群的形式在电缆通道内呈队列跟随运动，通过多跳的方式，利用节点间的信息流动扩大监测范围。地下移动节点采用STM32系列单片机作为主控芯片，集成通信、环境监测传感器、电源和驱动控制等模块，实现环境信息的采集和处理，然后通过无线传感网络将监测信息传输至地上监测上位机。由于电缆通道应急监控需要进行视频信息的传输，对网络带宽有较高要求，同时需要保证一定的通信距离和联网效率。鉴于此，移动节点基于WIFI通信，采用AODV通信协议，当需要进行路由查找时才开始执行，同时建立一条反向路由，以减缓了广播风暴所带来的影响。

图1 系统方案示意图

图1中球形移动节点数目依据需要应急监测电缆通道的长度以及两个移动节点间的稳定的通信和队列跟随距离，并考虑增加一个节点的冗余进行配置。系统工作流程如图2所示。工作人员根据需监测电缆通道的长度，在电缆通道井口放入若干个球形移动机器人节点，在系统初始化后，通过上位机界面选定主控节点，在自组网成功后，控制主控节点往电缆通道深处移动，根据电缆通道狭长型的特征，其它节点采用节点依次跟随，形成跟随队列，实现移动无线传感网络覆盖范围内电缆通道环境信息的实时传感和监测。

图2 系统工作流程图

针对提出的基于移动无线传感网络技术的低成本电缆通道环境监测系统方案，研制了一套包含笔记本上位机和3个球形移动传感节点的实验系统，分别在实验室环境和江苏省电力科学研究院电缆通道现场开展实验研究，如图3所示。实验按照图2所示系统工作流程，系统初始化完成后，通过开发的上位机人机交互界面能够实时显示320×240监控视频流和温湿度等环境信息，视频传输平均延时不超过150ms；通过人机交互界面可切换主控监测节点和跟随节点，并可直接控制主控制节点以确定组群队列的运动方向和速度；跟随节点能够成功实现队列自动跟随控制。同时，所开发的球形移动监测网络节点具有低成本（1500元/节点）、便于携带（直径16cm、质量0.3kg）的优点。

a) 监测系统人机交互界面

b) 实验室环境实验

c) 电缆通道环境实验

图3 系统实验

研究结论

本文研制了一套基于WIFI和UWB通信的低成本、便于携带应用的球形机器人移动无线传感网络系统，满足通信网络故障缺失或受到网络攻击等应急情况下电缆通道的环境信息监测需求，可有效辅助电缆通道的应急监测需求和抢险工作，亦可推广用于其它缺乏通信的封闭或危险应急场景的环境监测。

主要作者介绍

第一作者：徐鑫乾（1980—），男，高级工程师，从事电力工程设计与管理工作。

E-mail: hjhmars@sina.com。

第二作者：徐铼，男，工程师，从事电力工程设计与电力建设管理研究。

E-mail: 3224743974@qq.com。

第三作者：陈杰，男，博士，高级工程师，从事电力电缆状态检测和故障分析研究。