智能巡检可见光通信系统设计研讨范文

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《供用电杂志》2016年第11期

摘要：

为了解决电网业务环境中许多无线电信号深度衰落及电磁敏感等场景的通信问题，提出了一种基于可见光通信与电力线通信深度融合的网络架构，该架构克服了传统架构网络改造工程规模大、成本高的缺点，成本低并且容易实现。并对基于该架构系统业务流程、功能与主站平台设计进行了分析，进一步介绍了将可见光通信与电力线通信深度融合技术应用于典型的电网业务场景—变电站和电缆隧道智能巡检夜上海论坛，可以为现场巡检人员与后台管理人员提供双向语音通信，并对现场巡检人员进行定位服务，以保障巡检人员的人身安全和电网生产安全。

关键词：

可见光夜上海论坛通信；电力线通信；网络架构；智能巡检；定位服务

0引言

可见光通信是一种在LED照明的基础上实现无线通信的技术手段，利用光源发出肉眼无法察觉的高频闪烁可见光来传输信息［1–2］。同传统的射频无线电通信及其他无线光通信技术相比，VLC具有无处不在、传输速率高、不占用无线电频谱资源、无电磁辐射、无电磁干扰等优势。它被认为是无线频谱资源受限、无线电信号深度衰落及电磁敏感等情况下最具前景和优势的短距离宽带通信覆盖技术，因此受到了学术和产业界的广泛关注［3–6］。电力线通信使得电能传输与通信信号传输在一条线缆上完成，降低了通信基础设施建设的成本，并使得信号能够通过电力线直接传输到LED［7］。因此，PLC与VLC结合具有天然的优势，克服了传统的有线网络和无线电射频网络的不足。另一方面，电网业务环境中存在许多无线电信号深度衰落及电磁敏感等场景，例如智能变电站及电力生产现场，基于传统射频无线电的通信方式难以适用，而基于VLC-PLC的网络能够很好胜任这些场合下的数据传输。本文克服传统VLC与PLC协同工作的缺点［5，6，8–10］，提出了一种VLC-PLC深度融合的网络架构，并设计了VLC主站系统，以电网业务中的两个典型场景为例，分析目前难以满足的业务需求可以运用该系统实现。

夜上海论坛1VLC-PLC融合的网络架构

目前，针对VLC与PLC融合网络架构的研究十分有限。如图1所示，为一种传统的VLC、PLC协同工作的网络构架，图中PLC信号在接入每个LED灯之前需要经过解调、解码，再重新编码驱动LED灯。它的缺点是带来现有照明网络改造工程规模大、成本高；并且还存在如下问题：

1）由于相邻LED灯光照射区域重叠，带来严重区域间干扰问题。

夜上海论坛2）由于每个LED灯覆盖区域较小，用户在不同LED覆盖区域间移动时，将面临频繁的区域切换，导致信号接收不稳定。

3）红外或射频技术作为低速上行链路，这与VLC高速下行链路不对称。为解决这些问题，本文研究了一种基于VLC-PLC深度融合的宽带接入网络，如图2所示。多个LED灯连接到同一个电力线上，电力线与PLC调制解调器相连，用于与后台以太网交换信息。多个LED灯采用VLC独立传输数据信号给终端用户，用户通过手持终端接收信号，手持终端支持VLC上行链路传输。LED灯具中的光检测器接收到上行信号进行解调，随后传输给PLC骨干网。这种方案针对VLC-PLC联合信道统一调制编码，避免了传统VLC与PLC协同工作面临的困境，无需对现有照明网络进行复杂的升级改造，成本低容易实现，也不会因用户在LED区域间移动而带来区域间干扰和切换问题。此外，由于照明系统本身满足的光照度均匀覆盖特点，使得VLC-PLC通信网络也能具有均匀覆盖性。

2VLC-PLC系统设计

2.1系统业务流程及功能

夜上海论坛VLC-PLC系统主要包括主站服务器、PLC主站、LED光源收发端（含PLC基站）、手持终端，其中PLC基站集成在光源收发模块。每个PLC传输网络中只能有一个主站节点，其余为基站节点，PLC基站连接在基站节点上，PLC主站连接在主站节点。只有基站节点与主站节点之间可相互通信，基站节点与基站节点之间不能相互通信。PLC主站节点具有广播和单播的功能，PLC基站节点只有单播的功能。图3所示为VLC-PLC系统业务示意图，主要流程如下：

1）主站系统将信息源通过电力线传输到LED光源端收发样机，转换成光信号发送到用户手持终端。

夜上海论坛2）利用LED照明设备以及PLC网络，不但可以将主站的数据发送给手持终端接收，也能接收和处理手持终端通过VLC发送的数据。

同时，主站可以将某一终端用户上传的数据分享给其他终端的用户。系统功能主要如下：

1）定位和轨迹记录：系统可以定位手持设备的人员及其实时和历史行动轨迹。

夜上海论坛2）主站声音广播、设备间通话互传：主站可以向所有设备广播通话，设备间也可通过系统进行通话。

3）声音调和、即时存储：通过实时混音技术解决多人说话时的声音播放问题并存储声音。

夜上海论坛4）设备健康状态监测：能够监测LED设备是否在线或是否处于工作状态并在界面上提示。

2.2主站平台设计

图4所示为VLC-PLC系统主站业务架构示意图，包含应用层、控制层和支撑层，各层功能说明如下。

1）应用层直接为用户提供通信服务、定位服务、轨迹统计展示服务以及系统管理的各项服务。

2）控制层一方面向上提供给应用层各个功能的调用接口，另一方面管理系统的用户和数据资源。控制层提供数据中转、终端定位、音频处理、选择性通信等功能，同时管理系统用户、准许接入系统的设备以及系统记录的各类数据。

夜上海论坛3）支撑层主要完成负载均衡、缓存加速及数据存储等。负载均衡建立在现有网络结构之上，它提供了一种廉价有效透明的方法扩展网络设备和服务器的带宽、增加吞吐量、加强网络数据处理能力、提高网络的灵活性和可用性。缓存加速是一种充分利用服务器内存的，能够加快整个系统流畅运行的策略。结合可见光通信主站系统，主要表现在接收终端数据和编码、组装和发送数据时，以及对多路数据进行平行处理时采用缓存队列和多线程并发处理技术，达到提高系统性能的目的。关系型数据库存储系统是一种即开即用、稳定可靠、可弹性伸缩的在线数据库服务。具有多重安全防护措施和完善的性能监控体系，并提供专业的数据库备份、恢复及优化方案。

3智能巡检应用

夜上海论坛在电网业务的很多场景中存在电磁信号屏蔽或深度衰落的情况，比如变电站巡检、开闭站巡检、电缆隧道巡查等，可以采用可见光通信技术为人员或设备提供定位服务、语音通信等，保障人员人身安全和电网生产安全。下面对变电站巡检和电缆隧道巡检为应用场景进行介绍。

3.1场景介绍

3.1.1变电站巡检

夜上海论坛变电站实现不同等级的电压变换，是一个城市的能源关键节点，所以变电站的安全稳定运行关系着全社会的经济发展和社会安定。为了保障变电站的安全、正常运行，需要对变电站进行定期人工巡检。变电站巡检活动中，对于巡检人员“到位检测”问题是一项需要考核的重要内容，以确保巡检人员在巡检过程中切实到达各个应检位置进行了检查工作，并确保巡检人员及操作设备与其他站内设施之间保持了安全距离，能够防止巡检人员因各种原因触碰到带电部位而发生安全事故。因此，为确保巡检人员安全、正常地工作，对于巡检人员实时位置的掌握有较强需求。同时，在变电站巡检中对于联网信息服务也具有强烈的需求，这可以为巡检人员在巡检过程中提供问题上报、远程指导、即时信息记录并存档等功能。另一方面，巡检人员在工作中往往需要与调度人员进行语音通话，可以不用在发现问题后回到办公室拨打内部电话，再回到现场巡视。然而，由于变电站内电磁干扰以及安全等因素的考虑，基于传统射频无线电的通信手段难以满足上述需求。

夜上海论坛3.1.2电缆隧道巡检

夜上海论坛电缆隧道巡检也是一项重要的电网业务。根据现行的电缆隧道运维规章制度，一般至少每月进行一次通道及路面巡视，耗时为5—6h；3个月进行一次电缆线路测量巡视，耗时为6—7h。在隧道巡检过程中，巡检人员希望与地面集控中心保持通讯，同时在线路故障和意外事故发生时，与集控中心取得联系，以协同排除故障并进行现场抢救。同时，由于隧道巡检是一项具有危险性的工作，针对人员的定位以及导航，具有较强的需求。然而，由于电缆隧道通常位于地下10余米深处，加之隧道内部的结构特性和电磁特性影响，使得其内的各类射频无线电信号衰减严重，难以实现上述需求。

夜上海论坛3.2智能巡检网络架构

夜上海论坛采用VLC-PLC系统，可以很好解决变电站和电缆隧道巡检的上述问题。利用变电站或电缆隧道内的LED灯进行通信，不会产生无线电波，不会对变电站内或电缆隧道内的设备产生干扰。将LED作为站内的通信节点，巡检人员在巡检时能时刻与后台作业系统保持网络连接，获得信息服务，并能进行保密通信；同时，可以为巡检人员及其操作的设备进行精确定位。利用VLC与PLC融合技术组建变电站或电缆隧道内的光通信局域网络，如图5所示，为变电站或电缆隧道内智能巡检网络结构示意图，将业务系统的工作数据通过网络传输到变电站或电缆隧道中不同位置的照明LED处；经过研制的光源端收发机，将数据调制为光信号加载到LED上进行发送；现场巡检人员可通过用户端收发机接收VLC信号，实现数据通信服务和高精度定位服务；同时用户端收发机通过可见光信号上行发送定位信息及通信数据，实现现场操作人员与后台管理人员的实时监控和互动。一方面能够确认巡检人员到达现场并按预定路线巡视；另一方面，可以为巡检人员提供安全、便捷的无线信息服务，使其可以通过手持终端随时随地完成信息的获取、现场数据上报、检测数值上传等业务；此外，利用VLC定位实时确认巡检人员及其操作的设备在空间中的精确位置，对巡检人员的违规操作及时做出警告，在巡检全程保证巡检人员的生命安全。

4结语

本文提出了一种VLC-PLC深度融合的网络架构及通信系统，并对该系统的主站设计进行了分析，可实现双向语音通信与定位服务。进一步将该系统应用于电网业务的变电站或电缆隧道巡检的网络结构进行了设计，下一步该系统将在郑州供电局的耿河变电缆隧道进行试验验证。本研究可为VPC-PLC系统在电网业务方面的应用提供经验。

参考文献：

［1］迟楠.LED可见光通信技术［M］.北京：清华大学出版社，2013.

夜上海论坛［2］迟楠.LED可见光通信关键器件与应用［M］.北京：人民邮电出版社，2015.

［3］杨立伟，侯聪，程强.可见光通信与电力线融合技术研究［J］.电信网技术，2014（2）：58-61.

［4］赵丙镇，曹津平.基于融合通信的智能用电技术研究［J］.供用电，2014，31（8）：15-20.

［7］李中年.电力通信［M］.北京：国防工业出版社，2013.

夜上海论坛作者:孙德栋 徐东博 龚桃荣 宋健 刘瑞 单位:国网信息通信产业集团有限公司 国网信息通信产业集团北京智芯微电子科技有限公司 清华大学