紧急通道（共3篇）
紧急通道 篇1
0 引言
广域保护作为一个新兴研究课题,得到了国内外电力工作者的广泛关注,并取得了大量研究成果[1,2,3]。但目前大多研究一般都假定通信通道完整健全,一旦通信通道损坏这些研究成果的应用将遇到困难。当发生极端灾变时,如2008年南方的冰雪灾害,电网普遍使用OPGW光缆网络易被损坏,造成通信中断,公用光纤通信网络也可能发生类似故障;灾害还会造成GPRS网络基站出现停电,导致依赖其转发数据的监测功能失效;另外,人为破坏(包括恐怖袭击)也会造成通信系统的中断[4];特别对于不存在任何迂回通路的“信息孤岛”这一问题显得更为严重。灾变发生时尽可能保持线路运行尤为重要,但通信中断将导致线路主保护以至线路被迫退出运行,而且发生灾变时通信通道修复困难而在短时间内难以恢复,会延长线路停运时间。因此,灾变形势下通信通道的紧急重构对于保障(广域)继电保护运行是一个重要和亟需解决的问题。
传统的引导线、电力线载波、光纤等通信方式具有依赖基础设施的缺点,而无线自组织网络的发展为解决紧急通信通道问题提供了契机。无线自组织网络分为移动Ad hoc网络和WSN两种。Ad hoc网络体系结构和Qos保障和应用都较为复杂,而WSN具有高监测精度、高容错性、自组织、自适应、动态拓扑等优点[5,6,7,8],为灾变时(广域)继电保护紧急通信通道的重构提供了一种可行的方案。
1 WSN的网络结构与特点
WSN通常是指由一组具有采集、传输和处理数据功能的节点通过自组织的方式构成的无线网络,通过节点间的协同工作来对网络覆盖区域中的目标信息作应用相关的处理[8]。图1为WSN应用于继电保护通信的网络结构。
如图1所示,WSN在构建继电保护通信通道时主要由四部分组成:(1)数据采集板,用于数据采集;(2)路由节点,用于数据的转发;(3)网关,WSN与保护装置连接的桥梁;(4)保护装置,汇聚、存储、处理数据。
WSN相对于继电保护的传统通信方式具有独特的优势:(1)WSN的节点集成了数据采集、通信和处理等功能,设备装置简单,不需要复杂的通信布线,性价比高;(2)WSN节点分布广,部署密集,减少了盲区,具有较强的容错能力;(3)对于远距离输电线路、偏远或环境恶劣地区的巡线、故障定位以及灾害天气等紧急场合的通信,WSN具有独特优势;(4)针对不同的应用场景,可以配置不同的传感器,搭建基于不同保护方案的WSN;(5)WSN具有自组织、动态拓扑的特性,可以适应网络拓扑结构的快速变化而不需添加设备。WSN的特点使其适用于电力系统紧急通信通道的重构。
2 WSN系统方案设计
2.1 组网方案设计
基于图1的网络结构图,本文在构建通道时主要采用Crossbow公司的无线通信系列产品实现组网研究。组网硬件配置为:(1)数据采集板。采用MDA320CA,具8通道16位模拟输入。(2)路由节点。采用无线模块IRIS XM2110CA,节点间视距离可达500 m,具有250 kbps的数据传输速率。(3)网关。采用具有以太网接口的无线网关MIB600,便于保护装置的接入。(4)装置。为便于测试,本文采用PC机模拟保护装置,实现无线节点的配置、数据的接收和发送以及数据的记录和处理等。
WSN采用如下工作方式:数据采集板安装于感兴趣的位置并与节点连接;路由节点分布在监控区域内,通过自组织的方式构成网络;汇聚节点和网关连接组成基站,与PC机连接,将数据送给客户端。传感器测得数据后通过与其相连的节点将数据广播到传感器网络,数据通过路由节点经多跳的方式传送到基站节点,由汇聚节点将普通节点传来的数据汇聚于PC机上进行处理。
2.2 WSN的关键技术
WSN具有应用相关性,结合广域保护对数据传输快速性和可靠性的要求,本文主要针对WSN数据传输和数据处理等几个关键技术进行研究。
1)路由协议。
路由协议主要有两方面的功能,一是搜索满足条件的从源节点到目的节点的优化路径,二是转发数据。本文采用XMesh路由协议[9]。XMesh是一种多跳的、自组织、自适应的路由协议。它提供了三种通信机制:Upstream负责将节点上的数据包传输给基站;Downstream负责将基站的数据包发送给网络中的节点;Single Hop只能将数据包传送给邻居节点。为保障Upstream的通信质量,使用了一种链路质量评估算法来选择父节点,进而找到最佳路径形成网络。首先定义节点从邻居节点接受数据包的链路质量为RE(Receive Estimate),发送数据包到邻居节点的链路质量为SE(Send Estimate)。对于RE的计算,采用EWMA算法:
其中,alpha是EWMA因素,介于0～1。SE从邻居路由信息中获取。
其次,定义发送数据到邻居节点的消耗LC(Link Cost),邻居节点消耗NC(Neighbor’s Cost),发送消息到基站的消耗OC。NC从路由信息中获取,LC和OC算法如下:
节点选择OC值最低的邻居节点作为父节点,作为路由信息的一部分。路由更新信息每个RUI(Route Update Interval)广播一次,建立路由表,进而形成网络,如图2所示。
2)数据可靠性。
数据可靠性对于电力系统广域继电保护至关重要。本文建立的WSN采用了如下机制对数据的可靠性进行保障。
第一,XMesh路由协议具有动态拓扑组织的能力。当某节点因故障等原因而退出网络时,网络可以通过其他节点快速建立新路径完成数据的传输。
第二,采用链路质量评估算法作为父节点选择的依据,为数据选择最优传输路径,提高了节点间通信的可靠性。
第三,可以选择使用end-to-end确认机制。数据通过网络传到基站后,基站将返回一个确认信息给原始节点。
第四,采用CRC校验算法,通信接收方可以根据帧校验序列判断数据是否正确,从而指示发送方是否重发数据或者继续其他工作。
第五,可以通过健康数据包随时了解网络中节点电池电压、节点信号强度及通信链路的健康状况。如果网络健康出现状况,可以随时对网络进行调整,进而保障了通信的可靠性。
3)数据融合
感知数据常常含有大量的冗余数据,若采取一定的数据融合技术可以有效地减少数据的传输量,减少碰撞冲突现象,降低网络通信开销,节省能量和带宽,降低延时。可以采取如下数据融合技术:对数据设置阈值,只有在有效范围内的数据才进行传输;根据数据特征对数据分类,表示为一系列的特征向量进行传输;对数据进行简单的运算,判断数据的类型,传输保护需求的数据。
4)延时。
速动性是继电保护的基本要求之一,因此,降低WSN数据传输的延时是应用WSN重构继电保护通信通道的关键技术。在多跳网络中,每跳传输的延时包括载波侦听延时、退避延时、休眠延时、传输延时、传播延时、处理延时和排队延时等。本文采取如下方法降低延时:
第一,数据碰撞冲突可能导致数据破坏而被丢弃,随后数据重发增加了传输延时。ZigBee协议采用CSMA/CA算法来避免碰撞冲突,降低退避延时。
第二,取消多数WSN采用的休眠调度机制,网络中所有节点始终处于打开状态,随时可以接收转发数据包,消除了侦听与休眠转换延时。
第三,采用上文介绍的数据融合技术,降低网络载荷流量,减少了排队延时。
第四,接受信号功率随着距离的增大而下降,可以增加网络中节点的密集程度降低延时。
因此,本文搭建的WSN延时主要有两部分:载波侦听延时(tcs)和传输延时(ttx)。其中tcs由竞争窗口大小决定,ttx由信道带宽以及所采用的分组长度和编码方案决定。设n跳的延时为D(n),n跳的平均延时为:E[D(n)]=n(tcs+ttx)。多跳延时随转发节点的增加而线性增大。
另外,针对不用的应用对象和具体条件,路由节点可以采取不同的布置方式:固定安装于线路上或通过临时撒播的方式散布在监控区域内。根据路由协议,路由路径是由发送消息到基站的消耗OC决定的,而OC值的大小主要取决于节点的能量状况和节点间的距离。当节点固定安装于线路上并采用固定取能方式,如太阳能供能或小CT取能[10]时,节点能量状况不会发生变化,路由路径固定,数据传输延迟不会发生变化。当取能装置损坏、供电线路灾变或者采用撒播方式布置节点时,路由节点必须采用电池供能,考虑到节点的最大化供能时间,逐次轮休节点,切换节点路径相当重要,此时链路会发生变化,但链路变化也只限于一个路由节点被相邻OC值较低的节点替换,即载波侦听延时基本不变,而由于节点距离的改变导致传播延迟又较小,因此路径发生变化对网络整体延迟影响很小。
3 WSN实验
3.1 软件设计
无线传感器网络节点的选择决定了其软件平台,平台间的主要区别是采用了不同的处理器、无线通信协议和与应用相关的传感器。本文基于上一节的组网方案,选择MoteWork软件包作为WSN的软件测试平台。
考虑到实验的主要目的是测试传输延时,实验中取消一般的数据采集,周期性的传输预先设定的数据。因此,路由节点程序的设计是系统软件设计的关键环节,图3为其程序流程图。
3.2 实验结果及分析
图4为实验中节点布置示意图,为设置传输距离方便,路由节点采用正方形布置,正方形边长为300 m。数据传输路径由路由协议根据网络中节点通信情况自主选择。
基于图4所示网络,实验测试了不同转发跳数、不同负载率下数据传输的延时,如表1所示。
由表1结果可以看出:a)在实验采用的协议及硬件条件下,单跳延时为3 ms左右,多跳延时随转发跳数的增加而线性增大;b)随着负载的增加,传输延时有一定的增加。
4 基于WSN的继电保护仿真分析
为了更好地说明利用WSN构建广域保护紧急通信通道的可行性,仿真采用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件搭建一条长度为20 km的220 k V输电线路仿真模型,广域继电保护决策中心通过该线路基于WSN重构通信通道实现测量数据的传输。试验选取广域电流差动保护为算例,利用上一节的WSN实验数据来模拟通道数据传输延时。以下就仿真中的关键设置与结果进行说明。
1)无线传感器节点的选型与布点
无线传感器节点采用IRIS,在20 km线路沿线每隔500 m均匀布点。数据传输速率设置为250kbps,每包信息最长为73字节,其中有效数据最大支持46字节(固定27字节的协议开销)。
2)有效数据结构
仿真系统中,采样速率为每周波32点。考虑到无线传感器传输速率与每包信息长度的限制,结合表1中的实验数据,设定线路N侧每隔5 ms向M侧发送一包数据,并采用传输三相电流相量实、虚部的方案。传输有效数据结构如表2。
表2中,保护信息字包括本侧的逻辑量与控制信息;同步信息字为时标;校验码为有效数据的校验值,仿真中采用CRC循环校验码。
3)同步
常规纵联保护的同步是采用基于固定链路延时的点对点同步方案。但广域网络中,不可能采用点对点同步方式实现全网同步。随着广域同步测量技术的发展和北斗同步卫星的民用,基于卫星同步技术的全网同步方案是广域继电保护同步测量的基础。所以,本文研究差动保护不再以点对点同步方式,而是基于广域同步技术,利用两边测量信息的同步时标实现同步测量的保护计算。当然,考虑到卫星同步的可靠性,在失去卫星同步时,则利用故障时刻线路两端保护启动时刻的计数时标作为同步时标的依据。
4)差动保护方案
仿真实验配置了分相电流差动与零序电流差动保护。系统如图5所示。
分相电流差动保护的动作判据为
5)仿真结果
分别在线路的首端、中点和末端模拟不同类型的故障,再由无线传感器仿真系统传输两侧信息到对侧进行计算,以线路出口发生ABC三相短路故障为例,出口发生三相短路时三相的差流与跳闸信号如图6所示。图中线路在0.15 s时发生故障,差动保护大约于200 ms后发出跳令,其他不同类型,不同位置发生金属性故障时的仿真结果也可得到近似的保护出口时间,限于篇幅,此处不再给出其余仿真结果。
差动保护的动作时间与无线传感器的传输速率、有效传输距离、撒播方式以及线路长度等因素有关。从仿真的结果来看,采用本文选用的传感器节点构建的WSN通信通道,作为主保护的通信通道延时稍长,但作为广域继电保护,在主保护退出时,基本能够承担起主保护的任务。特别是随着无线传感技术的发展,目前已出现一些数据传输速率达到1 000 kbps的传感器节点,另外一些节点传输距离可以达到2 km,如果采用这类节点,数据传输时间可以得到进一步缩小,纵联保护动作的时间将会更快。仍以本仿真中20 km线路模型为例,纵联差动保护预计动作时间与无线传感器传输速率及传输距离间的关系如表3所示。
可以预见,随着无线传感器技术的快速发展,传感器节点的性能将得到进一步提高。WSN不仅能够紧急重构广域保护的通信通道,在极端灾变时若允许适当降低主保护动作速度,也能承担线路纵联主保护通信通道的功能。
5 结语
本文为应对电网灾变时,因电网普遍使用的通信通道中断导致主保护以致线路退出运行问题,以及导致广域继电保护无法正常工作的问题,提出并研究了利用WSN构建紧急通信通道,以临时恢复继电保护运行的技术原理和方案。
1)提出基于WSN重构广域保护通信通道的组网方案。文章介绍了WSN组网的路由协议,分析了数据的可靠性,数据融合及延时等关键技术问题,并提出了相应的解决方案。
2)构建WSN试验平台,针对继电保护关心的延时问题进行多方面测试。将测试结果应用于纵联保护仿真中,结果显示本文提出的基于WSN的紧急通信通道重构方案能够满足广域保护的需要。
摘要：电网发生极端灾变时常因OPGW光缆损坏而引起通信中断,导致线路主保护乃至线路被迫退出运行,广域保护也会发生类似问题。基于无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)技术,提出广域保护紧急通信通道的重构方案。介绍了WSN的系统结构和特点,分析了WSN在发生电网灾变时相对于传统通信方式的优势,并探讨了WSN应用于通信通道重构时的路由协议、数据可靠性,数据融合及延时等关键技术。进而结合纵联电流差动保护,测试不同负载率下的WSN传输实验,并将测试结果应用于广域保护的数字仿真中,结果显示基于WSN重构紧急通信通道能够满足广域保护的需要。在极端灾变时若允许适当降低主保护动作速度,上述方案也能为线路纵联主保护提供通信通道。
关键词：广域保护,无线传感器网络,灾变,通信通道重构,纵联保护
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紧急通道 篇2
抽考人员：徐爱玲、刘霞
过演练程：
1、手术室总台张艳接到一肝破裂紧急手术通知后，决定安排在空置的5手术
间。
2、立即通知麻醉医生做好麻醉准备，安排相关巡回护士徐爱玲和器械护士刘
霞到5手术间做好急救手术的术前准备工作。
3、巡回护士备好电刀、吸引器、输液用品、中心吸氧装置，同时准备好一切
抢救用品，洗手护士准备好大剖包器械、大剖包敷料、手术衣包、胆囊包。
4、病人入手术间后，巡回护士立即建立两组静脉通道，配合麻醉用药，插管；
洗手护士迅速开包洗手上台，尽可能缩短抢救时间，密切配合手术医生进
行手术。
5、通知支助中心负责专门取血、送标本等外援工作，保证病人在最短的时间
内得到有效的抢救。
护士长提问：
1、抢救病人时，该如何执行口头医嘱？
郭佳答：a：手术过程中执行口头医嘱用药时要当场复述两遍药品名称、剂量、用药时
间、用药途径，医生确认无误后方可执行，并做好记录。
b：保留安吧瓿至手术结束后和手术医生、麻醉医生共同核对无误后在丢弃，术后及时提醒医生补开医嘱。
2、紧急手术病人未办理相关程序能不能拒绝手术？
李梦思答 ：a:不能，手术室护士应先接待病人，相关病例资料可术后逐步补办。
b:要尽可能缩短抢救时间，挽救病人生命，不能因相关程序未办理而延缓手
紧急通道 篇3
对于高校而言,人员众多且相对较集中,这样不利于人员的疏散,给应急避难造成一定障碍。而高校建立紧急避难所的资源相当充分,按照城市应急避难场地的规划原则,操场、体育场、广场与空地均为应急避难场所的最佳选择。只要合理规划这些设施的布置,定能为避难提供有利条件。同时作为高校内的师生来讲,文化程度普遍较高,易接受地震避险知识且纪律性强,因而总体素质较高不易引起混乱,有利于转移和逃生。
2 模型建立及求解
要最大程度保障人员安全,逃生时间是关键。逃生时间=距离/逃生速度。建筑物到避难所的距离已定,速度越快,则时间越短。在突发情况中,个人的逃生速度受到两方面的影响,即前后拥挤及左右拥挤。[1]
2.1 前后拥挤方面
假设第j个人t时刻时位置处于xj(t),将坐标起点取在出口处,xj-1(t)>xj(t)。则此人的速度和加速度分别为dxjdt和d2xjdt2,第j个人与紧挨前面的第j-1个人的距离差值的绝对值和速度差值的绝对值分别为。当速度绝对差越大时,为了防止碰撞与挤压前面的人,第j个人动能越大,降低速度到停止所需的力量也越大;同理,当距离绝对差越小时,同样第j个人需要在更短的路程里将动能减低到0,所需力量也越大。因此:防止前后碰撞与挤压的反作用力正比于[2]。
2.2 左右拥挤方面
通常情况下,人群在逃生中左右所需空间小于前后所需空间,因此左右方向密度大于前后方向密度,所产生的碰撞与挤压造成一定摩擦,从而产生阻尼作用。若第j个人受到周围人群的摩擦阻尼力的大小fj>0。质量为Mj,当拥挤情况发生变化时,人能够及时反应,根据牛顿第二定律,得到
其中,A为正值常数。此时若假设紧急避难者有N个,j=2,3,…,N。式(1)为N-1个二阶常微分方程组成的方程组,未知函数为xj,j=2,3,…,N。由此可见,该方程组可用作地面上疏散逃生的模型。
如前所示,显然人员密度(包括前后密度和左右密度)直接影响逃生速度,当人员密度越大,逃生速度越低,则逃生速度是逃生人员密度的单调减函数[3]。另一方面,逃生人员越少,逃生速度越高,但逃生人员的最高速度是有界的,即人员密度值存在一个下届,在此下届时,将逃生速度上界记为um,同时设人员的前后方向线密度为ρ1,左右方向线密度为ρ2。于是逃生速度u=u(ρ1,ρ2),当ρ1,ρ2小于某临界值ρ1c,ρ2c时,u达到最大值um,即当ρ1≤ρ1c,ρ2≤ρ2c时,u(ρ1,ρ2)=um,称ρ1c和ρ2c为可自由逃生的前后和左右临界密度。另一方面,当ρ1,ρ2的值增大到一定程度,使得逃生通道阻塞,逃生人员完全不能跑动时,我们认为达到了密度的最大临界值,分别记为ρ1m和ρ2m,故u(ρ1m,ρ2m)=0。现在对式(1)两边积分,得到
其中:λj=A/Mj;Fj是fj的积分原函数,表示第j个逃生者在左右方向受到的阻尼值;αj为积分常数。如果考虑每位逃生者的前后、左右等距,第j个人的前后间距设为d1,左右间距设为d2,于是xj-1(t)-xj(t)=L+d1,而左右阻尼值与左右间隔关系为为常数。因而
利用u(ρ1,ρ2)=0定出αj然后代入(4)得到稳定平衡时疏散速度为
影响uj(ρ1,ρ2)的有两部分,(5)式右端减号前为第一项,减号后为第二项。前后拥挤对速度的影响反映为第一项。若只考虑前后拥挤,则得到不考虑左右阻尼的逃生速度为
左右拥挤对速度的影响反映为第二项
在研究疏散人员速度时,我们忽略了人员特性、建筑环境等影响因素,所以简便起见,我们增加了一个其他因素对前后、左右的综合影响效应,即对人员移动速度增加一个权重为α,β,γ。增加后得到即为疏散逃生速度方程。
在式(8)中要考虑到前后及左右方向密度,可是在实际应用中,对于这两方面的线密度很难做到观测与记录。所以这方面的数据我们利用单位面积上的人员的密度ρ=ρ1·ρ2(9)替代。实际观测中我们也发现左右密度通常大于前后密度,因此我们在式(9)中进行近似变换:其中
这种近似所需条件,在实际中基本可以得到满足。于是将式(10)代入式(8)得:
将上式写成如下形式:uj(ρ1,ρ2)=uj(ρ)=um(αA+βB+γ)
通常情况下,假设前后方向密度及左右方向密度最大值分别为ρ1m和ρ2m,即人们在前后及左右方向的间距超过该数值时则可以最大速度奔跑,前后及左右的临界密度ρ1c和ρ2c分别约为0.89人/m和1.33人/m。将该各项常数[4]代入式(12)得到:
根据观测数据拟合可得:α=0.42,β=0.027,γ=0.15[5]
综上所述,可得到人员疏散速度
式中A=1.32-0.82Ln(ρ),B=3.0-0.76ρ。
3 模型检验
以某高校为例,假设2舍有1920人,假设他们同时走出宿舍,可以计算密度ρ,其中楼层有5层,每层过道约180m,宽1.7m;楼梯有四组,宽1.3m,楼梯投影4.6m。密度:
(人/m2)。由此可见,在逃生过程中,受到最大影响即逃生时间最长的应该是从寝室到宿舍楼下这段距离,空间狭小且人员拥挤,逃生速度较低,不能达到正常速度,所以需要根据实际情况对以上模型进行改进,现在计算离操场最远的宿舍2舍的五楼到操场的逃生时间,其中楼梯的路程可以折算成楼梯投影到水平面上的路程的1.5倍,宿舍2舍距离操场约260m。
经模型计算后,可得u为0.22m/s。据实际测量,从宿舍五楼到一楼出口的距离大约为135.8m,则所需时间为613.4s,从一楼出口到操场的逃生时间约为372.5s,共计985.9s,不足17min。同理,可计算出教学楼的逃生时间,其中人数是动态变化,我们按最多人数来计算,得到宿舍区逃生时间为16.6分钟,教学区逃生时间为5.4分钟。
4 结论
该方案具有一定合理性。根据紧急避难场所区位决策支持系统建立之研究,要最大程度地保障人员的安全,则需保证人员在最高时限20min内到达紧急避难所[2],由此可见,所有宿舍到达操场的逃生时间与教学楼到操场的逃生时间均小于通常紧急避难所需的最高时限,该校的建筑合理,满足要求。同时,除了逃生时间以外,对于紧急避难所的选定还有具体的要求,根据紧急避难场所区位决策支持系统建立的紧急避难场所要求,服务范围半径:270-350米(此选择是依据台湾“9·21”大地震所观察的避难人群行为所能承受之距离以及依据避难人群流动速度来加以衡量)。规模:有效开放空间至少容纳50人以上,保证地震发生时的紧急避难是急需能够躲过危险物及火灾为主。有效避难面积:1m2/人以上,保证在紧急避难场所有适度的活动空间。该校师生约为8900人,按饱和状态计算。实测操场面积约为42000m2,有效避难面积=/人;实际广场面积18000m2,有效避难面积=m2/人。达到了一般紧急避难所要求的有效避难面积,符合要求。
摘要：有必要对避难场地进行有效的选择与规划,因地制宜,应对不同的情况设计相应的救援方案。本文对遇险时人员疏散方案进行建模与研究,通过对逃生路线与紧急避难所合理的选择,计算逃生时间,最大限度保障人员安全,根据学校具体情况,提出合理化建议。
关键词：逃生速度,人员密度,紧急避难所
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