電力自動化無線通信網絡的分析與研究

姚實穎

（四川省電力公司電網規劃中心，成都 610000）

目前，隨著電網對災難應急、配網自動化、辦公智能化等需求的提出，無線通信將以其迅速部署、不受地面限制等特點尋求到在電力系統自動化及通信中的應用。也成為電力系統構建綜合通信網非常重要的一個部分。

1.無線通信的應用

無線通信及其應用已成為當今信息科學技術最活躍的研究領域之一。其網絡一般由無線基站、無線終端及應用管理服務器等組成。

目前有數種用于電力系統自動化的無線通信技術，按照傳輸距離大致可以分為以下四種，即基于IEEE802.15的無線個域網(WPAN)、基于IEEE802.11的無線局域網 (WLAN)、基于IEEE802.16的無線城域網 (WMAN)及基于IEEE802.20的無線廣域網(WWAN)。

與傳統有線通信網絡相比,無線通信技術使遠程監控變電站具有潛在優勢,例如:節省架設電纜的費用以及通信基礎設施的快速安裝。但無線通信對電磁干擾(EMI)更敏感,通常對帶寬容量和通信設備之間的最大距離有限制。此外,由于無線通信中的無線電波在空中傳播,能發生竊聽,這對通信安全是一個威脅。電力公司使用無線通信有兩種選擇:①利用現有的公共網絡通信基礎設施,例如公共蜂窩網絡,②架設專用無線網絡。

專用無線網絡可使電力公司對其通信網絡擁有更多的控制權。但是,專用無線網絡需要大量的安裝投資及維護費用。在電力自動化中,無線通信技術已經有所應用。最近,數字蜂窩網絡的短信服務(SMS)功能已經應用于變電站的遠程控制和監視。蜂窩網絡的控制信道還應用于某些基于警報的變電站監視情形。然而,這種通信技術只適合于發送小量數據的應用,因此不能提供變電站實時監控應用所需的嚴格的服務質量(QoS)。

隨著近期無線通信及數字電子技術的進步,混合式網絡體系結構激活了可供選擇的其它可升級的無線通信系統,能夠提供自動化應用要求的嚴格的服務質量(QoS)。這些最新無線技術有:無線傳感器網絡、WiMAX網絡和無線網狀網絡。

2.用于電力自動化的無線傳感器網絡

2.1.無線自動儀表讀取(WAMR)

WAMR系統為電力行業提供了多項優勢,包括不再需要人工抄表員而降低了電力公司的運營成本,還有基于顧客的實時能量消耗的實時計價模式。WAMR系統的實時計價功能對顧客也很有益。電力公司的實時計價模式要求電力公司和顧客的儀表設備之間有可依賴的雙向通信,而WSN技術通過提供低成本低功率的無線通信有效的解決了這個要求。電力控制中心通過多跳式無線通信收集來自儀表的傳感數據,這種監控系統為電力公司提供了靈活性。總之,WAMR系統能夠為電力系統提供下列功能:①自動儀表讀取功能:WSN可以實時自動測量顧客的能量消耗。自動儀表測量還可以分為:個體儀表測量、群體儀表測量和全球儀表測量。在此,我們的目標是為電力行業提供具有各種實時監控選項的靈活管理策略。②遙測功能:電力控制中心可從智能傳感器節點獲取實時數據,控制位于配電網選定點上的某些元件,例如,控制開關的狀態。因而,配電傳感自動化能夠通過減少故障和修復時間增強電力行業的服務。③動態配置功能:在電力自動化應用中,即使網絡線路出現故障時也要保證測量的可靠性。因而,為了滿足應用的可靠性要求,動態地調整網絡配置就顯得極其重要,例如:動態的路由選擇。在這方面,WSN的自我配置能力能夠使網絡動態的重新配置。④狀態監控功能:監控儀表設備的狀態是WAMR系統的另一個功能,此功能嵌入在智能傳感器內。這一功能對于準確及時地確定網絡中傳感器節點故障會很有幫助。另外,狀態監控功能還可以應用于修改儀表設備的情形。例如,如果某人試圖破壞儀表設備,系統能夠自動通知公安局。這縮減了派出維修人員修理被破壞儀表設備的大量費用。

可以預見,隨著WAMR技術的不斷進步,這種系統不會再那么昂貴,并且會更加可靠。隨著低成本低功率無線傳感器的發明,無線RF通信是收集電力儀表數據最為節省成本的方式。

2.2.電力系統監控

設備故障、電擊、意外事故和自然災害等均會引起電力干擾和斷電,經常導致服務長期中斷。因此,電力系統應進行適當控制和監視,以便及時采取必要的預防措施。在這方面,WSN能夠為電力系統提供一種低成本的可靠的監視系統。用無線傳感器節點建設的有效監視系統能夠減少配電網故障檢測及恢復電力供應的時間。另外,電力服務的連續性在當今競爭激烈的電力市場中從顧客滿意度角度來看也是至關重要的。為評定電力系統的性能,用WSN技術可獲得幾項質量服務(QoS)指數。例如,可以計算出服務中斷的平均持續時間和平均維修時間。

2.3.無線傳感器網絡設計兩個重要的考慮

2.3.1.網絡拓撲結構和體系結構要求

傳感器網絡的拓撲結構在網絡使用壽命、路由算法、傳感器節點的通信范圍等幾個方面具有重要含義。網絡體系結構要求包括網絡的物理和邏輯組織以及傳感器節點的密度。通常,傳感器網絡的目標就是有效的覆蓋配置區域。網絡的邏輯和等級組織還影響能量消耗及通信協議的選擇。另外,根據拓撲結構的要求,傳感器網絡可以是分布式組織或者群集式組織。電力系統網絡拓撲結構和體系結構要求回答下列問題來確定:

1)何種網絡拓撲結構最適合這種應用?(是一對一、一對多、多對一還是多對多?)

2)監控網絡如何工作?(是主輔式、點對點、點對多點還是對等式?)

3)覆蓋區域內最惡劣的環境條件是什么?

4)電力系統當前和以后有多少變電站要監控?

5)是否存在已知的物理障礙物、電力線或大型感應電動機的RF干擾等潛在干擾問題?

2.3.2.應用要求

通過無線傳感器網絡傳播的必需信息應予以分類和量化。通過對電力系統自動化應用進行綜合分析來實現這些要求。下列問題可幫助電力公司確定這些要求:

1)應用的服務質量要求是什么?(要求實時監視還是容忍延遲監視?)

2)系統連續查詢信息(定期監視)還是根據異常查詢(基于事件的監視)?

3)傳感器數據的類型是什么?即:影像、聲音、數據?

電力自動化系統應綜合確定網絡拓撲結構、體系結構和應用要求,以建立最適合應用的無線傳感器網絡。全面考慮各種選擇條件以及是否適合電力公司的應用對于成功實施至關重要。

3. 用于電力自動化的WiMAX網絡和無線網狀網絡(WMN)

3.1.WiMAX和無線網狀網絡的混合式網絡體系結構的優勢

3.1.1.增加可靠性

在無線網狀區域中,無線中樞在無線連接的發送者和接收者之間提供了冗余路徑。這就排除了網絡區域內的單點故障和可能存在的瓶頸鏈接,顯著增加了通信可靠性。由于存在多重可能的可選路由,還可以保證網絡抗潛在問題的健壯性,例如:因RF干擾或障礙而產生的節點故障、路徑故障。因此,利用WMN技術,即使在出現網絡元件故障或網絡擁堵的情況下,電力公司的網絡也可長期可靠地運行。

大綱告知所有學生任課教師會在課程預定時間內按時上課，要求學生在教師開課前已在教室等候并保質保量完成課前預習任務，準備參與課堂討論。遲到者對于整個學習環境是一種干擾，遲到或早退者至少扣三分，三次遲到或早退相當于一次缺席。對于測試時遲到的學生，不允許其參加測試，直接記零分。

3.1.2.安裝成本低

由于網狀網絡只要求線路上的幾個點連接至有線網絡,因此建設無線網狀網絡可以降低基礎設施成本,并且能夠以合理費用對網絡進行改造,這一點在現今電力公司競爭激烈的環境下尤其重要。

3.1.3.較大的覆蓋區域

目前,無線局域網(WLAN)的數據速率通過應用極具效率的調制配置有所增加,例如:802.11a和802.11g為54Mbps。雖然WLAN的數據速率增加了,對于具體的傳輸功率,當來自存取點的終端用戶更多時,WLAN的覆蓋范圍和連通性都有所下降。然而,WiMAX技術可使局域控制中心與遠程控制中心之間進行遠距離通信的性能卻不會降低。因此,混合式網絡中的WiMAX骨干網可以實現自動化應用所要求的高速遠距離通信。

3.1.4.自動網絡連通

在該混合式網絡體系結構中,無線網狀區域可以動態地自我組織和自我配置。換言之,網狀網絡中的節點自動建立并保持網絡連通,這可為電力公司提供無縫多跳式互聯服務。例如,當新節點加入到網絡中時,這些節點利用其網狀功能自動發現所有可能的路由器并決定到達控制中心的最佳路徑。此外,鑒于新的可用路由,現有網狀路由器可重新組織網絡,從而能夠輕松擴展網絡。無線網狀網絡的自我配置特點對于電力系統自動化至關緊要,因為它使電力公司能夠應付由顧客需求量推動的新的連通要求。

3.2.WiMAX和無線網狀網絡的混合式體系結構的設計關鍵

3.2.1.惡劣的監視環境

在變電站,由于障礙及電力線和RF干擾引起的極其嘈雜的環境,無線鏈接表現出極為不同的時間和空間特點。為改進網絡容量,限制無線電干擾,開發通信協議時應使用先進的無線電技術,例如多輸入多輸出(MIMO)技術、多重無線電界面和智能天線。

在提出的混合式體系結構中,在符合時間臨界監視數據的截止期限的同時,設計一種有效的低成本的網絡基礎設施很重要。因此,配有昂貴的RF硬件的WiMAX塔臺,應置于配置區域的最佳位置,以便既降低基礎設施成本又滿足服務質量要求。

3.2.3.靈活性支持

需要使用低反應時間切換管理算法來支持移動設施控制器的通信服務。這樣必要時,例如發生警報時,移動設施管理器還可以本地監視系統。

3.2.4.集成不同種類網絡

現有網絡技術與不同無線網絡集成的能力有限。因此,為增強混合式網絡體系結構的性能,應改進多重無線界面的集成能力以及網絡路由器的相應網關/橋接器功能。

3.2.5.升級性

在如今競爭性的動態市場環境下,電力公司可能很快會配置新變電站、提供更大的服務請求。因此,設計的混合式網絡體系結構應能夠很好地升級,以適應由顧客需求量推動的新通信要求。

3.2.6.協調的資源管理

為對無線信道特點、爭用和通信量模式的系統變化作出有效反應,需要分布式和協作式網絡資源管理。這樣,才可以實現全系統的良好性和網絡的自我配置。

3.2.7.安全性

網絡中的阻斷服務攻擊可能會對配置的混合式網絡的運行造成嚴重損害。使用有效的加密術和密碼系統,可以解決安全性問題。為解決所有這些現有的混合式網絡體系結構的問題,從物理層到應用層的協議棧需要改進或重新創建。在這方面,需要一個跨層設計來共同優化主要網絡功能以及設計適合無線信道動態特點的通信協議集。這樣,混合式網絡體系結構才能夠快速確定服務中斷,及時恢復電力公司的服務。

4.結束語

本文的目的在于更好的理解能夠提供適應不同種類電力系統自動化應用要求的混合式網絡體系結構,為打算利用新的自動化通信技術的電力公司展示一個結構化框架,從而更加有效地做出決策。

[1]L.H.Cavdar,A solution to remote detection of illegal electricityusage via power line communications[J],IEEE Transactionson Power Delivery,2004.

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