無線傳感器網絡在電力系統應用中的關鍵技術淺析

徐德明，尹星光

(1.惠州學院電子科學系，廣東 惠州 516015;2.南方電網惠州供電局，廣東 惠州 516001)

1 引言

隨著無線通信、集成電路、傳感器以及微機電系統(MEMS)等技術的飛速發展和日益成熟，低成本、低功耗、多功能的微型傳感器的大量生產成為可能。無線傳感器網絡就是由部署在監測區域內大量的微型傳感器節點通過無線電通信形成的一個多跳的自組織網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域里被監測對象的信息，并發送給觀察者［1－3］。隨著無線傳感器網絡理論與技術的不斷成熟，其應用已經由軍事國防領域擴展到環境監測、交通管理等諸多領域，使人們在任何時間、任何地點和任何環境條件下都能夠獲取大量翔實可靠地信息，最終成為一種“無處不在”的傳感技術［4］。然而，無線傳感器網絡在電力系統中的應用卻發展的較慢，究其原因，固然有客觀因素存在的影響，如老式電力系統自動化程度不高、改造系統工程巨大等等，但是電力系統應用的特殊性也阻礙了無線傳感器網絡的推廣。筆者試著將電力系統應用的關鍵技術進行梳理，以方便工程技術人員有目的、有計劃進行攻關，加快無線傳感器網絡在電力系統中實際應用的步伐。

2 關鍵技術

2.1 關鍵傳感器及其協作技術

當前我國電力系統的廠站端已有功能強大的監控系統，能夠自動監測廠站設備的運行狀態，但對分布范圍較廣的輸電線路卻缺乏有效的自動監測手段，還是靠人工巡線方式來發現線路運行中的問題。另外，由于不能取得輸電線路的運行狀態參數，調度人員往往只能通過事先給定的參數控制輸電線路的傳輸容量，此給定容量趨于保守，不能充分發揮輸電線路的輸送能力。目前，在電網網架結構薄弱的情況下，如果能通過適當措施增加現有輸電線路的輸送容量，將有助于解決電力供應緊張的問題，帶來巨大的經濟和社會效益。我國關于輸電線路監測的研究和開發尚處于起步階段，缺乏完整的輸電線路監測系統，線路測量還不能直接指導電力生產。目前國內只有少數廠家和科研單位進行了絕緣子泄漏電流［5，6］、電纜［7］、弧垂［8］的在線監測研究，還沒有達到綜合監測的水平。單個的傳感器節點往往不能完成對目標的測量、跟蹤和識別，而需要多個傳感器節點采用一定的算法通過交換信息，對所獲得的數據進行加工、匯總和過濾，并以事件的形式得到最終結果［9］。因此，對輸電線路運行狀態的綜合監測在于關鍵傳感器應用及其算法設計。

2.2 通信與組網

在電力系統中，無線傳感器主要用來完成各種電氣量、開關量、模擬量等的監控和檢測，因此，基于電力系統網絡的無線傳感自組網的通信和組網，應該充分考慮電力系統本身的特點。設計基于電力系統場合下能長期使用的無線傳感器網絡是物理層協議需要考慮的關鍵問題。無線傳感自組網媒體訪問控制(MAC)層要求低能耗、低通信延遲和可以動態擴展。考慮電力系統背景下分析無線傳感節點的移動特性，設計相適應的網絡拓撲結構。目前很多研究都采用節點—協調器結構，但這種拓撲結構負責匯集節點數據信息的協調器發生故障時，整個網絡將陷入癱瘓，故網絡可靠性下降。

2.3 分布式信息處理

無線傳感自組網必須保證時間的同步性，而無線傳感器網絡的通信帶寬較低，網絡拓撲結構動態變化，傳統的時間同步機制難以適用。需要研究滿足電力系統時間同步精度低通信開銷的時間同步機制。由于電力系統中數據量大，不同類型的數據要求傳輸質量、響應時間都不同，而且需要進行不同的數據處理，單元級、域級、廠站級之內和之間的數據需要不同的交互和協作處理，這就需要建立有效的分層分布式處理機制。在電力系統中，只有結合位置信息，傳感器獲取的數據才有實際意義。例如，在變電站綜合自動化系統中，電氣量、開關量等數據信息只有確切知道具體位置信息，才能有效地進行分析監控。在滿足電力系統定位要求的前提下，設計低開銷、低成本的分布式定位算法，也是無線傳感器網絡在電力系統中應用的關鍵課題之一［10］。

2.4 電力通信網絡的融合和網絡安全

從傳感器節點獲取到的電氣量、開關量、模擬量等數據，可能需要上傳到廠、站控制中心或者調度中心，以便分析和監控。因此，需要將無線傳感自組網接入到現有電力數據通信網絡，達到數據的共享和互補。電力信息數據在通信過程中，必須保證任務執行的機密性、數據產生的可靠性和數據產生的安全性，防止數據被竊聽或者非法用戶接入。由于傳感器節點本身的特點，無線傳感網通常是通過簡單的鄰居發現協議來初始化網絡，而且通常沒有采用硬件防護措施，導致網絡易于被竊聽，甚至被攻擊。這就需要研究無線傳感自組網框架的機密性、消息認證技術、完整性鑒別、密鑰算法及其分布模型、節點間的耦合性等。

2.5 監測設備的供電設計

采集裝置電子電路的電源獲取是監測系統實用化必須解決的一個關鍵問題。一些學者和開發人員提出了多種供電方式，如利用太陽能加上鋰電池來供電、激光供電、微波供電、利用特制TA在線取能等［11］。根據實際環境條件合理選擇供電方式，將大大提升供電系統應用的可靠性。

2.6 功耗

系統的功耗主要有兩方面的原因:一方面是硬件，要選擇功耗低的器件;另一方面是軟件，包括節點上的工作模式和通信協議的實現。由器件的物理特性決定的，節點在休眠、喚醒、工作等不同的工作模式下的功耗差別非常大，怎樣把這些不同的工作模式有機的組合起來，使其既能有效地完成需要實現的功能，又能最大限度地少消耗本來就不多的能源，是軟件設計重點要考慮的問題。仔細研究節點上的每個功能模塊可以發現，通信模塊是節點上功耗最大的部分，一個好的通信協議應該簡單有效，使得節點的運算開銷盡量的小，這樣，可以大大降低整個節點的功耗。

3 結束語

本文介紹了無線傳感器網絡技術在電力系統應用需解決的關鍵技術。無線傳感器網絡方案簡便易行、成本低廉，可以很好地解決有線通信方式布線難度大、成本高、不易維護和升級等問題，具有較高的組網靈活性和傳輸可靠性。隨著技術的不斷提升，將在電力系統領域有著廣闊的發展。

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