電力自動化背景下的混合式通信網絡體系結構研究

陳廂

摘 要：該文以電力自動化的通信網絡為研究對象，提出將整體通信系統設計為混合式網絡體系結構，論文分別探討了基于Internet的虛擬專用網絡、無線通信網絡、用于電力自動化的無線傳感器網絡和用于電力自動化的WiMAX網絡和無線網狀網絡（WMN），分析了各種網絡的優勢和應用要求，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：電力 無線網絡 漏洞 自動化 解決方案

中圖分類號：TM77 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（a）-0023-02

現代通信技術的發展激活了可靠的遠程控制系統，它能夠監控電力系統的實時運行狀態和性能。這些通信技術可分成四類，即：電力線通信、衛星通信、光纖通信及無線通信。每種通信技術都有其自己的優缺點，必須對這些優缺點進行評估以確定應用于電力自動化的最佳通信技術。

考慮電力自動化的通信需求時，Internet可提供一種可供選擇的通信網絡，以其現有的通信基礎設施以節省成本的方式對變電站進行遠程控制和監視。考慮個體通信能力以及電力系統基礎設施的位置時，將整體通信系統考慮為如圖1所示的混合式網絡體系結構筆者認為是合適的。

由于低成本的數據通信網絡是自動化應用的核心，該文描述了該混合式網絡體系結構的機遇和挑戰，尤其詳細說明了Internet VPN、電力線通信、衛星通信和無線通信（無線傳感器網絡、WiMAX網絡和無線網狀網絡）。我們的目的在于為打算應用新的自動化通信技術的電力公司展示一個結構化框架，從而更加有效直接地做出決策。

1 基于Internet的虛擬專用網絡

目前Internet VPN技術為電力系統的遠程監控提供了一種可供選擇的低成本的高速通信核心網絡。該解決方案應提供下列基本性能屬性。

（1）服務質量（QoS）：由于因特網的數據通信主要是基于最佳服務范例，因此因特網技術本身并不能保證電力應用要求的極其嚴格的服務質量要求。在這方面，Internet VPN技術的QoS性能則能夠保證關鍵任務的優先化或延遲敏感流量以及在各種網絡流量條件下通過共享的網絡基礎設施來解決網絡擁堵。（2）可靠性：通信網絡應能夠長期連續運行，既使是網絡元件出現故障或是網絡擁堵。為此，通信網絡的設計應使得所有工作條件下沒有損耗并能得體的解決故障。因此，Internet VPN技術應能夠以一種可靠及時的方式為自動化應用傳輸數據。（3）升級性：由于變電站和遠程設備的數量很大而且增長迅速，通信系統必須能夠在不以指數規律增加通信網絡運行次數的情況下處理極大的網絡拓撲結構。因而，所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的通信要求。（4）健壯性：為避免由于網絡流量條件變化而劣化通信性能，向Internet VPN之虛擬鏈接分配帶寬的定尺度過程不僅要根據主要帶寬需求矩陣，還要根據其它可能的帶寬需求矩陣，在網絡定尺度過程中要提供一個安全限度，避免擁堵。當以目前的網絡流量無法避免網絡擁堵時，應堵塞低優先級非關鍵的數據流量，以便最為關鍵的數據能以保證的服務質量傳輸。這樣，可以應用高優先級數據的額外帶寬實現關鍵數據的實時通信，這對于電力系統的報警尤其重要。（5）安全性：即支持遠程控制中心與現場設備之間安全通信的能力，使通信免受外部阻斷服務的攻擊和入侵。因此，Internet VPN必須提供能越過現有共享因特網中樞的安全數據傳輸，能保護敏感數據，使其成為越過共享網絡的機密。

2 無線通信

最電力系統“最后一里”連接可選的通信技術有：電力線通信、衛星通信、光纖通信、無線通信。以下介紹無線通信的應用。目前有數種用于電力系統自動化的無線通信技術。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他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。

3 用于電力自動化的無線傳感器網絡

3.1 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。endprint

3.2 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。

3.3 無線傳感器網絡的設計考慮

要將無線傳感器網絡技術應用于電力自動化中，開發既能支持現有功能又能支持未來電力系統新的運營要求的低成本的無線傳感器網絡，有兩個重要的考慮。

3.3.1 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？

3.3.2 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。

4 用于電力自動化的WiMAX網絡和無線網狀網絡（WMN）

無線網狀網區域：在前面提出的混合式網絡體系結構中，無線網狀網在電力公司各用戶之間構成一個充分連接的無線網絡。與傳統無線網絡不同，每個無線網狀區域可以動態的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性。這種特點為電力公司帶來許多益處，例如先期成本低、網絡維護簡單、健壯性以及可靠的服務覆蓋范圍。另外，使用先進的無線電技術，例如多重無線電界面和智能天線，網絡容量能大幅增加。WiMAX骨干網：局域控制中心與遠程控制中心之間必要的遠距離通信（達50公里）用微波存取全球互通（即WiMAX）技術提供。隨著WiMAX技術的加入，網絡中樞的容量可增加至75Mbps。另外，WiMAX為點對多點無線網絡提供了一種標準化通信技術，即IEEE802.16標準。這使得不同廠商之間的產品可以互通，這正是電力公司另一個重要關注所在。

4.1 WiMAX和無線網狀網絡的混合式網絡體系結構的優勢

（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。（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）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。（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。

4.2 WiMAX和無線網狀網絡的混合式體系結構的設計關鍵

盡管混合式網絡體系結構能夠為廣泛配置用于電力自動化應用的高速無線通信提供一種經濟可行的解決方案，但使用現有通信協議進行的現場試驗表明混合式網絡體系結構的表現仍遠遠低于預期。因此，需要開發用于混合式網絡體系結構的新通信協議，許多開放研究問題有待解決。

（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。（2）WiMAX塔臺的最佳放置：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）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。（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。（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。（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。（7）安全：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。

5 結語

該文的目的在于更好的理解能夠提供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。

參考文獻

[1] 王倬.配電自動化中的通信網絡研究.武漢大學學報：工學版，2013，5（28）：423-426.

[2] 李巖.電力系統自動化中數據通信方案[J].電力系統自動化，2011，28（14）：76-81.

[3] 朗兵，趙曉榮.基于GPRS的配電網遠程監控系統的實現方法[J].電氣應用，2007，1（26）：38-41.endprint