智能電網輸電線路走廊通信系統

楊家全

(云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217)

智能電網輸電線路走廊通信系統

楊家全

(云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217)

針對當前輸電線路在線監測需求，提出一種高壓輸電走廊的通信方案，組建了光纖復合架空地線OPGW光網絡、2G/3G無線蜂窩網絡緊耦合的無線Mesh網絡。實現了網絡拓撲容錯、全網時鐘同步。同時，針對輸電線路環境特征，提出了無線信道分配，QoS路由，業務調度技術；該通信方式滿足了輸電走廊中對電力信息傳輸的實時性、可靠性要求。

智能電網；輸電線路；無線Mesh網；可靠性；實時性

0 前言

高壓線路構成的地理走廊具有距離跨度大、位置偏僻、線路監測點多的特點。而當前智能監測設備缺乏可用的遠程通信信道，因為輸電線路上的OPGW光纖面臨光纖開口多的工程實現性困難，而采用2G/3G無線公網又不能保障對被監測點的覆蓋。為此，本文提出了一種輸電走廊的混合通信方法。

智能化在線監控系統中，一方面智能監測設備對輸電線路進行實時監測和控制，并將采集的數據通過上行匯聚到變電站或更高等級的監控中心；另一方面，變電站向智能監控設備下行發送狀態檢修指導等數據信息。為了保障這些數據能夠盡快地，無差錯地傳遞，輸電走廊需要建成寬帶、實時、可靠、安全的通信網絡[1-2]，同時，該通信網絡應支持IEC61850和IEC61970所定義的電力業務，滿足智能監測系統的地理信息系統(geographic information system，GIS)、故障時序邏輯分析等特殊要求。

1 輸電走廊通信系統

1.1 三平面組網方式

智能電網輸電走廊中通信系統在數據傳輸面是分3個平面：光網絡平面，無線Mesh網絡平面與PLMN平面，如圖1所示，輸電線路上OPGW光纖為電力遠程調度提供了可靠的通信信道，同時也為輸電走廊上的在線監控設備提供信息接入的通信骨干網絡。無線Mesh網絡將輸電走廊上多級桿塔信息采用無線中繼方式匯聚到OPGW的信息接入點，從而減少OPGW開口次數。PLMN網絡作為OPGW骨干光網絡備份，無線Mesh網絡將信息通過2G/ 3G蜂窩無線網絡接入通信骨干網絡。

圖1 通信系統

1.1.1 網絡容錯設計

三平面組網為信息節點提供多樣化的接入通信骨干網絡選擇，可以構成多歸屬配置，從而提高了信息匯聚接入點的可靠性。另一方面，為了克服輸電桿塔上的無線中繼設備的多跳線狀組網帶來的可靠性缺陷，無線Mesh網絡在電力走廊構成網狀邏輯拓撲，為多跳中繼的無線網絡提供了冗余路徑。如下圖2所示：桿塔1～8之間，從通信鏈路在1、2、3桿塔之間構成線狀拓撲，在這樣單路徑結構中，節點2就稱為關鍵點；第二種就是在3、4、5、6之間構成環狀拓撲，這樣就有兩條路徑；第三種是在6～13、14之間形成網狀拓撲，提供多路徑冗余。

圖2 通信網絡容錯拓撲

1.1.2 網絡控制設計

上述網絡拓撲采用IEEE802.11設備的 “點對點”和 “點對多點”的簡單拓撲組成多個獨立的基本服務集 (basic service set，BSS)，而多跳無線Mesh網絡構成擴展服務集 (extended service set，ESS)，OPGW光網絡和PLMN網絡構成分布式系統 (distribution system，DS)。通過這樣簡化BSS域可以避免無線Mesh接入協議中的的隱藏和暴露終端的問題。

1.1.3 網絡同步設計

通信網絡的信息傳輸需要時鐘體系支持，而智能信息終端的業務也需要獲得通信網絡時鐘。以電力系統BITS時鐘為基準，無線Mesh網絡從OPGW光網絡提取參考時鐘，而GPS作為外基準時鐘備份。為此，無線Mesh網絡建立以骨干網關口節點為根節點，采用最少級數為原則構成動態時鐘樹，如圖3所示，同步樹中越靠近樹根的節點的時鐘等級越高。

圖3 通信網絡時鐘同步樹

1.2 無線Mesh關鍵技術

無線Mesh網絡以 (工作在2.4 GHz或5.8 GHz的公共頻段)IEEE802.11為基礎，采用多個獨立BSS服務集構建，其中通信節點之間需要實現數公里的遠程通信。為此，需要考慮功率、無線資源、協議等限制條件。

1.2.1 高增益無線技術

輸電走廊大跨度的信息傳輸需要增加傳統IEEE802.11設備的傳輸距離。輸電走廊信息節點沿桿塔呈線性分布，使用高天線增益，可以在滿足無線電管理委員會的規定條件下提高通信傳輸距離。例如：若收發側均采用增益為20 dBi，接受靈敏度為-75 dBm的定向天線時，設置發射功率為500 mW便可以提供5 km通信距離。

1.2.2 無線信道分配

無線Mesh網絡需要對無線信道資源進行合理的分配，限制無線信道之間干擾。由于無線功率限制，其有效通信距離稱為通信域，然而在超出通信域仍然會對其他通信造成干擾的區域稱之為干擾域。輸電走廊中通信系統中無線Mesh網絡的通信域與干擾域模型如圖4所示：

圖4 干擾域與通信域的模型

進行無線信道分配的基本原則就是：最大限度的利用給定的信道數目以及通信端口數目，使得在一個節點的干擾域內，互相通信的兩個節點不會產生干擾，即其通信域不會重疊。對此，結合無線Mesh網絡的拓撲，在確保無線Mesh網絡中節點連通性的情況下，給每個節點的每個接口分配一個獨立信道，抑制相鄰節點在通信時所產生的信道之間干擾。對于組成線狀拓撲的多個節點，可以對兩個通信節點之間使用多個通信接口，通過使用多條鏈路實現鏈路級的資源冗余，提高網絡可靠性。

1.2.3 無線Mesh網絡QoS路由

輸電系統從本質上來說是一種控制系統，對信息傳輸的實時性、可靠性都提出了嚴格要求。在此，通信網絡提供了綜合QoS保障措施：無線Mesh在網絡拓撲上提供QoS路由。

路由分為2個部分，第一個是根據QoS建立和維護該節點到達關口節點的最優路徑樹，第二個部分是節點根據最優路徑樹和不同業務的QoS選擇不同的路徑進行轉發。

首先，節點周期性更新整個無線網絡的鏈路狀態數據庫，包括時延，帶寬等指標。每次更新后，節點重新計算業務服務質量約束下的最優路徑樹；另外，當無線Mesh網發生異常時，上述操作將會立即進行。

以使用光網絡作為業務骨干網絡時的節點11為例，并采用時延和可用帶寬作為鏈路的業務服務質量指標 (鏈路的上的值代表時延和可用帶寬，如鏈路 (6，8)上的值為1/4，則表示該鏈路的時延為1，可用帶寬為4)，假設得到如圖5所示的鏈路狀態圖：

圖5 網絡部分鏈路狀態圖

通過計算得到，節點11到達關口7和16的最優路徑樹如圖6所示

圖6 最優路徑樹

然后節點對內部的不同QoS要求的業務根據最佳路徑的原則，從最優路徑樹中選擇出最佳路徑，由圖6可知：

節點11和節點7之間的時延為5，節點11與節點7之間的可用帶寬為2。節點11和節點16之間的時延為7，節點11與節點16之間的可用帶寬為3。因此，將所有從節點11發出的對時延敏感的業務通過節點7到達光網絡，對帶寬敏感的業務通過節點16到達光網絡，實現網絡流量的均衡傳輸。

1.2.4 無線Mesh網絡調度

通常的通信調度中，依據信息的實時性、可靠性，在信息入口點將業務分為不同的優先級，從而獲得有區別的通信服務。然而，無線Mesh網絡由于內部多跳傳輸，如：一些低優先級業務由于中繼跳數短而實際獲得更高優先級服務。為此，需要動態調整信息的優先級。例如：控制類業務優先級最高 (標記為4)，其次為集抄數據業務優先級 (標記為3)，監控視頻類業務最低 (標記為2)。在無線Mesh網絡中可以根據已傳輸跳數h動態調整在多跳傳輸中的優先級Priority，對于不同的承載業務采用不同的策略：

即是對于控制類業務和集抄類業務，其在無線Mesh網絡中每經過一跳，其優先級權值也相應加1，但是集抄業務的最高優先級卻沒有控制業務高，以實現對控制類業務的保障；對于一般的視頻業務的優先級權值不變。

節點根據優先級權值和業務最大可容忍時延限制進行調度，先對優先級權值最大的業務進行調度，當權值相同時，根據業務最大可容忍時延限制不同，優先調度最早到達截止期限的業務，以保障業務的實時性要求。

1.2.5 無線Mesh網絡同步算法

精準的頻率同步能夠減小因為時鐘不一致而引起的丟包。從骨干網獲得時鐘經過無線Mesh網絡傳遞構成主從同步，為此具備上級時鐘的通信設備周期性地發送信標幀，如圖7所示。低等級的通信節點在接收到有效信標后，將首先更新其時間戳值，如式 (1)所示：

其中：Tnew是更改定時器后信標幀中的時間戳值；Tstamp是信標幀中原有的時間戳；Dphy2mac是從物理層傳輸到MAC層所需要的時延；Dreceive是節點完整接受一個幀所需要的時間；Trange是測距得到的節點之間傳輸時延。

隨后節點將Tnew設置為本地時間，然后將信標幀向下級節點發送過去，通過該種方式得到的定時精度可確定在 ±0.01%以內。

圖7 同步時信標幀

2 無線Mesh網絡性能

文中所設計的無線Mesh網絡由多個獨立的“點對點”和 “點對多點”的基本服務集組成，限制了BSS中的無線接入競爭數目，從而提高了網絡吞吐量。由于通信設備之間距離遠大于IEEE802.11無線局域網規定，因此需要分析這種通信方式的性能。

2.1 數據接入概率分析

IEEE802.11設備采用CSMA/CA接入方式，其數據接入成功概率取決于參與接入競爭的通信設備數量以及設備之間的距離。設SIFS=10 μs，Slottime= 20 μs，DIFS = 50 μs，即符合IEEE802.11g標準定義，假設在網絡中存在著n個相互競爭的設備，令這些節點之間的通信距離相等D=6 km，所以在節點與節點之間的傳輸時延如式 (2)所示：

某一個時刻能夠成功發送數據的概率是從其發送數據的那個時刻起的時間σ內，其他節點不能發送任何數據。因通信設備成功發送數據的條件是在其發送數據的前后兩個時隙均沒站點，其他n-1個節點均沒有發送數據，為此，可以得到數據成功發送的概率如式 (3)所示：

其中，τ為發送數據的前后連個時隙。

2.2 點對點傳輸的性能

在輸電線路上，無線Mesh的BSS域主要采用定向天線實現點對點的通信，且多跳匯聚后將制約根節點帶寬，并增加時延為此需要開展性能分析

2.2.1 長距離傳輸吞吐量

在兩個通信設備構成的點對點接入中，任意兩個節點之間的吞吐量S可由式 (4)計算：

其中R表示數據傳輸速率，DATA是為數據包中數據的有效載荷，ES為平均時隙長度。

2.2.2 長距離點對點傳輸時延

信息傳輸時延主要由通信設備處理時延和信號傳輸時延組成。前者是設計中需要考慮的主要因素。由狀態圖得到在通信設備在進行退避產生的時延的數學期望是進入每個退避狀態的概率乘于對應狀態的退避時隙數的期望。

為此，得到本次分析中，進行成功傳輸時的退避延時的期望如式 (5)所示：

因此得到通信設備之間的平均傳輸時延=退避延時+空閑延時+傳輸延時+碰撞超時產生的延時，即式 (6)所示：

通過以上的分析可以得到節點之間的傳輸距離為6 km時，節點之間的時延和吞吐量的數學近似表達式。分析表明隨著通信距離的增加，節點之間發送數據產生碰撞的概率也增加，從而使得時延增加，網絡吞吐量減小，這個結果在網絡的每個節點都產生大量的數據時表現很明顯。

3 網絡仿真

仿真平臺采用opnet，仿真中無線參數設置如表1所示：

表1 仿真中無線參數設置

本次通過對以下3中場景進行仿真：

1)節點距離為10 m的點對點網絡；

2)節點距離為5 km的點對點網絡；

3)節點之間最遠相距5 km，如圖1所示的Mesh網絡。

通過改變節點的負載得到網絡的時延，MAC接入時延 (MAC delay)和全網吞吐量，最終仿真結果如圖8、9、10所示：

其中圖8是3個場景的 MAC接入時延(MAC delay)和時延 (delay)的對比；圖9是兩種點對點網絡下的吞吐量對比；圖10是組成如圖1所示的無線Mesh網的吞吐量和網絡負載關系：

圖8 3種場景下時延與接入時延

圖9 2個點對點場景下的網絡吞吐量

圖10 無線Mesh網絡的網絡吞吐量

由以上仿真結果可知，當節點之間的距離由10 m變成5 km時，網絡的性能有一定程度的下降，節點的極限負載由14 Mbps下降到6 Mbps，從時延的對比也能知道，節點負載為5 Mbps時，網絡的時延急劇上升。當節點的負載達到6 Mbps時，網絡已經無法處理所有產生的數據包，部分數據包已經開始被丟棄，網絡的吞吐量達到極限。

對所組成的無線Mesh網，在節點的負載為2 Mbps時，網絡的時延是毫秒級的，完全能夠滿足一路監測視頻的傳輸，整個網絡是可靠的。

當節點的負載上升到3.5 Mbps時，網絡中的Mesh網絡部分開始達到極限，而在線狀網絡部分中仍未達到性能極限，因此隨著節點的負載的增加，網絡的整體吞吐量仍然在緩慢增加，直到節點的負載是10 M時達到性能的極限，然而在這個過程中，節點丟棄了大量的數據，因此并不可靠。

從以上結果可以知道組建無線Mesh網絡能夠完全保證實時性和可靠性的情況下實現對每個節點的視頻監測和控制。

4 結束語

本文提出一種適用于工業信息走廊的無線通信方式，組建了與光網絡、PLMN網絡和無線Mesh網緊耦合的三平面通信組網方案。

提供了鏈路和拓撲上的容錯方式，增強了系統可靠性，并針對電力系統的業務特征，提出保障其業務可靠性，實時性的策略，包括QoS路由，業務調度和網絡同步方式。對后對該種組網方式的性能進行了分析和仿真。

[1] 梁芝賢，邱小耕，安然.智能電網對通信的影響與需求[J].電力系統通信，2010，31(215)：1-4.

[2] 黃新波，劉家兵，王向利，喻華玉.基于GPRS網絡的輸電線路絕緣子污穢在線遙測系統 [J].電力系統自動化.2004，28(21)：92-95.

[3] 傅正財，吳斌，黃憲東，忻永良.基于 GSM網絡的輸電線路故障在線監測系統 [J].高電壓技術 .2007，33 (5)：69-72.

[4] 王梓，宋國旺，李民.3G在智能電網自動化系統驗收中的應用 [J].電力系統通信.2011，32(228)：78-81.

[5] 王陽光，尹項根，游大海，等.基于無線傳感器網絡的電力設施冰災實時監測與預警系統 [J].電網技術，2009，33(7)：14-19.

[6] 王炫，李紅，叢琳.基于無線通信和光通信的高壓輸電線路監測系統 [J].電網技術，2009，33(18)：198-203.

[7] IEEE-SA Standards Board.IEEE Std 802.11 81 36 BE34-2007. Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications[S].USA：IEEE，2007.

[8] IEEE-SA Standards Board.IEEE Std 802.16j-2009，Part 16：Air Interface for Broadband Wireless Access Systems Amendment 1：Multiple Relay Specification[S] .USA：IEEE，2009.

[9] IEEE-SA Standards Board.IEEE Std 802.11g-2003，Part 11：Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)specifications，Amendment 4：Further Higher Data Rate Extension in the 2.4 GHz Band[S].USA：IEEE，2003.

[10] Masaaki Tanaka，Daisuke Umehara，Masahiro Morikura.New Throughput Analysis of Long-Distance IEEE 802.1Wireless Communication System for Smart Grid[J].Communication Networks for Smart Grid(IEEE SmartGridComm)：90-95.

[11] G.Bianchi.Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function[J].IEEE J.Sel.Areas Commun.2000，18(3)：535-547.

Study of Communication System for Transmission Line in Smart Grid

YANG Jiaquan
(Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China)

To fit the requirements of on-line monitor of transmission line，a suggestion of communication system in High Voltage Transmission Line is proposed in this paper.Set up a wireless Mesh network which is tight coupling with optical network made up by OPGW and wireless cellular network known as 2G/3G.Achieved the network topology fault-tolerant，unified the time in the whole network.At the same time，to adapt the physical feature of transmission line，raised such as wireless resource allocation，QoS routing and schedule of services，this communication system can meet the requirements of power information transfer in Transmission Line in real-time and reliability.

smart grid；transmission line；wireless Mesh network；reliability；real-time

TM76

B

1006-7345(2015)03-0094-05

2015-01-09

楊家全 (1978)，男，高級工程師，云南電網有限責任公司電力科學研究院，從事自動化專業工作 (e-mail)yjquan99＠163.com。