智能電網應急通信中無線自組織網絡的接入技術研究

劉 芳，胡立章，王亞靜，董正坤，趙小萌，趙劭康，何冰洋

(國網河北省電力有限公司信息通信分公司，石家莊 050021)

智能電網應急通信中無線自組織網絡的接入技術研究

劉 芳，胡立章，王亞靜，董正坤，趙小萌，趙劭康，何冰洋

(國網河北省電力有限公司信息通信分公司，石家莊 050021)

概述智能電網應急通信系統的主要特點，通過詳細闡述無線自組織網絡的基本概念、工作原理和性能特點，說明無線自組織網絡適合作為智能電網應急通信系統的末端子網，最后重點討論利用無線自組織網絡搭建智能電網應急通信系統末端子網的三種拓撲結構、組網方案及性能對比，為智能電網應急通信系統中應用無線自組織網絡提供理論支撐。

智能電網；應急通信；無線自組網；混合組網；網絡架構

隨著“互聯網+”技術的不斷推動，能源互聯網[1-2]依托風能、太陽能、生物能等大量可再生能源，結合現代信息通信技術，形成了物理電網與信息處理緊密融合的智能電網系統。其中分布式能源、微網的迅速發展在提升能源網絡多樣性的同時也提高了電網配置與管理的復雜度，這對電網安全運行提出了新的要求。面對地震、洪災、冰凍、雨雪等自然災害或應急事件，如何提升智能電網的健壯性對電力應急通信系統提出了新的考驗。電網應急通信系統是在電力系統生產過程中因自然災害或應急事件而導致電力通信中斷時，綜合利用各種通信資源，在最短的時間內，搭建一種暫時的、快速響應的特殊通信機制，從而最大限度地減少緊急事件造成的影響及損失。

智能電網應急通信系統的主要特點體現在以下6個方面[3-5]：

a. 時間緊急性：緊急事件發生的準確時間無法事先預計，因此智能電網應急通信系統的建立具有特殊的緊急性。

b. 組網及時性：智能電網系統本身或者局部發生重大異常時，能夠迅速構建應急網絡, 降低影響范圍和時間。

c. 地點不確定性：因應急事件發生的地點具有不確定性，建立智能電網應急通信系統需要考慮區域地理特征的差異對應急通信系統的影響。

d. 通信業務多樣性：應急系統要求能夠適配多種鏈路的異構通信，保證語音、數據和視頻圖像等業務的傳輸。

e. 高度自主性：應急事件多發生在信息封閉區域內，因此要求智能電網應急通信系統能夠快速自組成網，與外界搭建聯絡通道，并保證應急事件現場的內部通信。

f. 網絡安全性：應急系統在正常運行基礎上，需要考慮系統安全問題，保證在緊急事件中能夠有效防范外界攻擊。

1 無線自組織網絡

無線自組織網絡[6]是由一組帶有無線收發裝置的移動節點組成的一個多跳的臨時性自治系統，網絡中的移動節點具有路由和報文轉發功能，可以通過無線連接構成任意的網絡拓撲。這種網絡可以獨立成網，也可以連接互聯網或移動網絡。當沒有任何預先建設的通信基礎設施可依賴，或者原有通信基礎設施已經被損毀失去效用時，采用無線自組織網絡是一種優選的解決方案。

無線自組織網絡由多個移動節點組成，所有移動節點的地位平等，沒有移動通信系統基站或無線局域網中接入點等類似基礎設施存在。無線自組織網絡的移動節點最重要的特征是具有路由功能，這使得它們可以在沒有基礎設施的條件下，經過“多跳”形成一個覆蓋較大區域的無線通信網絡，因此適合構建智能電網應急通信系統。典型的無線自組織網絡如圖1所示。

圖1 無線自組織網絡結構

每個節點都具有主機和路由器2種功能。當源節點和目的節點不能直接通信時，可以利用中間節點轉發實現節點多跳通信。因此，無線自組織網絡又被稱為多跳無線網絡。無線自組織網絡具有獨立組網、部署快速、動態拓撲、擴展性強、支持高速移動、與異質網絡實現互聯等特點，能夠有效滿足電力應急通信系統中時間緊急性、組網及時性、地點不確定性、通信業務多樣性、高度自主性和網絡安全性等要求，所以，無線自組織網絡適合作為智能電網應急通信系統的末端子網。

2 無線自組網接入智能電網應急網絡的技術研究

隨著智能電網的發展和分布式能源的入網，以衛星通信、移動通信、互聯網通信等技術為主的傳統電力應急通信系統在末端組網中缺少靈活性和便攜性。無線自組織網絡能夠在現場復雜的環境下快速構建起穩定的通信網絡，并將現場信息通過接口送至遠端傳輸系統，為前沿應急通信隊伍提供快速部署的通信手段，從而有效地彌補傳統電力應急通信系統在末端組網中的不足，將其與其他通信手段聯合使用，可以互相協作，優勢互補，更好的滿足電力應急通信系統快速部署、使用方便、可擴展性強、適應復雜地形環境等任務要求。

無線自組織網絡與傳統電力應急通信系統互聯，無線自組織網絡支持現場視頻回傳及語音通信業務，并可以利用接入安全技術、業務權限認證及VPN技術解決新型智能電網應急通信系統異構網絡的安全問題。以下討論3種無線自組織網絡接入傳統電力應急通信系統的互聯方案。

2.1 與公共移動網絡混合組網的電網應急接入技術

智能電網應急通信系統的末端利用無線自組織網絡與移動網絡混合組網，可以充分發揮自組織網絡的動態拓撲、高效擴展和快速移動等特性。在這種混合網絡中，靠近基站的移動節點需要同時具有無線自組織網絡模式和移動網絡網關模式[7]，移動節點之間通信可以利用自組織網絡模式，通過多跳轉發來實現。移動節點與電力專網通信，需要通過距離基站較近的移動節點作為自組織網絡的網關進行轉發，利用公共移動網絡與電力專網的接口達到自組織網絡移動節點與電力專網信息交互的目的，如圖2所示。

為了實現自組織網絡的內部通信，移動節點除了需要存儲地理位置和節點狀態等基本信息外，還需要根據信道質量和路由跳數維護自組織網絡多跳路由表，用于查找和選定到達基站的最優路由，并定期更新維護路由表。為了提供更有效的通信服務保障，具有網關功能的移動節點應該管理自組織網絡節點地址與外部全局路由地址的映射關系。

2.2 與衛星通信網絡混合組網的電網應急接入技術

因衛星通信網絡具有組網靈活、覆蓋能力強、距離不敏感、抗災能力強[8-9]等特點，在應急通信系統中已經得到廣泛應用。無線自組織網絡與衛星通信網絡混合組網，作為智能電網應急通信系統的接入網絡，可以充分發揮無線自組織網絡和衛星通信網絡的方便性、靈活性和移動性，滿足各種不同業務的需求。

圖2 無線自組織網絡和移動網絡建立智能 電網應急通信接入網絡拓撲

無線自組織網絡與衛星通信網絡混合組網建立智能電網應急通信接入網絡如圖3所示，移動節點之間自組成網，通過多跳的形式實現信息轉發[10]。衛星通信網絡作為無線自組織網絡的骨干網，移動節點通過衛星轉發訪問電力專網，實現應急通信。

圖3 無線自組織網絡與衛星通信網絡建立智能電網 應急通信接入網絡拓撲

無線自組織網絡與衛星通信網絡混合組網的信息流程是，無線自組織網絡中的移動節點將數據轉發給網關節點，網關節點通過衛星通信便攜設備的發射器發送到約定的衛星轉發器上，轉發至中心站的電力專網。

2.3 與互聯網混合組網的電網應急接入技術

無線自組織網絡與互聯網建立基于移動子網的通信方案，將無線自組織網絡看成互聯網的一個子網，通過動態地址分配方式[11]，連接無線自組織網絡和互聯網的網關節點，能夠區分無線自組織網絡內部和外部節點。同時網關節點承擔邊緣路由器功能，既支持無線自組織網絡中對等式路由協議又支持互聯網中的層次式路由協議。無線自組織網絡內部的數據傳送采用無線自組織網絡的路由機制，而用IP路由機制決定哪些數據包應該發送或者傳出無線自組織網絡。無線自組織網絡與互聯網建立的智能電網應急通信接入網絡拓撲如圖4所示。

圖4 無線自組織網絡與互聯網建立智能電網 應急通信接入網絡拓撲

無線自組織網絡由內部的移動節點和邊緣的網關節點組成，網關節點是內部移動節點和外部通信的橋梁。移動自組織網絡內部采用AODV路由協議來建立移動節點之間的路由。AODV路由協議是一個典型的反應式路由協議，通過定期廣播HELLO報文維護路由表信息。

移動節點通過AODV路由協議與網關節點建立路由通道，網關節點工作在網關模式下，判斷移動節點的路由請求是否在自組織網絡的網段內，如果在自組織網絡的網段內，則此時不需要開啟網關功能，只需按照AODV路由協議處理該路由請求即可。

如果發現此次尋找地址不在自組織網絡的網段內，則網關節點啟動默認網關功能，分別執行路由請求應答和地址轉換功能，從而建立內部移動節點和外部電力專網的路由。至此，任何從外部專網送至內部移動節點的數據都可以利用AODV路由協議建立的路由進行傳輸，到達網關節點，通過網關節點的轉發，內部移動節點發送至電力專網中節點的鏈路順利建立，數據可以成功從內部移動節點到達電力專網。

2.4 3種混合組網接入網絡性能對比分析

3種混合組網方式均適用于復雜環境下快速構建通信應急網絡，其中無線自組織網絡和公共移動網絡混合組網可以保證應急通信子網網關良好的移動性，但是通信質量受惡劣環境下公共移動網絡設備損壞程度影響較大，公共移動網絡設備嚴重損壞時，不適用此種異構網絡。無線自組織網絡和衛星通信網絡混合組網可以覆蓋特殊環境地區，受災程度對異構網絡組網及通信質量影響較小，但是網絡不夠靈活且系統管理較為復雜。無線自組織網絡與互聯網混合組網可以提供高帶寬、高穩定性的服務，適合突發情況下的野外會議以及外部場景下的臨時通信，但是網絡的覆蓋范圍受地理因素制約且移動性有限。

3 結束語

提出無線自組織網絡與移動網絡、衛星網絡和互聯網分別混合組建智能電網應急通信接入網絡的3種拓撲結構及方案，無線自組織網絡的獨立組網、部署快速、動態拓撲、可擴展性強、支持高速移動、能夠與異質網絡實現互聯等特點，能夠有效滿足智能電網應急通信系統末端子網時間緊急性、組網及時性、地點不確定性、通信業務多樣性、高度自主性和網絡安全性等要求，所以，無線自組織網絡與現有基礎網絡建立可靠、高效、健壯的異構網絡適合作為智能電網應急通信系統的末端子網。異構網絡自組織網關節點設計過程中存在切換靈活、接入安全及輕量便攜等要求，在未來設計及實現過程中還需進一步優化完善。由于無線自組織網絡應用于智能電網應急通信系統尚是一個新課題，希望在拓展智能電網應急通信系統建設思路方面能夠起到拋磚引玉的作用。

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Research of Wireless Ad Hoc Network Access Technology in Smart Grid Emergency Communication System

Liu Fang,Hu Lizhang,Wang Yajing,Dong Zhengkun,Zhao Xiaomeng,Zhao Shaokang,He Bingyang

(State Grid Hebei Electric Power Company Co.Ltd. Information and Telecommunication Branch, Shijiazhuang 050021, China)

This paper first discusses the main characteristics of smart grid emergency communication system,then expounds basic concept,working principle and performance characteristics of the wireless ad hoc network in detail.The fact proves that wireless ad hoc network is appropriate as the end of the subnet in smart grid emergency communication system.Finally it focuses on three kinds of topology structures,schemes and performance that use wireless ad hoc network as the end of the subnet in smart grid emergency communication system.This paper provides theoretical support for the application of wireless ad hoc network in the smart grid emergency communication system.

smart grid;emergency communication;wireless Ad hoc network;hybrid networking;network architecture

2017-06-14

劉 芳(1986-)，女，工程師，主要從事電力系統通信及應急通信方面的研究工作。

TN929.5

A

1001-9898(2017)06-0022-03

本文責任編輯：靳書海