無線傳感器網絡在電力系統中的應用

劉桐

（國家廣播電視總局五七二臺 北京 101109）

1 關于無線傳感器網絡的特點

對無線傳感器網絡而言，它將無線通信、嵌入式計算、傳感器以及分布式信息處理等技術匯聚于一身，可以對全部的對象信息進行協作性實時感知、采集與檢測，而且還可以處理數據。無線傳感器網絡屬于無線通信網絡的其中一種，它主要依靠諸多密集且廉價的智能無線傳感器節點所組成。而它的基礎設施并不固定，借助節點多跳的方式構成具有分布性的無線通信網絡。每個節點在網絡中均承擔路由與主機的功能，它們具有相同的地位。收發報文是所有傳感器節點都擁有的功能，若受范圍限制的影響導致兩個節點無法通信時，信息轉發便可借助中間節點來完成。

2 關于無線傳感器網絡的優勢

很多價位低廉的微型傳感器節點存在于監測范圍內，它們共同組成無線傳感器網絡，借助無線通信的形式構成多跳自組織網絡，圖1則是這種組織結構的示意圖。對于無線傳感器網絡的傳感器而言，它可以對壓力、噪音、濕度、溫度、光強度、土壤成分、電磁、地震以及移動物體的速度、大小與方向等多種情況進行探測。無線傳感器網絡在MEMS的無線聯網與微傳感的技術支持下會有更大的發展空間、更美好的前景。電力行業進行開發、應用具備特殊需求，這種無線、多跳、無分區、大規模、無基礎設施支持的網絡不僅符合這些需求，而且確保低成本進行電力系統監測的同時保證其準確性和及時性。

圖1 無線傳感器網絡的組織結構

3 電力系統中無線傳感器網絡的實際應用

3.1 主要傳感器和它的協作技術

國內電力系統廠站端具備嚴密的監控功能，對場站的運行狀態進行自動、實時監測，而對輸電線路的自動監測卻不夠完善，運行中的諸多問題主要通過人工巡查得以發現。而且，對輸電線路傳輸容量的控制主要依靠給定的相關參數，對實際中的運行參數無法獲取，而這些給定的參數相對較為保守，無法使傳輸能力得到充分發揮。現階段電網地網架結構依然較為薄弱，若能夠采取相應措施對輸電線路的傳輸容量進行增加，供電緊張的狀況便可得到緩解，創造更大的社會與經濟效益。目前國內開發與研究輸電線路的監測仍不成熟，不具備健全的監測系統，而電力的生產還不可直接依靠對線路的測量。在線對絕緣子泄露電流、弧垂以及電纜進行研究與監測，在國內，現階段開展的僅為極少的科研單位與廠家，其水平尚未符合開展綜合檢測。在運用特定算法的前提下，多個傳感器節點借助信息交換，然后匯總、加工并過濾數據后，最終以事件方式來實現對目標的識別、跟蹤以及測量。由此可知，關鍵傳感器的設計算法及應用決定線路運行的綜合監測。

3.2 通信以及組網

電力系統當中，檢測與監控多種開關量、電氣量以及模擬量主要依靠無線傳感器完成。所以，根據無線傳感自組網的組網以及通信，需充分結合電力系統的特點。在物理層協議中無線傳感器網絡應重點考慮。耗能低、通信效率高且可動態擴展是訪問控制層（MAC）的基本要求。根據無線傳感節點所擁有的移動特性，從而確保設計的網絡拓撲結構具有合理性、適用性。節點協調器結構被廣泛應用到現階段的研究過程中，若拓撲結構在收集節點數據信息過程中協調器故障，網絡會癱瘓，降低可靠性。

3.3 對分布式信息的處理

確保時間具備同步性是無線傳感自組網組最基本的需求，而動態變化的網絡拓撲結構以及較低的通信寬帶，無法滿足時間同步性的需求。電力系統中應創建分層分布式的處理機制，因為數據量較大，且不同數據需要不同的響應時間和傳輸質量，還要處理不同的數據，且在不同級中以及不同級之間的數據進行的協作、交互處理也是不同的。電力系統當中，為確保傳感器所獲得有意義的數據，就應與位置信息充分結合。如：若想有效分析監控變電站自動化系統開關量、電氣量等相關信息，就須知曉詳細的位置信息。電力系統中使用無線傳感器網絡不僅要符合電力系統的定位需求，分布式定位算法的設計也應低成本、低開銷。

3.4 關于融合、網絡安全

為了給監控與分析提供便利條件，廠、站的控制或調度中心可能會收到來自通過傳感器節點獲取的關于開關量、電氣量以及模擬量等相關數據。所以為確保數據互補與共享，應把無線傳感自組網與現有的電力數據通信網絡相連接。通信環節中，任務應具機密性，數據應具安全性、可靠性，避免出現非法用戶接入與數據被盜竊的現象。傳感器節點具有自身特點，一般無線傳感網發現協議需借助鄰居，將網絡初始化，不具備硬件防護措施，所以網絡時常被竊聽，嚴重的甚至受到攻擊。為此應對其節點間、分布模型的耦合性、消息認證技術、框架機密性、密鑰算法以及鑒別的完整性等進行深入研究。

3.5 對設備的供電設計進行監測

監測系統是否實用化主要體現在對裝置電子電路電源的采集。相關工作者提出了激光、太陽能加鋰電池以及微波等一系列供電方式，對供電方式的選擇需要結合實際的環境條件，從為確保供電系統的可靠性。

3.6 關于系統的功耗

硬件和軟件是造成系統功耗的關鍵原因。對硬件而言，器件的功耗要低；而對軟件而言，實現節點上的通信協議與工作模式。節點處于不同工作模式中功耗也大不相同，若能將它們充分結合，既實現了功能的發揮，也可降低資源的消耗，這點在軟件設計中著重考慮。經過對節點上所有功能模塊的研究發現，通信模塊的功耗最大。只有保證節點運算開銷低，整個節點功耗才會降低，才屬于優質的通信協議。

4 結束語

對電力故障進行檢測、定位時借助無線傳感器網絡更可靠、更簡潔。行波同步機制實現了全網同步，范圍廣、精度高、開銷低、不占用信道資源。在無線傳感器網絡的協同下，用無線傳感器網絡對電網進行檢測，從而進行實時監控。