電力自動化無線通信網(wǎng)絡(luò)的分析與研究

姚實穎

（四川省電力公司電網(wǎng)規(guī)劃中心，成都 610000）

目前，隨著電網(wǎng)對災(zāi)難應(yīng)急、配網(wǎng)自動化、辦公智能化等需求的提出，無線通信將以其迅速部署、不受地面限制等特點尋求到在電力系統(tǒng)自動化及通信中的應(yīng)用。也成為電力系統(tǒng)構(gòu)建綜合通信網(wǎng)非常重要的一個部分。

1.無線通信的應(yīng)用

無線通信及其應(yīng)用已成為當(dāng)今信息科學(xué)技術(shù)最活躍的研究領(lǐng)域之一。其網(wǎng)絡(luò)一般由無線基站、無線終端及應(yīng)用管理服務(wù)器等組成。

目前有數(shù)種用于電力系統(tǒng)自動化的無線通信技術(shù)，按照傳輸距離大致可以分為以下四種，即基于IEEE802.15的無線個域網(wǎng)(WPAN)、基于IEEE802.11的無線局域網(wǎng) (WLAN)、基于IEEE802.16的無線城域網(wǎng) (WMAN)及基于IEEE802.20的無線廣域網(wǎng)(WWAN)。

與傳統(tǒng)有線通信網(wǎng)絡(luò)相比,無線通信技術(shù)使遠(yuǎn)程監(jiān)控變電站具有潛在優(yōu)勢,例如:節(jié)省架設(shè)電纜的費用以及通信基礎(chǔ)設(shè)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(shè)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(fā)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(xiàn)有的公共網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施,例如公共蜂窩網(wǎng)絡(luò),②架設(shè)專用無線網(wǎng)絡(luò)。

專用無線網(wǎng)絡(luò)可使電力公司對其通信網(wǎng)絡(luò)擁有更多的控制權(quán)。但是,專用無線網(wǎng)絡(luò)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(shù)已經(jīng)有所應(yīng)用。最近,數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)的短信服務(wù)(SMS)功能已經(jīng)應(yīng)用于變電站的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視。蜂窩網(wǎng)絡(luò)的控制信道還應(yīng)用于某些基于警報的變電站監(jiān)視情形。然而,這種通信技術(shù)只適合于發(fā)送小量數(shù)據(jù)的應(yīng)用,因此不能提供變電站實時監(jiān)控應(yīng)用所需的嚴(yán)格的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。

隨著近期無線通信及數(shù)字電子技術(shù)的進步,混合式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)激活了可供選擇的其它可升級的無線通信系統(tǒng),能夠提供自動化應(yīng)用要求的嚴(yán)格的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。這些最新無線技術(shù)有:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、WiMAX網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

2.用于電力自動化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

2.1.無線自動儀表讀取(WAMR)

WAMR系統(tǒng)為電力行業(yè)提供了多項優(yōu)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(tǒng)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(shè)備之間有可依賴的雙向通信,而WSN技術(shù)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(shù)據(jù),這種監(jiān)控系統(tǒng)為電力公司提供了靈活性?？傊?WAMR系統(tǒng)能夠為電力系統(tǒng)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(biāo)是為電力行業(yè)提供具有各種實時監(jiān)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(jié)點獲取實時數(shù)據(jù),控制位于配電網(wǎng)選定點上的某些元件,例如,控制開關(guān)的狀態(tài)。因而,配電傳感自動化能夠通過減少故障和修復(fù)時間增強電力行業(yè)的服務(wù)。③動態(tài)配置功能:在電力自動化應(yīng)用中,即使網(wǎng)絡(luò)線路出現(xiàn)故障時也要保證測量的可靠性。因而,為了滿足應(yīng)用的可靠性要求,動態(tài)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)配置就顯得極其重要,例如:動態(tài)的路由選擇。在這方面,WSN的自我配置能力能夠使網(wǎng)絡(luò)動態(tài)的重新配置。④狀態(tài)監(jiān)控功能:監(jiān)控儀表設(shè)備的狀態(tài)是WAMR系統(tǒng)的另一個功能,此功能嵌入在智能傳感器內(nèi)。這一功能對于準(zhǔn)確及時地確定網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點故障會很有幫助。另外,狀態(tài)監(jiān)控功能還可以應(yīng)用于修改儀表設(shè)備的情形。例如,如果某人試圖破壞儀表設(shè)備,系統(tǒng)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(shè)備的大量費用。

可以預(yù)見,隨著WAMR技術(shù)的不斷進步,這種系統(tǒng)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(fā)明,無線RF通信是收集電力儀表數(shù)據(jù)最為節(jié)省成本的方式。

2.2.電力系統(tǒng)監(jiān)控

設(shè)備故障、電擊、意外事故和自然災(zāi)害等均會引起電力干擾和斷電,經(jīng)常導(dǎo)致服務(wù)長期中斷。因此,電力系統(tǒng)應(yīng)進行適當(dāng)控制和監(jiān)視,以便及時采取必要的預(yù)防措施。在這方面,WSN能夠為電力系統(tǒng)提供一種低成本的可靠的監(jiān)視系統(tǒng)。用無線傳感器節(jié)點建設(shè)的有效監(jiān)視系統(tǒng)能夠減少配電網(wǎng)故障檢測及恢復(fù)電力供應(yīng)的時間。另外,電力服務(wù)的連續(xù)性在當(dāng)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(guān)重要的。為評定電力系統(tǒng)的性能,用WSN技術(shù)可獲得幾項質(zhì)量服務(wù)(QoS)指數(shù)。例如,可以計算出服務(wù)中斷的平均持續(xù)時間和平均維修時間。

2.3.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計兩個重要的考慮

2.3.1.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和體系結(jié)構(gòu)要求

傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)使用壽命、路由算法、傳感器節(jié)點的通信范圍等幾個方面具有重要含義。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)要求包括網(wǎng)絡(luò)的物理和邏輯組織以及傳感器節(jié)點的密度。通常,傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)就是有效的覆蓋配置區(qū)域。網(wǎng)絡(luò)的邏輯和等級組織還影響能量消耗及通信協(xié)議的選擇。另外,根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的要求,傳感器網(wǎng)絡(luò)可以是分布式組織或者群集式組織。電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和體系結(jié)構(gòu)要求回答下列問題來確定:

1)何種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最適合這種應(yīng)用?(是一對一、一對多、多對一還是多對多?)

2)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)如何工作?(是主輔式、點對點、點對多點還是對等式?)

3)覆蓋區(qū)域內(nèi)最惡劣的環(huán)境條件是什么?

4)電力系統(tǒng)當(dāng)前和以后有多少變電站要監(jiān)控?

5)是否存在已知的物理障礙物、電力線或大型感應(yīng)電動機的RF干擾等潛在干擾問題?

2.3.2.應(yīng)用要求

通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳播的必需信息應(yīng)予以分類和量化。通過對電力系統(tǒng)自動化應(yīng)用進行綜合分析來實現(xiàn)這些要求。下列問題可幫助電力公司確定這些要求:

1)應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量要求是什么?(要求實時監(jiān)視還是容忍延遲監(jiān)視?)

2)系統(tǒng)連續(xù)查詢信息(定期監(jiān)視)還是根據(jù)異常查詢(基于事件的監(jiān)視)?

3)傳感器數(shù)據(jù)的類型是什么?即:影像、聲音、數(shù)據(jù)?

電力自動化系統(tǒng)應(yīng)綜合確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用要求,以建立最適合應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。全面考慮各種選擇條件以及是否適合電力公司的應(yīng)用對于成功實施至關(guān)重要。

3. 用于電力自動化的WiMAX網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(WMN)

3.1.WiMAX和無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的混合式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

3.1.1.增加可靠性

在無線網(wǎng)狀區(qū)域中,無線中樞在無線連接的發(fā)送者和接收者之間提供了冗余路徑。這就排除了網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)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(wǎng)絡(luò)抗?jié)撛趩栴}的健壯性,例如:因RF干擾或障礙而產(chǎn)生的節(jié)點故障、路徑故障。因此,利用WMN技術(shù),即使在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)元件故障或網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況下,電力公司的網(wǎng)絡(luò)也可長期可靠地運行。

大綱告知所有學(xué)生任課教師會在課程預(yù)定時間內(nèi)按時上課，要求學(xué)生在教師開課前已在教室等候并保質(zhì)保量完成課前預(yù)習(xí)任務(wù)，準(zhǔn)備參與課堂討論。遲到者對于整個學(xué)習(xí)環(huán)境是一種干擾，遲到或早退者至少扣三分，三次遲到或早退相當(dāng)于一次缺席。對于測試時遲到的學(xué)生，不允許其參加測試，直接記零分。

3.1.2.安裝成本低

由于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)只要求線路上的幾個點連接至有線網(wǎng)絡(luò),因此建設(shè)無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以降低基礎(chǔ)設(shè)施成本,并且能夠以合理費用對網(wǎng)絡(luò)進行改造,這一點在現(xiàn)今電力公司競爭激烈的環(huán)境下尤其重要。

3.1.3.較大的覆蓋區(qū)域

目前,無線局域網(wǎng)(WLAN)的數(shù)據(jù)速率通過應(yīng)用極具效率的調(diào)制配置有所增加,例如:802.11a和802.11g為54Mbps。雖然WLAN的數(shù)據(jù)速率增加了,對于具體的傳輸功率,當(dāng)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(shù)可使局域控制中心與遠(yuǎn)程控制中心之間進行遠(yuǎn)距離通信的性能卻不會降低。因此,混合式網(wǎng)絡(luò)中的WiMAX骨干網(wǎng)可以實現(xiàn)自動化應(yīng)用所要求的高速遠(yuǎn)距離通信。

3.1.4.自動網(wǎng)絡(luò)連通

在該混合式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中,無線網(wǎng)狀區(qū)域可以動態(tài)地自我組織和自我配置。換言之,網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點自動建立并保持網(wǎng)絡(luò)連通,這可為電力公司提供無縫多跳式互聯(lián)服務(wù)。例如,當(dāng)新節(jié)點加入到網(wǎng)絡(luò)中時,這些節(jié)點利用其網(wǎng)狀功能自動發(fā)現(xiàn)所有可能的路由器并決定到達(dá)控制中心的最佳路徑。此外,鑒于新的可用路由,現(xiàn)有網(wǎng)狀路由器可重新組織網(wǎng)絡(luò),從而能夠輕松擴展網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的自我配置特點對于電力系統(tǒng)自動化至關(guān)緊要,因為它使電力公司能夠應(yīng)付由顧客需求量推動的新的連通要求。

3.2.WiMAX和無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的混合式體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計關(guān)鍵

3.2.1.惡劣的監(jiān)視環(huán)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(huán)境,無線鏈接表現(xiàn)出極為不同的時間和空間特點。為改進網(wǎng)絡(luò)容量,限制無線電干擾,開發(fā)通信協(xié)議時應(yīng)使用先進的無線電技術(shù),例如多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)、多重?zé)o線電界面和智能天線。

在提出的混合式體系結(jié)構(gòu)中,在符合時間臨界監(jiān)視數(shù)據(jù)的截止期限的同時,設(shè)計一種有效的低成本的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施很重要。因此,配有昂貴的RF硬件的WiMAX塔臺,應(yīng)置于配置區(qū)域的最佳位置,以便既降低基礎(chǔ)設(shè)施成本又滿足服務(wù)質(zhì)量要求。

3.2.3.靈活性支持

需要使用低反應(yīng)時間切換管理算法來支持移動設(shè)施控制器的通信服務(wù)。這樣必要時,例如發(fā)生警報時,移動設(shè)施管理器還可以本地監(jiān)視系統(tǒng)。

3.2.4.集成不同種類網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與不同無線網(wǎng)絡(luò)集成的能力有限。因此,為增強混合式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的性能,應(yīng)改進多重?zé)o線界面的集成能力以及網(wǎng)絡(luò)路由器的相應(yīng)網(wǎng)關(guān)/橋接器功能。

3.2.5.升級性

在如今競爭性的動態(tài)市場環(huán)境下,電力公司可能很快會配置新變電站、提供更大的服務(wù)請求。因此,設(shè)計的混合式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠很好地升級,以適應(yīng)由顧客需求量推動的新通信要求。

3.2.6.協(xié)調(diào)的資源管理

為對無線信道特點、爭用和通信量模式的系統(tǒng)變化作出有效反應(yīng),需要分布式和協(xié)作式網(wǎng)絡(luò)資源管理。這樣,才可以實現(xiàn)全系統(tǒng)的良好性和網(wǎng)絡(luò)的自我配置。

3.2.7.安全性

網(wǎng)絡(luò)中的阻斷服務(wù)攻擊可能會對配置的混合式網(wǎng)絡(luò)的運行造成嚴(yán)重?fù)p害。使用有效的加密術(shù)和密碼系統(tǒng),可以解決安全性問題。為解決所有這些現(xiàn)有的混合式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的問題,從物理層到應(yīng)用層的協(xié)議棧需要改進或重新創(chuàng)建。在這方面,需要一個跨層設(shè)計來共同優(yōu)化主要網(wǎng)絡(luò)功能以及設(shè)計適合無線信道動態(tài)特點的通信協(xié)議集。這樣,混合式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)才能夠快速確定服務(wù)中斷,及時恢復(fù)電力公司的服務(wù)。

4.結(jié)束語

本文的目的在于更好的理解能夠提供適應(yīng)不同種類電力系統(tǒng)自動化應(yīng)用要求的混合式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),為打算利用新的自動化通信技術(shù)的電力公司展示一個結(jié)構(gòu)化框架,從而更加有效地做出決策。

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