無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)淺析

徐德明，尹星光

(1.惠州學(xué)院電子科學(xué)系，廣東 惠州 516015;2.南方電網(wǎng)惠州供電局，廣東 惠州 516001)

1 引言

隨著無線通信、集成電路、傳感器以及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)等技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，低成本、低功耗、多功能的微型傳感器的大量生產(chǎn)成為可能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線電通信形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域里被監(jiān)測對象的信息，并發(fā)送給觀察者［1－3］。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)的不斷成熟，其應(yīng)用已經(jīng)由軍事國防領(lǐng)域擴(kuò)展到環(huán)境監(jiān)測、交通管理等諸多領(lǐng)域，使人們在任何時間、任何地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下都能夠獲取大量翔實(shí)可靠地信息，最終成為一種“無處不在”的傳感技術(shù)［4］。然而，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用卻發(fā)展的較慢，究其原因，固然有客觀因素存在的影響，如老式電力系統(tǒng)自動化程度不高、改造系統(tǒng)工程巨大等等，但是電力系統(tǒng)應(yīng)用的特殊性也阻礙了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的推廣。筆者試著將電力系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理，以方便工程技術(shù)人員有目的、有計(jì)劃進(jìn)行攻關(guān)，加快無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用的步伐。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 關(guān)鍵傳感器及其協(xié)作技術(shù)

當(dāng)前我國電力系統(tǒng)的廠站端已有功能強(qiáng)大的監(jiān)控系統(tǒng)，能夠自動監(jiān)測廠站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，但對分布范圍較廣的輸電線路卻缺乏有效的自動監(jiān)測手段，還是靠人工巡線方式來發(fā)現(xiàn)線路運(yùn)行中的問題。另外，由于不能取得輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，調(diào)度人員往往只能通過事先給定的參數(shù)控制輸電線路的傳輸容量，此給定容量趨于保守，不能充分發(fā)揮輸電線路的輸送能力。目前，在電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱的情況下，如果能通過適當(dāng)措施增加現(xiàn)有輸電線路的輸送容量，將有助于解決電力供應(yīng)緊張的問題，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。我國關(guān)于輸電線路監(jiān)測的研究和開發(fā)尚處于起步階段，缺乏完整的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)，線路測量還不能直接指導(dǎo)電力生產(chǎn)。目前國內(nèi)只有少數(shù)廠家和科研單位進(jìn)行了絕緣子泄漏電流［5，6］、電纜［7］、弧垂［8］的在線監(jiān)測研究，還沒有達(dá)到綜合監(jiān)測的水平。單個的傳感器節(jié)點(diǎn)往往不能完成對目標(biāo)的測量、跟蹤和識別，而需要多個傳感器節(jié)點(diǎn)采用一定的算法通過交換信息，對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、匯總和過濾，并以事件的形式得到最終結(jié)果［9］。因此，對輸電線路運(yùn)行狀態(tài)的綜合監(jiān)測在于關(guān)鍵傳感器應(yīng)用及其算法設(shè)計(jì)。

2.2 通信與組網(wǎng)

在電力系統(tǒng)中，無線傳感器主要用來完成各種電氣量、開關(guān)量、模擬量等的監(jiān)控和檢測，因此，基于電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的無線傳感自組網(wǎng)的通信和組網(wǎng)，應(yīng)該充分考慮電力系統(tǒng)本身的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)基于電力系統(tǒng)場合下能長期使用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物理層協(xié)議需要考慮的關(guān)鍵問題。無線傳感自組網(wǎng)媒體訪問控制(MAC)層要求低能耗、低通信延遲和可以動態(tài)擴(kuò)展?？紤]電力系統(tǒng)背景下分析無線傳感節(jié)點(diǎn)的移動特性，設(shè)計(jì)相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前很多研究都采用節(jié)點(diǎn)—協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)，但這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)匯集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息的協(xié)調(diào)器發(fā)生故障時，整個網(wǎng)絡(luò)將陷入癱瘓，故網(wǎng)絡(luò)可靠性下降。

2.3 分布式信息處理

無線傳感自組網(wǎng)必須保證時間的同步性，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信帶寬較低，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化，傳統(tǒng)的時間同步機(jī)制難以適用。需要研究滿足電力系統(tǒng)時間同步精度低通信開銷的時間同步機(jī)制。由于電力系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量大，不同類型的數(shù)據(jù)要求傳輸質(zhì)量、響應(yīng)時間都不同，而且需要進(jìn)行不同的數(shù)據(jù)處理，單元級、域級、廠站級之內(nèi)和之間的數(shù)據(jù)需要不同的交互和協(xié)作處理，這就需要建立有效的分層分布式處理機(jī)制。在電力系統(tǒng)中，只有結(jié)合位置信息，傳感器獲取的數(shù)據(jù)才有實(shí)際意義。例如，在變電站綜合自動化系統(tǒng)中，電氣量、開關(guān)量等數(shù)據(jù)信息只有確切知道具體位置信息，才能有效地進(jìn)行分析監(jiān)控。在滿足電力系統(tǒng)定位要求的前提下，設(shè)計(jì)低開銷、低成本的分布式定位算法，也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵課題之一［10］。

2.4 電力通信網(wǎng)絡(luò)的融合和網(wǎng)絡(luò)安全

從傳感器節(jié)點(diǎn)獲取到的電氣量、開關(guān)量、模擬量等數(shù)據(jù)，可能需要上傳到廠、站控制中心或者調(diào)度中心，以便分析和監(jiān)控。因此，需要將無線傳感自組網(wǎng)接入到現(xiàn)有電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到數(shù)據(jù)的共享和互補(bǔ)。電力信息數(shù)據(jù)在通信過程中，必須保證任務(wù)執(zhí)行的機(jī)密性、數(shù)據(jù)產(chǎn)生的可靠性和數(shù)據(jù)產(chǎn)生的安全性，防止數(shù)據(jù)被竊聽或者非法用戶接入。由于傳感器節(jié)點(diǎn)本身的特點(diǎn)，無線傳感網(wǎng)通常是通過簡單的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議來初始化網(wǎng)絡(luò)，而且通常沒有采用硬件防護(hù)措施，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)易于被竊聽，甚至被攻擊。這就需要研究無線傳感自組網(wǎng)框架的機(jī)密性、消息認(rèn)證技術(shù)、完整性鑒別、密鑰算法及其分布模型、節(jié)點(diǎn)間的耦合性等。

2.5 監(jiān)測設(shè)備的供電設(shè)計(jì)

采集裝置電子電路的電源獲取是監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)用化必須解決的一個關(guān)鍵問題。一些學(xué)者和開發(fā)人員提出了多種供電方式，如利用太陽能加上鋰電池來供電、激光供電、微波供電、利用特制TA在線取能等［11］。根據(jù)實(shí)際環(huán)境條件合理選擇供電方式，將大大提升供電系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性。

2.6 功耗

系統(tǒng)的功耗主要有兩方面的原因:一方面是硬件，要選擇功耗低的器件;另一方面是軟件，包括節(jié)點(diǎn)上的工作模式和通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。由器件的物理特性決定的，節(jié)點(diǎn)在休眠、喚醒、工作等不同的工作模式下的功耗差別非常大，怎樣把這些不同的工作模式有機(jī)的組合起來，使其既能有效地完成需要實(shí)現(xiàn)的功能，又能最大限度地少消耗本來就不多的能源，是軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)要考慮的問題。仔細(xì)研究節(jié)點(diǎn)上的每個功能模塊可以發(fā)現(xiàn)，通信模塊是節(jié)點(diǎn)上功耗最大的部分，一個好的通信協(xié)議應(yīng)該簡單有效，使得節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算開銷盡量的小，這樣，可以大大降低整個節(jié)點(diǎn)的功耗。

3 結(jié)束語

本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電力系統(tǒng)應(yīng)用需解決的關(guān)鍵技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方案簡便易行、成本低廉，可以很好地解決有線通信方式布線難度大、成本高、不易維護(hù)和升級等問題，具有較高的組網(wǎng)靈活性和傳輸可靠性。隨著技術(shù)的不斷提升，將在電力系統(tǒng)領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展。

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