智能電網(wǎng)輸電線路走廊通信系統(tǒng)

楊家全

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217)

智能電網(wǎng)輸電線路走廊通信系統(tǒng)

楊家全

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217)

針對當(dāng)前輸電線路在線監(jiān)測需求，提出一種高壓輸電走廊的通信方案，組建了光纖復(fù)合架空地線OPGW光網(wǎng)絡(luò)、2G/3G無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)緊耦合的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)。實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙蒎e、全網(wǎng)時鐘同步。同時，針對輸電線路環(huán)境特征，提出了無線信道分配，QoS路由，業(yè)務(wù)調(diào)度技術(shù)；該通信方式滿足了輸電走廊中對電力信息傳輸?shù)膶崟r性、可靠性要求。

智能電網(wǎng)；輸電線路；無線Mesh網(wǎng)；可靠性；實時性

0 前言

高壓線路構(gòu)成的地理走廊具有距離跨度大、位置偏僻、線路監(jiān)測點多的特點。而當(dāng)前智能監(jiān)測設(shè)備缺乏可用的遠(yuǎn)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(xiàn)性困難，而采用2G/3G無線公網(wǎng)又不能保障對被監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)中，一方面智能監(jiān)測設(shè)備對輸電線路進行實時監(jiān)測和控制，并將采集的數(shù)據(jù)通過上行匯聚到變電站或更高等級的監(jiān)控中心；另一方面，變電站向智能監(jiān)控設(shè)備下行發(fā)送狀態(tài)檢修指導(dǎo)等數(shù)據(jù)信息。為了保障這些數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)[1-2]，同時，該通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)支持IEC61850和IEC61970所定義的電力業(yè)務(wù)，滿足智能監(jiān)測系統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)(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(tǒng)

1.1 三平面組網(wǎng)方式

智能電網(wǎng)輸電走廊中通信系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸面是分3個平面：光網(wǎng)絡(luò)平面，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)平面與PLMN平面，如圖1所示，輸電線路上OPGW光纖為電力遠(yuǎn)程調(diào)度提供了可靠的通信信道，同時也為輸電走廊上的在線監(jiān)控設(shè)備提供信息接入的通信骨干網(wǎng)絡(luò)。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)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(shù)。PLMN網(wǎng)絡(luò)作為OPGW骨干光網(wǎng)絡(luò)備份，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)將信息通過2G/ 3G蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)接入通信骨干網(wǎng)絡(luò)。

圖1 通信系統(tǒng)

1.1.1 網(wǎng)絡(luò)容錯設(shè)計

三平面組網(wǎng)為信息節(jié)點提供多樣化的接入通信骨干網(wǎng)絡(luò)選擇，可以構(gòu)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(shè)備的多跳線狀組網(wǎng)帶來的可靠性缺陷，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)在電力走廊構(gòu)成網(wǎng)狀邏輯拓?fù)?，為多跳中繼的無線網(wǎng)絡(luò)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(gòu)成線狀拓?fù)?，在這樣單路徑結(jié)構(gòu)中，節(jié)點2就稱為關(guān)鍵點；第二種就是在3、4、5、6之間構(gòu)成環(huán)狀拓?fù)洌@樣就有兩條路徑；第三種是在6～13、14之間形成網(wǎng)狀拓?fù)?，提供多路徑冗余?/p>

圖2 通信網(wǎng)絡(luò)容錯拓?fù)?/p>

1.1.2 網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計

上述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎肐EEE802.11設(shè)備的 “點對點”和 “點對多點”的簡單拓?fù)浣M成多個獨立的基本服務(wù)集 (basic service set，BSS)，而多跳無線Mesh網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成擴展服務(wù)集 (extended service set，ESS)，OPGW光網(wǎng)絡(luò)和PLMN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成分布式系統(tǒng) (distribution system，DS)。通過這樣簡化BSS域可以避免無線Mesh接入?yún)f(xié)議中的的隱藏和暴露終端的問題。

1.1.3 網(wǎng)絡(luò)同步設(shè)計

通信網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸需要時鐘體系支持，而智能信息終端的業(yè)務(wù)也需要獲得通信網(wǎng)絡(luò)時鐘。以電力系統(tǒng)BITS時鐘為基準(zhǔn)，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)從OPGW光網(wǎng)絡(luò)提取參考時鐘，而GPS作為外基準(zhǔn)時鐘備份。為此，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)建立以骨干網(wǎng)關(guān)口節(jié)點為根節(jié)點，采用最少級數(shù)為原則構(gòu)成動態(tài)時鐘樹，如圖3所示，同步樹中越靠近樹根的節(jié)點的時鐘等級越高。

圖3 通信網(wǎng)絡(luò)時鐘同步樹

1.2 無線Mesh關(guān)鍵技術(shù)

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)以 (工作在2.4 GHz或5.8 GHz的公共頻段)IEEE802.11為基礎(chǔ)，采用多個獨立BSS服務(wù)集構(gòu)建，其中通信節(jié)點之間需要實現(xiàn)數(shù)公里的遠(yuǎn)程通信。為此，需要考慮功率、無線資源、協(xié)議等限制條件。

1.2.1 高增益無線技術(shù)

輸電走廊大跨度的信息傳輸需要增加傳統(tǒng)IEEE802.11設(shè)備的傳輸距離。輸電走廊信息節(jié)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(guī)定條件下提高通信傳輸距離。例如：若收發(fā)側(cè)均采用增益為20 dBi，接受靈敏度為-75 dBm的定向天線時，設(shè)置發(fā)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(wǎng)絡(luò)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(qū)域稱之為干擾域。輸電走廊中通信系統(tǒng)中無線Mesh網(wǎng)絡(luò)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(shù)目以及通信端口數(shù)目，使得在一個節(jié)點的干擾域內(nèi)，互相通信的兩個節(jié)點不會產(chǎn)生干擾，即其通信域不會重疊。對此，結(jié)合無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?，在確保無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點連通性的情況下，給每個節(jié)點的每個接口分配一個獨立信道，抑制相鄰節(jié)點在通信時所產(chǎn)生的信道之間干擾。對于組成線狀拓?fù)涞亩鄠€節(jié)點，可以對兩個通信節(jié)點之間使用多個通信接口，通過使用多條鏈路實現(xiàn)鏈路級的資源冗余，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。

1.2.3 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)QoS路由

輸電系統(tǒng)從本質(zhì)上來說是一種控制系統(tǒng)，對信息傳輸?shù)膶崟r性、可靠性都提出了嚴(yán)格要求。在此，通信網(wǎng)絡(luò)提供了綜合QoS保障措施：無線Mesh在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖咸峁㏎oS路由。

路由分為2個部分，第一個是根據(jù)QoS建立和維護該節(jié)點到達關(guān)口節(jié)點的最優(yōu)路徑樹，第二個部分是節(jié)點根據(jù)最優(yōu)路徑樹和不同業(yè)務(wù)的QoS選擇不同的路徑進行轉(zhuǎn)發(fā)。

首先，節(jié)點周期性更新整個無線網(wǎng)絡(luò)的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，包括時延，帶寬等指標(biāo)。每次更新后，節(jié)點重新計算業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量約束下的最優(yōu)路徑樹；另外，當(dāng)無線Mesh網(wǎng)發(fā)生異常時，上述操作將會立即進行。

以使用光網(wǎng)絡(luò)作為業(yè)務(wù)骨干網(wǎng)絡(luò)時的節(jié)點11為例，并采用時延和可用帶寬作為鏈路的業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量指標(biāo) (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(shè)得到如圖5所示的鏈路狀態(tài)圖：

圖5 網(wǎng)絡(luò)部分鏈路狀態(tài)圖

通過計算得到，節(jié)點11到達關(guān)口7和16的最優(yōu)路徑樹如圖6所示

圖6 最優(yōu)路徑樹

然后節(jié)點對內(nèi)部的不同QoS要求的業(yè)務(wù)根據(jù)最佳路徑的原則，從最優(yōu)路徑樹中選擇出最佳路徑，由圖6可知：

節(jié)點11和節(jié)點7之間的時延為5，節(jié)點11與節(jié)點7之間的可用帶寬為2。節(jié)點11和節(jié)點16之間的時延為7，節(jié)點11與節(jié)點16之間的可用帶寬為3。因此，將所有從節(jié)點11發(fā)出的對時延敏感的業(yè)務(wù)通過節(jié)點7到達光網(wǎng)絡(luò)，對帶寬敏感的業(yè)務(wù)通過節(jié)點16到達光網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的均衡傳輸。

1.2.4 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)調(diào)度

通常的通信調(diào)度中，依據(jù)信息的實時性、可靠性，在信息入口點將業(yè)務(wù)分為不同的優(yōu)先級，從而獲得有區(qū)別的通信服務(wù)。然而，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)由于內(nèi)部多跳傳輸，如：一些低優(yōu)先級業(yè)務(wù)由于中繼跳數(shù)短而實際獲得更高優(yōu)先級服務(wù)。為此，需要動態(tài)調(diào)整信息的優(yōu)先級。例如：控制類業(yè)務(wù)優(yōu)先級最高 (標(biāo)記為4)，其次為集抄數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級 (標(biāo)記為3)，監(jiān)控視頻類業(yè)務(wù)最低 (標(biāo)記為2)。在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中可以根據(jù)已傳輸跳數(shù)h動態(tài)調(diào)整在多跳傳輸中的優(yōu)先級Priority，對于不同的承載業(yè)務(wù)采用不同的策略：

即是對于控制類業(yè)務(wù)和集抄類業(yè)務(wù)，其在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中每經(jīng)過一跳，其優(yōu)先級權(quán)值也相應(yīng)加1，但是集抄業(yè)務(wù)的最高優(yōu)先級卻沒有控制業(yè)務(wù)高，以實現(xiàn)對控制類業(yè)務(wù)的保障；對于一般的視頻業(yè)務(wù)的優(yōu)先級權(quán)值不變。

節(jié)點根據(jù)優(yōu)先級權(quán)值和業(yè)務(wù)最大可容忍時延限制進行調(diào)度，先對優(yōu)先級權(quán)值最大的業(yè)務(wù)進行調(diào)度，當(dāng)權(quán)值相同時，根據(jù)業(yè)務(wù)最大可容忍時延限制不同，優(yōu)先調(diào)度最早到達截止期限的業(yè)務(wù)，以保障業(yè)務(wù)的實時性要求。

1.2.5 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)同步算法

精準(zhǔn)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(wǎng)獲得時鐘經(jīng)過無線Mesh網(wǎng)絡(luò)傳遞構(gòu)成主從同步，為此具備上級時鐘的通信設(shè)備周期性地發(fā)送信標(biāo)幀，如圖7所示。低等級的通信節(jié)點在接收到有效信標(biāo)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(biāo)幀中的時間戳值；Tstamp是信標(biāo)幀中原有的時間戳；Dphy2mac是從物理層傳輸?shù)組AC層所需要的時延；Dreceive是節(jié)點完整接受一個幀所需要的時間；Trange是測距得到的節(jié)點之間傳輸時延。

隨后節(jié)點將Tnew設(shè)置為本地時間，然后將信標(biāo)幀向下級節(jié)點發(fā)送過去，通過該種方式得到的定時精度可確定在 ±0.01%以內(nèi)。

圖7 同步時信標(biāo)幀

2 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)性能

文中所設(shè)計的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)由多個獨立的“點對點”和 “點對多點”的基本服務(wù)集組成，限制了BSS中的無線接入競爭數(shù)目，從而提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。由于通信設(shè)備之間距離遠(yuǎn)大于IEEE802.11無線局域網(wǎng)規(guī)定，因此需要分析這種通信方式的性能。

2.1 數(shù)據(jù)接入概率分析

IEEE802.11設(shè)備采用CSMA/CA接入方式，其數(shù)據(jù)接入成功概率取決于參與接入競爭的通信設(shè)備數(shù)量以及設(shè)備之間的距離。設(shè)SIFS=10 μs，Slottime= 20 μs，DIFS = 50 μs，即符合IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)定義，假設(shè)在網(wǎng)絡(luò)中存在著n個相互競爭的設(shè)備，令這些節(jié)點之間的通信距離相等D=6 km，所以在節(jié)點與節(jié)點之間的傳輸時延如式 (2)所示：

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

其中，τ為發(fā)送數(shù)據(jù)的前后連個時隙。

2.2 點對點傳輸?shù)男阅?/p>

在輸電線路上，無線Mesh的BSS域主要采用定向天線實現(xiàn)點對點的通信，且多跳匯聚后將制約根節(jié)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(shè)備構(gòu)成的點對點接入中，任意兩個節(jié)點之間的吞吐量S可由式 (4)計算：

其中R表示數(shù)據(jù)傳輸速率，DATA是為數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)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(shè)備處理時延和信號傳輸時延組成。前者是設(shè)計中需要考慮的主要因素。由狀態(tài)圖得到在通信設(shè)備在進行退避產(chǎn)生的時延的數(shù)學(xué)期望是進入每個退避狀態(tài)的概率乘于對應(yīng)狀態(tài)的退避時隙數(shù)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(shè)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(chǎn)生的延時，即式 (6)所示：

通過以上的分析可以得到節(jié)點之間的傳輸距離為6 km時，節(jié)點之間的時延和吞吐量的數(shù)學(xué)近似表達式。分析表明隨著通信距離的增加，節(jié)點之間發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞的概率也增加，從而使得時延增加，網(wǎng)絡(luò)吞吐量減小，這個結(jié)果在網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點都產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)時表現(xiàn)很明顯。

3 網(wǎng)絡(luò)仿真

仿真平臺采用opnet，仿真中無線參數(shù)設(shè)置如表1所示：

表1 仿真中無線參數(shù)設(shè)置

本次通過對以下3中場景進行仿真：

1)節(jié)點距離為10 m的點對點網(wǎng)絡(luò)；

2)節(jié)點距離為5 km的點對點網(wǎng)絡(luò)；

3)節(jié)點之間最遠(yuǎn)相距5 km，如圖1所示的Mesh網(wǎng)絡(luò)。

通過改變節(jié)點的負(fù)載得到網(wǎng)絡(luò)的時延，MAC接入時延 (MAC delay)和全網(wǎng)吞吐量，最終仿真結(jié)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(wǎng)絡(luò)下的吞吐量對比；圖10是組成如圖1所示的無線Mesh網(wǎng)的吞吐量和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載關(guān)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(wǎng)絡(luò)吞吐量

圖10 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量

由以上仿真結(jié)果可知，當(dāng)節(jié)點之間的距離由10 m變成5 km時，網(wǎng)絡(luò)的性能有一定程度的下降，節(jié)點的極限負(fù)載由14 Mbps下降到6 Mbps，從時延的對比也能知道，節(jié)點負(fù)載為5 Mbps時，網(wǎng)絡(luò)的時延急劇上升。當(dāng)節(jié)點的負(fù)載達到6 Mbps時，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法處理所有產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包，部分?jǐn)?shù)據(jù)包已經(jīng)開始被丟棄，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量達到極限。

對所組成的無線Mesh網(wǎng)，在節(jié)點的負(fù)載為2 Mbps時，網(wǎng)絡(luò)的時延是毫秒級的，完全能夠滿足一路監(jiān)測視頻的傳輸，整個網(wǎng)絡(luò)是可靠的。

當(dāng)節(jié)點的負(fù)載上升到3.5 Mbps時，網(wǎng)絡(luò)中的Mesh網(wǎng)絡(luò)部分開始達到極限，而在線狀網(wǎng)絡(luò)部分中仍未達到性能極限，因此隨著節(jié)點的負(fù)載的增加，網(wǎng)絡(luò)的整體吞吐量仍然在緩慢增加，直到節(jié)點的負(fù)載是10 M時達到性能的極限，然而在這個過程中，節(jié)點丟棄了大量的數(shù)據(jù)，因此并不可靠。

從以上結(jié)果可以知道組建無線Mesh網(wǎng)絡(luò)能夠完全保證實時性和可靠性的情況下實現(xiàn)對每個節(jié)點的視頻監(jiān)測和控制。

4 結(jié)束語

本文提出一種適用于工業(yè)信息走廊的無線通信方式，組建了與光網(wǎng)絡(luò)、PLMN網(wǎng)絡(luò)和無線Mesh網(wǎng)緊耦合的三平面通信組網(wǎng)方案。

提供了鏈路和拓?fù)渖系娜蒎e方式，增強了系統(tǒng)可靠性，并針對電力系統(tǒng)的業(yè)務(wù)特征，提出保障其業(yè)務(wù)可靠性，實時性的策略，包括QoS路由，業(yè)務(wù)調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)同步方式。對后對該種組網(wǎng)方式的性能進行了分析和仿真。

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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(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，從事自動化專業(yè)工作 (e-mail)yjquan99＠163.com。