基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的緊急保護(hù)通道重構(gòu)方案研究

段英，余斌，寧春海，向?yàn)?，朱維鈞，黃華林

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司株洲供電分公司，湖南 株洲412000；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙410007；3.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司邵陽(yáng)供電分公司，湖南 邵陽(yáng)422000；4.湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410004)

0 引言

線路的縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)利用通信通道將線路本側(cè)的電流波形或者代表電流相量的信號(hào)傳送到對(duì)側(cè)，根據(jù)兩端電流波形或電流相量和的特征確定是否動(dòng)作，能夠根據(jù)被保護(hù)元件各端電流向量關(guān)系正確地判別區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障，從而有選擇、快速地切除全線路任一點(diǎn)的短路，具有天然選相功能，而且不受系統(tǒng)震蕩的影響，因此成為高壓線路主保護(hù)的首選[1-2]。電流差動(dòng)保護(hù)依賴線路兩端電流信息的交換，實(shí)現(xiàn)信息交換的通道從最初的導(dǎo)引線[3]，發(fā)展到后來(lái)的電力線載波[4]，再到目前廣泛部署的光纖通信[5]，無(wú)論是通信的速度還是可靠性都有本質(zhì)上的提升。

受地震、臺(tái)風(fēng)、冰災(zāi)等自然災(zāi)害的影響，縱聯(lián)保護(hù)通信通道受損，保護(hù)無(wú)法動(dòng)作。2008年年初，我國(guó)南方大部分地區(qū)遭遇嚴(yán)重冰雪災(zāi)害，覆冰載荷過(guò)重致使電網(wǎng)出現(xiàn)大量斷線、倒塔事故，OPGW光纜被破壞引起通信中斷使得電流差動(dòng)保護(hù)通道失效，導(dǎo)致多條電壓線路主保護(hù)退出運(yùn)行，嚴(yán)重危及主網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[6]。線路保護(hù)裝置利用內(nèi)置的距離保護(hù)作為線路差動(dòng)保護(hù)的備用[7-8]，在通信通道故障時(shí)能保證故障的可靠切除，但其存在無(wú)法全線速動(dòng)、不具絕對(duì)選擇性的缺點(diǎn)。因此，需要重構(gòu)緊急保護(hù)通道，恢復(fù)電流差動(dòng)保護(hù)功能。

保護(hù)通道的重構(gòu)是指當(dāng)通信通道中斷時(shí)，重新構(gòu)建一條新的傳輸通道，目前主要有兩種思路:一是利用災(zāi)變后的健全通信通道建立迂回傳輸通道；二是采用其他的通信方式重新構(gòu)建傳輸通道。針對(duì)后者，文獻(xiàn)[9]利用公用通信網(wǎng)構(gòu)建緊急通道，通過(guò)GPS對(duì)時(shí)信號(hào)或增加光纖距離保護(hù)原理使光纖電流差動(dòng)保護(hù)裝置在緊急期間仍能保護(hù)線路，但公用通信網(wǎng)普遍采用自愈保護(hù)且延時(shí)無(wú)法保證，光纖電流差動(dòng)保護(hù)無(wú)法適用，僅能恢復(fù)光纖距離保護(hù)，并存在數(shù)據(jù)安全問(wèn)題，自然災(zāi)害引起的倒塔還可能導(dǎo)致基站失電造成數(shù)據(jù)無(wú)法轉(zhuǎn)發(fā)。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)具有布置便捷、自組織、無(wú)固定基站等優(yōu)點(diǎn)，適用于應(yīng)急通信，本文提出利用WSN構(gòu)建緊急保護(hù)通道，可以在主保護(hù)通道失效后承擔(dān)線路兩端的電流數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，維系電流差動(dòng)保護(hù)的功能。

1 WSN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組分布在被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有采集、計(jì)算、通信的能力，分布布置于目標(biāo)區(qū)域中[10-12]。傳感器節(jié)點(diǎn)以逐跳轉(zhuǎn)發(fā)的方式把采集到的數(shù)據(jù)傳送至其他節(jié)點(diǎn)，在傳輸路途中數(shù)據(jù)信息或許會(huì)被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，匯聚節(jié)點(diǎn)收到信息直接上傳到網(wǎng)關(guān)進(jìn)行計(jì)算處理并據(jù)此發(fā)送控制命令給保護(hù)裝置。圖1為WSN應(yīng)用于繼電保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 應(yīng)用于繼電保護(hù)的WSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，WSN在構(gòu)建繼電保護(hù)通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)主要由采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)格四部分組成。采集節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)經(jīng)路由器轉(zhuǎn)發(fā)，由匯聚節(jié)點(diǎn)匯聚信息并經(jīng)網(wǎng)關(guān)送至保護(hù)裝置。

2 基于WSN重構(gòu)電流差動(dòng)緊急保護(hù)通道

2.1 研究思路

電力系統(tǒng)中，輸電線路是一條狹長(zhǎng)的“帶子”，且一般為架空導(dǎo)線，考慮兩個(gè)變電站之間的電流差動(dòng)保護(hù)，極端災(zāi)變情況下，光纖通信通道被破壞，電流差動(dòng)保護(hù)無(wú)法保護(hù)線路，利用完好的通信通道提供一條臨時(shí)的迂回通信通道以傳輸主保護(hù)信息是一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的方案。但是，迂回通信通道的路徑變長(zhǎng)和跳數(shù)增多會(huì)增加消息傳輸?shù)臅r(shí)延和降低信息的準(zhǔn)確度。此外，迂回通道的帶寬必須要滿足緊急保護(hù)信息的傳輸要求，否則會(huì)影響通道中原有信息的傳輸[13]。再進(jìn)一步，在極端嚴(yán)重災(zāi)害下，出現(xiàn)光纖通信通道大范圍損毀，少量的健全通道也無(wú)法滿足大量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。因此，在極端嚴(yán)重自然災(zāi)害條件下，必須采用新的通信技術(shù)，重構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)的臨時(shí)通信通道。

無(wú)線通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中已有大量的應(yīng)用，主要是利用電信網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸電力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，雖然具有較快的傳輸速率，且應(yīng)用非常成熟，但是發(fā)生極端自然災(zāi)害時(shí)，電信基站也會(huì)受到損壞。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有固定的基站，無(wú)需布線，具有自組織、多跳路由等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于惡劣環(huán)境搶險(xiǎn)救災(zāi)、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在變電站自動(dòng)化、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、配電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控與故障定位、輸電線路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等方面已經(jīng)有所應(yīng)用。文獻(xiàn)[14]提出將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于電力設(shè)施冰災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的通信，提高極端冰凍氣候下系統(tǒng)的可靠性和安全性，從而為各項(xiàng)防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)措施提供可靠數(shù)據(jù)。因此，本文提出結(jié)合電力設(shè)施監(jiān)測(cè)，正常運(yùn)行時(shí)，WSN執(zhí)行線路巡監(jiān)任務(wù)，極端災(zāi)害條件下，用于構(gòu)建保護(hù)系統(tǒng)的緊急通道。

2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

將保護(hù)裝置接入網(wǎng)關(guān)，從而與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)連通，接收保護(hù)信息?，F(xiàn)有保護(hù)裝置應(yīng)升級(jí)配置通信通道切換策略，在光纖通道故障時(shí)轉(zhuǎn)換到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信，并且切換為單端差動(dòng)邏輯，即兩端保護(hù)裝置采集到對(duì)側(cè)電流信息后，單獨(dú)進(jìn)行電流差動(dòng)邏輯判斷后動(dòng)作。為把電流信息傳送到對(duì)側(cè)，在輸電線路的桿塔上安裝具有無(wú)線通信功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，用于傳輸電流信息。如圖2所示的WSN緊急通道系統(tǒng)，若變電站A與變電站B之間的光纖通道發(fā)生故障，兩端變電站的保護(hù)裝置迅速轉(zhuǎn)換到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)以多跳方式傳輸保護(hù)信息，形成一條可靠的緊急通道。

圖2 結(jié)合電力設(shè)施監(jiān)測(cè)的WSN緊急通道系統(tǒng)

結(jié)合輸電系統(tǒng)的特點(diǎn)，在滿足覆蓋性的條件下，充分考慮經(jīng)濟(jì)性的要求，傳感器節(jié)點(diǎn)可按如下原則布置:沿線桿塔上布置若干個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，可以利用剩余節(jié)點(diǎn)繼續(xù)通信，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。傳感節(jié)點(diǎn)通常由電池供電，電量有限，一旦電池用完節(jié)點(diǎn)就會(huì)死亡，節(jié)點(diǎn)死亡過(guò)多或過(guò)快會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)的生存周期。由于大部分節(jié)點(diǎn)布置在桿塔塔身或輸電導(dǎo)線表面，因而采用小TA取能裝置與蓄電池結(jié)合的供電方式[15]，有效地解決了節(jié)點(diǎn)能量問(wèn)題。

電流差動(dòng)保護(hù)要求把一側(cè)的電流信息傳輸?shù)綄?duì)側(cè)，根據(jù)判據(jù)確定是否故障。與傳統(tǒng)WSN的通信需求不同，本網(wǎng)絡(luò)只需實(shí)現(xiàn)把一個(gè)變電站內(nèi)電流差動(dòng)保護(hù)裝置的信息傳輸?shù)綄?duì)側(cè)的變電站，這實(shí)際上是兩端節(jié)點(diǎn)之間的通信。顯然，這是一條長(zhǎng)鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)，而且中間節(jié)點(diǎn)只是中繼通信節(jié)點(diǎn)，不需要采集信息，各桿塔之間的數(shù)據(jù)一般采用單跳傳輸?shù)姆绞?，因此不存在一般鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)負(fù)載不均衡的問(wèn)題。本側(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)經(jīng)多跳的方式傳送到對(duì)側(cè)，為了提高縱差保護(hù)的動(dòng)作速度，應(yīng)盡量減少轉(zhuǎn)發(fā)的跳數(shù)，然而通信時(shí)每跳的距離越遠(yuǎn)，通信的能耗也越大，這會(huì)極大地縮短節(jié)點(diǎn)的壽命。實(shí)際上，節(jié)點(diǎn)執(zhí)行監(jiān)測(cè)功能時(shí)為線上取電，極端災(zāi)變情況則更多地依賴電池供電，而此時(shí)電池電量比較充沛，若節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)及空閑狀態(tài)的時(shí)間比為1∶1∶8，并采用20 Ah的電池功能，通信范圍為3 200 m的節(jié)點(diǎn)可持續(xù)工作1個(gè)月；在工作方式方面，可以控制空閑時(shí)間或在緊急情況下喚醒使得節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間更長(zhǎng)。因此在成本允許的前提下可以盡可能擴(kuò)大節(jié)點(diǎn)的通信范圍，減小傳輸時(shí)延。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

基于WSN重構(gòu)的電流差動(dòng)緊急保護(hù)通道需充分考慮保護(hù)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，以滿足縱差保護(hù)的動(dòng)作需求。

1)緊急保護(hù)通道可靠性技術(shù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性直接決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。提高網(wǎng)絡(luò)可靠性的措施包括:①設(shè)計(jì)具有動(dòng)態(tài)拓?fù)淠芰Φ穆酚蓞f(xié)議，通過(guò)節(jié)點(diǎn)冗余布置提高可靠性；②以鏈路質(zhì)量作為選擇下一跳路由的指標(biāo)，選出高質(zhì)量、高可靠性的通信路徑；③采用應(yīng)答確認(rèn)機(jī)制；④對(duì)通信節(jié)點(diǎn)、通信鏈路情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)及動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2)緊急保護(hù)通道快速傳輸技術(shù)。繼電保護(hù)的動(dòng)作速度決定了保護(hù)的動(dòng)作效果。在多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，單跳延時(shí)由傳輸延時(shí)和通信延時(shí)組成?？梢圆扇?yōu)化通信通道沖突檢測(cè)機(jī)制和優(yōu)化信息傳輸路徑的方法來(lái)減少數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)。

3)路由協(xié)議。路由協(xié)議主要有兩方面的功能，一是搜索滿足條件的從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化路徑，二是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)[16]。與一般鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)的情況不同，本網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)無(wú)需采集信息，因此可以設(shè)計(jì)一個(gè)更加有針對(duì)性的、滿足保護(hù)信息傳輸要求的路由協(xié)議。

3 路由協(xié)議設(shè)計(jì)

本文所提出的路由協(xié)議由列表建立、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)三部分構(gòu)成。列表建立過(guò)程為每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)前向列表和反向列表，保證了某條正在使用的鏈路失效后，通道可以自動(dòng)快速修復(fù)。路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程通過(guò)源節(jié)點(diǎn)發(fā)出路由請(qǐng)求廣播和接收節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求并發(fā)送路由響應(yīng)的機(jī)制，使各個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得相鄰節(jié)點(diǎn)的GPS位置信息，收到路由響應(yīng)的節(jié)點(diǎn)根據(jù)源節(jié)點(diǎn)的位置、自身的位置和發(fā)送路由響應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位置來(lái)判斷發(fā)送RACK的節(jié)點(diǎn)應(yīng)位于該節(jié)點(diǎn)的前向列表還是反向列表上，從而建立源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由。路由維護(hù)使得一旦某條鏈路發(fā)生了故障，節(jié)點(diǎn)通過(guò)表驅(qū)動(dòng)式的路由方式可以迅速?gòu)淖约旱那跋?反向列表中查找到備用鏈路來(lái)使用，具體方案如下所述。

3.1 通道結(jié)構(gòu)及相關(guān)概念

圖3為利用基于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的示意圖。其中代表位于線路首尾兩側(cè)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別為0號(hào)節(jié)點(diǎn)和D節(jié)點(diǎn)。每個(gè)橢圓代表一個(gè)桿塔所在的位置，橢圓中的點(diǎn)表示安裝在該桿塔上的路由節(jié)點(diǎn)。圖中的實(shí)線代表的是桿塔之間的輸電線路而不是節(jié)點(diǎn)之間的通信鏈路。根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信距離和桿塔距離，一個(gè)節(jié)點(diǎn)也許能夠覆蓋兩側(cè)多個(gè)桿塔位置處的節(jié)點(diǎn)。前向是指從0號(hào)節(jié)點(diǎn)到線路對(duì)側(cè)的數(shù)據(jù)發(fā)送方向，而反向則是從非0號(hào)節(jié)點(diǎn)的一端向0號(hào)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送方向。

圖3 緊急保護(hù)通道示意圖

另外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)分別存儲(chǔ)前向列表(Forward List)和反向列表(Backward List)。其中Forward List用來(lái)存放節(jié)點(diǎn)前向發(fā)送時(shí)，下一跳能到達(dá)的節(jié)點(diǎn)；Backward List用來(lái)存放反向發(fā)送時(shí)，下一跳能到達(dá)的節(jié)點(diǎn)，見(jiàn)表1。

表1 前向/反向列表

3.2 路由發(fā)現(xiàn)

路由發(fā)現(xiàn)開(kāi)始時(shí)，從0號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)出RREQ(路由請(qǐng)求)廣播，其中包含自身的節(jié)點(diǎn)號(hào)和GPS位置信息，見(jiàn)表2。

表2 RREQ中的有效數(shù)據(jù)段

收到從0號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的RREQ的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)廣播RREQ。每個(gè)收到RREQ的節(jié)點(diǎn)(包括D節(jié)點(diǎn))保存0號(hào)節(jié)點(diǎn)的GPS位置信息，同時(shí)向給它發(fā)送RREQ的節(jié)點(diǎn)單播發(fā)送一個(gè)RACK(路由響應(yīng))，RACK中加入自己的地理位置信息，數(shù)據(jù)幀的格式與RREQ基本相同。若節(jié)點(diǎn)重復(fù)收到RREQ，則只需在第一次收到RREQ時(shí)將其廣播出去，后來(lái)重復(fù)收到的不需要廣播，但每次均需要向發(fā)送RREQ的節(jié)點(diǎn)回復(fù)RACK，中間節(jié)點(diǎn)無(wú)需維護(hù)反向路由。

收到RACK的節(jié)點(diǎn)根據(jù)0號(hào)節(jié)點(diǎn)的位置、自身的位置和發(fā)送RACK節(jié)點(diǎn)的位置來(lái)判斷發(fā)送RACK的節(jié)點(diǎn)應(yīng)位于該節(jié)點(diǎn)的前向列表還是反向列表上。判斷方法如圖4所示。

圖4 前向/反向列表判斷方式

1)如圖4(a)，當(dāng)收到RACK的節(jié)點(diǎn)A和0號(hào)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了線段0A，節(jié)點(diǎn)A和發(fā)出RACK的節(jié)點(diǎn)B構(gòu)成了線段AB，當(dāng)0A和AB構(gòu)成的夾角∠0AB為鈍角時(shí)，則B應(yīng)被添加到A節(jié)點(diǎn)的前向列表中。即當(dāng)A有數(shù)據(jù)前向發(fā)送時(shí)，B可以作為A的下一跳節(jié)點(diǎn)。

2)如圖4(b)，當(dāng)0A和AB構(gòu)成的夾角∠0AB為銳角時(shí)，則B應(yīng)被添加到A節(jié)點(diǎn)的反向列表中。即當(dāng)A有數(shù)據(jù)反向發(fā)送時(shí)，B可以作為A的下一跳節(jié)點(diǎn)。

3)如圖4(c)，當(dāng)收、發(fā)RACK兩節(jié)點(diǎn)B、A的距離AB小于30 m時(shí)，B不會(huì)把A節(jié)點(diǎn)放入任何一個(gè)列表。即當(dāng)A、B位于同一個(gè)桿塔上時(shí)，它們互不存在于對(duì)方的前向或反向列表中。

當(dāng)A節(jié)點(diǎn)把B節(jié)點(diǎn)添加到自身的前向/反向列表后，A節(jié)點(diǎn)從自身的鄰居表(Neighbor Table)中查詢到與B節(jié)點(diǎn)之間鏈路的LQI(鏈路質(zhì)量)，并將LQI和A、B之間的距離一同保存在前向/反向列表中，同時(shí)將鏈路狀態(tài)標(biāo)記為valid，見(jiàn)表1。

當(dāng)線路對(duì)側(cè)D節(jié)點(diǎn)收到RREQ后，同樣對(duì)所有給它發(fā)送RREQ的節(jié)點(diǎn)回復(fù)RACK。而收到D節(jié)點(diǎn)RACK的節(jié)點(diǎn)同樣向D節(jié)點(diǎn)回復(fù)RACK，這樣D節(jié)點(diǎn)就擁有了自己的反向列表，知道它可以將數(shù)據(jù)反向發(fā)送至哪些節(jié)點(diǎn)了。通過(guò)這種RREQ-RACK方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)將與它兩側(cè)存在雙向鏈路的節(jié)點(diǎn)予以存儲(chǔ)，并根據(jù)這些節(jié)點(diǎn)的位置判斷這些節(jié)點(diǎn)是用于前向傳輸還是反向傳輸。

D節(jié)點(diǎn)接收到回復(fù)的RACK后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間(即假設(shè)已經(jīng)將所有反向節(jié)點(diǎn)插入了反向列表)，D節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己存儲(chǔ)的反向列表選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，反向向0號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREP(路由回復(fù))。

從前向/反向列表中選擇下一跳的依據(jù)為:

1)若前向傳輸，從前向列表中挑選；若反向傳輸，則從反向列表中挑選。

2)列表中節(jié)點(diǎn)鏈路質(zhì)量滿足大于Min Link Quality的情況下，挑選與本節(jié)點(diǎn)距離最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)為下一跳。這是因?yàn)樘鴶?shù)的增加會(huì)帶來(lái)端到端時(shí)延的增加，選擇距離最遠(yuǎn)可以盡量減少傳輸?shù)奶鴶?shù)，也就可以減少時(shí)延。若沒(méi)有大于Min Link Quality的節(jié)點(diǎn)，則挑選鏈路質(zhì)量最高的節(jié)點(diǎn)，作為下一跳。

收到RREP的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都按照上面的規(guī)則選擇下一跳的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)RREP最后到達(dá)0號(hào)節(jié)點(diǎn)時(shí)，代表整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由列表已經(jīng)建立完畢，0號(hào)節(jié)點(diǎn)可以開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.3 路由維護(hù)

無(wú)線節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)受到內(nèi)在或外在因素而不能正常工作，此時(shí)與該節(jié)點(diǎn)建立的鏈路均會(huì)失效。但由于根據(jù)緊急保護(hù)通道的特性將傳統(tǒng)Zigbee的按需路由方式改為了表驅(qū)動(dòng)式的路由方式，這樣就使得一旦某條鏈路發(fā)生了故障，節(jié)點(diǎn)可以迅速?gòu)淖约旱那跋?反向列表中查找到備用鏈路來(lái)使用。一旦某個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到下一跳失效，則將前向/反向列表中相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為invalid，然后按照上述挑選節(jié)點(diǎn)的方法，重新選取下一跳的節(jié)點(diǎn)。

3.4 路由協(xié)議仿真

假設(shè)所需保護(hù)線路為500 kV雙端供電輸電線路，利用前述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的緊急保護(hù)通道方案來(lái)模擬通道數(shù)據(jù)時(shí)延，并采用NS2仿真軟件進(jìn)行基于本文所提出的路由協(xié)議和AODV協(xié)議的通信模擬。通信節(jié)點(diǎn)的硬件采用2.4 GHz Xbee XBP24-BWIT-004無(wú)線傳輸模塊，其室外傳輸視距可達(dá)3 200 m，工作溫度范圍為-40～85℃，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)電流為220 mA，接收數(shù)據(jù)時(shí)電流為62 mA，空閑狀態(tài)電流為4μA。

仿真采用分相電流差動(dòng)保護(hù)，分別在線路不同位置模擬不同類型的故障，將獲得的三相電流向量值組包后，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到對(duì)側(cè)。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的端到端時(shí)延具有不確定性，因此仿真結(jié)果均為平均時(shí)延。同時(shí)不同類型、不同位置發(fā)生故障產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)組包后情況類似，仿真結(jié)果僅給出中點(diǎn)發(fā)生金屬性單相接地故障的時(shí)延仿真結(jié)果。在桿塔檔距和節(jié)點(diǎn)通信范圍分別固定為400 m和3 200 m的情況下，逐漸增加線路長(zhǎng)度，比較不同線路長(zhǎng)度時(shí)本文所提出的路由協(xié)議和AODV協(xié)議的通信時(shí)延，結(jié)果見(jiàn)表3。由仿真結(jié)果可知，相比于ADOV協(xié)議，本文所提出的基于WSN的路由協(xié)議能有效地減少端到端的時(shí)延，而且針對(duì)線路桿塔所構(gòu)成的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)直線型拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，簡(jiǎn)化了路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程，無(wú)需知道源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的所有路由，無(wú)需頻繁的路由發(fā)現(xiàn)。

表3 兩種路由協(xié)議的時(shí)延

4 結(jié)論

本文為應(yīng)對(duì)電網(wǎng)災(zāi)變情況下保護(hù)通道中斷導(dǎo)致保護(hù)性能下降甚至退出的問(wèn)題，提出并研究了利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建緊急通信通道方案，以便提供一條傳輸保護(hù)信息的臨時(shí)通道。

1)提出基于WSN并結(jié)合電力設(shè)施監(jiān)測(cè)構(gòu)建縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)緊急通信系統(tǒng)的方案。說(shuō)明了此方案的工作原理，闡述了傳感器節(jié)點(diǎn)的布置方案和能量供應(yīng)，探討了網(wǎng)絡(luò)可靠性和時(shí)延等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并提出了解決方案。

2)針對(duì)緊急通道長(zhǎng)鏈?zhǔn)酵負(fù)涞奶攸c(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種延時(shí)短、容錯(cuò)率高的多跳路由協(xié)議，該協(xié)議由列表建立、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)三部分組成，通過(guò)在一次路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中為每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)前向列表和反向列表，保證了某條正在使用的鏈路失效后，通道可以自動(dòng)快速修復(fù)，相比于AODV有明顯的優(yōu)勢(shì)。