面向輸變電場(chǎng)景的無線傳感網(wǎng)通信性能測(cè)試研究

黃 震 敬沅坤 閆 克 任春梅

面向輸變電場(chǎng)景的無線傳感網(wǎng)通信性能測(cè)試研究

黃 震1敬沅坤2閆 克1任春梅1

（1. 許昌開普檢測(cè)研究院股份有限公司，河南 許昌 461000； 2. 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，廣東 珠海 519088）

無線傳感網(wǎng)在輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠有效提升電網(wǎng)運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。通過分析無線傳感網(wǎng)在輸變電場(chǎng)景下的通信特征，提出通信性能測(cè)試方法，構(gòu)建閉環(huán)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)無線傳感網(wǎng)的接入容量、組網(wǎng)性能等關(guān)鍵指標(biāo)開展測(cè)試驗(yàn)證。結(jié)果表明，所提測(cè)試方法能有效評(píng)估無線傳感網(wǎng)的終端接入、數(shù)據(jù)傳輸能力，可為無線傳感網(wǎng)在電力系統(tǒng)的推廣提供技術(shù)支撐。

輸變電；無線傳感網(wǎng)；通信性能；閉環(huán)驗(yàn)證

0 引言

電力系統(tǒng)是由發(fā)電、輸電、變電、配電、用電設(shè)備及相應(yīng)的輔助系統(tǒng)組成的電能生產(chǎn)、輸送、分配、使用的統(tǒng)一整體。輸變電設(shè)備是電力系統(tǒng)的核心組成部分，其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)輸變電設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警是電力系統(tǒng)的重要需求[1-2]。傳統(tǒng)的輸變電設(shè)備監(jiān)測(cè)依靠人工巡檢設(shè)備狀態(tài)，這種方式存在人力資源浪費(fèi)、監(jiān)測(cè)不及時(shí)等問題。隨著電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，其結(jié)構(gòu)也變得越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工巡檢方式已經(jīng)無法滿足實(shí)際需求。無線傳感網(wǎng)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，通過傳感器采集監(jiān)測(cè)區(qū)域或?qū)ο蟮男畔?，并以無線通信的方式將監(jiān)測(cè)信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域或?qū)ο蟮膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有靈活性高、自組織性強(qiáng)等特點(diǎn)[3-4]。無線傳感網(wǎng)在輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的融合應(yīng)用，能夠降低人工巡檢頻率，減少運(yùn)維成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸變電設(shè)備的智能化管理和優(yōu)化調(diào)度，促進(jìn)設(shè)備狀態(tài)管控力和運(yùn)檢管理穿透力的有效提升。

目前，國(guó)家電網(wǎng)有限公司在積極推進(jìn)無線傳感網(wǎng)的適用性驗(yàn)證，在包括江蘇、浙江、安徽、四川等多個(gè)省份開展試點(diǎn)建設(shè)。為此，本文通過分析無線傳感網(wǎng)在輸變電場(chǎng)景下的通信特征，提出通信性能測(cè)試方法，構(gòu)建測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線傳感網(wǎng)的接入容量、組網(wǎng)性能的通信性能測(cè)試，以期為輸變電場(chǎng)景下的無線傳感網(wǎng)建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 無線傳感網(wǎng)通信特征分析

1.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

無線傳感網(wǎng)位于輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)的感知層，分為傳感器層和數(shù)據(jù)匯聚層[5-6]。無線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

傳感器層由各種類型的無線傳感器組成，用于采集不同類型的狀態(tài)參量，并通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至匯聚節(jié)點(diǎn)。無線傳感器分為微功率無線傳感器（mW級(jí)）、低功耗無線傳感器（mW級(jí)）[7-8]。典型的無線傳感器有輸電場(chǎng)景下的導(dǎo)線溫度傳感器、風(fēng)偏傳感器、桿塔傾斜傳感器和變電場(chǎng)景下的溫濕度傳感器、六氟化硫微水監(jiān)測(cè)傳感器、特高頻傳感器等[9]。

數(shù)據(jù)匯聚層由接入節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備組成，用于構(gòu)成全覆蓋的傳感數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，為海量無線傳感器提供通信接入。接入節(jié)點(diǎn)是無線傳感網(wǎng)的通信主設(shè)備，負(fù)責(zé)無線傳感網(wǎng)與電力專用網(wǎng)絡(luò)的通信接口，主要用于對(duì)無線傳感網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)設(shè)備和無線傳感器的管理和數(shù)據(jù)采集，具備網(wǎng)絡(luò)管理、自組網(wǎng)和無線傳感器接入等功能。匯聚節(jié)點(diǎn)是無線傳感網(wǎng)的通信中繼設(shè)備，主要用于接收、匯聚一定范圍內(nèi)的無線傳感器上傳的數(shù)據(jù)，具備自組網(wǎng)和無線傳感器接入等功能[10]。

1.2 輸電場(chǎng)景通信特征分析

輸電線路由輸電導(dǎo)線、輸電桿塔構(gòu)成，其空間位置分布類似帶狀[11]。線路送出距離和輸電桿塔檔距在不同的電壓等級(jí)下有所不同，以220kV輸電線路為例，單條線路送出距離為50～150km，輸電桿塔檔距通常為200～500m[12]。無線傳感器大部分布置在輸電桿塔周邊，數(shù)量約上百個(gè)，少部分布置在輸電線路中央，通常為數(shù)十個(gè)。由于線路中央無法布置匯聚節(jié)點(diǎn)，僅能將匯聚節(jié)點(diǎn)部署在輸電桿塔上。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞矫?，由無線傳感器和匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)為星形拓?fù)洌蓞R聚節(jié)點(diǎn)和接入節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)為鏈狀拓?fù)?。輸電?chǎng)景下無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)方式如圖2所示。

圖2 輸電場(chǎng)景下無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)方式

輸電線路及其輔助設(shè)備在運(yùn)行過程中，面臨的主要運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)有大風(fēng)雨雪天氣、電力線過載、設(shè)備老化等[13-14]，因此輸電場(chǎng)景下的無線傳感器需要對(duì)風(fēng)偏、導(dǎo)線溫度、絕緣子泄漏電流等狀態(tài)參量進(jìn)行監(jiān)視，其數(shù)據(jù)發(fā)送間隔通常為min級(jí)，傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度較短。輸電場(chǎng)景下典型無線傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送間隔、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度見表1。

表1 輸電場(chǎng)景下典型無線傳感器發(fā)送間隔、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

1.3 變電場(chǎng)景通信特征分析

變電站主要包含變壓器、開關(guān)設(shè)備、出線設(shè)備、控制裝置等設(shè)備，設(shè)備的空間位置分布較為集中，通常呈塊狀[15]。在無線傳感器部署位置方面，電力設(shè)備監(jiān)測(cè)用無線傳感器受限于被監(jiān)測(cè)設(shè)備位置，通常安裝在被監(jiān)測(cè)設(shè)備本體或周邊，部署位置相對(duì)集中，環(huán)境監(jiān)測(cè)用無線傳感器則均勻分布在整個(gè)變電站區(qū)域內(nèi)[16]。在無線傳感器部署數(shù)量方面，小型變電站部署傳感器數(shù)量約為1 000個(gè)，大型變電站部署傳感器數(shù)量約為4 000個(gè)。由于變電場(chǎng)景下的無線傳感器部署在單個(gè)變電站內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸距離有限，其對(duì)單跳數(shù)據(jù)傳輸距離及通信跳數(shù)要求不高[17]。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞矫?，變電站?nèi)無線傳感器與匯聚節(jié)點(diǎn)、接入節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)為樹狀拓?fù)?。變電?chǎng)景下無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)方式如圖3所示。

圖3 變電場(chǎng)景下無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)方式

變電站內(nèi)運(yùn)行設(shè)備種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，面臨的主要運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)包含電氣火災(zāi)、觸電等電氣安全風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)備形變、老化等設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)[18-19]，因此變電場(chǎng)景下的無線傳感器需要對(duì)環(huán)境溫濕度、煙感、形變等狀態(tài)參量進(jìn)行監(jiān)視，其數(shù)據(jù)發(fā)送間隔為min級(jí)或h級(jí)，傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度跨度較大，通常為幾十字節(jié)到上萬字節(jié)[20]。變電場(chǎng)景下典型無線傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送間隔、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度見表2。

表2 變電場(chǎng)景下典型無線傳感器發(fā)送間隔、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

2 無線傳感網(wǎng)通信性能測(cè)試方法

結(jié)合輸變電場(chǎng)景下無線傳感網(wǎng)終端接入量大、中繼設(shè)備跳數(shù)多的通信特征，需要對(duì)無線傳感網(wǎng)的接入容量、組網(wǎng)性能進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。在測(cè)試環(huán)境方面，由于無線傳感網(wǎng)對(duì)周邊射頻環(huán)境較為敏感，因此要求測(cè)試環(huán)境的射頻環(huán)境噪聲不大于-90dBmW，環(huán)境中無其他無線感知設(shè)備干擾，且無線傳感器與節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度不小于-20dBmW。在測(cè)試參數(shù)選取方面，應(yīng)考慮輸變電場(chǎng)景下的組網(wǎng)方式、接入數(shù)量、多跳級(jí)數(shù)、數(shù)據(jù)傳輸間隔及數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)。

2.1 接入容量測(cè)試

接入容量測(cè)試模擬大量無線傳感器同時(shí)接入無線傳感網(wǎng)，并進(jìn)行傳感數(shù)據(jù)傳輸，用以評(píng)估無線傳感網(wǎng)在單位時(shí)間內(nèi)的最大終端接入數(shù)量。測(cè)試方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）輸電場(chǎng)景下，將接入節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)組成鏈狀拓?fù)?，按照?jié)點(diǎn)設(shè)備支持最大多跳級(jí)數(shù)，模擬每級(jí)匯聚節(jié)點(diǎn)接入100個(gè)微功率無線傳感器或20個(gè)低功耗無線傳感器。設(shè)置微功率無線傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)24B、發(fā)送周期5min，低功耗無線傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)14 450B、發(fā)送周期2h，運(yùn)行240min以上，統(tǒng)計(jì)被測(cè)接入節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)的傳感器數(shù)量和丟包率。丟包率不應(yīng)大于1%。模擬200個(gè)微功率無線傳感器或50個(gè)低功耗無線傳感器采用單頻點(diǎn)接入被測(cè)匯聚節(jié)點(diǎn)，無線傳感器數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)、發(fā)送周期保持不變，運(yùn)行240min以上，統(tǒng)計(jì)被測(cè)匯聚節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)的傳感器數(shù)量和丟包率。丟包率不應(yīng)大于1%。

2）變電場(chǎng)景下，將接入節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)組成單跳樹狀拓?fù)?，模擬3 000個(gè)微功率無線傳感器或1 000個(gè)低功耗無線傳感器，采用直連或通過匯聚節(jié)點(diǎn)中繼的方式接入被測(cè)接入節(jié)點(diǎn)。無線傳感器數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)、發(fā)送周期與輸電場(chǎng)景下保持一致，運(yùn)行240min以上，統(tǒng)計(jì)被測(cè)接入節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)的傳感器數(shù)量和丟包率。丟包率不應(yīng)大于1%。模擬1 000個(gè)微功率無線傳感器或500個(gè)低功耗無線傳感器采用單頻點(diǎn)接入被測(cè)匯聚節(jié)點(diǎn)，無線傳感器數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)、發(fā)送周期保持不變，運(yùn)行240min以上，統(tǒng)計(jì)被測(cè)匯聚節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)的傳感器數(shù)量和丟包率。丟包率不應(yīng)大于1%。

2.2 組網(wǎng)性能測(cè)試

組網(wǎng)性能測(cè)試模擬多節(jié)點(diǎn)設(shè)備組成樹狀拓?fù)浠蜴湢钔負(fù)?，并進(jìn)行傳感數(shù)據(jù)傳輸，用以評(píng)估無線傳感網(wǎng)的拓?fù)浞€(wěn)定性和最大組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量。測(cè)試方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）輸電場(chǎng)景下，將接入節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)組成鏈狀拓?fù)?，多跳?jí)數(shù)10級(jí)，模擬1 000個(gè)微功率無線傳感器或200個(gè)低功耗無線傳感器，通過匯聚節(jié)點(diǎn)中繼的方式接入被測(cè)接入節(jié)點(diǎn)。設(shè)置微功率無線傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)24B、發(fā)送周期5min，低功耗無線傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)14 450B、發(fā)送周期2h，運(yùn)行240min以上，統(tǒng)計(jì)被測(cè)接入節(jié)點(diǎn)的丟包率。丟包率不應(yīng)大于5%，且被測(cè)接入節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系應(yīng)正確。

2）變電場(chǎng)景下，將接入節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)組成樹狀拓?fù)?，模擬1 000個(gè)微功率無線傳感器或200個(gè)低功耗無線傳感器，通過匯聚節(jié)點(diǎn)中繼的方式接入被測(cè)接入節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)量不少于30個(gè)。無線傳感器數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)、發(fā)送周期與輸電場(chǎng)景下保持一致，運(yùn)行240min以上，統(tǒng)計(jì)被測(cè)接入節(jié)點(diǎn)的丟包率。丟包率不應(yīng)大于5%，且被測(cè)接入節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系應(yīng)正確。

3 無線傳感網(wǎng)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

無線傳感網(wǎng)測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示，該平臺(tái)包含測(cè)試主機(jī)、控制模塊、接入模塊、匯聚模塊、傳感器模塊。測(cè)試主機(jī)具備測(cè)試用例編輯、測(cè)試拓?fù)浜蜏y(cè)試結(jié)果展示功能，是測(cè)試平臺(tái)的人機(jī)接口。控制模塊具備預(yù)制測(cè)試用例管理、測(cè)試配置下裝功能，是各模擬功能塊的控制接口。接入模塊具備數(shù)據(jù)接入、網(wǎng)絡(luò)管理、設(shè)備控制功能，能夠模擬接入節(jié)點(diǎn)或接入被測(cè)接入節(jié)點(diǎn)的北向測(cè)試接口，統(tǒng)計(jì)上行傳感數(shù)據(jù)，是測(cè)試平臺(tái)閉環(huán)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)終點(diǎn)。匯聚模塊具備數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)中繼功能，能夠模擬多個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，通過測(cè)試平臺(tái)射頻端口的自環(huán)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。傳感器模塊具備傳感數(shù)據(jù)上送功能，能夠模擬數(shù)千個(gè)微功率無線傳感器或低功耗無線傳感器，是測(cè)試平臺(tái)閉環(huán)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)起點(diǎn)。

圖4 無線傳感網(wǎng)測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)

測(cè)試過程中，被測(cè)接入節(jié)點(diǎn)北向接入測(cè)試平臺(tái)的接入模塊，南向接入?yún)R聚模塊，被測(cè)匯聚節(jié)點(diǎn)采用直連或通過匯聚模塊中繼的方式接入被測(cè)接入節(jié)點(diǎn)，形成樹狀或鏈狀拓?fù)?。傳感器模塊模擬無線傳感器，經(jīng)被測(cè)接入節(jié)點(diǎn)或被測(cè)匯聚節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)，并按照設(shè)定的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)、發(fā)送周期發(fā)送傳感數(shù)據(jù)，傳感數(shù)據(jù)經(jīng)由被測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)返回測(cè)試平臺(tái)，接入模塊完成對(duì)傳感數(shù)據(jù)的丟包率統(tǒng)計(jì)，形成閉環(huán) 驗(yàn)證。

4 無線傳感網(wǎng)通信性能測(cè)試驗(yàn)證

使用無線傳感網(wǎng)測(cè)試平臺(tái)對(duì)某公司接入節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行接入容量、組網(wǎng)性能測(cè)試，測(cè)試環(huán)境如圖5所示。

圖5 無線傳感網(wǎng)通信性能測(cè)試環(huán)境

測(cè)試環(huán)境包含被測(cè)接入節(jié)點(diǎn)和被測(cè)匯聚節(jié)點(diǎn)，測(cè)試平臺(tái)模擬微功率無線傳感器和低功耗無線傳感器。被測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備與微功率無線傳感器間的通信使用2 400～2 483.5MHz頻段的線性調(diào)頻擴(kuò)頻物理層配置，與低功耗無線傳感器間的通信使用470～510MHz頻段的線性調(diào)頻擴(kuò)頻物理層配置，發(fā)射接收信號(hào)強(qiáng)度-20dBmW，接入容量測(cè)試結(jié)果見表3，組網(wǎng)性能測(cè)試結(jié)果見表4。

表3 接入容量測(cè)試結(jié)果

表4 組網(wǎng)性能測(cè)試結(jié)果

經(jīng)驗(yàn)證，被測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的丟包率在1%以下，且拓?fù)潢P(guān)系正常，接入容量、組網(wǎng)性能滿足測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試平臺(tái)能夠完成對(duì)輸變電場(chǎng)景下的無線傳感網(wǎng)通信性能測(cè)試。

5 結(jié)論

本文對(duì)輸變電場(chǎng)景下無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)拓?fù)洹?shù)據(jù)傳輸特征進(jìn)行分析，提出了無線傳感網(wǎng)接入容量、組網(wǎng)性能的通信性能測(cè)試方法，建立了測(cè)試平臺(tái)，對(duì)無線傳感網(wǎng)的通信性能開展了測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果表明本文所提測(cè)試方法合理有效。本文研究對(duì)輸變電場(chǎng)景下的無線傳感網(wǎng)通信性能評(píng)估具有一定的意義，可為后續(xù)無線傳感網(wǎng)在電力系統(tǒng)的推廣建設(shè)提供有效技術(shù)支撐。

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Research on communication performance testing of wireless sensor networks for power transmission and transformation scenarios

HUANG Zhen1JING Yuankun2YAN Ke1REN Chunmei1

(1. Xuchang KETOP Testing Research Institute Co., Ltd, Xuchang, He’nan 461000; 2. Beijing Institute of Technology, Zhuhai, Zhuhai, Guangdong 519088)

The application of wireless sensor network in the field of status monitoring of power transmission and transformation equipment can effectively improve the efficiency of power grid operation and realize higher economic value and social benefits. By analyzing the communication characteristics of wireless sensor networks in power transmission and transformation scenarios, a communication performance test method is proposed in this paper. A closed-loop test platform is constructed to test and verify the key indexes such as access capacity and network performance of wireless sensor networks. The results show that the proposed method can effectively evaluate the terminal access and data transmission capacity of wireless sensor network, which can provide technical support for the promotion of wireless sensor network in power system.

power transmission and transformation; wireless sensor network; communication performance; closed-loop verification

2023-11-02

2023-12-01

黃 震（1989—），男，河南南陽人，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通信及自動(dòng)化產(chǎn)品測(cè)試技術(shù)。