變電站自動化系統wsn組網方案研究

0無線通信通信sas自動站監控系統（sas）技術的發展在確保供電系統的安全運行，提高供電質量，提高能源系統的運行管理，減少維護工作量，提高經濟效益等方面發揮了重要作用。通信技術是SAS得以實現的必要前提,通信技術的發展必將提高SAS的綜合水平。當前,電力通信網主要包括RS-422、RS-485、Lonworks或CAN現場總線、以太網等形式。它們都屬于有線通信形式,無一例外地都存在布線限制、組網靈活性低、升級擴展不便、安裝維護困難等缺點。無線通信技術因為具有不需布線、靈活性強、易于擴展等優點,在電力系統中逐步得到應用,目前主要的應用有高壓斷路器溫度在線監測、基于無線通信的饋線保護、配電變電站的實時監控、電抗器的無線差動保護等。近2年來,無線自組網開始應用于SAS。無線網絡在這些領域中成功應用的經驗為SAS探索新的通信方式提供了借鑒。隨著微電子技術、計算機技術和無線通信等技術的進步,無線通信領域出現了無線傳感器網絡(wirelesssensornetwork,WSN)(簡稱傳感器網絡)。作為全球未來的三大高科技產業之一,WSN已經在軍事、環境監測、醫療護理、智能家居等領域得到了應用。無線傳感器網絡具有分布式處理系統的高監測精度、高容錯性、覆蓋區域大、可遠程遙測遙控、自組織、多跳路由等優點。SAS對通信網絡的數據傳輸速率有嚴格的要求,一般而言,變電站過程層與間隔層之間、間隔層與間隔層之間、間隔層與變電站層之間的傳輸速率分別為250kbit/s、130kbit/s、100kbit/s?，F有WSN的數據傳輸速率可以達到2Mbit/s以上,完全滿足SAS的通信要求,盡管SAS涉及的信息非常多,有些甚至是電網安全運行非常關鍵的信息,由于WSN能夠完全滿足SAS對于通信速度的要求,SAS中控制、測量、保護等功能需要的信息均可通過WSN來采集與傳遞;另一方面電子式互感器等智能一次設備已經在電網中得到了廣泛應用。因此在SAS中引入傳感器網絡,與現有有線網絡相結合,可為SAS探索出一種新的通信方式。文獻就無線傳感器網絡在電力監控、輸電走廊監控等方面做了一些有益的探討,但是關于應用于SAS的研究尚未涉及,本文將對應用于SAS的無線傳感器網絡組網、實現過程中的一些關鍵技術進行深入研究,希望為傳感器網絡應用于SAS提供一定的參考。1wsn的特點無線傳感器網絡通常是指由一組帶有嵌入式處理器、傳感器以及無線收發裝置的節點以自組織的方式構成的無線網絡,通過節點間的協同工作來采集和處理網絡覆蓋區域中的目標信息。圖1是經常被引用的一個典型的WSN網絡架構。圖1中,傳感器節點部署在一個目標區域內部或附近,能夠通過自組織方式構成網絡。傳感器節點測得的信息通過多跳的方式傳送到匯聚節點,通過匯聚節點連入Internet或衛星,最后接入任務管理節點。傳感器節點是一個具有測量能力、處理能力、存儲能力、通信能力的嵌入式系統,兼顧傳統網絡節點終端和路由的雙重功能,不僅進行信息的收集與處理,還要對其他節點轉發來的數據進行存儲、管理和融合。匯聚節點是擁有較強通信能力、計算能力和豐富資源的系統,它連接傳感器網絡與Internet等外部網絡,實現2種通信協議之間的轉換,負責將管理節點的監控任務下發,并將收集到的數據轉發至外部網絡;它可以是一個增強功能的傳感器節點,也可以是一個沒有監測功能的專用網關設備。任務管理節點具有人機界面,可以進行干預、遙控和管理。無線傳感器網絡與無線自組網(mobilead-hocnetwork)有許多相似之處,但也具有很多自身的特點,主要體現在:1)大規模網絡。一是節點布置在很大的地理區域內;二是節點部署很密集。大量采集信息的獲取可以得到更高的性價比,提高監測的精度,增強容錯性能。2)自組織網絡。WSN中節點任意放置,部分節點可能受某些不確定因素影響而失效,造成網絡拓撲發生變化。這就要求傳感器節點具有自組織能力,能夠自動進行配置和管理,通過拓撲控制機制和網絡協議形成多跳網絡。3)動態性網絡。節點失效、無線通信鏈路帶寬的變化、節點及對象或觀察者的移動、新節點的加入等都會使網絡拓撲發生變化。這要求WSN具有動態的系統可重構性。4)可靠性網絡。傳感器節點一般部署在非常惡劣的環境,這不僅要求節點不易損壞,還要考慮監測數據被盜取和防止獲取偽造信息。因而傳感器網絡的軟硬件必須具有較強的魯棒性和容錯性。5)應用相關的網絡。不同的應用背景對系統硬件平臺、軟件系統、網絡協議的要求存在很大差別,只有貼近應用才能設計出高效的目標系統。6)以數據為中心的網絡。WSN是任務型網絡,網絡在獲得指定事件的信息后匯報給用戶。這種以數據本身作為查詢或傳送線索的思想更接近于自然語言交流的習慣。2sas無線傳感器網絡的線程設計2.1基于傳感器網絡的變電站監控設備WSN接入方式可分為2類:1)整個網絡全部采用無線通信方式,稱為全接入方式;2)網絡中無線通信與有線通信并存,稱為部分接入方式。具體選擇何種接入方式,應該與SAS的實際情況相結合。鑒于變電站自動化系統要監控的設備相當多,布線非常復雜,且監測的原始數據來自過程層一些電壓/電流傳感器(CT/VT)或非電量傳感器(溫度傳感器等),因而在過程層采用傳感器網絡代替現有有線網絡的效果相當明顯;在間隔層與變電站層,一般是一些保護、測量、監控設備,相對于過程層,設備數量少,布線更加方便,采用業已成熟的有線通信方式更加理想。因此,根據SAS的特點,WSN宜采用部分接入方式,過程層多個傳感器節點通過無線網關接入有線網,在WSN應用于SAS技術尚未成熟的條件下,成為當前SAS數據通信方式的一種有益補充。2.2無線路由設備IEC61850標準將變電站分為過程層、間隔層、變電站層3層結構,并不規定通信拓撲,也不限制任何物理的通信接口。根據前述分析,在過程層采用無線傳感器網絡,在間隔層、變電站層采用現在通用的工業以太網,構成一個分簇路由的2層網絡結構,傳感器網絡通過無線網關連接在以太網上。圖2為一個完備的SAS無線傳感器網絡組網方案。間隔層與變電站層的以太網通信不是本文關心的內容,過程層的無線傳感器網絡才是需要研究的重點,其組成結構如下:1)傳感器節點。SAS過程層中需要傳輸數據的所有設備都可以是傳感器網絡中的傳感器節點。它既可以是測量電流、電壓量的電子式互感器(ECT、EVT),也可以是電力一次設備上裝設的溫度、壓力、振動傳感器,還可以是其他的智能電子設備(intelligentelectronicdevice,IED)。2)無線路由設備。目前,要求變電站內的傳感器節點全部具備無線路由功能是不現實的,SAS的傳感器網絡作為現有網絡的補充與擴展,必然是部分節點具備無線路由功能,部分節點不具備路由功能共存的局面。所以,對于那些沒有無線路由功能的節點我們采用一一對應擴展無線路由設備的方法進行完善。3)簇頭節點。在傳感器網絡中所有節點可固定或自動形成多個簇,每個簇內有1個簇頭節點。簇頭節點為簇內所有節點分配時槽,收集和處理簇內節點發來的數據,并將數據發送給匯聚節點。4)匯聚節點。這里的匯聚節點是一個特殊的網關設備,不具備監測功能,負責與站內的以太網進行連接。它可以是帶有無線網關作用的合并單元(mergingunit,MU),也可以是專門的網關設備。WSN有很多種體系結構,目前比較熱門的一種是2層架構。在這種體系結構下,傳感器節點被分為多個簇,每個簇至少有1個簇頭。采用2層架構的SAS傳感器網絡(簇內為下層網絡,簇間為上層網絡)能減少路由開銷,提高通信效率,從而保證數據傳輸的實時性和可靠性,且能夠使實現不同功能和不同硬件配置的傳感器節點共存。在每個簇中可以通過算法選舉自己的簇頭,每個簇頭是該簇內的一個普通節點,當網絡拓撲出現變化時,應能實時選舉產生新的簇頭。簇內所有節點將要發送的數據報文首先傳送給簇頭節點,簇頭節點再根據報文要發送的目的地址選擇合適的路徑發送出去。簇頭節點與匯聚節點組成的上層網絡,各自維護它們相互之間的路由表,負責報文的轉發,同時通過匯聚節點連接間隔層或變電站層的以太網,最終完成數據發送或接收。圖3是上述2層架構SAS傳感器網絡的體系結構。3實現傳感器網絡的一些關鍵技術3.1供能方式設計無線傳感器網絡中節點的能量供給主要通過攜帶能量十分有限的電池。由于節點分布區域廣,部署區域環境復雜,傳感器節點通過更換電池的方式來補充能源不太現實。因而,高效地使用能量成為使網絡生命周期最大化的首要研究課題。SAS傳感器網絡在節點的供能方面有其特殊的一面,它可以通過電磁感應的原理從被監控的設備上取得能量。一種實用的方法就是小CT取能。小CT供能方式的原理是在傳感器安裝側設備的線路上安裝特制的CT,從線路上感應電壓,然后通過整流、濾波、穩壓等后續電路處理后,給節點提供必須的工作電源。這種方案在設計時重點要考慮2個問題:1)在系統電流很小的時候能夠提供足夠大的功率,以驅動電子電路;2)在系統出現短路大電流時,要避免CT鐵心進入深度飽和從而造成鐵心嚴重發熱。小CT取能的原理如圖4所示。當輸電線電流較小時,開關S斷開,主線圈感應電流,整流輸出供能;當輸電線電流較大時,開關S閉合,N2繞組感應小電流。這種供能方案的優點是功率較大,可以充分滿足傳感器節點的能耗需求;缺點是電源可靠性與輸電線工作狀況直接相關,而且在線路故障時以及空載時不能提供電源,從而導致節點失效。解決這個問題的方法是:在條件允許的情況下,讓傳感器節點額外攜帶一個蓄電池,在線路正常工作情況下,由小CT供給能量;在線路故障或空載時,通過一個二極管切換至蓄電池供電。由于線路故障的時間并不會太長,因而采用這2種供能方式相結合,完全可以解決傳感器節點對能耗的要求。增加了取能小CT勢必增加整個傳感器節點的體積,但是由于供給的功率小,取能CT的線圈少,相對于被監控的設備,這種體積的增加并不明顯,不影響小CT取能方式的實用價值。3.2數據融合技術傳感器網絡的基本功能是收集并返回其傳感器節點所在監測區域的信息。在收集信息的過程中采用各個節點單獨傳送數據到匯聚節點存在浪費通信寬帶和能量、降低信息收集效率等缺點。為了避免這些缺點,需要在傳感器網絡中使用數據融合的技術,數據融合技術主要用于處理同一類型的傳感器數據。上述基于分簇的2層架構SAS傳感器網絡由于采用了分簇技術,可以將具有同一類型傳感器數據的節點分配在同一個簇中,為數據融合技術的實現奠定了基礎。SAS傳感器網絡的數據融合可以從以下幾個方面加以考慮:1)對于監測類似于變壓器油溫的傳感器節點,不需要實時地傳送數據,我們感興趣的是溫度值是否超過一定的閥值。因而可以僅對超過閥值的異常數據予以及時傳輸。2)對于變壓器差動保護而言,其對數據的同步性能有很高的要求,而傳感器節點傳送的數據是各個時間段內的數據,我們可以選擇將時間相同的數據進行融合后再上傳,這樣不僅減少了傳輸的數據量,也保證了數據的同步性。3)正常運行時的三相電量具備一定的關系,節點數據可以充分融合,且可在正常情況下只發送1個數據,當故障發生時應能及時傳送故障數據。對同一簇內的數據進行融合,可以綜合多個節點的數據,剔除個別錯誤或誤差較大的信息,能確保獲得信息的準確度。同時,數據融合技術減少了傳輸的數據量,節省了能量,減輕了網絡的傳輸擁塞,減少了沖突碰撞現象,降低了數據的傳輸延遲。這些對變電站自動化系統有著深刻的意義。3.2.2基于sa的分簇路由前面所敘述的SAS傳感器網絡是一個2層的體系架構,這種體系架構不僅非常適合變電站自動化的實際情況,還能有效地進行數據融合,減輕網絡的傳輸擁塞,降低數據的傳輸延遲。這種層次型拓撲控制是基于分簇路由算法的,下面在LEACH算法的基礎上,介紹一種適合SAS的分簇路由算法。由于SAS傳感器網絡節點供能有其得天獨厚的優勢,節點能耗已不是制約路由算法的主要因素,更應該從SAS自身的要求來進行選擇。因而在設計分簇路由算法時,應充分考慮下面2點:1)考慮相同類型數據融合的需要,在分簇時盡可能將具有相同類型數據的節點分在同一簇內。2)選擇最優路徑路由方式,降低數據的傳輸延遲。計算到匯聚節點的歐幾里德距離,從距離匯聚節點最近的簇頭節點開始,選擇數據路由最佳路徑。這種適用于SAS傳感器網絡的分簇路由算法工作原理可用圖5所示流程圖來表示。圖中:T(n)為選舉簇頭節點的概率門限;P為簇頭在所有節點中所占的百分比;r為簇頭選舉輪數。3.3節點自身因素傳感器網絡位于變電站的過程層,這是一個強電磁環境,對通信系統的干擾很大;節點部署的環境非常惡劣,風雨雷電等自然因素可能導致節點失效;受障礙物的影響,無線通信的性能經常發生變化,導致網絡拓撲結構的不可控;有意或無意的人為損壞會使網絡結構發生破壞,致使數據丟失等;恐怖分子的觸角伸入到電力系統,可能竊取通信信息,也可能對節點進行攻擊,亦可能冒充節點發送錯誤數據或命令。這些因素的存在,對傳感器網絡的可靠性問題與安全技術提出了很高的要求。3.3.2通過通信網絡的技術來實現網絡實名的通信設計傳感器網絡與其他無線通信網絡一樣,提高可靠性的方法有多種,主要的方法有2個:一是通過差錯控制技術,降低數據傳輸的誤碼率;另一個是增強整個網絡的健壯性。具體的措施有:1)差錯控制編碼。差錯檢測是通過差錯控制編碼來實現的,通信網絡中常用的差錯控制編碼有奇偶校驗碼、循環冗余校驗碼和海明碼。根據應用的不同要求,當檢測到差錯時可以選擇忽略誤碼數據,也可請求重傳。2)差錯控制方法。差錯糾正是通過差錯控制方法來實現的,常用的有反饋檢測、自動請求重發和前向糾錯3種。3)可靠的硬件設備。在設計硬件時,可以采用優質材料讓傳感器節點的外殼具有更強的抗腐蝕能力,同時要考慮電子電路的抗干擾能力。4)網絡拓撲結構的健壯性。這主要由路由協議來實現。路由算法是適用于SAS的改進型LEACH算法,它是一個多跳路由算法,簇頭節點的選舉也具有隨意性。因而節點的損壞與人為的攻擊都不會導致網絡拓撲結構的不可控。3.3.3傳感信息的特性安全技術的選取基于傳感器網絡所能遇到的安全威脅。常見的安全威脅包括傳感器節點的物理操縱、傳感信息的竊聽、拒絕服務攻擊、重放攻擊、完整性攻擊等。針對這些安全威脅,可以采取如下的安全技術:1)采用擴頻技術。擴頻技術是利用與欲傳輸信息無關的碼對被傳輸信號擴展頻譜,使之占有遠遠超過被傳送信息所必需的最小帶寬。使竊聽者難以捕捉到有用數據。2)傳感信息的機密性。它可通過對傳感信息內容進行加密實現,以防止信息泄露給非法節點或外部攻擊者。3)傳感信息的完整性。它保證了信息在傳輸過程中沒有被非法篡改,信息的完整性可通過計算信息的摘要等來實現。4)傳感信息的可靠性。它保證了信息來自合法的傳感節點。可靠性可通過數字簽名、通過共享的唯一性密鑰對信息加密、通過共享的唯一性密鑰計算信息的摘要、單向密鑰鏈等實現,對于不同的通信模式應選擇不同的方式來實現信息可靠性。5)傳感信息的時效性。通過保證信息的時效性可有效防止重放攻擊。時效性可通過時間戳、隨機數、序列號等實現。3.4wsn接入導致的問題基于分簇路由的2層SAS傳感器網絡的過程層采用傳感器網絡,間隔層、變電站層采用以太網。如何使傳感器網絡接入以太網是實現SAS監測功能的關鍵。本文采用一個無線網關實現傳感器網絡與站內以太網的信息交互,見圖6。這里承擔無線網關作用的是專門的匯聚節點,傳感器網絡通過一個無線通信接口接入網關,網關再通過一個以太網接口接入站內以太網。W