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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)電通信形成的一個(gè)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(cè)對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者［1－3］。隨著無(wú)線(xiàn)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(guó)防領(lǐng)域擴(kuò)展到環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理等諸多領(lǐng)域，使人們?cè)谌魏螘r(shí)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(wú)處不在”的傳感技術(shù)［4］。然而，無(wú)線(xiàn)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(dòng)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(guó)電力系統(tǒng)的廠(chǎng)站端已有功能強(qiáng)大的監(jiān)控系統(tǒng)，能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)廠(chǎng)站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，但對(duì)分布范圍較廣的輸電線(xiàn)路卻缺乏有效的自動(dòng)監(jiān)測(cè)手段，還是靠人工巡線(xiàn)方式來(lái)發(fā)現(xiàn)線(xiàn)路運(yùn)行中的問(wèn)題。另外，由于不能取得輸電線(xiàn)路的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，調(diào)度人員往往只能通過(guò)事先給定的參數(shù)控制輸電線(xiàn)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(xiàn)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(guò)適當(dāng)措施增加現(xiàn)有輸電線(xiàn)路的輸送容量，將有助于解決電力供應(yīng)緊張的問(wèn)題，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。我國(guó)關(guān)于輸電線(xiàn)路監(jiān)測(cè)的研究和開(kāi)發(fā)尚處于起步階段，缺乏完整的輸電線(xiàn)路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，線(xiàn)路測(cè)量還不能直接指導(dǎo)電力生產(chǎn)。目前國(guó)內(nèi)只有少數(shù)廠(chǎng)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(xiàn)監(jiān)測(cè)研究，還沒(méi)有達(dá)到綜合監(jiān)測(cè)的水平。單個(gè)的傳感器節(jié)點(diǎn)往往不能完成對(duì)目標(biāo)的測(cè)量、跟蹤和識(shí)別，而需要多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采用一定的算法通過(guò)交換信息，對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、匯總和過(guò)濾，并以事件的形式得到最終結(jié)果［9］。因此，對(duì)輸電線(xiàn)路運(yùn)行狀態(tài)的綜合監(jiān)測(cè)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(wú)線(xiàn)傳感器主要用來(lái)完成各種電氣量、開(kāi)關(guān)量、模擬量等的監(jiān)控和檢測(cè)，因此，基于電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)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(chǎng)合下能長(zhǎng)期使用的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是物理層協(xié)議需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)傳感自組網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC)層要求低能耗、低通信延遲和可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。考慮電力系統(tǒng)背景下分析無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)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(shí)，整個(gè)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(wú)線(xiàn)傳感自組網(wǎng)必須保證時(shí)間的同步性，而無(wú)線(xiàn)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(dòng)態(tài)變化，傳統(tǒng)的時(shí)間同步機(jī)制難以適用。需要研究滿(mǎn)足電力系統(tǒng)時(shí)間同步精度低通信開(kāi)銷(xiāo)的時(shí)間同步機(jī)制。由于電力系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量大，不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)要求傳輸質(zhì)量、響應(yīng)時(shí)間都不同，而且需要進(jìn)行不同的數(shù)據(jù)處理，單元級(jí)、域級(jí)、廠(chǎng)站級(jí)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(dòng)化系統(tǒng)中，電氣量、開(kāi)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(mǎn)足電力系統(tǒng)定位要求的前提下，設(shè)計(jì)低開(kāi)銷(xiāo)、低成本的分布式定位算法，也是無(wú)線(xiàn)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(kāi)關(guān)量、模擬量等數(shù)據(jù)，可能需要上傳到廠(chǎng)、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(wú)線(xiàn)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(guò)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(tīng)或者非法用戶(hù)接入。由于傳感器節(jié)點(diǎn)本身的特點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)通常是通過(guò)簡(jiǎn)單的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議來(lái)初始化網(wǎng)絡(luò)，而且通常沒(méi)有采用硬件防護(hù)措施，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)易于被竊聽(tīng)，甚至被攻擊。這就需要研究無(wú)線(xiàn)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(cè)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(cè)系統(tǒng)實(shí)用化必須解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。一些學(xué)者和開(kāi)發(fā)人員提出了多種供電方式，如利用太陽(yáng)能加上鋰電池來(lái)供電、激光供電、微波供電、利用特制TA在線(xiàn)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(lái)，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(lái)就不多的能源，是軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)要考慮的問(wèn)題。仔細(xì)研究節(jié)點(diǎn)上的每個(gè)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(gè)好的通信協(xié)議應(yīng)該簡(jiǎn)單有效，使得節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算開(kāi)銷(xiāo)盡量的小，這樣，可以大大降低整個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)方案簡(jiǎn)便易行、成本低廉，可以很好地解決有線(xiàn)通信方式布線(xiàn)難度大、成本高、不易維護(hù)和升級(jí)等問(wèn)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。

［1］Akyildiz I F，Su W，Sankarasubramaniam Y，et al.A Survey on Sensor Networks［J］.IEEE Communications Magazine，2002，40(8):102 －114.

［2］Culla D，Estrin D，Strvastava M.Overview of Sensor Network［J］.Computer，2004，37(8):41 －49.

［3］Callaway E H.Wireless Sensor Network:Architecture and Protocols［M］.CRC Press LLC，2004:41 －62.

［4］Estrin D，Culler D，Pister K，et al.Connecting the Physical World with Pervasive Networks［J］.IEEE Pervasive Computing，2002，1(1):59 － 69.

［5］陳耀高，鄧敏，林力輝.高壓絕緣子在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2001，25(11):83 －85.

［6］馬麗嬋，鄭曉泉.電力系統(tǒng)外絕緣污穢狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(1):104 －107.

［7］樓開(kāi)宏，秦一濤，施才華，等.基于光纖測(cè)溫的電纜過(guò)熱在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29(19):97 －99.

［8］徐青松，季洪獻(xiàn)，侯煒，等.監(jiān)測(cè)導(dǎo)線(xiàn)溫度實(shí)現(xiàn)輸電線(xiàn)路增容新技術(shù)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(1):171 －176.

［9］王殊等.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論及應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［10］黃緒勇，劉沛，等.無(wú)線(xiàn)傳感自組網(wǎng)在電力監(jiān)控中的應(yīng)用動(dòng)態(tài)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31(7):99 －103.

［11］毋金濤，盛戈睞，等.輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置供電電源的設(shè)計(jì)［J］.電工技術(shù)，2009，2:33 －35.