孫曉雅，李永倩，2，李 天，2

（1．華北電力大學(xué)電子與通信工程系，河北 保定 071003;2．華北電力大學(xué) 蘇州研究院，江蘇蘇州 215123）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，隨著物聯(lián)網(wǎng)受到越來(lái)越多的關(guān)注，作為其核心技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor networks，WSNs）技術(shù)也進(jìn)入了迅猛發(fā)展的時(shí)期。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最初是由美國(guó)軍方提出的，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究所計(jì)劃署（DARPA）于1978年開(kāi)始資助卡耐基—梅隆大學(xué)進(jìn)行分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，這被看成是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的雛形。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠協(xié)作地監(jiān)測(cè)、感知、采集分布于監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的各傳感器信息，并通過(guò)節(jié)點(diǎn)處理將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［1］:節(jié)點(diǎn)高度集成;采用無(wú)線通信模式，不需要復(fù)雜的通信線路布線;自組織性和大規(guī)模性;適用于惡劣的環(huán)境;針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，配置不同的傳感器節(jié)點(diǎn)，快速搭建平臺(tái)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究也在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域逐漸深入，包括工程過(guò)程控制、環(huán)境的監(jiān)測(cè)、醫(yī)療護(hù)理、智能家居、智能電網(wǎng)等。

本文對(duì)幾種電力系統(tǒng)通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和不足進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行深入研究，并對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 電力系統(tǒng)通信方式

目前，應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的通信技術(shù)主要有電力線載波技術(shù)、光纖通信技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)3種。

1．1 電力線載波技術(shù)

電力線載波通信（power line carrier，PLC）技術(shù)具體是將載有信息的高頻信號(hào)加載到電力線上，利用高壓輸電線作為傳輸線路，在接收端通過(guò)專用的電力線調(diào)制解調(diào)器將高頻信號(hào)從電力線上分離出來(lái)，用于電力系統(tǒng)的調(diào)度通信、遠(yuǎn)動(dòng)、保護(hù)、生產(chǎn)指揮、行政業(yè)務(wù)通信及各種信息傳輸。目前，PLC依然是地區(qū)電網(wǎng)的重要通信手段之一，是在電力系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的通信方式。

PLC經(jīng)歷了從分立到集成，從功能單一到微機(jī)自動(dòng)控制，從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的發(fā)展歷程［2］，優(yōu)點(diǎn)是覆蓋范圍廣，上至500 kV線路，下至35 kV線路都開(kāi)通了電力載波機(jī);成本低，利用現(xiàn)有的輸電線就可以構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò);數(shù)據(jù)傳輸速率高，可以享有整個(gè)信號(hào)的帶寬。但是，PLC技術(shù)載波頻率較低，噪音高，信號(hào)衰減和失真較為嚴(yán)重［3］。

1．2 光纖通信技術(shù)

自1966年，美籍華裔學(xué)者高錕提出以光纖作為傳輸介質(zhì)的思想以來(lái)，光纖通信技術(shù)從研究到應(yīng)用有了迅速的發(fā)展。電力系統(tǒng)光纖通信主要用于語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、寬帶業(yè)務(wù)等常規(guī)電信業(yè)務(wù)和電力保護(hù)、安全自動(dòng)控制及電力市場(chǎng)化所需的寬帶數(shù)據(jù)等電力生產(chǎn)專業(yè)業(yè)務(wù)。電力系統(tǒng)專用的特殊光纜有光纖（復(fù)合）架空地線（optical fiber overhead ground wire，OPGW）、全介質(zhì)自承 （all dielectric self supporting，ADSS）光纜、光纖復(fù)合相線（optical phase conductor，OPC）、金屬自承（metal aerial self supporting，MASS）光纜［4］等。我國(guó)電力系統(tǒng)使用較多的是OPGW和ADSS。其中，OPGW是由光纖與電力輸送系統(tǒng)的地線組合而成的通信光纜，兼具地線和光纖通信的作用，已經(jīng)在電力系統(tǒng)的通信中發(fā)揮了重要的作用。

光纖通信的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬，傳輸容量大，只需要一根光纖就可以傳送需要幾百芯的電纜才能傳送的數(shù)據(jù)量;損耗小，中繼距離長(zhǎng)且誤碼率小;抗電磁干擾能力強(qiáng)，保密性好;耐腐蝕、耐高溫、在惡劣環(huán)境中發(fā)揮了重要作用;光纖使用SiO2制造，材料價(jià)格低廉，節(jié)約了金屬材料。缺點(diǎn)是分路和耦合不靈活，連接比較困難，強(qiáng)度不如金屬導(dǎo)線，彎曲半徑不宜太小。

1．3 無(wú)線通信技術(shù)

應(yīng)用于電力系統(tǒng)通信的無(wú)線通信技術(shù)包括第三代移動(dòng)通信CDMA2000，WCDMA和TD-SCDMA，全球微波接入互操作（world interoperability for microwave access，WiMAX）系統(tǒng)，多點(diǎn)多信道分布式系統(tǒng)（multipoint multichannel distribution system，MMDS），無(wú)線局域網(wǎng)（wireless local area network，WLAN），本地多點(diǎn)分配（local multipoint distribute service，LMDS）接入系統(tǒng)，超寬帶（ultra wide band，UWB）無(wú)線技術(shù)［5］等。

無(wú)線通信應(yīng)用于電力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是可以在通信區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，安裝快速，簡(jiǎn)單靈活，可以遍及有線通信不能到達(dá)的地方;布線少，投資小;擴(kuò)展能力強(qiáng)，可以綜合利用多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。不足之處是抗電磁干擾措施要求高，靈敏度受限制，受障礙物影響嚴(yán)重。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

在過(guò)去十幾年中，國(guó)內(nèi)外無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用都取得了很大的進(jìn)展。2002年，Berkeley大學(xué)啟動(dòng)了NEST計(jì)劃研究開(kāi)放式的軟硬件平臺(tái);2003年，INTEL公司在Berkeley大學(xué)的研究中心啟動(dòng)了關(guān)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，包括測(cè)試異構(gòu)傳感網(wǎng)性能，Mote計(jì)劃，TASK計(jì)劃［6］;2004 年，哈佛大學(xué)啟動(dòng)了 CodeBlue平臺(tái)研究計(jì)劃［7］;歐洲于2002年啟動(dòng)了EYES研究計(jì)劃［6］。我國(guó)中科院早在1999年就啟動(dòng)了傳感網(wǎng)的研究，并在無(wú)錫成立了微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心;2004年，中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，2005年開(kāi)始傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化研究工作;2009年9月11日，我國(guó)成立了《傳感器的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)工作組》;2010年3月，傳感網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)工作組（WGSN）在英國(guó)倫敦舉行了自成立以來(lái)的第一次工作會(huì)議，在會(huì)議上我國(guó)代表團(tuán)提出了兩份標(biāo)準(zhǔn)草案，一個(gè)是創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)協(xié)同信息處理的標(biāo)準(zhǔn)草案，一個(gè)是創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)草案，該草案對(duì)于整個(gè)國(guó)際物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制定有著十分重要的意義［8］。

常用的應(yīng)用于電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器有溫度、濕度、加速度等。溫度傳感器應(yīng)用在變電站開(kāi)關(guān)柜、變壓器等溫度監(jiān)測(cè)中;濕度傳感器可以應(yīng)用在濕度監(jiān)測(cè)中，加速度傳感器可以應(yīng)用在電力電纜舞動(dòng)監(jiān)測(cè)。一種以AVRAT-mega16作為處理器模塊芯片的溫度、濕度、加速度傳感器節(jié)點(diǎn)如圖1所示。

圖1 溫度、濕度、加速度傳感器節(jié)點(diǎn)圖Fig 1 Diagram of temperature，humidity，acceleration sensor node

3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用

3．1 變電站自動(dòng)化

隨著變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的大規(guī)模普及，變電站的無(wú)人值守模式成為變電站發(fā)展的必然趨勢(shì)，因此，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求也提高了。高性能的通信網(wǎng)絡(luò)可以提高變電站運(yùn)行的可靠性，采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)變電站進(jìn)行監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的在線監(jiān)測(cè)。

變電站自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備層與間隔層之間的傳輸速率為250kbit/s，間隔層內(nèi)的傳輸速率為130Mbit/s，間隔層與變電站層之間的傳輸速率為100 kbit/s［9］。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作在2．4GHz頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到2Mbit/s，網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率完全能夠滿足變電站自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)的需求。2007年，重慶大學(xué)的高電壓與電工新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出了一種基于正六邊形網(wǎng)格的分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并將此結(jié)構(gòu)應(yīng)用于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，通過(guò)理論分析獲得了給定能量模型下的最優(yōu)分層算法，并進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果表明采用此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)后，網(wǎng)絡(luò)壽命明顯延長(zhǎng)，能夠滿足變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的要求［10］。2009年，電力安全與高效湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出了一種應(yīng)用于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案，是一種基于分簇路由的兩層架構(gòu)模式，在過(guò)程層采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在間隔層、變電站層采用以太網(wǎng)，并對(duì)實(shí)現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，該方案是對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的一種有益探索［11］。

3．2 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)

國(guó)內(nèi)中國(guó)電力科學(xué)研究院、浙江大學(xué)、天津大學(xué)、四川大學(xué)等都對(duì)小型化電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行了研究，并取得一定的成果。國(guó)家電網(wǎng)電力科學(xué)研究院的王玲等人構(gòu)建出硬件基于ARM+DSP雙系統(tǒng)和軟件基于多Agent技術(shù)的開(kāi)放、主動(dòng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并應(yīng)用于湖北電網(wǎng)和浙江電網(wǎng)中，用于監(jiān)測(cè)暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)，能準(zhǔn)確反映出電網(wǎng)電能質(zhì)量的狀況［12］。

東北電力大學(xué)的滕志軍等人設(shè)計(jì)了基于Zig Bee的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)，包括系統(tǒng)功率因數(shù)、有功和無(wú)功功率、諧波等相關(guān)數(shù)據(jù)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)經(jīng)檢測(cè)設(shè)備采集，然后傳到Zig Bee模塊再發(fā)送出去，經(jīng)多跳傳輸后由終端設(shè)備接收。作者選取了某鋼廠110 kV變電站6 kV母線進(jìn)行了電能質(zhì)量測(cè)試工作，并通過(guò)電能質(zhì)量分析儀獲得數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:Zig Bee具有良好的數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)哪芰Γ梢詽M足變電站自動(dòng)化通信系統(tǒng)的需求［13］。

3．3 配電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控與故障定位

配電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控與故障點(diǎn)的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除對(duì)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性有重要作用，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的故障定位系統(tǒng)相比有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大盲區(qū)小、系統(tǒng)高度集成、適用于惡劣環(huán)境等眾多優(yōu)勢(shì)，因而值得廣泛推廣。

文獻(xiàn)［14］介紹了一種由安裝在4個(gè)中壓斷路器的6個(gè)導(dǎo)向盤(pán)中的無(wú)線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的系統(tǒng)，通過(guò)兩年的溫度監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，得到了設(shè)備正常運(yùn)行情況下溫度分布和各相電流與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)配電設(shè)備的在線監(jiān)控和診斷。

2008 年，華中科技大學(xué)的苗世洪等人提出了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的配電線路故障定位方案。對(duì)單相接地故障的定位的原理進(jìn)行了推導(dǎo)，在電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD中建立了網(wǎng)絡(luò)仿真模型，對(duì)所設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了準(zhǔn)確性和快速性的分析，結(jié)果表明:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)完全可以用于配電線路故障定位。采用同步觸發(fā)裝置解決了同步問(wèn)題，選取的多路徑可靠信息路由機(jī)制滿足了網(wǎng)絡(luò)可靠性的要求，在網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS—2中建立了仿真模型，仿真結(jié)果分析證明多路徑可靠信息路由機(jī)制滿足可靠性要求［15］。

3．4 輸電線路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

導(dǎo)線舞動(dòng)是一種復(fù)雜的流固耦合振動(dòng)，振幅很大時(shí)，可以導(dǎo)致相間閃絡(luò)、金具損壞、跳閘停電、拉倒桿塔、導(dǎo)線折斷等嚴(yán)重事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失［16］，因此，對(duì)輸電線路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)輸電線路安全穩(wěn)定具有重要意義。自20世紀(jì)30年代起，國(guó)外學(xué)者開(kāi)始對(duì)導(dǎo)線舞動(dòng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和理論研究，提出了Hartog Den垂直舞動(dòng)理論和Nigol O扭轉(zhuǎn)舞動(dòng)理論等。導(dǎo)致導(dǎo)線舞動(dòng)的原因主要有導(dǎo)線覆冰、風(fēng)激勵(lì)及線路結(jié)構(gòu)與參數(shù)［17］，舞動(dòng)多發(fā)生在覆冰雪的導(dǎo)線上，并且有穩(wěn)定的層流風(fēng)激勵(lì)，從導(dǎo)線結(jié)構(gòu)和參數(shù)看，分裂導(dǎo)線比單導(dǎo)線容易舞動(dòng)，對(duì)于500kV超高壓輸電線路，多采用四分裂導(dǎo)線甚至多分裂導(dǎo)線，統(tǒng)計(jì)資料表明，導(dǎo)線舞動(dòng)引起的事故占500 kV輸電線路事故總數(shù)的23．5%。

重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的周湶等人提出了一種導(dǎo)線舞動(dòng)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)中用于構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和用于監(jiān)測(cè)舞動(dòng)的傳感器子節(jié)點(diǎn)，在硬件和軟件方面進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。利用三軸加速度傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)導(dǎo)線的舞動(dòng)軌跡的多點(diǎn)同步監(jiān)測(cè)。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)加速度數(shù)據(jù)采集精度和通信質(zhì)量等方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)低通濾波和積分基線標(biāo)定算法對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，有效地消除了加速度數(shù)據(jù)在積分過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。實(shí)驗(yàn)得出的舞動(dòng)軌跡能夠直接體現(xiàn)出實(shí)際導(dǎo)線舞動(dòng)狀態(tài)［18］。

華南理工大學(xué)電力學(xué)院的黃新波等人設(shè)計(jì)了一種無(wú)線單片機(jī)和三軸加速度傳感器為核心的無(wú)線加速度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)［19］。通過(guò)監(jiān)測(cè)導(dǎo)線上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的相對(duì)位移的變化，再通過(guò)數(shù)據(jù)擬合算法直觀地還原導(dǎo)線舞動(dòng)的軌跡。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試條件下，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定，具有較低的丟包率和成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

智能電網(wǎng)是電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，2009年5月21日，在北京召開(kāi)的“2009特高壓輸電技術(shù)國(guó)際會(huì)議（UHV2009）”上，國(guó)家電網(wǎng)公司正式發(fā)布了“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”發(fā)展戰(zhàn)略。智能電網(wǎng)的主要特征是堅(jiān)強(qiáng)、自愈、兼容、經(jīng)濟(jì)、集成和優(yōu)化。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)多目標(biāo)，在智能電網(wǎng)的建設(shè)中已經(jīng)有了成功應(yīng)用的案例。隨著通信、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化技術(shù)在電網(wǎng)中廣泛深入的應(yīng)用，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將具有更加廣闊的應(yīng)用舞臺(tái)。

［1］ 黃緒勇，苗世洪，劉 沛，等．基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的配電線路的故障監(jiān)測(cè)的可行性研究［J］．繼電器，2008，36（8）:11 －15．

［2］ 戚銀城，尚秋峰，孔英會(huì)，等．電力線載波技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］．華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，28（1）:49 －51．

［3］ 趙 磊，單淵達(dá)，張根度．電力線通信技術(shù)的發(fā)展［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2001，25（11）:70 －73，79．

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［5］ 翟 章．無(wú)線通信技術(shù)在電力通信中的應(yīng)用［J］．電力系統(tǒng)通信，2006，27（163）:1 －2，20．

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［7］ David M，Thaddeus F J，Matte W．CodeBlue:An Ad Hoc sensor network infrastructure for emergency medical care［C］∥WAMES，2004．

［8］ 張方風(fēng)，申貴成．我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展思考［J］．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2010，20（3）:247 －251．

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