劉 芳，胡立章，王亞靜，董正坤，趙小萌，趙劭康，何冰洋

(國網(wǎng)河北省電力有限公司信息通信分公司，石家莊 050021)

智能電網(wǎng)應(yīng)急通信中無線自組織網(wǎng)絡(luò)的接入技術(shù)研究

劉 芳，胡立章，王亞靜，董正坤，趙小萌，趙劭康，何冰洋

(國網(wǎng)河北省電力有限公司信息通信分公司，石家莊 050021)

概述智能電網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，通過詳細(xì)闡述無線自組織網(wǎng)絡(luò)的基本概念、工作原理和性能特點(diǎn)，說明無線自組織網(wǎng)絡(luò)適合作為智能電網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)的末端子網(wǎng)，最后重點(diǎn)討論利用無線自組織網(wǎng)絡(luò)搭建智能電網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)末端子網(wǎng)的三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、組網(wǎng)方案及性能對比，為智能電網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)中應(yīng)用無線自組織網(wǎng)絡(luò)提供理論支撐。

智能電網(wǎng)；應(yīng)急通信；無線自組網(wǎng)；混合組網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的不斷推動(dòng)，能源互聯(lián)網(wǎng)[1-2]依托風(fēng)能、太陽能、生物能等大量可再生能源，結(jié)合現(xiàn)代信息通信技術(shù)，形成了物理電網(wǎng)與信息處理緊密融合的智能電網(wǎng)系統(tǒng)。其中分布式能源、微網(wǎng)的迅速發(fā)展在提升能源網(wǎng)絡(luò)多樣性的同時(shí)也提高了電網(wǎng)配置與管理的復(fù)雜度，這對電網(wǎng)安全運(yùn)行提出了新的要求。面對地震、洪災(zāi)、冰凍、雨雪等自然災(zāi)害或應(yīng)急事件，如何提升智能電網(wǎng)的健壯性對電力應(yīng)急通信系統(tǒng)提出了新的考驗(yàn)。電網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)是在電力系統(tǒng)生產(chǎn)過程中因自然災(zāi)害或應(yīng)急事件而導(dǎo)致電力通信中斷時(shí)，綜合利用各種通信資源，在最短的時(shí)間內(nèi)，搭建一種暫時(shí)的、快速響應(yīng)的特殊通信機(jī)制，從而最大限度地減少緊急事件造成的影響及損失。

智能電網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在以下6個(gè)方面[3-5]：

a. 時(shí)間緊急性：緊急事件發(fā)生的準(zhǔn)確時(shí)間無法事先預(yù)計(jì)，因此智能電網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)的建立具有特殊的緊急性。

b. 組網(wǎng)及時(shí)性：智能電網(wǎng)系統(tǒng)本身或者局部發(fā)生重大異常時(shí)，能夠迅速構(gòu)建應(yīng)急網(wǎng)絡(luò), 降低影響范圍和時(shí)間。

c. 地點(diǎn)不確定性：因應(yīng)急事件發(fā)生的地點(diǎn)具有不確定性，建立智能電網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)需要考慮區(qū)域地理特征的差異對應(yīng)急通信系統(tǒng)的影響。

d. 通信業(yè)務(wù)多樣性：應(yīng)急系統(tǒng)要求能夠適配多種鏈路的異構(gòu)通信，保證語音、數(shù)據(jù)和視頻圖像等業(yè)務(wù)的傳輸。

e. 高度自主性：應(yīng)急事件多發(fā)生在信息封閉區(qū)域內(nèi)，因此要求智能電網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)能夠快速自組成網(wǎng)，與外界搭建聯(lián)絡(luò)通道，并保證應(yīng)急事件現(xiàn)場的內(nèi)部通信。

f. 網(wǎng)絡(luò)安全性：應(yīng)急系統(tǒng)在正常運(yùn)行基礎(chǔ)上，需要考慮系統(tǒng)安全問題，保證在緊急事件中能夠有效防范外界攻擊。

1 無線自組織網(wǎng)絡(luò)

無線自組織網(wǎng)絡(luò)[6]是由一組帶有無線收發(fā)裝置的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)多跳的臨時(shí)性自治系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)具有路由和報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以通過無線連接構(gòu)成任意的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。這種網(wǎng)絡(luò)可以獨(dú)立成網(wǎng)，也可以連接互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)沒有任何預(yù)先建設(shè)的通信基礎(chǔ)設(shè)施可依賴，或者原有通信基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)被損毀失去效用時(shí)，采用無線自組織網(wǎng)絡(luò)是一種優(yōu)選的解決方案。

無線自組織網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成，所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的地位平等，沒有移動(dòng)通信系統(tǒng)基站或無線局域網(wǎng)中接入點(diǎn)等類似基礎(chǔ)設(shè)施存在。無線自組織網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)最重要的特征是具有路由功能，這使得它們可以在沒有基礎(chǔ)設(shè)施的條件下，經(jīng)過“多跳”形成一個(gè)覆蓋較大區(qū)域的無線通信網(wǎng)絡(luò)，因此適合構(gòu)建智能電網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)。典型的無線自組織網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 無線自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有主機(jī)和路由器2種功能。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)不能直接通信時(shí)，可以利用中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)多跳通信。因此，無線自組織網(wǎng)絡(luò)又被稱為多跳無線網(wǎng)絡(luò)。無線自組織網(wǎng)絡(luò)具有獨(dú)立組網(wǎng)、部署快速、動(dòng)態(tài)拓?fù)?、擴(kuò)展性強(qiáng)、支持高速移動(dòng)、與異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)等特點(diǎn)，能夠有效滿足電力應(yīng)急通信系統(tǒng)中時(shí)間緊急性、組網(wǎng)及時(shí)性、地點(diǎn)不確定性、通信業(yè)務(wù)多樣性、高度自主性和網(wǎng)絡(luò)安全性等要求，所以，無線自組織網(wǎng)絡(luò)適合作為智能電網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)的末端子網(wǎng)。

2 無線自組網(wǎng)接入智能電網(wǎng)應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)研究

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展和分布式能源的入網(wǎng)，以衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)通信等技術(shù)為主的傳統(tǒng)電力應(yīng)急通信系統(tǒng)在末端組網(wǎng)中缺少靈活性和便攜性。無線自組織網(wǎng)絡(luò)能夠在現(xiàn)場復(fù)雜的環(huán)境下快速構(gòu)建起穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)，并將現(xiàn)場信息通過接口送至遠(yuǎn)端傳輸系統(tǒng)，為前沿應(yīng)急通信隊(duì)伍提供快速部署的通信手段，從而有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)電力應(yīng)急通信系統(tǒng)在末端組網(wǎng)中的不足，將其與其他通信手段聯(lián)合使用，可以互相協(xié)作，優(yōu)勢互補(bǔ)，更好的滿足電力應(yīng)急通信系統(tǒng)快速部署、使用方便、可擴(kuò)展性強(qiáng)、適應(yīng)復(fù)雜地形環(huán)境等任務(wù)要求。

無線自組織網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)電力應(yīng)急通信系統(tǒng)互聯(lián)，無線自組織網(wǎng)絡(luò)支持現(xiàn)場視頻回傳及語音通信業(yè)務(wù)，并可以利用接入安全技術(shù)、業(yè)務(wù)權(quán)限認(rèn)證及VPN技術(shù)解決新型智能電網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的安全問題。以下討論3種無線自組織網(wǎng)絡(luò)接入傳統(tǒng)電力應(yīng)急通信系統(tǒng)的互聯(lián)方案。

2.1 與公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)的電網(wǎng)應(yīng)急接入技術(shù)

智能電網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)的末端利用無線自組織網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)，可以充分發(fā)揮自組織網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)?、高效擴(kuò)展和快速移動(dòng)等特性。在這種混合網(wǎng)絡(luò)中，靠近基站的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需要同時(shí)具有無線自組織網(wǎng)絡(luò)模式和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)模式[7]，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間通信可以利用自組織網(wǎng)絡(luò)模式，通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)來實(shí)現(xiàn)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與電力專網(wǎng)通信，需要通過距離基站較近的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，利用公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與電力專網(wǎng)的接口達(dá)到自組織網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與電力專網(wǎng)信息交互的目的，如圖2所示。

為了實(shí)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部通信，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)除了需要存儲地理位置和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)等基本信息外，還需要根據(jù)信道質(zhì)量和路由跳數(shù)維護(hù)自組織網(wǎng)絡(luò)多跳路由表，用于查找和選定到達(dá)基站的最優(yōu)路由，并定期更新維護(hù)路由表。為了提供更有效的通信服務(wù)保障，具有網(wǎng)關(guān)功能的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該管理自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址與外部全局路由地址的映射關(guān)系。

2.2 與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)的電網(wǎng)應(yīng)急接入技術(shù)

因衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)靈活、覆蓋能力強(qiáng)、距離不敏感、抗災(zāi)能力強(qiáng)[8-9]等特點(diǎn)，在應(yīng)急通信系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。無線自組織網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)，作為智能電網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)的接入網(wǎng)絡(luò)，可以充分發(fā)揮無線自組織網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的方便性、靈活性和移動(dòng)性，滿足各種不同業(yè)務(wù)的需求。

圖2 無線自組織網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建立智能 電網(wǎng)應(yīng)急通信接入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

無線自組織網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)建立智能電網(wǎng)應(yīng)急通信接入網(wǎng)絡(luò)如圖3所示，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間自組成網(wǎng)，通過多跳的形式實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)發(fā)[10]。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)作為無線自組織網(wǎng)絡(luò)的骨干網(wǎng)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)訪問電力專網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信。

圖3 無線自組織網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)建立智能電網(wǎng) 應(yīng)急通信接入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

無線自組織網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)的信息流程是，無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過衛(wèi)星通信便攜設(shè)備的發(fā)射器發(fā)送到約定的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上，轉(zhuǎn)發(fā)至中心站的電力專網(wǎng)。

2.3 與互聯(lián)網(wǎng)混合組網(wǎng)的電網(wǎng)應(yīng)急接入技術(shù)

無線自組織網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)建立基于移動(dòng)子網(wǎng)的通信方案，將無線自組織網(wǎng)絡(luò)看成互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)子網(wǎng)，通過動(dòng)態(tài)地址分配方式[11]，連接無線自組織網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，能夠區(qū)分無線自組織網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部和外部節(jié)點(diǎn)。同時(shí)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)承擔(dān)邊緣路由器功能，既支持無線自組織網(wǎng)絡(luò)中對等式路由協(xié)議又支持互聯(lián)網(wǎng)中的層次式路由協(xié)議。無線自組織網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳送采用無線自組織網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制，而用IP路由機(jī)制決定哪些數(shù)據(jù)包應(yīng)該發(fā)送或者傳出無線自組織網(wǎng)絡(luò)。無線自組織網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)建立的智能電網(wǎng)應(yīng)急通信接入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 無線自組織網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)建立智能電網(wǎng) 應(yīng)急通信接入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

無線自組織網(wǎng)絡(luò)由內(nèi)部的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和邊緣的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是內(nèi)部移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和外部通信的橋梁。移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部采用AODV路由協(xié)議來建立移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的路由。AODV路由協(xié)議是一個(gè)典型的反應(yīng)式路由協(xié)議，通過定期廣播HELLO報(bào)文維護(hù)路由表信息。

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過AODV路由協(xié)議與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)建立路由通道，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作在網(wǎng)關(guān)模式下，判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的路由請求是否在自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)段內(nèi)，如果在自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)段內(nèi)，則此時(shí)不需要開啟網(wǎng)關(guān)功能，只需按照AODV路由協(xié)議處理該路由請求即可。

如果發(fā)現(xiàn)此次尋找地址不在自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)段內(nèi)，則網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)默認(rèn)網(wǎng)關(guān)功能，分別執(zhí)行路由請求應(yīng)答和地址轉(zhuǎn)換功能，從而建立內(nèi)部移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和外部電力專網(wǎng)的路由。至此，任何從外部專網(wǎng)送至內(nèi)部移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都可以利用AODV路由協(xié)議建立的路由進(jìn)行傳輸，到達(dá)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，內(nèi)部移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送至電力專網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的鏈路順利建立，數(shù)據(jù)可以成功從內(nèi)部移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到達(dá)電力專網(wǎng)。

2.4 3種混合組網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)性能對比分析

3種混合組網(wǎng)方式均適用于復(fù)雜環(huán)境下快速構(gòu)建通信應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)，其中無線自組織網(wǎng)絡(luò)和公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)可以保證應(yīng)急通信子網(wǎng)網(wǎng)關(guān)良好的移動(dòng)性，但是通信質(zhì)量受惡劣環(huán)境下公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備損壞程度影響較大，公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)，不適用此種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。無線自組織網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)可以覆蓋特殊環(huán)境地區(qū)，受災(zāi)程度對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)及通信質(zhì)量影響較小，但是網(wǎng)絡(luò)不夠靈活且系統(tǒng)管理較為復(fù)雜。無線自組織網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)混合組網(wǎng)可以提供高帶寬、高穩(wěn)定性的服務(wù)，適合突發(fā)情況下的野外會(huì)議以及外部場景下的臨時(shí)通信，但是網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍受地理因素制約且移動(dòng)性有限。

3 結(jié)束語

提出無線自組織網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)分別混合組建智能電網(wǎng)應(yīng)急通信接入網(wǎng)絡(luò)的3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及方案，無線自組織網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立組網(wǎng)、部署快速、動(dòng)態(tài)拓?fù)?、可擴(kuò)展性強(qiáng)、支持高速移動(dòng)、能夠與異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)等特點(diǎn)，能夠有效滿足智能電網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)末端子網(wǎng)時(shí)間緊急性、組網(wǎng)及時(shí)性、地點(diǎn)不確定性、通信業(yè)務(wù)多樣性、高度自主性和網(wǎng)絡(luò)安全性等要求，所以，無線自組織網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建立可靠、高效、健壯的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適合作為智能電網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)的末端子網(wǎng)。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)自組織網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)過程中存在切換靈活、接入安全及輕量便攜等要求，在未來設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過程中還需進(jìn)一步優(yōu)化完善。由于無線自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于智能電網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)尚是一個(gè)新課題，希望在拓展智能電網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)建設(shè)思路方面能夠起到拋磚引玉的作用。

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Research of Wireless Ad Hoc Network Access Technology in Smart Grid Emergency Communication System

Liu Fang,Hu Lizhang,Wang Yajing,Dong Zhengkun,Zhao Xiaomeng,Zhao Shaokang,He Bingyang

(State Grid Hebei Electric Power Company Co.Ltd. Information and Telecommunication Branch, Shijiazhuang 050021, China)

This paper first discusses the main characteristics of smart grid emergency communication system,then expounds basic concept,working principle and performance characteristics of the wireless ad hoc network in detail.The fact proves that wireless ad hoc network is appropriate as the end of the subnet in smart grid emergency communication system.Finally it focuses on three kinds of topology structures,schemes and performance that use wireless ad hoc network as the end of the subnet in smart grid emergency communication system.This paper provides theoretical support for the application of wireless ad hoc network in the smart grid emergency communication system.

smart grid;emergency communication;wireless Ad hoc network;hybrid networking;network architecture

2017-06-14

劉 芳(1986-)，女，工程師，主要從事電力系統(tǒng)通信及應(yīng)急通信方面的研究工作。

TN929.5

A

1001-9898(2017)06-0022-03

本文責(zé)任編輯：靳書海