变电站自动化系统wsn组网方案研究

变电站自动化系统wsn组网方案研究

0无线通信通信sas自动站监控系统（sas）技术的发展在确保供电系统的安全运行，提高供电质量，提高能源系统的运行管理，减少维护工作量，提高经济效益等方面发挥了重要作用。通信技术是SAS得以实现的必要前提,通信技术的发展必将提高SAS的综合水平。当前,电力通信网主要包括RS-422、RS-485、Lonworks或CAN现场总线、以太网等形式。它们都属于有线通信形式,无一例外地都存在布线限制、组网灵活性低、升级扩展不便、安装维护困难等缺点。无线通信技术因为具有不需布线、灵活性强、易于扩展等优点,在电力系统中逐步得到应用,目前主要的应用有高压断路器温度在线监测、基于无线通信的馈线保护、配电变电站的实时监控、电抗器的无线差动保护等。近2年来,无线自组网开始应用于SAS。无线网络在这些领域中成功应用的经验为SAS探索新的通信方式提供了借鉴。随着微电子技术、计算机技术和无线通信等技术的进步,无线通信领域出现了无线传感器网络(wirelesssensornetwork,WSN)(简称传感器网络)。作为全球未来的三大高科技产业之一,WSN已经在军事、环境监测、医疗护理、智能家居等领域得到了应用。无线传感器网络具有分布式处理系统的高监测精度、高容错性、覆盖区域大、可远程遥测遥控、自组织、多跳路由等优点。SAS对通信网络的数据传输速率有严格的要求,一般而言,变电站过程层与间隔层之间、间隔层与间隔层之间、间隔层与变电站层之间的传输速率分别为250kbit/s、130kbit/s、100kbit/s。现有WSN的数据传输速率可以达到2Mbit/s以上,完全满足SAS的通信要求,尽管SAS涉及的信息非常多,有些甚至是电网安全运行非常关键的信息,由于WSN能够完全满足SAS对于通信速度的要求,SAS中控制、测量、保护等功能需要的信息均可通过WSN来采集与传递;另一方面电子式互感器等智能一次设备已经在电网中得到了广泛应用。因此在SAS中引入传感器网络,与现有有线网络相结合,可为SAS探索出一种新的通信方式。文献就无线传感器网络在电力监控、输电走廊监控等方面做了一些有益的探讨,但是关于应用于SAS的研究尚未涉及,本文将对应用于SAS的无线传感器网络组网、实现过程中的一些关键技术进行深入研究,希望为传感器网络应用于SAS提供一定的参考。1wsn的特点无线传感器网络通常是指由一组带有嵌入式处理器、传感器以及无线收发装置的节点以自组织的方式构成的无线网络,通过节点间的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中的目标信息。图1是经常被引用的一个典型的WSN网络架构。图1中,传感器节点部署在一个目标区域内部或附近,能够通过自组织方式构成网络。传感器节点测得的信息通过多跳的方式传送到汇聚节点,通过汇聚节点连入Internet或卫星,最后接入任务管理节点。传感器节点是一个具有测量能力、处理能力、存储能力、通信能力的嵌入式系统,兼顾传统网络节点终端和路由的双重功能,不仅进行信息的收集与处理,还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合。汇聚节点是拥有较强通信能力、计算能力和丰富资源的系统,它连接传感器网络与Internet等外部网络,实现2种通信协议之间的转换,负责将管理节点的监控任务下发,并将收集到的数据转发至外部网络;它可以是一个增强功能的传感器节点,也可以是一个没有监测功能的专用网关设备。任务管理节点具有人机界面,可以进行干预、遥控和管理。无线传感器网络与无线自组网(mobilead-hocnetwork)有许多相似之处,但也具有很多自身的特点,主要体现在:1)大规模网络。一是节点布置在很大的地理区域内;二是节点部署很密集。大量采集信息的获取可以得到更高的性价比,提高监测的精度,增强容错性能。2)自组织网络。WSN中节点任意放置,部分节点可能受某些不确定因素影响而失效,造成网络拓扑发生变化。这就要求传感器节点具有自组织能力,能够自动进行配置和管理,通过拓扑控制机制和网络协议形成多跳网络。3)动态性网络。节点失效、无线通信链路带宽的变化、节点及对象或观察者的移动、新节点的加入等都会使网络拓扑发生变化。这要求WSN具有动态的系统可重构性。4)可靠性网络。传感器节点一般部署在非常恶劣的环境,这不仅要求节点不易损坏,还要考虑监测数据被盗取和防止获取伪造信息。因而传感器网络的软硬件必须具有较强的鲁棒性和容错性。5)应用相关的网络。不同的应用背景对系统硬件平台、软件系统、网络协议的要求存在很大差别,只有贴近应用才能设计出高效的目标系统。6)以数据为中心的网络。WSN是任务型网络,网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或传送线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。2sas无线传感器网络的线程设计2.1基于传感器网络的变电站监控设备WSN接入方式可分为2类:1)整个网络全部采用无线通信方式,称为全接入方式;2)网络中无线通信与有线通信并存,称为部分接入方式。具体选择何种接入方式,应该与SAS的实际情况相结合。鉴于变电站自动化系统要监控的设备相当多,布线非常复杂,且监测的原始数据来自过程层一些电压/电流传感器(CT/VT)或非电量传感器(温度传感器等),因而在过程层采用传感器网络代替现有有线网络的效果相当明显;在间隔层与变电站层,一般是一些保护、测量、监控设备,相对于过程层,设备数量少,布线更加方便,采用业已成熟的有线通信方式更加理想。因此,根据SAS的特点,WSN宜采用部分接入方式,过程层多个传感器节点通过无线网关接入有线网,在WSN应用于SAS技术尚未成熟的条件下,成为当前SAS数据通信方式的一种有益补充。2.2无线路由设备IEC61850标准将变电站分为过程层、间隔层、变电站层3层结构,并不规定通信拓扑,也不限制任何物理的通信接口。根据前述分析,在过程层采用无线传感器网络,在间隔层、变电站层采用现在通用的工业以太网,构成一个分簇路由的2层网络结构,传感器网络通过无线网关连接在以太网上。图2为一个完备的SAS无线传感器网络组网方案。间隔层与变电站层的以太网通信不是本文关心的内容,过程层的无线传感器网络才是需要研究的重点,其组成结构如下:1)传感器节点。SAS过程层中需要传输数据的所有设备都可以是传感器网络中的传感器节点。它既可以是测量电流、电压量的电子式互感器(ECT、EVT),也可以是电力一次设备上装设的温度、压力、振动传感器,还可以是其他的智能电子设备(intelligentelectronicdevice,IED)。2)无线路由设备。目前,要求变电站内的传感器节点全部具备无线路由功能是不现实的,SAS的传感器网络作为现有网络的补充与扩展,必然是部分节点具备无线路由功能,部分节点不具备路由功能共存的局面。所以,对于那些没有无线路由功能的节点我们采用一一对应扩展无线路由设备的方法进行完善。3)簇头节点。在传感器网络中所有节点可固定或自动形成多个簇,每个簇内有1个簇头节点。簇头节点为簇内所有节点分配时槽,收集和处理簇内节点发来的数据,并将数据发送给汇聚节点。4)汇聚节点。这里的汇聚节点是一个特殊的网关设备,不具备监测功能,负责与站内的以太网进行连接。它可以是带有无线网关作用的合并单元(mergingunit,MU),也可以是专门的网关设备。WSN有很多种体系结构,目前比较热门的一种是2层架构。在这种体系结构下,传感器节点被分为多个簇,每个簇至少有1个簇头。采用2层架构的SAS传感器网络(簇内为下层网络,簇间为上层网络)能减少路由开销,提高通信效率,从而保证数据传输的实时性和可靠性,且能够使实现不同功能和不同硬件配置的传感器节点共存。在每个簇中可以通过算法选举自己的簇头,每个簇头是该簇内的一个普通节点,当网络拓扑出现变化时,应能实时选举产生新的簇头。簇内所有节点将要发送的数据报文首先传送给簇头节点,簇头节点再根据报文要发送的目的地址选择合适的路径发送出去。簇头节点与汇聚节点组成的上层网络,各自维护它们相互之间的路由表,负责报文的转发,同时通过汇聚节点连接间隔层或变电站层的以太网,最终完成数据发送或接收。图3是上述2层架构SAS传感器网络的体系结构。3实现传感器网络的一些关键技术3.1供能方式设计无线传感器网络中节点的能量供给主要通过携带能量十分有限的电池。由于节点分布区域广,部署区域环境复杂,传感器节点通过更换电池的方式来补充能源不太现实。因而,高效地使用能量成为使网络生命周期最大化的首要研究课题。SAS传感器网络在节点的供能方面有其特殊的一面,它可以通过电磁感应的原理从被监控的设备上取得能量。一种实用的方法就是小CT取能。小CT供能方式的原理是在传感器安装侧设备的线路上安装特制的CT,从线路上感应电压,然后通过整流、滤波、稳压等后续电路处理后,给节点提供必须的工作电源。这种方案在设计时重点要考虑2个问题:1)在系统电流很小的时候能够提供足够大的功率,以驱动电子电路;2)在系统出现短路大电流时,要避免CT铁心进入深度饱和从而造成铁心严重发热。小CT取能的原理如图4所示。当输电线电流较小时,开关S断开,主线圈感应电流,整流输出供能;当输电线电流较大时,开关S闭合,N2绕组感应小电流。这种供能方案的优点是功率较大,可以充分满足传感器节点的能耗需求;缺点是电源可靠性与输电线工作状况直接相关,而且在线路故障时以及空载时不能提供电源,从而导致节点失效。解决这个问题的方法是:在条件允许的情况下,让传感器节点额外携带一个蓄电池,在线路正常工作情况下,由小CT供给能量;在线路故障或空载时,通过一个二极管切换至蓄电池供电。由于线路故障的时间并不会太长,因而采用这2种供能方式相结合,完全可以解决传感器节点对能耗的要求。增加了取能小CT势必增加整个传感器节点的体积,但是由于供给的功率小,取能CT的线圈少,相对于被监控的设备,这种体积的增加并不明显,不影响小CT取能方式的实用价值。3.2数据融合技术传感器网络的基本功能是收集并返回其传感器节点所在监测区域的信息。在收集信息的过程中采用各个节点单独传送数据到汇聚节点存在浪费通信宽带和能量、降低信息收集效率等缺点。为了避免这些缺点,需要在传感器网络中使用数据融合的技术,数据融合技术主要用于处理同一类型的传感器数据。上述基于分簇的2层架构SAS传感器网络由于采用了分簇技术,可以将具有同一类型传感器数据的节点分配在同一个簇中,为数据融合技术的实现奠定了基础。SAS传感器网络的数据融合可以从以下几个方面加以考虑:1)对于监测类似于变压器油温的传感器节点,不需要实时地传送数据,我们感兴趣的是温度值是否超过一定的阀值。因而可以仅对超过阀值的异常数据予以及时传输。2)对于变压器差动保护而言,其对数据的同步性能有很高的要求,而传感器节点传送的数据是各个时间段内的数据,我们可以选择将时间相同的数据进行融合后再上传,这样不仅减少了传输的数据量,也保证了数据的同步性。3)正常运行时的三相电量具备一定的关系,节点数据可以充分融合,且可在正常情况下只发送1个数据,当故障发生时应能及时传送故障数据。对同一簇内的数据进行融合,可以综合多个节点的数据,剔除个别错误或误差较大的信息,能确保获得信息的准确度。同时,数据融合技术减少了传输的数据量,节省了能量,减轻了网络的传输拥塞,减少了冲突碰撞现象,降低了数据的传输延迟。这些对变电站自动化系统有着深刻的意义。3.2.2基于sa的分簇路由前面所叙述的SAS传感器网络是一个2层的体系架构,这种体系架构不仅非常适合变电站自动化的实际情况,还能有效地进行数据融合,减轻网络的传输拥塞,降低数据的传输延迟。这种层次型拓扑控制是基于分簇路由算法的,下面在LEACH算法的基础上,介绍一种适合SAS的分簇路由算法。由于SAS传感器网络节点供能有其得天独厚的优势,节点能耗已不是制约路由算法的主要因素,更应该从SAS自身的要求来进行选择。因而在设计分簇路由算法时,应充分考虑下面2点:1)考虑相同类型数据融合的需要,在分簇时尽可能将具有相同类型数据的节点分在同一簇内。2)选择最优路径路由方式,降低数据的传输延迟。计算到汇聚节点的欧几里德距离,从距离汇聚节点最近的簇头节点开始,选择数据路由最佳路径。这种适用于SAS传感器网络的分簇路由算法工作原理可用图5所示流程图来表示。图中:T(n)为选举簇头节点的概率门限;P为簇头在所有节点中所占的百分比;r为簇头选举轮数。3.3节点自身因素传感器网络位于变电站的过程层,这是一个强电磁环境,对通信系统的干扰很大;节点部署的环境非常恶劣,风雨雷电等自然因素可能导致节点失效;受障碍物的影响,无线通信的性能经常发生变化,导致网络拓扑结构的不可控;有意或无意的人为损坏会使网络结构发生破坏,致使数据丢失等;恐怖分子的触角伸入到电力系统,可能窃取通信信息,也可能对节点进行攻击,亦可能冒充节点发送错误数据或命令。这些因素的存在,对传感器网络的可靠性问题与安全技术提出了很高的要求。3.3.2通过通信网络的技术来实现网络实名的通信设计传感器网络与其他无线通信网络一样,提高可靠性的方法有多种,主要的方法有2个:一是通过差错控制技术,降低数据传输的误码率;另一个是增强整个网络的健壮性。具体的措施有:1)差错控制编码。差错检测是通过差错控制编码来实现的,通信网络中常用的差错控制编码有奇偶校验码、循环冗余校验码和海明码。根据应用的不同要求,当检测到差错时可以选择忽略误码数据,也可请求重传。2)差错控制方法。差错纠正是通过差错控制方法来实现的,常用的有反馈检测、自动请求重发和前向纠错3种。3)可靠的硬件设备。在设计硬件时,可以采用优质材料让传感器节点的外壳具有更强的抗腐蚀能力,同时要考虑电子电路的抗干扰能力。4)网络拓扑结构的健壮性。这主要由路由协议来实现。路由算法是适用于SAS的改进型LEACH算法,它是一个多跳路由算法,簇头节点的选举也具有随意性。因而节点的损坏与人为的攻击都不会导致网络拓扑结构的不可控。3.3.3传感信息的特性安全技术的选取基于传感器网络所能遇到的安全威胁。常见的安全威胁包括传感器节点的物理操纵、传感信息的窃听、拒绝服务攻击、重放攻击、完整性攻击等。针对这些安全威胁,可以采取如下的安全技术:1)采用扩频技术。扩频技术是利用与欲传输信息无关的码对被传输信号扩展频谱,使之占有远远超过被传送信息所必需的最小带宽。使窃听者难以捕捉到有用数据。2)传感信息的机密性。它可通过对传感信息内容进行加密实现,以防止信息泄露给非法节点或外部攻击者。3)传感信息的完整性。它保证了信息在传输过程中没有被非法篡改,信息的完整性可通过计算信息的摘要等来实现。4)传感信息的可靠性。它保证了信息来自合法的传感节点。可靠性可通过数字签名、通过共享的唯一性密钥对信息加密、通过共享的唯一性密钥计算信息的摘要、单向密钥链等实现,对于不同的通信模式应选择不同的方式来实现信息可靠性。5)传感信息的时效性。通过保证信息的时效性可有效防止重放攻击。时效性可通过时间戳、随机数、序列号等实现。3.4wsn接入导致的问题基于分簇路由的2层SAS传感器网络的过程层采用传感器网络,间隔层、变电站层采用以太网。如何使传感器网络接入以太网是实现SAS监测功能的关键。本文采用一个无线网关实现传感器网络与站内以太网的信息交互,见图6。这里承担无线网关作用的是专门的汇聚节点,传感器网络通过一个无线通信接口接入网关,网关再通过一个以太网接口接入站内以太网。W