無線自組網在變電站綜自系統中的應用探討

蘇漢，逢宗海

(保定供電公司，河北 保定 071051)

1 引言

變電站綜合自動化系統的主要任務［1］有兩個方面:一方面完成綜自系統內部各子系統或各種功能模塊間的信息交換;另一方面完成變電站與控制中心的通信任務，將故障信息及時上報控制中心，同時接受和執行控制中心下達的各種控制和調控命令。由此可見，數據通信是變電站綜自系統中的一個重要環節。另外由于變電站需要通信的數據具有一些特殊性，比如數據的實時性、故障信息的突發性和現場惡劣的電磁環境等問題，對綜自系統的數據通信提出了更高更苛刻的要求。目前變電站綜自系統采用的通信方式有串行通信、現場總線和以太網。

在綜自系統中，特別是微機保護、自動裝置與監控系統相互通信電路中主要采用RS422和RS485串行通信。變電站自動化系統采用RS－485/422接口，可實現多節點間的連接。這種方式的優點是通信設備簡單、成本低、易于實現。但連接的節點數比較少一般不超過32個。在很多情況下不能滿足系統的要求。因此，這種通信方式適用于結構簡單且投資成本少的小型變電站，主要在35kV的變電站。

現場總線與原有的RS485總線方式相比，它具有系統開放、通信速率高、多主通信、抗干擾能力強等特點。當變電站規模較大時，站內節點數較多，一般在40個以上，多主冗余要求和節點數量增加使RS422和RS485難以勝任，應考慮選擇選擇現場總線網絡。國內變電站自動化系統中應用較多的現場總線是Lon-Works和 CAN。LonWorks一般用于110kV變電站，CSC－2000型變電站綜自系統就是采用Lonworks總線進行組網的;CAN網一般用于小規模的35kV變電站和110kV終端變電站。

以太網技術以其應用廣泛、價格低廉、通信速率高、軟硬件資源豐富等優點逐漸成為電力工業通信網絡的理想選擇。目前，以太網技術己成為變電站自動化系統網絡通信的主流技術。但是由于以太網MAC層采用CSMA/CD介質訪問方式，導致網絡重載時，嚴重影響數據實時性。雖然交換式以太網可解決CSMA/CD協議問題，但當系統擴展時，資源出現短缺，同樣無法保證時延的確定性。

相比組網靈活性低，線路易受破壞，并且通信覆蓋范圍有限的RS－422、RS－485、Lonworks或CAN 現場總線和以太網等有線通信方式［2］，無線通信具有靈活性高、擴展性好等特點，可作為現有變電站自動化通信網絡的擴展和補充。

2 無線自組網

無線自組網是一種特殊的無線移動通信網絡，其中，每個節點的地位平等，無需設置任何中心控制節點，網絡中的節點兼具主機和路由器兩個角色。作為主機，節點需要提供面向用戶的服務;作為路由器，節點需要運行相應的路由協議，并根據路由策略參與分組轉發和路由維護。即自組網具有無中心、自組織、多跳路由和動態拓撲等特點［3，4］，因而在網絡協議方面與普通無線網有明顯區別，主要體現在路由協議和信道訪問控制(MediaAecessControl，MAC)協議上。

2.1 變電站自組網結構

目前變電站綜自系統基本都采用分層式結構，根據所完成的功能在邏輯上可分為3層:變電站層、間隔層和過程層。在其自動化網絡中，變電站層內部可采用以太網通信，間隔層內部及間隔層和變電站層之間可采用RS－485網、Lonworks網、CAN或以太網通信，過程層目前還是采用硬件連線方式進行通信［5，6］，基于自組網的變電站自動化無線通信方案可作為目前有線通信的補充和擴展，也可代替部分有線通信，突破有線通信方式的種種限制，使數據傳輸更靈活。

變電站自組網由終端節點、中繼節點和匯集節點組成，每個節點可通過無線通信模塊互相通信。終端節點具有數據采集和測量功能，并將采集到的數據發送給匯集節點。匯集節點與站內有線網相連，將從各個終端節點接收到的數據傳送到變電站監控系統并向各終端節點發送應答(Acknowledgement，ACK)報文。匯集節點除了具有信息匯集功能外還具有網橋功能，轉發有線網與無線網之間的數據。當匯集節點不在終端節點的單跳通信范圍內時可通過中繼節點向匯集節點轉發數據。中繼節點可由其他終端節點充當，也可以是專用的節點。

2.2 路由選擇

路由協議是AdHoc網絡的重要組成部分，其主要任務是發現、維護從源節點到目的節點的路由，將數據從源節點送到目的節點。路由的好壞直接影響網絡的性能。按照發現路由方式的不同，自組網路由協議分為主動式路由協議和按需式路由協議［7］。

由于無線信道傳輸距離和通信質量方面的原因，變電站自組網中某些節點可能無法直接與匯集節點通信，數據報文要通過中繼節點轉發。因此，在變電站自組網中，節點應具有自動路由發現功能。考慮到變電站自組網的網絡直徑不大，無線信道基本對稱且拓撲結構比較固定，數據流向比較固定(一般從自動化智能設備流向變電站監控系統)，數據傳輸具有周期性，每次傳輸的數據量不大，對數據傳輸的實時性有一定要求等實際情況，本文采用基于ad hoc按需距離矢量路由(Ad hoc on Demand Distance Vector，AODV)的路由發現算法［8］。AODV算法采用動態源路由(Dynamic Source Routing，DSR)的路由發現、維護機制和目的序列距離矢量路由(Destination－Sequenced Distance Vector，DSDV)的逐跳路由、序列編號機制，具有路由發現速度快、占用資源少、易于實現的特點。在AODV協議中，目的節點在收到這個路由請求分組后，可以根據反向路徑回復路由請求，這樣在源節點和目的節點之間就建立起一條全雙工路徑。AODV協議的特點在于它采用逐跳轉發分組方式，且加入了組播路由協議的擴展。AODV獲得路由信息的方式如圖1所示，當某網絡節點(源節點)需要到達另一節點(目的節點)的路由時，源節點向其所有鄰居節點廣播一個路由請求報文(Route Requirements，RREQ)，各鄰節點采用洪泛的方式在網絡中傳播RREQ報文，直至RREQ報文到達目的節點或到達某一能提供路由信息的中間節點。在傳播過程中，采用序列號來區分RREQ報文的新舊，防止路由環路。RREQ報文為每個轉發它的中間節點建立一個臨時的、到達源節點的路由(稱反向路由)。當RREQ報文到達目的節點或某一能提供路由信息的中間節點時，接方收送方發一個路由應答(RouteReply，RREp)報文按RREQ報文經過的路徑反向傳送給源節點。RREP在向源節點傳送時，為每個轉發它的中間節點建立一個到達目的節點的路由(正向路由)。源節點根據收到的RREP報文得到自己到目的節點的路由。

圖1 AODV路由算法

2.3 無線自組網MAC協議選擇

無線自組網MAC協議主要解決無線信道的接入方式問題，根據節點獲取信道的方式，可分為基于競爭和非競爭兩類。

2.3.1 非竟爭的無線自組網MAC協議

在非競爭的無線自組網MAC協議中，節點之間通過一定的資源分配機制來避免競爭，如:CDMA中的編碼空間、TDMA中的時隙空間、FDMAt中的頻譜空間等。這些協議需要借助某種形式的集中協調機制，這在無線單跳網絡中容易實現，但在分布式的多跳無線自組網中卻非常復雜。另外，集中式的協調調度還會帶來較大的管理開銷，因此在分布式的無線自組網中很少采用。

2.3.2 基于競爭的無線自組網MAC協議

基于競爭機制的MAC協議的顯著特點是數據發送異步進行，發送時間只由發送方或接收方單獨決定，無需與其他節點協調同步，盡管在傳送時不能確保無沖突，但由于該類協議易于實現，具有良好的魯棒性，非常適合用在無線自組網的分布自組場景當中。基于競爭的無線自組網MAC協議又可細分為隨機訪問模式和帶有預約機制的訪問模式兩類。

(1)在隨機訪問模式下，節點在自身準備好之后就立即訪問信道，該機制的最大優點是實現簡單，但由于節點在發送時未顧及其他節點的情況，最終導致很高的信道沖突率，ALOHA、時隙 ALOHA就屬此類協議。為了減小數據分組的碰撞概率，研究人員提出了CSMA協議，其核心思想是:節點在發送數據之前，首先對信道進行載波監聽，只有當信道空閑時才發送數據。如果信道忙，則采取不同的監聽策略，即非堅持、1堅持和P堅持。非堅持指如果信道忙就進行退避，之后重新監聽;1堅持是指如果信道忙就一直監聽，直到信道空閑為止;P堅持是指如果信道忙，就以P概率繼續監聽，以(1－P)概率退避后重新監聽。通過載波監聽，CSMA進一步減小了數據分組沖突的概率。然而，將CSMA機制直接應用到無線多跳自組網時，存在隱藏終端和暴露終端問題。上述兩種情況可以用圖2來輔助說明，當節點1與3同時處于發射狀態時，由于接收沖突導致節點B無法正確接收到A發送的數據，出現隱藏終端問題。當節點2向節點1發送報文時，節點3偵聽到節點2的發送，使得節點3不能同時向節點4發送報文，延遲發送而造成不必要的延遲，即暴露終端問題。隱藏終端和暴露終端問題均會導致數據發送失敗，進而導致虛假的鏈路失敗報告，降低了網絡吞吐量和信道利用率，所以Ad hoc網絡的MAC協議要盡可能解決隱藏和暴露終端問題。

圖2 隱藏和暴露終端示意圖

(2)帶有預約機制的訪問模式典型的有MACA協議［9］和改進的 MACA 協議 －MACAW 協議［10］，通過采用RTS/CTS和DATA/ACK握手機制部分解決了無線自組網的隱藏終端和暴露終端問題。在對ALOHA的信道時隙劃分機制、CSMA的載波監聽機制、MACA的RTS/CTS握手機制、MACAW的DATA/ACK握手機制進行融合的基礎上提出的IEEE802.ll協議簇能較好的解決隱藏終端和暴露終端問題。IEEE802.ll采用的報文握手順序是RTS－CTS－DATA－ACK。當數據報文較短時，直接采用DATA－ACK簡單握手機制以提高數據通信效率;當報文較長時，為減小報文沖突，采用RTS－CTS機制來預約信道。

從上面的分析可以看出基于競爭的MAC協議更適合應用在分布式自組網，其中IEEE802.ll系列協議的優勢較為明顯。

3 結束語

本文對當前綜自系統中所用的通信組網方式進行了深入分析，指出了各自的缺點，提出了無線組網方案。重點對現有無線路由協議和MAC協議進行了分析和介紹，根據變電站數據實時性要求高、數據突發性等特點，對幾種典型的路由協議和MAC協議做出評估和篩選，確定了路由和MAC方案，為基于無線自組網的變電站綜自系統通信網絡提供了參考方案。將自組網作為現有站內通信網的備用和擴展符合我國變電站自動化系統的應用現狀。隨著需求的增長和技術的進一步成熟，自組網在變電站自動化系統中會有更廣闊的應用前景。

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