基于傳感器網絡的智能配電網通信模型研究

謝偉紅，成浩，章健軍

(1． 湖南省電力公司培訓中心，湖南 長沙410131;2． 湖南省電力公司信通公司，湖南 長沙410007)

智能電網的建設是以堅強網架為基礎，以信息平臺為支撐，實現“電力流、信息流、業務流”的高度一體化融合，構建貫穿發電、線路、變電、配電、用電服務和調度全部環節和全電壓等級的電網可持續發展體系。智能配電網自動化系統覆蓋面積廣、技術實施手段多樣化，但系統建設周期長，且難度較大，成為我國建設智能電網的一個重要瓶頸，其中智能配電網自動化系統的通信網絡建設是一個難點。因此，建設一個網架牢固、組網靈活、互動性和擴展性強的配電網自動化通信網絡是智能配電網建設的重要環節〔1－2〕。本文將分層的分布式無線傳感器網絡應用于智能配電網，提出一種新的通信模型，對該模型中的網絡結構、路由方式、安全傳輸設計等問題進行探討與分析。

1 分布式多層無線傳感器網絡特點

1.1 分布式傳感器網絡

分布式傳感器網絡(Distribution Sensor Network，DSN)是第四代傳感器網絡，它是在監控區域的智能傳感器節點大量的密集部署構成的一種網絡應用系統。由于傳感器節點數量眾多，部署時只能采用隨機投放的方式，傳感器節點的位置不能預先確定;在任意時刻，節點間通過無線信道連接，自組織網絡拓撲結構;傳感器節點間具有很強的協同能力，通過局部的數據采集、預處理以及節點問的數據交互來完成全局任務。

DSN 一般采用多跳(multi-hop)、對等(peer to peer)通信方式，由于每跳的距離較短，無線收發器可以在較低的能量級別上工作;另外，多跳通信方式可以有效地避免在長距離無線信號傳播過程中遇到的信號衰減和干擾等各種問題。同時，DSN既可以在獨立的環境下運行，也可以通過網關連接到現有的網絡基礎設施上，由于DSN 具有能量消耗少、可擴展能力強、網絡健壯性能高、環境適應能力強和實時反應速度快等特征，比較適合于構建智能配電網自動化系統的通信網絡架構。

1.2 多層無線傳感器網絡

多層無線傳感器網絡整合多層和分簇的思想，通過在網絡拓撲的底層或較低層構建多個簇頭節點的簇集合、在拓撲的高層或較高層構建多跳轉發機制實現的。通過對整個區域進行多層分簇劃分，縮短通信距離，減少了數據能量消耗，而且在簇頭選擇的同時考慮節點剩余能量和通信環境等因素，從而延長了網絡生命周期。

2 智能配電網網絡結構和通信模型

2.1 配電網架結構建設的基本原則

在城市配電網領域，城網包括輸電網及高壓、中壓和低壓配電網〔3〕。220 kV 及以上電壓電網為輸電網，110 kV 及以下電壓電網為城市配電網，其中35 kV，66 kV，110 kV 電壓電網為高壓配電網;6 kV，10 kV，20 kV 電壓電網為中壓配電網;0.38 kV 電壓電網為低壓配電網。高壓配電網規劃除充分考慮110 kV 及以上電壓等級的主網規劃外，配電網應力求接線簡單、安全可靠。并要適度超前，使之有足夠的運行靈活性和備用容量，網絡結構應滿足“N－1”安全準則，采用環網接線，開環運行的結構、沒有條件的線路、郊區線路可以為放射形。中壓配電網供電半徑應≤3 km，郊區＜5 km，中心區≤2 km。為降低線路損耗及滿足末端電壓質量的要求，低壓配電網的供電半徑一般≤250 m，市中心或負荷密集區控制在100～150 m，郊區可適當擴大，但應≤400 m。

2.2 智能配電網的特點

智能配電網具有可靠、經濟、實用、互動、自愈的特點。它將配電網在正常及事故情況下的監測、保護、控制、計算等與供電部門的工作管理有機融合在一起，支持分布式電源DER 的大量接入，為用戶提供更加安全、可靠、優質、高效的電能，以及提供擇時用電、分時計費等的互動型服務〔4〕。

2.3 智能配電網通信網絡模型的現狀

作為骨干網接入層網絡的配電通信網，由于節點多、覆蓋面廣、建設難度大等原因，一直以來缺乏適用的通信技術和建設模式，成為電力通信網發展的瓶頸，制約了智能配電網的發展。

近幾年來，隨著無源光網絡(PON)技術、全球微波接入互操作(WiMAX)等新的通信技術的成熟，在智能電網試點工程中得到一定應用，但都存在較大的局限性。因此，提出分布式無線多層傳感器網絡組網方案，可以為智能配用電通信網的建設提供一種可行的、適用的方案。

3 分布式無線多層傳感器網絡的智能配電網通信網絡模型

3.1 結構設計

本文采用分層成簇的思路進行網絡結構的設計。在城市配電網中根據電壓等級劃分為高壓配電網、中壓配電網和低壓配電網。在高、中壓配電網中，考慮到傳感器的配置數量、配置環境、傳輸距離和通信環境等因素，以變電站或配電變壓器為中心來對DSN 進行規劃。

在高壓配電網中，以變電站為中心劃分區域，并且以變電站中某一傳感器為中心節點，區域內其它無線傳感器節點采用單跳或多跳與中心節點進行通信，而各中心節點通過光纖環網進行通信，中心節點除具有數據實時處理功能以外，還必須具有一定的路由功能。圖1 所示為高壓配電網無線傳感器網絡模型。

圖1 高壓配電網無線傳感器網絡模型

在中壓配電網中，其網絡架構相對高壓配電網復雜得多，同時傳感器的數量眾多，傳感器的數據處理要求和環境狀態復雜，其通信手段遠不如高壓配電網優越，同時又是聯接高壓配電網網絡和低壓配電網網絡的橋梁。考慮到數據處理和路由選擇的要求，采用雙中心節點方式來規劃無線傳感器網絡。在中壓配電網中，以配電變壓器為中心劃分區域，并且以配電變壓器中某一傳感器為中心節點，即無線傳感器網絡的中心簇頭，稱為數據處理中心節點(簡稱中心節點)，區域內其它無線傳感器節點采用單跳或多跳與中心節點進行通信，而各中心節點通過光纖傳輸網或無線方式進行通信。同時配置另一個中心節點用于路由處理，稱為路由選擇中心節點(簡稱路由節點)，用于各低壓配電網區域間無線傳感器之間的相互通信，同時通過路由節點實現低壓配電網中各傳感器節點與中壓配電網中用于數據處理的中心節點進行數據交換，各路由節點通過光纖傳輸網或無線通信方式進行通信。路由節點具有較強的路由選擇功能，低壓配電網中各簇頭節點同時與距離相近的中壓配電網中的多個路由節點相互通信，以保證路由選擇的可靠性。圖2 所示為中壓配電網無線傳感器網絡模型。

圖2 中壓配電網的無線傳感器網絡模型

在低壓配電網中，配電網絡架構非常復雜，且環境復雜，因此在此區域布置的傳感器數量大，且通信條件遠不如中、高壓配電網優越。在低壓配電網中，由于所配置的無線傳感器數量龐大，為了降低網絡規模，以配電變壓器為中心劃分低壓配電網網絡區域，在此區域內形成一個分布式無線傳感器網絡，其簇頭節點與中壓配電網網絡的路由節點相互通信，并通過路由節點與其它低壓配電網區域網絡形成統一的網絡。組網結構如圖3 所示。

圖3 低壓配電網的無線傳感器網絡模型

由于低壓配電網傳感器數量眾多，且所處區域通常是人居環境，傳感器節點的工作受到人的影響因素較大，因傳感器更替(如節點死亡、布置新節點、節點被人為移動)引起的網絡結構變化比較頻繁，因此，低壓配電網區域采用分布式無線傳感器網絡組網方式，網絡拓樸采用自組織方式，簇頭節點與簇內節點需根據網絡拓撲進行自動調整，調整的原則:盡可能減少普通傳感器節點與簇頭節點的跳數，減小通信代價;充分考慮各傳感器的剩余能量的情況，引入簇頭輪換機制，進行簇頭節點的選舉機制應充分考慮能量地理位置等因素;對簇內節點設計合適的睡眠與喚醒機制，在確保區域信息完整的前提下使最少的節點在喚醒狀態;要考慮傳感器安裝位置的環境因素，如是否因受人為破壞和環境惡劣影響傳感器正常工作。

3.2 路由協議設計

一般而言，無線移動傳感器網絡的路由協議既可以是主動的，也可以是被動的。主動路由協議是通過維護路由表來實現的，維護路由表需要定期交換消息，這樣才可以有最新的路由信息，主動路由協議就非常適合一個區域中傳感器之間的通信了。雖然確定主動路由協議中的路徑幾乎沒有什么延遲，但是定期更新路由信息所產生的額外負擔比較大。被動路由協議是根據需要來維護路由，被動路由的建立不需要定期交換路由信息。但是由于被動路由協議中的路徑都是在需要的時候通過在整個網絡中進行廣播來建立的，這樣就會有比較大的路由延遲〔5－8〕。

在智能配電網的分布式無線多層傳感器網絡的路由協議就是將這2 種協議混合使用，具體設計如下:在高壓配電網網絡拓樸中，區域內傳感器之間通信采用主動路由，而各中心節點之間采用被動路由;在中壓配電網網絡拓樸中，區域內傳感器之間通信采用主動路由，而各中心節點和路由節點之間采用被動路由;在低壓配電網網絡拓樸中，區域內傳感器之間通信采用主動路由，同時，各區域的簇頭是動態變化的，因而采用動態路由。

在高、中壓配電網網絡區域中，因節點區域中使用主動路由，在一個區域中就需要有一個核心路由節點(簡稱中心節點)進行協調和管理。在該體系結構中，當一個傳感器進入某個區域時，就要在網絡中廣播控制信息，該區域節點監聽到此控制信息后，由核心路由節點來進行響應，更新該區域的主動路由表并將該節點加進去，而其他普通網絡節點則對這樣的控制信息廣播不作響應，這個核心路由節點由中心節點來擔當，一般是固定的。

在低壓配電網網絡區域中，節點區域中也是使用主動路由，在該體系結構中，一個區域中核心路由節點(即簇頭節點)是動態產生的，如果簇頭節點死亡或者移出了某個區域，那么該區域的其他節點通過統一的選舉算法參與簇頭選舉。如果在該區域內新增、刪除和移動傳感器節點，該區域可能根據網絡結構調整重新進行簇頭選舉。在進行簇頭節點競爭時，主要考慮其處理能力、地理信息(GPS)、能量以及自身的穩定性。如果該節點具有較好的配置、較強的計算能力和GPS 位置，就可以升級為簇頭節點。這種簇頭節點的動態產生辦法，不僅使網絡有很強的自我適應性，而且有很高的可靠性，在某個核心路由節點產生故障或者移動出某個區域的時候，就可以由其他節點自動升級為核心節點，從而保證網絡的正常運行。

3.3 安全傳輸設計

由于網絡部署環境的開放性和節點的資源有限性使得傳感器網絡面臨著各種嚴重的攻擊威脅。尤其對于智能電網這一特殊應用場景，低壓配電網區域的傳感器節點所處的區域為人群密集區，外部攻擊和內部攻擊都能破壞成簇協議的正常運行而使得基于簇拓撲結構的網絡功能失效或者被攻擊者誤用。因此，必須將安全傳輸因素作為保障成簇拓撲控制實際應用的基本前提。

傳感器網絡安全威脅有外部攻擊與內部攻擊2類。外部攻擊的攻擊者通過物理破壞節點硬件，干擾、阻塞、竊聽無線信道，向信道中插入偽造數據包等外在方式攻擊網絡;內部攻擊的攻擊者通過俘獲節點，讀取節點存儲信息，重編程控制節點實施數據包的偽造和篡改、丟包和選擇轉發、數據竊取等方式干擾破壞或誤用網絡服務。對外部的物理破壞和信道阻塞尚無有效的安全機制來進行抵御。

內部攻擊對網絡的成簇協議構成安全威脅，攻擊的手段包括節點偽裝攻擊、簇首占據攻擊、簇成員惡意征募攻擊、多重簇成員身份攻擊。為防范這些攻擊，在進行安全傳輸設計時可通過節點共享密鑰、隨機密鑰分布及安全成簇算法〔9－11〕等方法實現。

4 無線通信網技術對比

湖南電力在用的無線通信技術主要有微波通信、衛星通信、無線一點多址、擴頻、特高頻等，無線微波電路總長達2 107.7 km，微波站數71 個，微波設備132 套(其中PDH 無線微波設備128 套、SDH無線微波4 套)。傳統的點對點PDH/SDH 微波由于傳輸效率低、業務種類單一、設備管理復雜等缺點，無法適應日益增長的綜合寬帶通信業務應急保障需求，2012年，湖南省電力系統試點運用IP 無線微波設備2 套，新型IP 微波具備面向IP 的豐富空口業務類型、靈活高效的自適應調制特性、G 比特級的大帶寬傳輸、多方向網絡化及可靠的端到端業務管理等優勢。

衛星通信作為電力通信的一種新興通信手段，在數據傳遞、文件交換、圖像傳輸等通信業務都有著廣泛的應用。最近幾年，湖南省爆發的各種自然災害，導致大量光纜中斷，電力通信業務受到嚴重的影響。因此，可充分利用衛星通信作為光纖通信的補充，以保證傳輸調度電話和兩遙的基本調度生產信息不中斷。如今，將衛星通信技術應用于電力系統已經成為整個電網通信的重要任務之一。

上述幾種無線通信技術作為有線通信的備用通信，主要應用于電力應急通信，其主要應用范圍尚未延伸至配電網絡。無線傳感器網絡是大規模、自組織、動態性網絡，布置靈活，安全可靠，將無線傳感器網絡應用于智能配電網通信系統，是對電力系統現有現有通信網絡的有力補充，具有巨大的研究價值與應用潛力。

5 結束語

本文在分析智能配電網建設的標準基礎上，結合當前配電網自動化系統建設的實際情況，提出一個基于多層分布式無線傳感器網絡技術的智能配電網通信網絡模型，可以較好地解決實現智能配電網自動化系統、高級配電網管理應用、配電網中的通信、分布式電源、配電用電的互動幾個重要功能的通信網絡模型。

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