无线传感器网络在电力系统应用中的关键技术浅析
2012-03-31徐德明尹星光
徐德明,尹星光
(1.惠州学院电子科学系,广东 惠州 516015;2.南方电网惠州供电局,广东 惠州 516001)
1 引言
随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统(MEMS)等技术的飞速发展和日益成熟,低成本、低功耗、多功能的微型传感器的大量生产成为可能。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域里被监测对象的信息,并发送给观察者[1-3]。随着无线传感器网络理论与技术的不断成熟,其应用已经由军事国防领域扩展到环境监测、交通管理等诸多领域,使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下都能够获取大量翔实可靠地信息,最终成为一种“无处不在”的传感技术[4]。然而,无线传感器网络在电力系统中的应用却发展的较慢,究其原因,固然有客观因素存在的影响,如老式电力系统自动化程度不高、改造系统工程巨大等等,但是电力系统应用的特殊性也阻碍了无线传感器网络的推广。笔者试着将电力系统应用的关键技术进行梳理,以方便工程技术人员有目的、有计划进行攻关,加快无线传感器网络在电力系统中实际应用的步伐。
2 关键技术
2.1 关键传感器及其协作技术
当前我国电力系统的厂站端已有功能强大的监控系统,能够自动监测厂站设备的运行状态,但对分布范围较广的输电线路却缺乏有效的自动监测手段,还是靠人工巡线方式来发现线路运行中的问题。另外,由于不能取得输电线路的运行状态参数,调度人员往往只能通过事先给定的参数控制输电线路的传输容量,此给定容量趋于保守,不能充分发挥输电线路的输送能力。目前,在电网网架结构薄弱的情况下,如果能通过适当措施增加现有输电线路的输送容量,将有助于解决电力供应紧张的问题,带来巨大的经济和社会效益。我国关于输电线路监测的研究和开发尚处于起步阶段,缺乏完整的输电线路监测系统,线路测量还不能直接指导电力生产。目前国内只有少数厂家和科研单位进行了绝缘子泄漏电流[5,6]、电缆[7]、弧垂[8]的在线监测研究,还没有达到综合监测的水平。单个的传感器节点往往不能完成对目标的测量、跟踪和识别,而需要多个传感器节点采用一定的算法通过交换信息,对所获得的数据进行加工、汇总和过滤,并以事件的形式得到最终结果[9]。因此,对输电线路运行状态的综合监测在于关键传感器应用及其算法设计。
2.2 通信与组网
在电力系统中,无线传感器主要用来完成各种电气量、开关量、模拟量等的监控和检测,因此,基于电力系统网络的无线传感自组网的通信和组网,应该充分考虑电力系统本身的特点。设计基于电力系统场合下能长期使用的无线传感器网络是物理层协议需要考虑的关键问题。无线传感自组网媒体访问控制(MAC)层要求低能耗、低通信延迟和可以动态扩展。考虑电力系统背景下分析无线传感节点的移动特性,设计相适应的网络拓扑结构。目前很多研究都采用节点—协调器结构,但这种拓扑结构负责汇集节点数据信息的协调器发生故障时,整个网络将陷入瘫痪,故网络可靠性下降。
2.3 分布式信息处理
无线传感自组网必须保证时间的同步性,而无线传感器网络的通信带宽较低,网络拓扑结构动态变化,传统的时间同步机制难以适用。需要研究满足电力系统时间同步精度低通信开销的时间同步机制。由于电力系统中数据量大,不同类型的数据要求传输质量、响应时间都不同,而且需要进行不同的数据处理,单元级、域级、厂站级之内和之间的数据需要不同的交互和协作处理,这就需要建立有效的分层分布式处理机制。在电力系统中,只有结合位置信息,传感器获取的数据才有实际意义。例如,在变电站综合自动化系统中,电气量、开关量等数据信息只有确切知道具体位置信息,才能有效地进行分析监控。在满足电力系统定位要求的前提下,设计低开销、低成本的分布式定位算法,也是无线传感器网络在电力系统中应用的关键课题之一[10]。
2.4 电力通信网络的融合和网络安全
从传感器节点获取到的电气量、开关量、模拟量等数据,可能需要上传到厂、站控制中心或者调度中心,以便分析和监控。因此,需要将无线传感自组网接入到现有电力数据通信网络,达到数据的共享和互补。电力信息数据在通信过程中,必须保证任务执行的机密性、数据产生的可靠性和数据产生的安全性,防止数据被窃听或者非法用户接入。由于传感器节点本身的特点,无线传感网通常是通过简单的邻居发现协议来初始化网络,而且通常没有采用硬件防护措施,导致网络易于被窃听,甚至被攻击。这就需要研究无线传感自组网框架的机密性、消息认证技术、完整性鉴别、密钥算法及其分布模型、节点间的耦合性等。
2.5 监测设备的供电设计
采集装置电子电路的电源获取是监测系统实用化必须解决的一个关键问题。一些学者和开发人员提出了多种供电方式,如利用太阳能加上锂电池来供电、激光供电、微波供电、利用特制TA在线取能等[11]。根据实际环境条件合理选择供电方式,将大大提升供电系统应用的可靠性。
2.6 功耗
系统的功耗主要有两方面的原因:一方面是硬件,要选择功耗低的器件;另一方面是软件,包括节点上的工作模式和通信协议的实现。由器件的物理特性决定的,节点在休眠、唤醒、工作等不同的工作模式下的功耗差别非常大,怎样把这些不同的工作模式有机的组合起来,使其既能有效地完成需要实现的功能,又能最大限度地少消耗本来就不多的能源,是软件设计重点要考虑的问题。仔细研究节点上的每个功能模块可以发现,通信模块是节点上功耗最大的部分,一个好的通信协议应该简单有效,使得节点的运算开销尽量的小,这样,可以大大降低整个节点的功耗。
3 结束语
本文介绍了无线传感器网络技术在电力系统应用需解决的关键技术。无线传感器网络方案简便易行、成本低廉,可以很好地解决有线通信方式布线难度大、成本高、不易维护和升级等问题,具有较高的组网灵活性和传输可靠性。随着技术的不断提升,将在电力系统领域有着广阔的发展。
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