配电网故障定位中通信系统协议设置

付文博，李 峰，曹 盛

(1.沧州供电公司生产调度部，河北沧州 061001;2.华北电力大学电子与通信工程系，河北保定 071003)

随着电力系统的快速发展，人们对经济、可靠、安全的用电要求越来越高。能够准确快速地找出故障点尤为重要。这不仅可以节省大量人力物力，而且对于社会发展和人们的生活也有较大影响［1］。文中采用无线自组织网络(Ad hoc)实现对10 kV配电网单相接地故障的定位。着重分析了无线自组织网络中协议的选择。

文中利用无线自组织网络(Ad hoc)传输每一节点的故障信息，信息经过多跳传输到中心站。无线自组织网络是由一些带有无线通信模块的节点，通过无线信道连接形成，强调无中心接入和多跳路由［2］。在无线自组织网络中，由于无线通信覆盖范围的有限性，两个无法直接通信的节点可以利用其他节点的路由转发功能进行通信，即经过多跳，这是无线自组织网络和其它移动通信网络的根本区别。

无线自组织网络是一种特殊的无线移动网络。网络中所有结点地位平等，无需设置任何中心控制结点。网络中结点兼备主机和路由器两种角色，即不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力。一方面负责本片信息采集与发送，另一方面也负责传送其他节点发送的信息［3］。

1 系统概述

文中提出一种采用无线自组织网络(Ad hoc)的在线故障定位方法，即在配电网上以一定间距安装无线节点，架构无线网络，对配电网进行实时监控。无线节点既是主机又是路由。一方面负责本机信息的采集与发送，另一方面也负责其他节点信息的转发。例如图1中的节点2，既要将本机的信息发送到中心站又要将节点1的信息转发到中心站;节点8既要将本机信息发送到中心站又要将节点5和节点7的信息转发到中心站。

在系统单相接地故障发生时，故障点两侧会有零序电流产生，并且故障点两侧零序电流的相位相反，由零序电流采集器得到故障点两侧零序电流相位信息，将信息通过多跳的方式传输到中心站，然后中心站计算分析得出故障区段。故障区段的长短由节点分布的疏密程度而定，文中定为1 km。拓扑结构如图1所示。

图1 拓扑图

2 NS2软件介绍

NS2(Network Simulator Version 2)是一种面向对象的离散事件模拟器，扩展性强、开放性好［4］。主要应用于网络仿真，解决网络问题，可用于 Windows和Linux系统。

NS2软件已经被广泛应用，具有一定的权威性。NS2包含多个模块，如 Tcl、Nam、xgraph等，还包含丰富的网络模块，对现在的网络协议提供了良好的支持。源码开放和免费的软件模拟平台使得研究人员可以方便地进行网络开发。

3 协议设置

系统应用于配电网故障定位，每隔一段距离安装节点，所以拓扑结构基本成链式会有分支。节点移动性小，拓扑结构稳定。根据这些特点选择协议以适应系统需求。

3.1 路由协议

按照路由建立的方式不同，无线自组织网络的路由协议可以分为3种［5－6］:先应式路由协议、按需路由协议和混合路由协议。

先应式路由协议又称为表驱动路由协议，节点需要实时维护路由表，路由表中保存完整的信息。

按需路由协议又称为反应式路由协议，节点不需要实时维护路由表，只有当有信息需要发送时才进行路由选择。

文中利用NS2软件对AODV、DSR和DSDV这3种路由协议进行仿真对比。分别在节点数不同和停留时间不同情况下比较了端到端延时和分组投递率。

3.1.1 节点数不同

通信场景:ns cbrgen.tcl－type cbr－nn 20－seed 1－mc 10－rate 2.0

移动场景:./setdest－n 20－p 0－M 20－t 100－x 1000－y 300

在1 000×300的范围内设置20～80个节点，最大移动速度20 m/s，仿真时间100 s。

图2 端到端延时

从图2中可以看出，当节点数较少时，DSDV的延时较小，当节点数超过50时延时较大。这是由于DSDV是先应式路由协议时刻都在维护路由表，随着节点数增加分组数也在增加，从而延时增加较大。

图3 分组投递率

从图3中可以看出，AODV和DSR的分组投递率较高，节点较少时可达到100%。DSDV的分组投递率较低。

3.1.2 停留时间不同

通信场景:ns cbrgen.tcl－type cbr－nn 20－seed 1－mc 10－rate 2.0

移动场景:./setdest－n 20－p 0～70－M 20－t 100－x 1000－y 300

在1 000×300的范围内设置20个节点，最大移动速度20 m/s，仿真时间100 s，停留时间0～70 s。

图4 端到端延时

从图4中可以看出，AODV和DSR的性能较稳定。当停留时间较大时相当于节点移动速度较小，这时DSDV的性能较好。

图5 分组投递率

从图5中可以看出AODV和DSR性能明显优于DSDV。

3.1.3 结果分析

当节点数较少，节点移动速度较小，又注重延时性时可以选择DSDV。如果移动速度较大节点较多，则AODV和DSR的性能较好。

对于本系统，由于节点移动性较小，节点数较多，注重分组投递率，所以选择AODV协议。

3.2 MAC协议

信道接入协议采用载波侦听机制。载波侦听机制由物理载波和虚拟载波侦听共同完成。物理载波通过节点周围信号来判断信道占用情况;虚拟载波是根据收到的信息分析信道被占用的时间，以确定自身需要的延迟。如图6所示，A与B通信时，在发送数据之前先检测信道是否空闲，如果空闲则发送RTS分组，否则等待一段时间并检测。RTS分组中包括 CTS，DATA，ACK传输的时长。这样节点C就知道需要退避多久，只要避开CTS分组就不会在A处发生碰撞。B收到后返回一个CTS分组，CTS分组中包括DATA和ACK传输的时长，这样节点D就知道需要退避多久，只要避开DATA，就不会在B处发生碰撞。这样就解决了隐藏终端和暴露终端的问题。

图6 隐藏终端和暴露终端

文中还对是否采用RTS/CTS进行了仿真。在帧长不同的情况下对两种接入方式的吞吐量进行了比较。结果如图7所示。

图7 吞吐量

从图7中可以看出，帧长较短时采用基本方式接入方式网络的吞吐量较好，帧长较长时采用RTS/CTS接入方式较好。所以在设计系统时为提高网络吞吐量设置了门限值，当小于门限值时采用基本方式接入方式，大于时采用RTS/CTS接入方式。

4 结束语

介绍的基于无线自组织网络的配电网故障定位充分利用了无线自组织网络的特性。通过NS2软件的仿真分析选取了AODV路由协议，提高了系统的分组投递率;并且找到了帧长的门限值从而提高了系统的吞吐量。提出的方法实现了对配电网的实时在线监控，具有体积小、低功耗、高速率且成本低等优点。能够快速准确的定位故障区段，大幅减少了人力物力的消耗，在配电网故障定位方面有较大的发展空间。

［1］戚宇林，李博辉，刘超.无线自组织网络在配电网接地故障监控中的应用［J］.通信技术，2008(6):204－206.

［2］于宏毅.无线移动自组织网［M］.北京:人民邮电出版社，2005.

［3］韩露.移动自组网路由协议研究［D］.武汉:华中科技大学，2006.

［4］金伟，刘方爱，王晓洁.基于NS的Ad hoc网络路由协议仿真研究［J］.计算机技术与发展，2010，20(1):63 －66.

［5］周杰.Ad hoc网络中三种典型路由协议的仿真分析与比较［J］.大众科技，2010(1):57－58.

［6］孙亦佳.无线Ad hoc网络按需路由协议的研究与仿真［D］.成都:电子科技大学，2008.