面向输变电场景的无线传感网通信性能测试研究

黄 震 敬沅坤 闫 克 任春梅

面向输变电场景的无线传感网通信性能测试研究

黄 震1敬沅坤2闫 克1任春梅1

（1. 许昌开普检测研究院股份有限公司，河南 许昌 461000； 2. 北京理工大学珠海学院，广东 珠海 519088）

无线传感网在输变电设备状态监测领域的应用，能够有效提升电网运行效率，实现更高的经济价值和社会效益。通过分析无线传感网在输变电场景下的通信特征，提出通信性能测试方法，构建闭环测试平台，对无线传感网的接入容量、组网性能等关键指标开展测试验证。结果表明，所提测试方法能有效评估无线传感网的终端接入、数据传输能力，可为无线传感网在电力系统的推广提供技术支撑。

输变电；无线传感网；通信性能；闭环验证

0 引言

电力系统是由发电、输电、变电、配电、用电设备及相应的辅助系统组成的电能生产、输送、分配、使用的统一整体。输变电设备是电力系统的核心组成部分，其运行状态直接关系到电力系统的稳定性和可靠性，对输变电设备进行状态监测和故障预警是电力系统的重要需求[1-2]。传统的输变电设备监测依靠人工巡检设备状态，这种方式存在人力资源浪费、监测不及时等问题。随着电力系统的规模不断扩大，其结构也变得越来越复杂，传统的人工巡检方式已经无法满足实际需求。无线传感网是一种分布式传感网络，通过传感器采集监测区域或对象的信息，并以无线通信的方式将监测信息发送到网关，以实现对目标区域或对象的实时监测，具有灵活性高、自组织性强等特点[3-4]。无线传感网在输变电设备状态监测领域的融合应用，能够降低人工巡检频率，减少运维成本，实现对输变电设备的智能化管理和优化调度，促进设备状态管控力和运检管理穿透力的有效提升。

目前，国家电网有限公司在积极推进无线传感网的适用性验证，在包括江苏、浙江、安徽、四川等多个省份开展试点建设。为此，本文通过分析无线传感网在输变电场景下的通信特征，提出通信性能测试方法，构建测试平台，实现对无线传感网的接入容量、组网性能的通信性能测试，以期为输变电场景下的无线传感网建设提供技术支撑。

1 无线传感网通信特征分析

1.1 无线传感网络架构

无线传感网位于输变电设备物联网的感知层，分为传感器层和数据汇聚层[5-6]。无线传感网络架构如图1所示。

图1 无线传感网络架构

传感器层由各种类型的无线传感器组成，用于采集不同类型的状态参量，并通过无线传感网络将数据上传至汇聚节点。无线传感器分为微功率无线传感器（mW级）、低功耗无线传感器（mW级）[7-8]。典型的无线传感器有输电场景下的导线温度传感器、风偏传感器、杆塔倾斜传感器和变电场景下的温湿度传感器、六氟化硫微水监测传感器、特高频传感器等[9]。

数据汇聚层由接入节点、汇聚节点等网络节点设备组成，用于构成全覆盖的传感数据传输网络，为海量无线传感器提供通信接入。接入节点是无线传感网的通信主设备，负责无线传感网与电力专用网络的通信接口，主要用于对无线传感网内所有节点设备和无线传感器的管理和数据采集，具备网络管理、自组网和无线传感器接入等功能。汇聚节点是无线传感网的通信中继设备，主要用于接收、汇聚一定范围内的无线传感器上传的数据，具备自组网和无线传感器接入等功能[10]。

1.2 输电场景通信特征分析

输电线路由输电导线、输电杆塔构成，其空间位置分布类似带状[11]。线路送出距离和输电杆塔档距在不同的电压等级下有所不同，以220kV输电线路为例，单条线路送出距离为50～150km，输电杆塔档距通常为200～500m[12]。无线传感器大部分布置在输电杆塔周边，数量约上百个，少部分布置在输电线路中央，通常为数十个。由于线路中央无法布置汇聚节点，仅能将汇聚节点部署在输电杆塔上。在网络拓扑方面，由无线传感器和汇聚节点构成的设备网络为星形拓扑，由汇聚节点和接入节点构成的设备网络为链状拓扑。输电场景下无线传感网组网方式如图2所示。

图2 输电场景下无线传感网组网方式

输电线路及其辅助设备在运行过程中，面临的主要运行风险有大风雨雪天气、电力线过载、设备老化等[13-14]，因此输电场景下的无线传感器需要对风偏、导线温度、绝缘子泄漏电流等状态参量进行监视，其数据发送间隔通常为min级，传输数据长度较短。输电场景下典型无线传感器数据发送间隔、数据长度见表1。

表1 输电场景下典型无线传感器发送间隔、数据长度

1.3 变电场景通信特征分析

变电站主要包含变压器、开关设备、出线设备、控制装置等设备，设备的空间位置分布较为集中，通常呈块状[15]。在无线传感器部署位置方面，电力设备监测用无线传感器受限于被监测设备位置，通常安装在被监测设备本体或周边，部署位置相对集中，环境监测用无线传感器则均匀分布在整个变电站区域内[16]。在无线传感器部署数量方面，小型变电站部署传感器数量约为1 000个，大型变电站部署传感器数量约为4 000个。由于变电场景下的无线传感器部署在单个变电站内，数据传输距离有限，其对单跳数据传输距离及通信跳数要求不高[17]。在网络拓扑方面，变电站内无线传感器与汇聚节点、接入节点构成的设备网络为树状拓扑。变电场景下无线传感网组网方式如图3所示。

图3 变电场景下无线传感网组网方式

变电站内运行设备种类多、结构复杂，面临的主要运行风险包含电气火灾、触电等电气安全风险和设备形变、老化等设备故障风险[18-19]，因此变电场景下的无线传感器需要对环境温湿度、烟感、形变等状态参量进行监视，其数据发送间隔为min级或h级，传输数据长度跨度较大，通常为几十字节到上万字节[20]。变电场景下典型无线传感器数据发送间隔、数据长度见表2。

表2 变电场景下典型无线传感器发送间隔、数据长度

2 无线传感网通信性能测试方法

结合输变电场景下无线传感网终端接入量大、中继设备跳数多的通信特征，需要对无线传感网的接入容量、组网性能进行测试验证。在测试环境方面，由于无线传感网对周边射频环境较为敏感，因此要求测试环境的射频环境噪声不大于-90dBmW，环境中无其他无线感知设备干扰，且无线传感器与节点设备之间的发射信号强度不小于-20dBmW。在测试参数选取方面，应考虑输变电场景下的组网方式、接入数量、多跳级数、数据传输间隔及数据帧长。

2.1 接入容量测试

接入容量测试模拟大量无线传感器同时接入无线传感网，并进行传感数据传输，用以评估无线传感网在单位时间内的最大终端接入数量。测试方法及评价标准如下：

1）输电场景下，将接入节点、汇聚节点组成链状拓扑，按照节点设备支持最大多跳级数，模拟每级汇聚节点接入100个微功率无线传感器或20个低功耗无线传感器。设置微功率无线传感器发送数据帧长24B、发送周期5min，低功耗无线传感器发送数据帧长14 450B、发送周期2h，运行240min以上，统计被测接入节点收到数据的传感器数量和丢包率。丢包率不应大于1%。模拟200个微功率无线传感器或50个低功耗无线传感器采用单频点接入被测汇聚节点，无线传感器数据帧长、发送周期保持不变，运行240min以上，统计被测汇聚节点收到数据的传感器数量和丢包率。丢包率不应大于1%。

2）变电场景下，将接入节点、汇聚节点组成单跳树状拓扑，模拟3 000个微功率无线传感器或1 000个低功耗无线传感器，采用直连或通过汇聚节点中继的方式接入被测接入节点。无线传感器数据帧长、发送周期与输电场景下保持一致，运行240min以上，统计被测接入节点收到数据的传感器数量和丢包率。丢包率不应大于1%。模拟1 000个微功率无线传感器或500个低功耗无线传感器采用单频点接入被测汇聚节点，无线传感器数据帧长、发送周期保持不变，运行240min以上，统计被测汇聚节点收到数据的传感器数量和丢包率。丢包率不应大于1%。

2.2 组网性能测试

组网性能测试模拟多节点设备组成树状拓扑或链状拓扑，并进行传感数据传输，用以评估无线传感网的拓扑稳定性和最大组网节点数量。测试方法及评价标准如下：

1）输电场景下，将接入节点、汇聚节点组成链状拓扑，多跳级数10级，模拟1 000个微功率无线传感器或200个低功耗无线传感器，通过汇聚节点中继的方式接入被测接入节点。设置微功率无线传感器发送数据帧长24B、发送周期5min，低功耗无线传感器发送数据帧长14 450B、发送周期2h，运行240min以上，统计被测接入节点的丢包率。丢包率不应大于5%，且被测接入节点和汇聚节点的拓扑关系应正确。

2）变电场景下，将接入节点、汇聚节点组成树状拓扑，模拟1 000个微功率无线传感器或200个低功耗无线传感器，通过汇聚节点中继的方式接入被测接入节点，汇聚节点数量不少于30个。无线传感器数据帧长、发送周期与输电场景下保持一致，运行240min以上，统计被测接入节点的丢包率。丢包率不应大于5%，且被测接入节点和汇聚节点的拓扑关系应正确。

3 无线传感网测试平台设计

无线传感网测试平台结构如图4所示，该平台包含测试主机、控制模块、接入模块、汇聚模块、传感器模块。测试主机具备测试用例编辑、测试拓扑和测试结果展示功能，是测试平台的人机接口。控制模块具备预制测试用例管理、测试配置下装功能，是各模拟功能块的控制接口。接入模块具备数据接入、网络管理、设备控制功能，能够模拟接入节点或接入被测接入节点的北向测试接口，统计上行传感数据，是测试平台闭环验证的数据终点。汇聚模块具备数据接入、数据中继功能，能够模拟多个汇聚节点，通过测试平台射频端口的自环，能够实现多种网络拓扑。传感器模块具备传感数据上送功能，能够模拟数千个微功率无线传感器或低功耗无线传感器，是测试平台闭环验证的数据起点。

图4 无线传感网测试平台结构

测试过程中，被测接入节点北向接入测试平台的接入模块，南向接入汇聚模块，被测汇聚节点采用直连或通过汇聚模块中继的方式接入被测接入节点，形成树状或链状拓扑。传感器模块模拟无线传感器，经被测接入节点或被测汇聚节点接入网络，并按照设定的数据帧长、发送周期发送传感数据，传感数据经由被测节点设备转发返回测试平台，接入模块完成对传感数据的丢包率统计，形成闭环 验证。

4 无线传感网通信性能测试验证

使用无线传感网测试平台对某公司接入节点、汇聚节点进行接入容量、组网性能测试，测试环境如图5所示。

图5 无线传感网通信性能测试环境

测试环境包含被测接入节点和被测汇聚节点，测试平台模拟微功率无线传感器和低功耗无线传感器。被测节点设备与微功率无线传感器间的通信使用2 400～2 483.5MHz频段的线性调频扩频物理层配置，与低功耗无线传感器间的通信使用470～510MHz频段的线性调频扩频物理层配置，发射接收信号强度-20dBmW，接入容量测试结果见表3，组网性能测试结果见表4。

表3 接入容量测试结果

表4 组网性能测试结果

经验证，被测节点设备的丢包率在1%以下，且拓扑关系正常，接入容量、组网性能满足测试评价标准。测试平台能够完成对输变电场景下的无线传感网通信性能测试。

5 结论

本文对输变电场景下无线传感网的组网拓扑、数据传输特征进行分析，提出了无线传感网接入容量、组网性能的通信性能测试方法，建立了测试平台，对无线传感网的通信性能开展了测试验证，结果表明本文所提测试方法合理有效。本文研究对输变电场景下的无线传感网通信性能评估具有一定的意义，可为后续无线传感网在电力系统的推广建设提供有效技术支撑。

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Research on communication performance testing of wireless sensor networks for power transmission and transformation scenarios

HUANG Zhen1JING Yuankun2YAN Ke1REN Chunmei1

(1. Xuchang KETOP Testing Research Institute Co., Ltd, Xuchang, He’nan 461000; 2. Beijing Institute of Technology, Zhuhai, Zhuhai, Guangdong 519088)

The application of wireless sensor network in the field of status monitoring of power transmission and transformation equipment can effectively improve the efficiency of power grid operation and realize higher economic value and social benefits. By analyzing the communication characteristics of wireless sensor networks in power transmission and transformation scenarios, a communication performance test method is proposed in this paper. A closed-loop test platform is constructed to test and verify the key indexes such as access capacity and network performance of wireless sensor networks. The results show that the proposed method can effectively evaluate the terminal access and data transmission capacity of wireless sensor network, which can provide technical support for the promotion of wireless sensor network in power system.

power transmission and transformation; wireless sensor network; communication performance; closed-loop verification

2023-11-02

2023-12-01

黄 震（1989—），男，河南南阳人，工程师，主要研究方向为电力系统通信及自动化产品测试技术。