无线传感器网络在电力系统中的应用*

孙晓雅，李永倩，2，李 天，2

（1．华北电力大学电子与通信工程系，河北 保定 071003;2．华北电力大学 苏州研究院，江苏苏州 215123）

0 引言

物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮，随着物联网受到越来越多的关注，作为其核心技术的无线传感器网络（wireless sensor networks，WSNs）技术也进入了迅猛发展的时期。无线传感器网络最初是由美国军方提出的，美国国防部高级研究所计划署（DARPA）于1978年开始资助卡耐基—梅隆大学进行分布式传感器网络的研究，这被看成是无线传感器网络的雏形。

无线传感器网络能够协作地监测、感知、采集分布于监测区域内的各传感器信息，并通过节点处理将数据发送至监控中心从而达到实时监测的目的。无线传感器网络具有以下独特的优势［1］:节点高度集成;采用无线通信模式，不需要复杂的通信线路布线;自组织性和大规模性;适用于恶劣的环境;针对不同的应用场景，配置不同的传感器节点，快速搭建平台。目前国内对无线传感器网络的研究也在各个学科领域逐渐深入，包括工程过程控制、环境的监测、医疗护理、智能家居、智能电网等。

本文对几种电力系统通信技术的优势和不足进行分析，在此基础上对无线传感器网络技术进行深入研究，并对无线传感器网络在电力系统中的应用进行探讨。

1 电力系统通信方式

目前，应用于电力系统中的通信技术主要有电力线载波技术、光纤通信技术和无线通信技术3种。

1．1 电力线载波技术

电力线载波通信（power line carrier，PLC）技术具体是将载有信息的高频信号加载到电力线上，利用高压输电线作为传输线路，在接收端通过专用的电力线调制解调器将高频信号从电力线上分离出来，用于电力系统的调度通信、远动、保护、生产指挥、行政业务通信及各种信息传输。目前，PLC依然是地区电网的重要通信手段之一，是在电力系统中应用最广泛的通信方式。

PLC经历了从分立到集成，从功能单一到微机自动控制，从模拟信号到数字信号的发展历程［2］，优点是覆盖范围广，上至500 kV线路，下至35 kV线路都开通了电力载波机;成本低，利用现有的输电线就可以构建通信网络;数据传输速率高，可以享有整个信号的带宽。但是，PLC技术载波频率较低，噪音高，信号衰减和失真较为严重［3］。

1．2 光纤通信技术

自1966年，美籍华裔学者高锟提出以光纤作为传输介质的思想以来，光纤通信技术从研究到应用有了迅速的发展。电力系统光纤通信主要用于语音、数据、宽带业务等常规电信业务和电力保护、安全自动控制及电力市场化所需的宽带数据等电力生产专业业务。电力系统专用的特殊光缆有光纤（复合）架空地线（optical fiber overhead ground wire，OPGW）、全介质自承 （all dielectric self supporting，ADSS）光缆、光纤复合相线（optical phase conductor，OPC）、金属自承（metal aerial self supporting，MASS）光缆［4］等。我国电力系统使用较多的是OPGW和ADSS。其中，OPGW是由光纤与电力输送系统的地线组合而成的通信光缆，兼具地线和光纤通信的作用，已经在电力系统的通信中发挥了重要的作用。

光纤通信的优点是频带宽，传输容量大，只需要一根光纤就可以传送需要几百芯的电缆才能传送的数据量;损耗小，中继距离长且误码率小;抗电磁干扰能力强，保密性好;耐腐蚀、耐高温、在恶劣环境中发挥了重要作用;光纤使用SiO2制造，材料价格低廉，节约了金属材料。缺点是分路和耦合不灵活，连接比较困难，强度不如金属导线，弯曲半径不宜太小。

1．3 无线通信技术

应用于电力系统通信的无线通信技术包括第三代移动通信CDMA2000，WCDMA和TD-SCDMA，全球微波接入互操作（world interoperability for microwave access，WiMAX）系统，多点多信道分布式系统（multipoint multichannel distribution system，MMDS），无线局域网（wireless local area network，WLAN），本地多点分配（local multipoint distribute service，LMDS）接入系统，超宽带（ultra wide band，UWB）无线技术［5］等。

无线通信应用于电力系统的优势是可以在通信区域内移动，安装快速，简单灵活，可以遍及有线通信不能到达的地方;布线少，投资小;扩展能力强，可以综合利用多种网络拓扑结构。不足之处是抗电磁干扰措施要求高，灵敏度受限制，受障碍物影响严重。

2 无线传感器网络

在过去十几年中，国内外无线传感器网络技术的发展和应用都取得了很大的进展。2002年，Berkeley大学启动了NEST计划研究开放式的软硬件平台;2003年，INTEL公司在Berkeley大学的研究中心启动了关于无线传感器网络的研究，包括测试异构传感网性能，Mote计划，TASK计划［6］;2004 年，哈佛大学启动了 CodeBlue平台研究计划［7］;欧洲于2002年启动了EYES研究计划［6］。我国中科院早在1999年就启动了传感网的研究，并在无锡成立了微纳传感网工程技术研发中心;2004年，中国国家自然科学基金委员会将无线传感器网络列为重点研究项目，2005年开始传感器网络的标准化研究工作;2009年9月11日，我国成立了《传感器的网络标准工作组》;2010年3月，传感网络国际标准工作组（WGSN）在英国伦敦举行了自成立以来的第一次工作会议，在会议上我国代表团提出了两份标准草案，一个是创新网络协同信息处理的标准草案，一个是创新网络总体架构的标准草案，该草案对于整个国际物联网标准的制定有着十分重要的意义［8］。

常用的应用于电力系统监测的无线传感器有温度、湿度、加速度等。温度传感器应用在变电站开关柜、变压器等温度监测中;湿度传感器可以应用在湿度监测中，加速度传感器可以应用在电力电缆舞动监测。一种以AVRAT-mega16作为处理器模块芯片的温度、湿度、加速度传感器节点如图1所示。

图1 温度、湿度、加速度传感器节点图Fig 1 Diagram of temperature，humidity，acceleration sensor node

3 无线传感器网络在电力系统的应用

3．1 变电站自动化

随着变电站综合自动化系统的大规模普及，变电站的无人值守模式成为变电站发展的必然趋势，因此，对通信网络的要求也提高了。高性能的通信网络可以提高变电站运行的可靠性，采用无线传感器网络对变电站进行监测可以实现实时准确的在线监测。

变电站自动化通信网络的设备层与间隔层之间的传输速率为250kbit/s，间隔层内的传输速率为130Mbit/s，间隔层与变电站层之间的传输速率为100 kbit/s［9］。无线传感器网络工作在2．4GHz频段，数据传输速率可以达到2Mbit/s，网络的传输速率完全能够满足变电站自动化通信网络的需求。2007年，重庆大学的高电压与电工新技术教育部重点实验室提出了一种基于正六边形网格的分层网络结构，并将此结构应用于变电站自动化系统，通过理论分析获得了给定能量模型下的最优分层算法，并进行了仿真计算，结果表明采用此网络结构后，网络寿命明显延长，能够满足变电站自动化系统的要求［10］。2009年，电力安全与高效湖北省重点实验室提出了一种应用于变电站自动化系统的无线传感器网络组网方案，是一种基于分簇路由的两层架构模式，在过程层采用无线传感器网络，在间隔层、变电站层采用以太网，并对实现该网络的关键技术进行了研究，该方案是对变电站自动化系统通信网络的一种有益探索［11］。

3．2 电能质量监测

国内中国电力科学研究院、浙江大学、天津大学、四川大学等都对小型化电能质量数据采集设备进行了研究，并取得一定的成果。国家电网电力科学研究院的王玲等人构建出硬件基于ARM+DSP双系统和软件基于多Agent技术的开放、主动的电能质量监测系统，并应用于湖北电网和浙江电网中，用于监测暂态与稳态电能质量指标，能准确反映出电网电能质量的状况［12］。

东北电力大学的滕志军等人设计了基于Zig Bee的电能质量监测分析系统，将无线传感器网络技术应用于电能质量监测，包括系统功率因数、有功和无功功率、谐波等相关数据的电能质量数据经检测设备采集，然后传到Zig Bee模块再发送出去，经多跳传输后由终端设备接收。作者选取了某钢厂110 kV变电站6 kV母线进行了电能质量测试工作，并通过电能质量分析仪获得数据，实验结果表明:Zig Bee具有良好的数据稳定传输的能力，可以满足变电站自动化通信系统的需求［13］。

3．3 配电网设备监控与故障定位

配电网设备监控与故障点的及时发现和排除对网络稳定性有重要作用，无线传感器网络与传统的故障定位系统相比有网络规模大盲区小、系统高度集成、适用于恶劣环境等众多优势，因而值得广泛推广。

文献［14］介绍了一种由安装在4个中压断路器的6个导向盘中的无线温度传感器节点构成的系统，通过两年的温度监控和数据分析，得到了设备正常运行情况下温度分布和各相电流与温度的对应关系，实验结果表明:无线传感器网络可以实现配电设备的在线监控和诊断。

2008 年，华中科技大学的苗世洪等人提出了基于无线传感器网络的配电线路故障定位方案。对单相接地故障的定位的原理进行了推导，在电力系统仿真软件PSCAD中建立了网络仿真模型，对所设计的定位系统进行仿真，并对仿真结果进行了准确性和快速性的分析，结果表明:无线传感器网络完全可以用于配电线路故障定位。采用同步触发装置解决了同步问题，选取的多路径可靠信息路由机制满足了网络可靠性的要求，在网络仿真软件NS—2中建立了仿真模型，仿真结果分析证明多路径可靠信息路由机制满足可靠性要求［15］。

3．4 输电线路实时监测

导线舞动是一种复杂的流固耦合振动，振幅很大时，可以导致相间闪络、金具损坏、跳闸停电、拉倒杆塔、导线折断等严重事故，造成重大经济损失［16］，因此，对输电线路实时监测对输电线路安全稳定具有重要意义。自20世纪30年代起，国外学者开始对导线舞动进行了大量的试验和理论研究，提出了Hartog Den垂直舞动理论和Nigol O扭转舞动理论等。导致导线舞动的原因主要有导线覆冰、风激励及线路结构与参数［17］，舞动多发生在覆冰雪的导线上，并且有稳定的层流风激励，从导线结构和参数看，分裂导线比单导线容易舞动，对于500kV超高压输电线路，多采用四分裂导线甚至多分裂导线，统计资料表明，导线舞动引起的事故占500 kV输电线路事故总数的23．5%。

重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室的周湶等人提出了一种导线舞动多点监测的系统，对系统中用于构建无线网络的协调器节点和用于监测舞动的传感器子节点，在硬件和软件方面进行了分析和设计。利用三轴加速度传感器实现了对导线的舞动轨迹的多点同步监测。在实验室环境下对加速度数据采集精度和通信质量等方面进行了实验研究。通过低通滤波和积分基线标定算法对加速度数据进行处理，有效地消除了加速度数据在积分过程中产生的误差。实验得出的舞动轨迹能够直接体现出实际导线舞动状态［18］。

华南理工大学电力学院的黄新波等人设计了一种无线单片机和三轴加速度传感器为核心的无线加速度传感器网络节点［19］。通过监测导线上各监测点处的相对位移的变化，再通过数据拟合算法直观地还原导线舞动的轨迹。在实验室测试条件下，无线传感器节点和无线传感器网络性能稳定，具有较低的丢包率和成本。

4 结束语

智能电网是电网发展的必然趋势，2009年5月21日，在北京召开的“2009特高压输电技术国际会议（UHV2009）”上，国家电网公司正式发布了“坚强智能电网”发展战略。智能电网的主要特征是坚强、自愈、兼容、经济、集成和优化。无线传感器网络能够实时监测多目标，在智能电网的建设中已经有了成功应用的案例。随着通信、计算机、自动化技术在电网中广泛深入的应用，无线传感器网络将具有更加广阔的应用舞台。

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