基于传感器网络的智能配电网通信模型研究

谢伟红，成浩，章健军

(1． 湖南省电力公司培训中心，湖南 长沙410131;2． 湖南省电力公司信通公司，湖南 长沙410007)

智能电网的建设是以坚强网架为基础，以信息平台为支撑，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，构建贯穿发电、线路、变电、配电、用电服务和调度全部环节和全电压等级的电网可持续发展体系。智能配电网自动化系统覆盖面积广、技术实施手段多样化，但系统建设周期长，且难度较大，成为我国建设智能电网的一个重要瓶颈，其中智能配电网自动化系统的通信网络建设是一个难点。因此，建设一个网架牢固、组网灵活、互动性和扩展性强的配电网自动化通信网络是智能配电网建设的重要环节〔1－2〕。本文将分层的分布式无线传感器网络应用于智能配电网，提出一种新的通信模型，对该模型中的网络结构、路由方式、安全传输设计等问题进行探讨与分析。

1 分布式多层无线传感器网络特点

1.1 分布式传感器网络

分布式传感器网络(Distribution Sensor Network，DSN)是第四代传感器网络，它是在监控区域的智能传感器节点大量的密集部署构成的一种网络应用系统。由于传感器节点数量众多，部署时只能采用随机投放的方式，传感器节点的位置不能预先确定;在任意时刻，节点间通过无线信道连接，自组织网络拓扑结构;传感器节点间具有很强的协同能力，通过局部的数据采集、预处理以及节点问的数据交互来完成全局任务。

DSN 一般采用多跳(multi-hop)、对等(peer to peer)通信方式，由于每跳的距离较短，无线收发器可以在较低的能量级别上工作;另外，多跳通信方式可以有效地避免在长距离无线信号传播过程中遇到的信号衰减和干扰等各种问题。同时，DSN既可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到现有的网络基础设施上，由于DSN 具有能量消耗少、可扩展能力强、网络健壮性能高、环境适应能力强和实时反应速度快等特征，比较适合于构建智能配电网自动化系统的通信网络架构。

1.2 多层无线传感器网络

多层无线传感器网络整合多层和分簇的思想，通过在网络拓扑的底层或较低层构建多个簇头节点的簇集合、在拓扑的高层或较高层构建多跳转发机制实现的。通过对整个区域进行多层分簇划分，缩短通信距离，减少了数据能量消耗，而且在簇头选择的同时考虑节点剩余能量和通信环境等因素，从而延长了网络生命周期。

2 智能配电网网络结构和通信模型

2.1 配电网架结构建设的基本原则

在城市配电网领域，城网包括输电网及高压、中压和低压配电网〔3〕。220 kV 及以上电压电网为输电网，110 kV 及以下电压电网为城市配电网，其中35 kV，66 kV，110 kV 电压电网为高压配电网;6 kV，10 kV，20 kV 电压电网为中压配电网;0.38 kV 电压电网为低压配电网。高压配电网规划除充分考虑110 kV 及以上电压等级的主网规划外，配电网应力求接线简单、安全可靠。并要适度超前，使之有足够的运行灵活性和备用容量，网络结构应满足“N－1”安全准则，采用环网接线，开环运行的结构、没有条件的线路、郊区线路可以为放射形。中压配电网供电半径应≤3 km，郊区＜5 km，中心区≤2 km。为降低线路损耗及满足末端电压质量的要求，低压配电网的供电半径一般≤250 m，市中心或负荷密集区控制在100～150 m，郊区可适当扩大，但应≤400 m。

2.2 智能配电网的特点

智能配电网具有可靠、经济、实用、互动、自愈的特点。它将配电网在正常及事故情况下的监测、保护、控制、计算等与供电部门的工作管理有机融合在一起，支持分布式电源DER 的大量接入，为用户提供更加安全、可靠、优质、高效的电能，以及提供择时用电、分时计费等的互动型服务〔4〕。

2.3 智能配电网通信网络模型的现状

作为骨干网接入层网络的配电通信网，由于节点多、覆盖面广、建设难度大等原因，一直以来缺乏适用的通信技术和建设模式，成为电力通信网发展的瓶颈，制约了智能配电网的发展。

近几年来，随着无源光网络(PON)技术、全球微波接入互操作(WiMAX)等新的通信技术的成熟，在智能电网试点工程中得到一定应用，但都存在较大的局限性。因此，提出分布式无线多层传感器网络组网方案，可以为智能配用电通信网的建设提供一种可行的、适用的方案。

3 分布式无线多层传感器网络的智能配电网通信网络模型

3.1 结构设计

本文采用分层成簇的思路进行网络结构的设计。在城市配电网中根据电压等级划分为高压配电网、中压配电网和低压配电网。在高、中压配电网中，考虑到传感器的配置数量、配置环境、传输距离和通信环境等因素，以变电站或配电变压器为中心来对DSN 进行规划。

在高压配电网中，以变电站为中心划分区域，并且以变电站中某一传感器为中心节点，区域内其它无线传感器节点采用单跳或多跳与中心节点进行通信，而各中心节点通过光纤环网进行通信，中心节点除具有数据实时处理功能以外，还必须具有一定的路由功能。图1 所示为高压配电网无线传感器网络模型。

图1 高压配电网无线传感器网络模型

在中压配电网中，其网络架构相对高压配电网复杂得多，同时传感器的数量众多，传感器的数据处理要求和环境状态复杂，其通信手段远不如高压配电网优越，同时又是联接高压配电网网络和低压配电网网络的桥梁。考虑到数据处理和路由选择的要求，采用双中心节点方式来规划无线传感器网络。在中压配电网中，以配电变压器为中心划分区域，并且以配电变压器中某一传感器为中心节点，即无线传感器网络的中心簇头，称为数据处理中心节点(简称中心节点)，区域内其它无线传感器节点采用单跳或多跳与中心节点进行通信，而各中心节点通过光纤传输网或无线方式进行通信。同时配置另一个中心节点用于路由处理，称为路由选择中心节点(简称路由节点)，用于各低压配电网区域间无线传感器之间的相互通信，同时通过路由节点实现低压配电网中各传感器节点与中压配电网中用于数据处理的中心节点进行数据交换，各路由节点通过光纤传输网或无线通信方式进行通信。路由节点具有较强的路由选择功能，低压配电网中各簇头节点同时与距离相近的中压配电网中的多个路由节点相互通信，以保证路由选择的可靠性。图2 所示为中压配电网无线传感器网络模型。

图2 中压配电网的无线传感器网络模型

在低压配电网中，配电网络架构非常复杂，且环境复杂，因此在此区域布置的传感器数量大，且通信条件远不如中、高压配电网优越。在低压配电网中，由于所配置的无线传感器数量庞大，为了降低网络规模，以配电变压器为中心划分低压配电网网络区域，在此区域内形成一个分布式无线传感器网络，其簇头节点与中压配电网网络的路由节点相互通信，并通过路由节点与其它低压配电网区域网络形成统一的网络。组网结构如图3 所示。

图3 低压配电网的无线传感器网络模型

由于低压配电网传感器数量众多，且所处区域通常是人居环境，传感器节点的工作受到人的影响因素较大，因传感器更替(如节点死亡、布置新节点、节点被人为移动)引起的网络结构变化比较频繁，因此，低压配电网区域采用分布式无线传感器网络组网方式，网络拓朴采用自组织方式，簇头节点与簇内节点需根据网络拓扑进行自动调整，调整的原则:尽可能减少普通传感器节点与簇头节点的跳数，减小通信代价;充分考虑各传感器的剩余能量的情况，引入簇头轮换机制，进行簇头节点的选举机制应充分考虑能量地理位置等因素;对簇内节点设计合适的睡眠与唤醒机制，在确保区域信息完整的前提下使最少的节点在唤醒状态;要考虑传感器安装位置的环境因素，如是否因受人为破坏和环境恶劣影响传感器正常工作。

3.2 路由协议设计

一般而言，无线移动传感器网络的路由协议既可以是主动的，也可以是被动的。主动路由协议是通过维护路由表来实现的，维护路由表需要定期交换消息，这样才可以有最新的路由信息，主动路由协议就非常适合一个区域中传感器之间的通信了。虽然确定主动路由协议中的路径几乎没有什么延迟，但是定期更新路由信息所产生的额外负担比较大。被动路由协议是根据需要来维护路由，被动路由的建立不需要定期交换路由信息。但是由于被动路由协议中的路径都是在需要的时候通过在整个网络中进行广播来建立的，这样就会有比较大的路由延迟〔5－8〕。

在智能配电网的分布式无线多层传感器网络的路由协议就是将这2 种协议混合使用，具体设计如下:在高压配电网网络拓朴中，区域内传感器之间通信采用主动路由，而各中心节点之间采用被动路由;在中压配电网网络拓朴中，区域内传感器之间通信采用主动路由，而各中心节点和路由节点之间采用被动路由;在低压配电网网络拓朴中，区域内传感器之间通信采用主动路由，同时，各区域的簇头是动态变化的，因而采用动态路由。

在高、中压配电网网络区域中，因节点区域中使用主动路由，在一个区域中就需要有一个核心路由节点(简称中心节点)进行协调和管理。在该体系结构中，当一个传感器进入某个区域时，就要在网络中广播控制信息，该区域节点监听到此控制信息后，由核心路由节点来进行响应，更新该区域的主动路由表并将该节点加进去，而其他普通网络节点则对这样的控制信息广播不作响应，这个核心路由节点由中心节点来担当，一般是固定的。

在低压配电网网络区域中，节点区域中也是使用主动路由，在该体系结构中，一个区域中核心路由节点(即簇头节点)是动态产生的，如果簇头节点死亡或者移出了某个区域，那么该区域的其他节点通过统一的选举算法参与簇头选举。如果在该区域内新增、删除和移动传感器节点，该区域可能根据网络结构调整重新进行簇头选举。在进行簇头节点竞争时，主要考虑其处理能力、地理信息(GPS)、能量以及自身的稳定性。如果该节点具有较好的配置、较强的计算能力和GPS 位置，就可以升级为簇头节点。这种簇头节点的动态产生办法，不仅使网络有很强的自我适应性，而且有很高的可靠性，在某个核心路由节点产生故障或者移动出某个区域的时候，就可以由其他节点自动升级为核心节点，从而保证网络的正常运行。

3.3 安全传输设计

由于网络部署环境的开放性和节点的资源有限性使得传感器网络面临着各种严重的攻击威胁。尤其对于智能电网这一特殊应用场景，低压配电网区域的传感器节点所处的区域为人群密集区，外部攻击和内部攻击都能破坏成簇协议的正常运行而使得基于簇拓扑结构的网络功能失效或者被攻击者误用。因此，必须将安全传输因素作为保障成簇拓扑控制实际应用的基本前提。

传感器网络安全威胁有外部攻击与内部攻击2类。外部攻击的攻击者通过物理破坏节点硬件，干扰、阻塞、窃听无线信道，向信道中插入伪造数据包等外在方式攻击网络;内部攻击的攻击者通过俘获节点，读取节点存储信息，重编程控制节点实施数据包的伪造和篡改、丢包和选择转发、数据窃取等方式干扰破坏或误用网络服务。对外部的物理破坏和信道阻塞尚无有效的安全机制来进行抵御。

内部攻击对网络的成簇协议构成安全威胁，攻击的手段包括节点伪装攻击、簇首占据攻击、簇成员恶意征募攻击、多重簇成员身份攻击。为防范这些攻击，在进行安全传输设计时可通过节点共享密钥、随机密钥分布及安全成簇算法〔9－11〕等方法实现。

4 无线通信网技术对比

湖南电力在用的无线通信技术主要有微波通信、卫星通信、无线一点多址、扩频、特高频等，无线微波电路总长达2 107.7 km，微波站数71 个，微波设备132 套(其中PDH 无线微波设备128 套、SDH无线微波4 套)。传统的点对点PDH/SDH 微波由于传输效率低、业务种类单一、设备管理复杂等缺点，无法适应日益增长的综合宽带通信业务应急保障需求，2012年，湖南省电力系统试点运用IP 无线微波设备2 套，新型IP 微波具备面向IP 的丰富空口业务类型、灵活高效的自适应调制特性、G 比特级的大带宽传输、多方向网络化及可靠的端到端业务管理等优势。

卫星通信作为电力通信的一种新兴通信手段，在数据传递、文件交换、图像传输等通信业务都有着广泛的应用。最近几年，湖南省爆发的各种自然灾害，导致大量光缆中断，电力通信业务受到严重的影响。因此，可充分利用卫星通信作为光纤通信的补充，以保证传输调度电话和两遥的基本调度生产信息不中断。如今，将卫星通信技术应用于电力系统已经成为整个电网通信的重要任务之一。

上述几种无线通信技术作为有线通信的备用通信，主要应用于电力应急通信，其主要应用范围尚未延伸至配电网络。无线传感器网络是大规模、自组织、动态性网络，布置灵活，安全可靠，将无线传感器网络应用于智能配电网通信系统，是对电力系统现有现有通信网络的有力补充，具有巨大的研究价值与应用潜力。

5 结束语

本文在分析智能配电网建设的标准基础上，结合当前配电网自动化系统建设的实际情况，提出一个基于多层分布式无线传感器网络技术的智能配电网通信网络模型，可以较好地解决实现智能配电网自动化系统、高级配电网管理应用、配电网中的通信、分布式电源、配电用电的互动几个重要功能的通信网络模型。

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