智能电网应急通信中无线自组织网络的接入技术研究

刘 芳，胡立章，王亚静，董正坤，赵小萌，赵劭康，何冰洋

(国网河北省电力有限公司信息通信分公司，石家庄 050021)

智能电网应急通信中无线自组织网络的接入技术研究

刘 芳，胡立章，王亚静，董正坤，赵小萌，赵劭康，何冰洋

(国网河北省电力有限公司信息通信分公司，石家庄 050021)

概述智能电网应急通信系统的主要特点，通过详细阐述无线自组织网络的基本概念、工作原理和性能特点，说明无线自组织网络适合作为智能电网应急通信系统的末端子网，最后重点讨论利用无线自组织网络搭建智能电网应急通信系统末端子网的三种拓扑结构、组网方案及性能对比，为智能电网应急通信系统中应用无线自组织网络提供理论支撑。

智能电网；应急通信；无线自组网；混合组网；网络架构

随着“互联网+”技术的不断推动，能源互联网[1-2]依托风能、太阳能、生物能等大量可再生能源，结合现代信息通信技术，形成了物理电网与信息处理紧密融合的智能电网系统。其中分布式能源、微网的迅速发展在提升能源网络多样性的同时也提高了电网配置与管理的复杂度，这对电网安全运行提出了新的要求。面对地震、洪灾、冰冻、雨雪等自然灾害或应急事件，如何提升智能电网的健壮性对电力应急通信系统提出了新的考验。电网应急通信系统是在电力系统生产过程中因自然灾害或应急事件而导致电力通信中断时，综合利用各种通信资源，在最短的时间内，搭建一种暂时的、快速响应的特殊通信机制，从而最大限度地减少紧急事件造成的影响及损失。

智能电网应急通信系统的主要特点体现在以下6个方面[3-5]：

a. 时间紧急性：紧急事件发生的准确时间无法事先预计，因此智能电网应急通信系统的建立具有特殊的紧急性。

b. 组网及时性：智能电网系统本身或者局部发生重大异常时，能够迅速构建应急网络, 降低影响范围和时间。

c. 地点不确定性：因应急事件发生的地点具有不确定性，建立智能电网应急通信系统需要考虑区域地理特征的差异对应急通信系统的影响。

d. 通信业务多样性：应急系统要求能够适配多种链路的异构通信，保证语音、数据和视频图像等业务的传输。

e. 高度自主性：应急事件多发生在信息封闭区域内，因此要求智能电网应急通信系统能够快速自组成网，与外界搭建联络通道，并保证应急事件现场的内部通信。

f. 网络安全性：应急系统在正常运行基础上，需要考虑系统安全问题，保证在紧急事件中能够有效防范外界攻击。

1 无线自组织网络

无线自组织网络[6]是由一组带有无线收发装置的移动节点组成的一个多跳的临时性自治系统，网络中的移动节点具有路由和报文转发功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑。这种网络可以独立成网，也可以连接互联网或移动网络。当没有任何预先建设的通信基础设施可依赖，或者原有通信基础设施已经被损毁失去效用时，采用无线自组织网络是一种优选的解决方案。

无线自组织网络由多个移动节点组成，所有移动节点的地位平等，没有移动通信系统基站或无线局域网中接入点等类似基础设施存在。无线自组织网络的移动节点最重要的特征是具有路由功能，这使得它们可以在没有基础设施的条件下，经过“多跳”形成一个覆盖较大区域的无线通信网络，因此适合构建智能电网应急通信系统。典型的无线自组织网络如图1所示。

图1 无线自组织网络结构

每个节点都具有主机和路由器2种功能。当源节点和目的节点不能直接通信时，可以利用中间节点转发实现节点多跳通信。因此，无线自组织网络又被称为多跳无线网络。无线自组织网络具有独立组网、部署快速、动态拓扑、扩展性强、支持高速移动、与异质网络实现互联等特点，能够有效满足电力应急通信系统中时间紧急性、组网及时性、地点不确定性、通信业务多样性、高度自主性和网络安全性等要求，所以，无线自组织网络适合作为智能电网应急通信系统的末端子网。

2 无线自组网接入智能电网应急网络的技术研究

随着智能电网的发展和分布式能源的入网，以卫星通信、移动通信、互联网通信等技术为主的传统电力应急通信系统在末端组网中缺少灵活性和便携性。无线自组织网络能够在现场复杂的环境下快速构建起稳定的通信网络，并将现场信息通过接口送至远端传输系统，为前沿应急通信队伍提供快速部署的通信手段，从而有效地弥补传统电力应急通信系统在末端组网中的不足，将其与其他通信手段联合使用，可以互相协作，优势互补，更好的满足电力应急通信系统快速部署、使用方便、可扩展性强、适应复杂地形环境等任务要求。

无线自组织网络与传统电力应急通信系统互联，无线自组织网络支持现场视频回传及语音通信业务，并可以利用接入安全技术、业务权限认证及VPN技术解决新型智能电网应急通信系统异构网络的安全问题。以下讨论3种无线自组织网络接入传统电力应急通信系统的互联方案。

2.1 与公共移动网络混合组网的电网应急接入技术

智能电网应急通信系统的末端利用无线自组织网络与移动网络混合组网，可以充分发挥自组织网络的动态拓扑、高效扩展和快速移动等特性。在这种混合网络中，靠近基站的移动节点需要同时具有无线自组织网络模式和移动网络网关模式[7]，移动节点之间通信可以利用自组织网络模式，通过多跳转发来实现。移动节点与电力专网通信，需要通过距离基站较近的移动节点作为自组织网络的网关进行转发，利用公共移动网络与电力专网的接口达到自组织网络移动节点与电力专网信息交互的目的，如图2所示。

为了实现自组织网络的内部通信，移动节点除了需要存储地理位置和节点状态等基本信息外，还需要根据信道质量和路由跳数维护自组织网络多跳路由表，用于查找和选定到达基站的最优路由，并定期更新维护路由表。为了提供更有效的通信服务保障，具有网关功能的移动节点应该管理自组织网络节点地址与外部全局路由地址的映射关系。

2.2 与卫星通信网络混合组网的电网应急接入技术

因卫星通信网络具有组网灵活、覆盖能力强、距离不敏感、抗灾能力强[8-9]等特点，在应急通信系统中已经得到广泛应用。无线自组织网络与卫星通信网络混合组网，作为智能电网应急通信系统的接入网络，可以充分发挥无线自组织网络和卫星通信网络的方便性、灵活性和移动性，满足各种不同业务的需求。

图2 无线自组织网络和移动网络建立智能 电网应急通信接入网络拓扑

无线自组织网络与卫星通信网络混合组网建立智能电网应急通信接入网络如图3所示，移动节点之间自组成网，通过多跳的形式实现信息转发[10]。卫星通信网络作为无线自组织网络的骨干网，移动节点通过卫星转发访问电力专网，实现应急通信。

图3 无线自组织网络与卫星通信网络建立智能电网 应急通信接入网络拓扑

无线自组织网络与卫星通信网络混合组网的信息流程是，无线自组织网络中的移动节点将数据转发给网关节点，网关节点通过卫星通信便携设备的发射器发送到约定的卫星转发器上，转发至中心站的电力专网。

2.3 与互联网混合组网的电网应急接入技术

无线自组织网络与互联网建立基于移动子网的通信方案，将无线自组织网络看成互联网的一个子网，通过动态地址分配方式[11]，连接无线自组织网络和互联网的网关节点，能够区分无线自组织网络内部和外部节点。同时网关节点承担边缘路由器功能，既支持无线自组织网络中对等式路由协议又支持互联网中的层次式路由协议。无线自组织网络内部的数据传送采用无线自组织网络的路由机制，而用IP路由机制决定哪些数据包应该发送或者传出无线自组织网络。无线自组织网络与互联网建立的智能电网应急通信接入网络拓扑如图4所示。

图4 无线自组织网络与互联网建立智能电网 应急通信接入网络拓扑

无线自组织网络由内部的移动节点和边缘的网关节点组成，网关节点是内部移动节点和外部通信的桥梁。移动自组织网络内部采用AODV路由协议来建立移动节点之间的路由。AODV路由协议是一个典型的反应式路由协议，通过定期广播HELLO报文维护路由表信息。

移动节点通过AODV路由协议与网关节点建立路由通道，网关节点工作在网关模式下，判断移动节点的路由请求是否在自组织网络的网段内，如果在自组织网络的网段内，则此时不需要开启网关功能，只需按照AODV路由协议处理该路由请求即可。

如果发现此次寻找地址不在自组织网络的网段内，则网关节点启动默认网关功能，分别执行路由请求应答和地址转换功能，从而建立内部移动节点和外部电力专网的路由。至此，任何从外部专网送至内部移动节点的数据都可以利用AODV路由协议建立的路由进行传输，到达网关节点，通过网关节点的转发，内部移动节点发送至电力专网中节点的链路顺利建立，数据可以成功从内部移动节点到达电力专网。

2.4 3种混合组网接入网络性能对比分析

3种混合组网方式均适用于复杂环境下快速构建通信应急网络，其中无线自组织网络和公共移动网络混合组网可以保证应急通信子网网关良好的移动性，但是通信质量受恶劣环境下公共移动网络设备损坏程度影响较大，公共移动网络设备严重损坏时，不适用此种异构网络。无线自组织网络和卫星通信网络混合组网可以覆盖特殊环境地区，受灾程度对异构网络组网及通信质量影响较小，但是网络不够灵活且系统管理较为复杂。无线自组织网络与互联网混合组网可以提供高带宽、高稳定性的服务，适合突发情况下的野外会议以及外部场景下的临时通信，但是网络的覆盖范围受地理因素制约且移动性有限。

3 结束语

提出无线自组织网络与移动网络、卫星网络和互联网分别混合组建智能电网应急通信接入网络的3种拓扑结构及方案，无线自组织网络的独立组网、部署快速、动态拓扑、可扩展性强、支持高速移动、能够与异质网络实现互联等特点，能够有效满足智能电网应急通信系统末端子网时间紧急性、组网及时性、地点不确定性、通信业务多样性、高度自主性和网络安全性等要求，所以，无线自组织网络与现有基础网络建立可靠、高效、健壮的异构网络适合作为智能电网应急通信系统的末端子网。异构网络自组织网关节点设计过程中存在切换灵活、接入安全及轻量便携等要求，在未来设计及实现过程中还需进一步优化完善。由于无线自组织网络应用于智能电网应急通信系统尚是一个新课题，希望在拓展智能电网应急通信系统建设思路方面能够起到抛砖引玉的作用。

[1] 刘振亚.全球能源互联网[M].北京：中国电力出版社, 2015.

[2] 赵俊华,董朝阳,文福拴，等.面向能源系统的数据科学：理论、技术与展望[J].电力系统自动化, 2017, 41(4): 1-12.

[3] 陈 兆,海雷斌,王 立，等.应急通信系统[M].北京:电子工业出版社,2012:318-344.

[4] 孙 玉.应急通信技术—总体框架讨论[M].北京:人民邮电出版社,2009:145-155.

[5] 张德育,冯永新,张德慧.基于分层多域的应急通信系统监控技术[M].北京 国防工业出版社,2013:8-11.

[6] 郑少仁,王海涛, 赵志峰，等. Ad hoc 网络技术[M].北京:人民邮电出版社, 2005: 12-16.

[7] 王海涛.应急通信网络中的易构网络互联问题及实现机制研究[J].电信科学,2011,3(3):65-70.

[8] 张永池.基于可靠UDP的卫星IP网管设计[J].无线电工程,2006,36(5): 9-10.

[9] 张雪丽,王 睿,董晓鲁，等.应急通信新技术与系统应用[M].北京:机械工业出版社,2009: 106-108.

[10] 闵士权.关于构建国家应急通信卫星通信网的思路[J]. 航天器工程, 2009, 18(3): 22-25.

[11] 王海涛.应急通信网络设计及关键技术[J]. 通信对抗,2010,109(1): 15-18.

Research of Wireless Ad Hoc Network Access Technology in Smart Grid Emergency Communication System

Liu Fang,Hu Lizhang,Wang Yajing,Dong Zhengkun,Zhao Xiaomeng,Zhao Shaokang,He Bingyang

(State Grid Hebei Electric Power Company Co.Ltd. Information and Telecommunication Branch, Shijiazhuang 050021, China)

This paper first discusses the main characteristics of smart grid emergency communication system,then expounds basic concept,working principle and performance characteristics of the wireless ad hoc network in detail.The fact proves that wireless ad hoc network is appropriate as the end of the subnet in smart grid emergency communication system.Finally it focuses on three kinds of topology structures,schemes and performance that use wireless ad hoc network as the end of the subnet in smart grid emergency communication system.This paper provides theoretical support for the application of wireless ad hoc network in the smart grid emergency communication system.

smart grid;emergency communication;wireless Ad hoc network;hybrid networking;network architecture

2017-06-14

刘 芳(1986-)，女，工程师，主要从事电力系统通信及应急通信方面的研究工作。

TN929.5

A

1001-9898(2017)06-0022-03

本文责任编辑：靳书海