基于无线传感器网络的紧急保护通道重构方案研究

段英，余斌，宁春海，向为，朱维钧，黄华林

(1.国网湖南省电力有限公司株洲供电分公司，湖南 株洲412000；2.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南 长沙410007；3.国网湖南省电力有限公司邵阳供电分公司，湖南 邵阳422000；4.湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南 长沙410004)

0 引言

线路的纵联电流差动保护利用通信通道将线路本侧的电流波形或者代表电流相量的信号传送到对侧，根据两端电流波形或电流相量和的特征确定是否动作，能够根据被保护元件各端电流向量关系正确地判别区内、区外故障，从而有选择、快速地切除全线路任一点的短路，具有天然选相功能，而且不受系统震荡的影响，因此成为高压线路主保护的首选[1-2]。电流差动保护依赖线路两端电流信息的交换，实现信息交换的通道从最初的导引线[3]，发展到后来的电力线载波[4]，再到目前广泛部署的光纤通信[5]，无论是通信的速度还是可靠性都有本质上的提升。

受地震、台风、冰灾等自然灾害的影响，纵联保护通信通道受损，保护无法动作。2008年年初，我国南方大部分地区遭遇严重冰雪灾害，覆冰载荷过重致使电网出现大量断线、倒塔事故，OPGW光缆被破坏引起通信中断使得电流差动保护通道失效，导致多条电压线路主保护退出运行，严重危及主网的安全稳定运行[6]。线路保护装置利用内置的距离保护作为线路差动保护的备用[7-8]，在通信通道故障时能保证故障的可靠切除，但其存在无法全线速动、不具绝对选择性的缺点。因此，需要重构紧急保护通道，恢复电流差动保护功能。

保护通道的重构是指当通信通道中断时，重新构建一条新的传输通道，目前主要有两种思路:一是利用灾变后的健全通信通道建立迂回传输通道；二是采用其他的通信方式重新构建传输通道。针对后者，文献[9]利用公用通信网构建紧急通道，通过GPS对时信号或增加光纤距离保护原理使光纤电流差动保护装置在紧急期间仍能保护线路，但公用通信网普遍采用自愈保护且延时无法保证，光纤电流差动保护无法适用，仅能恢复光纤距离保护，并存在数据安全问题，自然灾害引起的倒塔还可能导致基站失电造成数据无法转发。由于无线传感器网络(WSN)具有布置便捷、自组织、无固定基站等优点，适用于应急通信，本文提出利用WSN构建紧急保护通道，可以在主保护通道失效后承担线路两端的电流数据传输任务，维系电流差动保护的功能。

1 WSN的网络结构及特点

无线传感器网络是由一组分布在被监测区域内的无线传感器网络节点通过自组织构成的网络。无线传感器网络节点具有采集、计算、通信的能力，分布布置于目标区域中[10-12]。传感器节点以逐跳转发的方式把采集到的数据传送至其他节点，在传输路途中数据信息或许会被多个节点处理，汇聚节点收到信息直接上传到网关进行计算处理并据此发送控制命令给保护装置。图1为WSN应用于继电保护的网络结构图。

图1 应用于继电保护的WSN网络结构图

如图1所示，WSN在构建继电保护通信网络时主要由采集节点、路由节点、汇聚节点、网格四部分组成。采集节点采集数据经路由器转发，由汇聚节点汇聚信息并经网关送至保护装置。

2 基于WSN重构电流差动紧急保护通道

2.1 研究思路

电力系统中，输电线路是一条狭长的“带子”，且一般为架空导线，考虑两个变电站之间的电流差动保护，极端灾变情况下，光纤通信通道被破坏，电流差动保护无法保护线路，利用完好的通信通道提供一条临时的迂回通信通道以传输主保护信息是一种简单经济的方案。但是，迂回通信通道的路径变长和跳数增多会增加消息传输的时延和降低信息的准确度。此外，迂回通道的带宽必须要满足紧急保护信息的传输要求，否则会影响通道中原有信息的传输[13]。再进一步，在极端严重灾害下，出现光纤通信通道大范围损毁，少量的健全通道也无法满足大量数据的转发。因此，在极端严重自然灾害条件下，必须采用新的通信技术，重构保护系统的临时通信通道。

无线通信技术在电力系统中已有大量的应用，主要是利用电信网络来传输电力监测数据，虽然具有较快的传输速率，且应用非常成熟，但是发生极端自然灾害时，电信基站也会受到损坏。无线传感器网络没有固定的基站，无需布线，具有自组织、多跳路由等优点，特别适用于恶劣环境抢险救灾、危险区域远程控制等领域。目前，无线传感器网络在变电站自动化、电能质量监测、配电网设备监控与故障定位、输电线路实时监测等方面已经有所应用。文献[14]提出将无线传感器网络用于电力设施冰灾监测预警系统的通信，提高极端冰冻气候下系统的可靠性和安全性，从而为各项防灾、减灾、救灾措施提供可靠数据。因此，本文提出结合电力设施监测，正常运行时，WSN执行线路巡监任务，极端灾害条件下，用于构建保护系统的紧急通道。

2.2 系统方案设计

将保护装置接入网关，从而与无线传感器网络连通，接收保护信息。现有保护装置应升级配置通信通道切换策略，在光纤通道故障时转换到无线传感器网络通信，并且切换为单端差动逻辑，即两端保护装置采集到对侧电流信息后，单独进行电流差动逻辑判断后动作。为把电流信息传送到对侧，在输电线路的杆塔上安装具有无线通信功能的传感器节点，用于传输电流信息。如图2所示的WSN紧急通道系统，若变电站A与变电站B之间的光纤通道发生故障，两端变电站的保护装置迅速转换到无线传感器网络通信，无线传感器节点以多跳方式传输保护信息，形成一条可靠的紧急通道。

图2 结合电力设施监测的WSN紧急通道系统

结合输电系统的特点，在满足覆盖性的条件下，充分考虑经济性的要求，传感器节点可按如下原则布置:沿线杆塔上布置若干个节点，当一个节点失效时，可以利用剩余节点继续通信，保证数据的可靠传输。传感节点通常由电池供电，电量有限，一旦电池用完节点就会死亡，节点死亡过多或过快会降低网络的生存周期。由于大部分节点布置在杆塔塔身或输电导线表面，因而采用小TA取能装置与蓄电池结合的供电方式[15]，有效地解决了节点能量问题。

电流差动保护要求把一侧的电流信息传输到对侧，根据判据确定是否故障。与传统WSN的通信需求不同，本网络只需实现把一个变电站内电流差动保护装置的信息传输到对侧的变电站，这实际上是两端节点之间的通信。显然，这是一条长链式网络，而且中间节点只是中继通信节点，不需要采集信息，各杆塔之间的数据一般采用单跳传输的方式，因此不存在一般链式网络负载不均衡的问题。本侧的数据通过中间节点经多跳的方式传送到对侧，为了提高纵差保护的动作速度，应尽量减少转发的跳数，然而通信时每跳的距离越远，通信的能耗也越大，这会极大地缩短节点的寿命。实际上，节点执行监测功能时为线上取电，极端灾变情况则更多地依赖电池供电，而此时电池电量比较充沛，若节点发送数据、接收数据及空闲状态的时间比为1∶1∶8，并采用20 Ah的电池功能，通信范围为3 200 m的节点可持续工作1个月；在工作方式方面，可以控制空闲时间或在紧急情况下唤醒使得节点工作时间更长。因此在成本允许的前提下可以尽可能扩大节点的通信范围，减小传输时延。

2.3 关键技术

基于WSN重构的电流差动紧急保护通道需充分考虑保护信息传输的实时性和可靠性，以满足纵差保护的动作需求。

1)紧急保护通道可靠性技术。无线传感器网络可靠性直接决定了数据传输的可靠性。提高网络可靠性的措施包括:①设计具有动态拓扑能力的路由协议，通过节点冗余布置提高可靠性；②以链路质量作为选择下一跳路由的指标，选出高质量、高可靠性的通信路径；③采用应答确认机制；④对通信节点、通信链路情况进行监测及动态调整。

2)紧急保护通道快速传输技术。继电保护的动作速度决定了保护的动作效果。在多跳无线传感器网络中，单跳延时由传输延时和通信延时组成。可以采取优化通信通道冲突检测机制和优化信息传输路径的方法来减少数据传输延时。

3)路由协议。路由协议主要有两方面的功能，一是搜索满足条件的从源节点到目的节点的优化路径，二是转发数据[16]。与一般链式网络的情况不同，本网络的中间节点无需采集信息，因此可以设计一个更加有针对性的、满足保护信息传输要求的路由协议。

3 路由协议设计

本文所提出的路由协议由列表建立、路由发现和路由维护三部分构成。列表建立过程为每个节点建立一个前向列表和反向列表，保证了某条正在使用的链路失效后，通道可以自动快速修复。路由发现过程通过源节点发出路由请求广播和接收节点转发请求并发送路由响应的机制，使各个节点获得相邻节点的GPS位置信息，收到路由响应的节点根据源节点的位置、自身的位置和发送路由响应节点的位置来判断发送RACK的节点应位于该节点的前向列表还是反向列表上，从而建立源节点到目的节点的路由。路由维护使得一旦某条链路发生了故障，节点通过表驱动式的路由方式可以迅速从自己的前向/反向列表中查找到备用链路来使用，具体方案如下所述。

3.1 通道结构及相关概念

图3为利用基于无线通信网络的路由协议进行网络通信的示意图。其中代表位于线路首尾两侧的两个节点分别为0号节点和D节点。每个椭圆代表一个杆塔所在的位置，椭圆中的点表示安装在该杆塔上的路由节点。图中的实线代表的是杆塔之间的输电线路而不是节点之间的通信链路。根据每个节点的通信距离和杆塔距离，一个节点也许能够覆盖两侧多个杆塔位置处的节点。前向是指从0号节点到线路对侧的数据发送方向，而反向则是从非0号节点的一端向0号节点的数据发送方向。

图3 紧急保护通道示意图

另外，每个节点分别存储前向列表(Forward List)和反向列表(Backward List)。其中Forward List用来存放节点前向发送时，下一跳能到达的节点；Backward List用来存放反向发送时，下一跳能到达的节点，见表1。

表1 前向/反向列表

3.2 路由发现

路由发现开始时，从0号节点发出RREQ(路由请求)广播，其中包含自身的节点号和GPS位置信息，见表2。

表2 RREQ中的有效数据段

收到从0号节点发出的RREQ的节点继续广播RREQ。每个收到RREQ的节点(包括D节点)保存0号节点的GPS位置信息，同时向给它发送RREQ的节点单播发送一个RACK(路由响应)，RACK中加入自己的地理位置信息，数据帧的格式与RREQ基本相同。若节点重复收到RREQ，则只需在第一次收到RREQ时将其广播出去，后来重复收到的不需要广播，但每次均需要向发送RREQ的节点回复RACK，中间节点无需维护反向路由。

收到RACK的节点根据0号节点的位置、自身的位置和发送RACK节点的位置来判断发送RACK的节点应位于该节点的前向列表还是反向列表上。判断方法如图4所示。

图4 前向/反向列表判断方式

1)如图4(a)，当收到RACK的节点A和0号节点构成了线段0A，节点A和发出RACK的节点B构成了线段AB，当0A和AB构成的夹角∠0AB为钝角时，则B应被添加到A节点的前向列表中。即当A有数据前向发送时，B可以作为A的下一跳节点。

2)如图4(b)，当0A和AB构成的夹角∠0AB为锐角时，则B应被添加到A节点的反向列表中。即当A有数据反向发送时，B可以作为A的下一跳节点。

3)如图4(c)，当收、发RACK两节点B、A的距离AB小于30 m时，B不会把A节点放入任何一个列表。即当A、B位于同一个杆塔上时，它们互不存在于对方的前向或反向列表中。

当A节点把B节点添加到自身的前向/反向列表后，A节点从自身的邻居表(Neighbor Table)中查询到与B节点之间链路的LQI(链路质量)，并将LQI和A、B之间的距离一同保存在前向/反向列表中，同时将链路状态标记为valid，见表1。

当线路对侧D节点收到RREQ后，同样对所有给它发送RREQ的节点回复RACK。而收到D节点RACK的节点同样向D节点回复RACK，这样D节点就拥有了自己的反向列表，知道它可以将数据反向发送至哪些节点了。通过这种RREQ-RACK方式，每个节点都会将与它两侧存在双向链路的节点予以存储，并根据这些节点的位置判断这些节点是用于前向传输还是反向传输。

D节点接收到回复的RACK后经过一段时间(即假设已经将所有反向节点插入了反向列表)，D节点根据自己存储的反向列表选择下一跳节点，反向向0号节点发送RREP(路由回复)。

从前向/反向列表中选择下一跳的依据为:

1)若前向传输，从前向列表中挑选；若反向传输，则从反向列表中挑选。

2)列表中节点链路质量满足大于Min Link Quality的情况下，挑选与本节点距离最远的节点为下一跳。这是因为跳数的增加会带来端到端时延的增加，选择距离最远可以尽量减少传输的跳数，也就可以减少时延。若没有大于Min Link Quality的节点，则挑选链路质量最高的节点，作为下一跳。

收到RREP的每一个节点都按照上面的规则选择下一跳的节点。当RREP最后到达0号节点时，代表整个网络的路由列表已经建立完毕，0号节点可以开始发送数据。

3.3 路由维护

无线节点在运行过程中可能会受到内在或外在因素而不能正常工作，此时与该节点建立的链路均会失效。但由于根据紧急保护通道的特性将传统Zigbee的按需路由方式改为了表驱动式的路由方式，这样就使得一旦某条链路发生了故障，节点可以迅速从自己的前向/反向列表中查找到备用链路来使用。一旦某个转发数据的节点检测到下一跳失效，则将前向/反向列表中相应的节点标记为invalid，然后按照上述挑选节点的方法，重新选取下一跳的节点。

3.4 路由协议仿真

假设所需保护线路为500 kV双端供电输电线路，利用前述无线传感器网络构建的紧急保护通道方案来模拟通道数据时延，并采用NS2仿真软件进行基于本文所提出的路由协议和AODV协议的通信模拟。通信节点的硬件采用2.4 GHz Xbee XBP24-BWIT-004无线传输模块，其室外传输视距可达3 200 m，工作温度范围为-40～85℃，发送数据时电流为220 mA，接收数据时电流为62 mA，空闲状态电流为4μA。

仿真采用分相电流差动保护，分别在线路不同位置模拟不同类型的故障，将获得的三相电流向量值组包后，通过无线传感器网络发送到对侧。由于无线传感器网络的端到端时延具有不确定性，因此仿真结果均为平均时延。同时不同类型、不同位置发生故障产生的数据经过组包后情况类似，仿真结果仅给出中点发生金属性单相接地故障的时延仿真结果。在杆塔档距和节点通信范围分别固定为400 m和3 200 m的情况下，逐渐增加线路长度，比较不同线路长度时本文所提出的路由协议和AODV协议的通信时延，结果见表3。由仿真结果可知，相比于ADOV协议，本文所提出的基于WSN的路由协议能有效地减少端到端的时延，而且针对线路杆塔所构成的链式网络直线型拓扑的特点，简化了路由发现过程，无需知道源节点到目的节点的所有路由，无需频繁的路由发现。

表3 两种路由协议的时延

4 结论

本文为应对电网灾变情况下保护通道中断导致保护性能下降甚至退出的问题，提出并研究了利用无线传感器网络构建紧急通信通道方案，以便提供一条传输保护信息的临时通道。

1)提出基于WSN并结合电力设施监测构建纵联差动保护紧急通信系统的方案。说明了此方案的工作原理，阐述了传感器节点的布置方案和能量供应，探讨了网络可靠性和时延等关键技术问题，并提出了解决方案。

2)针对紧急通道长链式拓扑的特点，设计了一种延时短、容错率高的多跳路由协议，该协议由列表建立、路由发现和路由维护三部分组成，通过在一次路由发现过程中为每个节点建立一个前向列表和反向列表，保证了某条正在使用的链路失效后，通道可以自动快速修复，相比于AODV有明显的优势。