基于无线传感器网络的智能电网运行质量评估

井含香，刘晓焜，郝艳军

(1.国网甘肃省电力公司营销服务中心，甘肃 兰州 730000) (2.西安创奕信息科技有限公司, 陕西 西安 710100)

智能电网具有坚强的电网基础体系和技术支撑体系，能够抵御各类外部干扰和攻击。电力系统中不同种类的电子元件具有不同的动态特性，并且可以对系统中出现的干扰作出不同的响应。由于每种动态特性都反映了电力系统的某些特征[1]，因此可以根据其发生的原因、结果、时间、物理特性或发生在系统中的位置对其进行分类。根据干扰的物理特性不同，可以将电力系统动力学分为波、电磁、机电和热力学4种。高压传输线中的干扰通常与波效应、雷击或人为的开关操作有关，其发生通常是瞬时的[2]。

在当今的电力系统中，传感设备常通过有线通信(例如以太网或光纤)将采集的数据传输到中央控制室，公用事业总部的监控系统和调度员在该位置管理电网运行[3]。但是在恶劣环境中使用有线通信通常是不经济的，甚至是不可能的[4]，因此迫切需要低成本的无线监测系统，以提高系统的可靠性和效率。文献[5]对智能电网监控系统中无线传感网络的安全问题进行了研究，重点对智能电网监控中无线传感技术、网络组成和组间、组内通信传输问题进行了研究；文献[6]通过信号控制电路将智能电网中的信号进行放大，对采集电路输入端进行优化，设计了一种高水平的电力通信传输参数远程监测系统。最新的研究结果表明[7-8]，无线传感器网络在完成监控和通信任务方面具有巨大的潜力。

传感器在监测电力系统的状态时，会产生大量的敏感数据[9]，因此无线传感器网络应用的增加也带来了新的挑战，特别是在隐私、连接和安全管理方面。为了建立智能电网监控系统来评估智能电网运行质量，本文设计了一种有效且安全的在输电线上测量数据的方法，并进行仿真，仿真结果表明基于无线传感器网络进行智能电网运行质量评估的精度较高。

1 无线传感器网络

无线传感器网络可以提供重要的信息，用于电力系统的优化。电力系统的监视和控制对于其高效的运行至关重要，无线传感器网络作为一种分布式传感网络，具有低成本、灵活且自组织的特性，是创建高度可靠且可自我修复的智能电网的理想选择。与传统通信技术相比，无线传感器网络通信技术具有显著的优势，其特点是可快速和直接部署，覆盖范围大、安装和维护成本低、易于更换和升级[10]。

无线传感器网络在智能电网中的应用范围很广，包括但不限于电能质量监控、断电检测、架空传输线监控、故障检测和定位、设备故障诊断和地下>电缆系统监控等。与传统的通信技术相比，无线传感器网络的协作性和上下文感知特性使其具有更好的容错能力、更高的精度、更大的覆盖范围和局部特征可提取等特性。尽管拥有不可否认的优势，但与所有类型的无线网络一样，无线传感器网络也容易受到来自开放通信环境的威胁，给系统带来一定的风险[11]。由于无线传感器网络与其所在的物理环境密切相关，并随着环境的变化而不断地变化，因此无法将先进且复杂的安全机制应用于无线传感器网络，使得其保护措施变得更加复杂，并使无线传感器网络更容易受到外部攻击。由于电网具有较强的复杂性且对时间高度敏感，因此容易受到各种类型的攻击[12]。电网系统可用的安全解决方案往往很昂贵，并且会消耗大量的中央处理器(CPU)资源。远距离使用无线传感器网络的另一个缺点是信息传输的时延较大。

信息传输的时延与所使用的路由算法有关，并且与数据传输的距离以及上一条信息最终发送到基站的时间有关[13]。为了实现高效的通信，最小化信息传输时延是至关重要的。因此，本文着眼于最小化时延，同时考虑通信的可靠性，提出了输电网系统中无线传感器网络安全、可靠的通信方案。

2 无线传感器网络在输电网系统中的安全可靠通信方案

通常，电网系统中包括发电、输电、配电和用电站点。变电站监控与数据采集(SCADA)系统是变电站控制的核心。智能电网系统包括电力传输网络和通信网络，其中通信网络包括蜂窝网络、微波网络、光纤网络、串行链路或无线局域网。图1所示为典型的包含无线传感器通信网络的电力传输网络。无线传感器用于电力数据传输和配电监控[14-15]，由于传感器处理的是敏感且机密的电网数据，应该确保传输的安全性，以防止被窃并避免任何未经授权的访问，因此需要实施安全可靠的传输协议。

图1 典型的包含无线传感器通信网络的电力传输网络

图2给出了一个110 kV传输线示例。两个变电站之间有43个极点，共45极(包括变电站)。在每个极点上部署4个传感器中继节点(也称为接收节点)，总共部署了180个传感器，如图3所示。一组(4个)传感器将感知信息发送到接收节点，接收节点从感知节点收集信息后，将信息发送到变电站，变电站再将数据传输到网关。

图2 电力传输网络上的无线传感器网络架构

图3 配备无线传感器的电线杆

由于传感器感知节点与中继节点之间的距离很小，因此使用短距离通信技术，将TelosB传感器设备安装到电线杆，作为传感器感知节点，用于收集数据，使用Mica2传感器作为接收器节点，通信协议为IEEE 802.15.4/ZigBee。传感器的参数见表1。

表1 传感器参数

为了准确地监控数据，输电线路监测系统需要不断更新测量参数，因此无线传感器之间的数据需要同步，以便在传输线的不同位置对测量数据进行直接比较。传输线路上每个接收器将测量数据发送到相邻中继节点所需的时间随着跳数的增加而增加,离变电站较近的传感器要比离变电站较远的传感器处理更多的测量数据。考虑到传输线的拓扑约束，低带宽、低数据速率的无线节点无法以多跳的方式传输大量数据，因此将所获得的数据分为两部分进行传输，以减少数据传输的延迟。

假设电力线位于一个开放区域中，在该区域，中继节点的天线彼此之间可见。通常使用数学传输模型以统计方式对电力传输网络进行建模。由于在链路预算中，路径损耗在网络损耗中占比最大，且变化也较大，因此在仿真中使用路径损耗作为评估指标，通过计算获得接收节点之间的连接质量(q值)。q值的精确计算公式如下：

q=20×lgd-tp-20×lgf-32.44

(1)

式中：tp为发射机的射频功率，dBm；d为两个相邻接收节点之间的距离，km；f为设备的频率，MHz。q值定义了无线传感器网络的连接质量，为非负实数(q={q∈R|q≥0})，q值越小，表示连接质量越好。

在传输电网中部署无线传感器网络作为监控解决方案时，数据包丢失是必须考虑的一个重要问题。数据包丢失可能由多种原因引起，包括网络传输介质上的信号质量下降、流量过大而造成的拥塞、链路层的碰撞或缓冲区溢出。节点之间的传输距离和连接质量也会导致数据包丢失。数据包丢失与信号强度之间存在很强的相关性，在长距离传输中，信号强度衰减效应导致信噪比降低，从而造成数据包丢失。解决数据包丢失问题最常见的方法之一是数据包重传。数据包重传需要通过一些其他机制来实现，例如，使用确认(ACK)机制，每个成功接收的数据包都应由接收者通过通知进行确认，如果发送者无法识别通知消息，则应重新发送该数据包。ACK机制可以为数据包重传提供可靠的保证。

3 仿真与结果分析

为了验证本文方法实现电力传输网络运行质量评估的效果，进行仿真测试。设置传输线相邻两极之间的距离为100 m,信息评价的演化参数集大小为200，训练集维数为45，电网运行的容量为1 800 MW。将传输线分为两个子线，每个子线只有一个极点直接链接到变电站，因此所获得的数据最终到达变电站需要遍历的跳数为左子线22，右子线23。各传感器收集的数据大小相同，为80个字节，由于每个极点上有4个传感器，因此中继节点接收到的数据大小为320字节。TelosB将数据传输到中继节点大约需要4 000 ms。为保证传感器网络中的数据不泄漏，只有被授权者才能访问,因此需要对访问者进行身份验证。在实验中,已为参与通信过程的每个节点使用了单独的密匙。

在基于无线传感器网络的智能电网系统环境中进行电力传输运行质量评估实验，其具体步骤如下：

步骤1，在智能电网系统质量预测值中添加一个待定权值，并保持在设定的阈值范围内，将实际测量的数值与预测数值进行对比分析；

步骤2，对节点1到节点7修正的负荷值进行质量量化评估，并进行不良数据检测；

步骤3，如果出现不良数据，则使用预期损失模型分析获取一个估计值，以此修正不良数据；

步骤4，重复步骤1～3，直到没有不良数据出现为止，得到质量量化预测值；

步骤5，将得到的预测值传送给电网后台监控端，并剔除掉不良数据，防止信息干扰。

依据上述实验步骤，得到智能电网系统运行质量信息分布如图4所示。

图4 智能电网系统运行质量信息分布

由图4可知，利用本文方法进行智能电网系统运行质量量化评估，其质量信息分布均匀。为了对比该结果与已有研究的成果，分别使用文献[5]方法、文献[6]方法计算了无线传感器网络的连接质量(q值)，并在此基础上，获得连接质量标准差对比结果，见表2。

表2 不同方法获得连接质量对比结果

由表2可知，与文献[5]方法和文献[6]方法相比，本文方法得到的标准差值与实际值较为接近，说明用该方法进行智能电网系统运行质量量化评估效果更好，原因是本文方法能够更加全面地分析随机扰动对系统频率所产生的影响。

智能电网运行质量特征表现为电网的输出参数信息、用户信息和电网各项设施设备的运行管理信息，在此基础上建立智能电网系统运行质量分布特征检测模型，并与文献[5]方法和文献[6]方法进行对比，得到质量信息特征的准确性对比结果如图5所示，平均信息传输时延如图6所示。

图5 不同方法质量信息特征检测准确性对比

图6 信息传输时延比较结果

分析图5和图6可知，利用本文方法进行质量信息特征检测准确率比文献[5]方法和文献[6]方法高,而且信息传输时延明显优于文献[5]方法和文献[6]方法。利用本文方法进行智能电网系统运行质量评估的特征聚类性较好，有利于提高质量评估的可靠性。

4 结束语

无线传感器、智能变电站和通信设备可以提供实时监测系统的运行状况，使智能电网运营商能够主动预防许多问题。利用无线传感器和自动化控件采集的实时信息进行系统监测，使智能电网可以避免停电、电能质量问题和服务中断等情况的发生。本文提出了一种有效且安全的在输电线上测量数据的方法，并将其应用于智能电网系统监控，从安全性和信息传输时延方面进行了分析。通过与其他方法比较可知，所提方法可以提高质量评估的可靠性。