付文博，李 峰，曹 盛

(1.滄州供電公司生產(chǎn)調(diào)度部，河北滄州 061001;2.華北電力大學(xué)電子與通信工程系，河北保定 071003)

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，人們對(duì)經(jīng)濟(jì)、可靠、安全的用電要求越來越高。能夠準(zhǔn)確快速地找出故障點(diǎn)尤為重要。這不僅可以節(jié)省大量人力物力，而且對(duì)于社會(huì)發(fā)展和人們的生活也有較大影響［1］。文中采用無線自組織網(wǎng)絡(luò)(Ad hoc)實(shí)現(xiàn)對(duì)10 kV配電網(wǎng)單相接地故障的定位。著重分析了無線自組織網(wǎng)絡(luò)中協(xié)議的選擇。

文中利用無線自組織網(wǎng)絡(luò)(Ad hoc)傳輸每一節(jié)點(diǎn)的故障信息，信息經(jīng)過多跳傳輸?shù)街行恼?。無線自組織網(wǎng)絡(luò)是由一些帶有無線通信模塊的節(jié)點(diǎn)，通過無線信道連接形成，強(qiáng)調(diào)無中心接入和多跳路由［2］。在無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，由于無線通信覆蓋范圍的有限性，兩個(gè)無法直接通信的節(jié)點(diǎn)可以利用其他節(jié)點(diǎn)的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能進(jìn)行通信，即經(jīng)過多跳，這是無線自組織網(wǎng)絡(luò)和其它移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的根本區(qū)別。

無線自組織網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)點(diǎn)地位平等，無需設(shè)置任何中心控制結(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點(diǎn)兼?zhèn)渲鳈C(jī)和路由器兩種角色，即不僅具有普通移動(dòng)終端所需的功能，而且具有報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)能力。一方面負(fù)責(zé)本片信息采集與發(fā)送，另一方面也負(fù)責(zé)傳送其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息［3］。

1 系統(tǒng)概述

文中提出一種采用無線自組織網(wǎng)絡(luò)(Ad hoc)的在線故障定位方法，即在配電網(wǎng)上以一定間距安裝無線節(jié)點(diǎn)，架構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)，對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。無線節(jié)點(diǎn)既是主機(jī)又是路由。一方面負(fù)責(zé)本機(jī)信息的采集與發(fā)送，另一方面也負(fù)責(zé)其他節(jié)點(diǎn)信息的轉(zhuǎn)發(fā)。例如圖1中的節(jié)點(diǎn)2，既要將本機(jī)的信息發(fā)送到中心站又要將節(jié)點(diǎn)1的信息轉(zhuǎn)發(fā)到中心站;節(jié)點(diǎn)8既要將本機(jī)信息發(fā)送到中心站又要將節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)7的信息轉(zhuǎn)發(fā)到中心站。

在系統(tǒng)單相接地故障發(fā)生時(shí)，故障點(diǎn)兩側(cè)會(huì)有零序電流產(chǎn)生，并且故障點(diǎn)兩側(cè)零序電流的相位相反，由零序電流采集器得到故障點(diǎn)兩側(cè)零序電流相位信息，將信息通過多跳的方式傳輸?shù)街行恼?，然后中心站?jì)算分析得出故障區(qū)段。故障區(qū)段的長(zhǎng)短由節(jié)點(diǎn)分布的疏密程度而定，文中定為1 km。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 拓?fù)鋱D

2 NS2軟件介紹

NS2(Network Simulator Version 2)是一種面向?qū)ο蟮碾x散事件模擬器，擴(kuò)展性強(qiáng)、開放性好［4］。主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)仿真，解決網(wǎng)絡(luò)問題，可用于 Windows和Linux系統(tǒng)。

NS2軟件已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，具有一定的權(quán)威性。NS2包含多個(gè)模塊，如 Tcl、Nam、xgraph等，還包含豐富的網(wǎng)絡(luò)模塊，對(duì)現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供了良好的支持。源碼開放和免費(fèi)的軟件模擬平臺(tái)使得研究人員可以方便地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)開發(fā)。

3 協(xié)議設(shè)置

系統(tǒng)應(yīng)用于配電網(wǎng)故障定位，每隔一段距離安裝節(jié)點(diǎn)，所以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本成鏈?zhǔn)綍?huì)有分支。節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性小，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定。根據(jù)這些特點(diǎn)選擇協(xié)議以適應(yīng)系統(tǒng)需求。

3.1 路由協(xié)議

按照路由建立的方式不同，無線自組織網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議可以分為3種［5－6］:先應(yīng)式路由協(xié)議、按需路由協(xié)議和混合路由協(xié)議。

先應(yīng)式路由協(xié)議又稱為表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議，節(jié)點(diǎn)需要實(shí)時(shí)維護(hù)路由表，路由表中保存完整的信息。

按需路由協(xié)議又稱為反應(yīng)式路由協(xié)議，節(jié)點(diǎn)不需要實(shí)時(shí)維護(hù)路由表，只有當(dāng)有信息需要發(fā)送時(shí)才進(jìn)行路由選擇。

文中利用NS2軟件對(duì)AODV、DSR和DSDV這3種路由協(xié)議進(jìn)行仿真對(duì)比。分別在節(jié)點(diǎn)數(shù)不同和停留時(shí)間不同情況下比較了端到端延時(shí)和分組投遞率。

3.1.1 節(jié)點(diǎn)數(shù)不同

通信場(chǎng)景:ns cbrgen.tcl－type cbr－nn 20－seed 1－mc 10－rate 2.0

移動(dòng)場(chǎng)景:./setdest－n 20－p 0－M 20－t 100－x 1000－y 300

在1 000×300的范圍內(nèi)設(shè)置20～80個(gè)節(jié)點(diǎn)，最大移動(dòng)速度20 m/s，仿真時(shí)間100 s。

圖2 端到端延時(shí)

從圖2中可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)較少時(shí)，DSDV的延時(shí)較小，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)超過50時(shí)延時(shí)較大。這是由于DSDV是先應(yīng)式路由協(xié)議時(shí)刻都在維護(hù)路由表，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)增加分組數(shù)也在增加，從而延時(shí)增加較大。

圖3 分組投遞率

從圖3中可以看出，AODV和DSR的分組投遞率較高，節(jié)點(diǎn)較少時(shí)可達(dá)到100%。DSDV的分組投遞率較低。

3.1.2 停留時(shí)間不同

通信場(chǎng)景:ns cbrgen.tcl－type cbr－nn 20－seed 1－mc 10－rate 2.0

移動(dòng)場(chǎng)景:./setdest－n 20－p 0～70－M 20－t 100－x 1000－y 300

在1 000×300的范圍內(nèi)設(shè)置20個(gè)節(jié)點(diǎn)，最大移動(dòng)速度20 m/s，仿真時(shí)間100 s，停留時(shí)間0～70 s。

圖4 端到端延時(shí)

從圖4中可以看出，AODV和DSR的性能較穩(wěn)定。當(dāng)停留時(shí)間較大時(shí)相當(dāng)于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度較小，這時(shí)DSDV的性能較好。

圖5 分組投遞率

從圖5中可以看出AODV和DSR性能明顯優(yōu)于DSDV。

3.1.3 結(jié)果分析

當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)較少，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度較小，又注重延時(shí)性時(shí)可以選擇DSDV。如果移動(dòng)速度較大節(jié)點(diǎn)較多，則AODV和DSR的性能較好。

對(duì)于本系統(tǒng)，由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性較小，節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，注重分組投遞率，所以選擇AODV協(xié)議。

3.2 MAC協(xié)議

信道接入?yún)f(xié)議采用載波偵聽機(jī)制。載波偵聽機(jī)制由物理載波和虛擬載波偵聽共同完成。物理載波通過節(jié)點(diǎn)周圍信號(hào)來判斷信道占用情況;虛擬載波是根據(jù)收到的信息分析信道被占用的時(shí)間，以確定自身需要的延遲。如圖6所示，A與B通信時(shí)，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先檢測(cè)信道是否空閑，如果空閑則發(fā)送RTS分組，否則等待一段時(shí)間并檢測(cè)。RTS分組中包括 CTS，DATA，ACK傳輸?shù)臅r(shí)長(zhǎng)。這樣節(jié)點(diǎn)C就知道需要退避多久，只要避開CTS分組就不會(huì)在A處發(fā)生碰撞。B收到后返回一個(gè)CTS分組，CTS分組中包括DATA和ACK傳輸?shù)臅r(shí)長(zhǎng)，這樣節(jié)點(diǎn)D就知道需要退避多久，只要避開DATA，就不會(huì)在B處發(fā)生碰撞。這樣就解決了隱藏終端和暴露終端的問題。

圖6 隱藏終端和暴露終端

文中還對(duì)是否采用RTS/CTS進(jìn)行了仿真。在幀長(zhǎng)不同的情況下對(duì)兩種接入方式的吞吐量進(jìn)行了比較。結(jié)果如圖7所示。

圖7 吞吐量

從圖7中可以看出，幀長(zhǎng)較短時(shí)采用基本方式接入方式網(wǎng)絡(luò)的吞吐量較好，幀長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)采用RTS/CTS接入方式較好。所以在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)為提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量設(shè)置了門限值，當(dāng)小于門限值時(shí)采用基本方式接入方式，大于時(shí)采用RTS/CTS接入方式。

4 結(jié)束語

介紹的基于無線自組織網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)故障定位充分利用了無線自組織網(wǎng)絡(luò)的特性。通過NS2軟件的仿真分析選取了AODV路由協(xié)議，提高了系統(tǒng)的分組投遞率;并且找到了幀長(zhǎng)的門限值從而提高了系統(tǒng)的吞吐量。提出的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，具有體積小、低功耗、高速率且成本低等優(yōu)點(diǎn)。能夠快速準(zhǔn)確的定位故障區(qū)段，大幅減少了人力物力的消耗，在配電網(wǎng)故障定位方面有較大的發(fā)展空間。

［1］戚宇林，李博輝，劉超.無線自組織網(wǎng)絡(luò)在配電網(wǎng)接地故障監(jiān)控中的應(yīng)用［J］.通信技術(shù)，2008(6):204－206.

［2］于宏毅.無線移動(dòng)自組織網(wǎng)［M］.北京:人民郵電出版社，2005.

［3］韓露.移動(dòng)自組網(wǎng)路由協(xié)議研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2006.

［4］金偉，劉方愛，王曉潔.基于NS的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議仿真研究［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2010，20(1):63 －66.

［5］周杰.Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中三種典型路由協(xié)議的仿真分析與比較［J］.大眾科技，2010(1):57－58.

［6］孫亦佳.無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)按需路由協(xié)議的研究與仿真［D］.成都:電子科技大學(xué)，2008.