段英，余斌，寧春海，向為，朱維鈞，黃華林

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司株洲供電分公司，湖南 株洲412000；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙410007；3.國網(wǎng)湖南省電力有限公司邵陽供電分公司，湖南 邵陽422000；4.湖南省湘電試驗研究院有限公司，湖南 長沙410004)

0 引言

線路的縱聯(lián)電流差動保護(hù)利用通信通道將線路本側(cè)的電流波形或者代表電流相量的信號傳送到對側(cè)，根據(jù)兩端電流波形或電流相量和的特征確定是否動作，能夠根據(jù)被保護(hù)元件各端電流向量關(guān)系正確地判別區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障，從而有選擇、快速地切除全線路任一點的短路，具有天然選相功能，而且不受系統(tǒng)震蕩的影響，因此成為高壓線路主保護(hù)的首選[1-2]。電流差動保護(hù)依賴線路兩端電流信息的交換，實現(xiàn)信息交換的通道從最初的導(dǎo)引線[3]，發(fā)展到后來的電力線載波[4]，再到目前廣泛部署的光纖通信[5]，無論是通信的速度還是可靠性都有本質(zhì)上的提升。

受地震、臺風(fēng)、冰災(zāi)等自然災(zāi)害的影響，縱聯(lián)保護(hù)通信通道受損，保護(hù)無法動作。2008年年初，我國南方大部分地區(qū)遭遇嚴(yán)重冰雪災(zāi)害，覆冰載荷過重致使電網(wǎng)出現(xiàn)大量斷線、倒塔事故，OPGW光纜被破壞引起通信中斷使得電流差動保護(hù)通道失效，導(dǎo)致多條電壓線路主保護(hù)退出運行，嚴(yán)重危及主網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[6]。線路保護(hù)裝置利用內(nèi)置的距離保護(hù)作為線路差動保護(hù)的備用[7-8]，在通信通道故障時能保證故障的可靠切除，但其存在無法全線速動、不具絕對選擇性的缺點。因此，需要重構(gòu)緊急保護(hù)通道，恢復(fù)電流差動保護(hù)功能。

保護(hù)通道的重構(gòu)是指當(dāng)通信通道中斷時，重新構(gòu)建一條新的傳輸通道，目前主要有兩種思路:一是利用災(zāi)變后的健全通信通道建立迂回傳輸通道；二是采用其他的通信方式重新構(gòu)建傳輸通道。針對后者，文獻(xiàn)[9]利用公用通信網(wǎng)構(gòu)建緊急通道，通過GPS對時信號或增加光纖距離保護(hù)原理使光纖電流差動保護(hù)裝置在緊急期間仍能保護(hù)線路，但公用通信網(wǎng)普遍采用自愈保護(hù)且延時無法保證，光纖電流差動保護(hù)無法適用，僅能恢復(fù)光纖距離保護(hù)，并存在數(shù)據(jù)安全問題，自然災(zāi)害引起的倒塔還可能導(dǎo)致基站失電造成數(shù)據(jù)無法轉(zhuǎn)發(fā)。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)具有布置便捷、自組織、無固定基站等優(yōu)點，適用于應(yīng)急通信，本文提出利用WSN構(gòu)建緊急保護(hù)通道，可以在主保護(hù)通道失效后承擔(dān)線路兩端的電流數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，維系電流差動保護(hù)的功能。

1 WSN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及特點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組分布在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有采集、計算、通信的能力，分布布置于目標(biāo)區(qū)域中[10-12]。傳感器節(jié)點以逐跳轉(zhuǎn)發(fā)的方式把采集到的數(shù)據(jù)傳送至其他節(jié)點，在傳輸路途中數(shù)據(jù)信息或許會被多個節(jié)點處理，匯聚節(jié)點收到信息直接上傳到網(wǎng)關(guān)進(jìn)行計算處理并據(jù)此發(fā)送控制命令給保護(hù)裝置。圖1為WSN應(yīng)用于繼電保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 應(yīng)用于繼電保護(hù)的WSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，WSN在構(gòu)建繼電保護(hù)通信網(wǎng)絡(luò)時主要由采集節(jié)點、路由節(jié)點、匯聚節(jié)點、網(wǎng)格四部分組成。采集節(jié)點采集數(shù)據(jù)經(jīng)路由器轉(zhuǎn)發(fā)，由匯聚節(jié)點匯聚信息并經(jīng)網(wǎng)關(guān)送至保護(hù)裝置。

2 基于WSN重構(gòu)電流差動緊急保護(hù)通道

2.1 研究思路

電力系統(tǒng)中，輸電線路是一條狹長的“帶子”，且一般為架空導(dǎo)線，考慮兩個變電站之間的電流差動保護(hù)，極端災(zāi)變情況下，光纖通信通道被破壞，電流差動保護(hù)無法保護(hù)線路，利用完好的通信通道提供一條臨時的迂回通信通道以傳輸主保護(hù)信息是一種簡單經(jīng)濟(jì)的方案。但是，迂回通信通道的路徑變長和跳數(shù)增多會增加消息傳輸?shù)臅r延和降低信息的準(zhǔn)確度。此外，迂回通道的帶寬必須要滿足緊急保護(hù)信息的傳輸要求，否則會影響通道中原有信息的傳輸[13]。再進(jìn)一步，在極端嚴(yán)重災(zāi)害下，出現(xiàn)光纖通信通道大范圍損毀，少量的健全通道也無法滿足大量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。因此，在極端嚴(yán)重自然災(zāi)害條件下，必須采用新的通信技術(shù)，重構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)的臨時通信通道。

無線通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中已有大量的應(yīng)用，主要是利用電信網(wǎng)絡(luò)來傳輸電力監(jiān)測數(shù)據(jù)，雖然具有較快的傳輸速率，且應(yīng)用非常成熟，但是發(fā)生極端自然災(zāi)害時，電信基站也會受到損壞。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)沒有固定的基站，無需布線，具有自組織、多跳路由等優(yōu)點，特別適用于惡劣環(huán)境搶險救災(zāi)、危險區(qū)域遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在變電站自動化、電能質(zhì)量監(jiān)測、配電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控與故障定位、輸電線路實時監(jiān)測等方面已經(jīng)有所應(yīng)用。文獻(xiàn)[14]提出將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于電力設(shè)施冰災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的通信，提高極端冰凍氣候下系統(tǒng)的可靠性和安全性，從而為各項防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)措施提供可靠數(shù)據(jù)。因此，本文提出結(jié)合電力設(shè)施監(jiān)測，正常運行時，WSN執(zhí)行線路巡監(jiān)任務(wù)，極端災(zāi)害條件下，用于構(gòu)建保護(hù)系統(tǒng)的緊急通道。

2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計

將保護(hù)裝置接入網(wǎng)關(guān)，從而與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連通，接收保護(hù)信息?，F(xiàn)有保護(hù)裝置應(yīng)升級配置通信通道切換策略，在光纖通道故障時轉(zhuǎn)換到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信，并且切換為單端差動邏輯，即兩端保護(hù)裝置采集到對側(cè)電流信息后，單獨進(jìn)行電流差動邏輯判斷后動作。為把電流信息傳送到對側(cè)，在輸電線路的桿塔上安裝具有無線通信功能的傳感器節(jié)點，用于傳輸電流信息。如圖2所示的WSN緊急通道系統(tǒng)，若變電站A與變電站B之間的光纖通道發(fā)生故障，兩端變電站的保護(hù)裝置迅速轉(zhuǎn)換到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信，無線傳感器節(jié)點以多跳方式傳輸保護(hù)信息，形成一條可靠的緊急通道。

圖2 結(jié)合電力設(shè)施監(jiān)測的WSN緊急通道系統(tǒng)

結(jié)合輸電系統(tǒng)的特點，在滿足覆蓋性的條件下，充分考慮經(jīng)濟(jì)性的要求，傳感器節(jié)點可按如下原則布置:沿線桿塔上布置若干個節(jié)點，當(dāng)一個節(jié)點失效時，可以利用剩余節(jié)點繼續(xù)通信，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。傳感節(jié)點通常由電池供電，電量有限，一旦電池用完節(jié)點就會死亡，節(jié)點死亡過多或過快會降低網(wǎng)絡(luò)的生存周期。由于大部分節(jié)點布置在桿塔塔身或輸電導(dǎo)線表面，因而采用小TA取能裝置與蓄電池結(jié)合的供電方式[15]，有效地解決了節(jié)點能量問題。

電流差動保護(hù)要求把一側(cè)的電流信息傳輸?shù)綄?cè)，根據(jù)判據(jù)確定是否故障。與傳統(tǒng)WSN的通信需求不同，本網(wǎng)絡(luò)只需實現(xiàn)把一個變電站內(nèi)電流差動保護(hù)裝置的信息傳輸?shù)綄?cè)的變電站，這實際上是兩端節(jié)點之間的通信。顯然，這是一條長鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)，而且中間節(jié)點只是中繼通信節(jié)點，不需要采集信息，各桿塔之間的數(shù)據(jù)一般采用單跳傳輸?shù)姆绞剑虼瞬淮嬖谝话沔準(zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)負(fù)載不均衡的問題。本側(cè)的數(shù)據(jù)通過中間節(jié)點經(jīng)多跳的方式傳送到對側(cè)，為了提高縱差保護(hù)的動作速度，應(yīng)盡量減少轉(zhuǎn)發(fā)的跳數(shù)，然而通信時每跳的距離越遠(yuǎn)，通信的能耗也越大，這會極大地縮短節(jié)點的壽命。實際上，節(jié)點執(zhí)行監(jiān)測功能時為線上取電，極端災(zāi)變情況則更多地依賴電池供電，而此時電池電量比較充沛，若節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)及空閑狀態(tài)的時間比為1∶1∶8，并采用20 Ah的電池功能，通信范圍為3 200 m的節(jié)點可持續(xù)工作1個月；在工作方式方面，可以控制空閑時間或在緊急情況下喚醒使得節(jié)點工作時間更長。因此在成本允許的前提下可以盡可能擴(kuò)大節(jié)點的通信范圍，減小傳輸時延。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

基于WSN重構(gòu)的電流差動緊急保護(hù)通道需充分考慮保護(hù)信息傳輸?shù)膶崟r性和可靠性，以滿足縱差保護(hù)的動作需求。

1)緊急保護(hù)通道可靠性技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性直接決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｌ岣呔W(wǎng)絡(luò)可靠性的措施包括:①設(shè)計具有動態(tài)拓?fù)淠芰Φ穆酚蓞f(xié)議，通過節(jié)點冗余布置提高可靠性；②以鏈路質(zhì)量作為選擇下一跳路由的指標(biāo)，選出高質(zhì)量、高可靠性的通信路徑；③采用應(yīng)答確認(rèn)機(jī)制；④對通信節(jié)點、通信鏈路情況進(jìn)行監(jiān)測及動態(tài)調(diào)整。

2)緊急保護(hù)通道快速傳輸技術(shù)。繼電保護(hù)的動作速度決定了保護(hù)的動作效果。在多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，單跳延時由傳輸延時和通信延時組成?？梢圆扇?yōu)化通信通道沖突檢測機(jī)制和優(yōu)化信息傳輸路徑的方法來減少數(shù)據(jù)傳輸延時。

3)路由協(xié)議。路由協(xié)議主要有兩方面的功能，一是搜索滿足條件的從源節(jié)點到目的節(jié)點的優(yōu)化路徑，二是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)[16]。與一般鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)的情況不同，本網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點無需采集信息，因此可以設(shè)計一個更加有針對性的、滿足保護(hù)信息傳輸要求的路由協(xié)議。

3 路由協(xié)議設(shè)計

本文所提出的路由協(xié)議由列表建立、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)三部分構(gòu)成。列表建立過程為每個節(jié)點建立一個前向列表和反向列表，保證了某條正在使用的鏈路失效后，通道可以自動快速修復(fù)。路由發(fā)現(xiàn)過程通過源節(jié)點發(fā)出路由請求廣播和接收節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)請求并發(fā)送路由響應(yīng)的機(jī)制，使各個節(jié)點獲得相鄰節(jié)點的GPS位置信息，收到路由響應(yīng)的節(jié)點根據(jù)源節(jié)點的位置、自身的位置和發(fā)送路由響應(yīng)節(jié)點的位置來判斷發(fā)送RACK的節(jié)點應(yīng)位于該節(jié)點的前向列表還是反向列表上，從而建立源節(jié)點到目的節(jié)點的路由。路由維護(hù)使得一旦某條鏈路發(fā)生了故障，節(jié)點通過表驅(qū)動式的路由方式可以迅速從自己的前向/反向列表中查找到備用鏈路來使用，具體方案如下所述。

3.1 通道結(jié)構(gòu)及相關(guān)概念

圖3為利用基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的示意圖。其中代表位于線路首尾兩側(cè)的兩個節(jié)點分別為0號節(jié)點和D節(jié)點。每個橢圓代表一個桿塔所在的位置，橢圓中的點表示安裝在該桿塔上的路由節(jié)點。圖中的實線代表的是桿塔之間的輸電線路而不是節(jié)點之間的通信鏈路。根據(jù)每個節(jié)點的通信距離和桿塔距離，一個節(jié)點也許能夠覆蓋兩側(cè)多個桿塔位置處的節(jié)點。前向是指從0號節(jié)點到線路對側(cè)的數(shù)據(jù)發(fā)送方向，而反向則是從非0號節(jié)點的一端向0號節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送方向。

圖3 緊急保護(hù)通道示意圖

另外，每個節(jié)點分別存儲前向列表(Forward List)和反向列表(Backward List)。其中Forward List用來存放節(jié)點前向發(fā)送時，下一跳能到達(dá)的節(jié)點；Backward List用來存放反向發(fā)送時，下一跳能到達(dá)的節(jié)點，見表1。

表1 前向/反向列表

3.2 路由發(fā)現(xiàn)

路由發(fā)現(xiàn)開始時，從0號節(jié)點發(fā)出RREQ(路由請求)廣播，其中包含自身的節(jié)點號和GPS位置信息，見表2。

表2 RREQ中的有效數(shù)據(jù)段

收到從0號節(jié)點發(fā)出的RREQ的節(jié)點繼續(xù)廣播RREQ。每個收到RREQ的節(jié)點(包括D節(jié)點)保存0號節(jié)點的GPS位置信息，同時向給它發(fā)送RREQ的節(jié)點單播發(fā)送一個RACK(路由響應(yīng))，RACK中加入自己的地理位置信息，數(shù)據(jù)幀的格式與RREQ基本相同。若節(jié)點重復(fù)收到RREQ，則只需在第一次收到RREQ時將其廣播出去，后來重復(fù)收到的不需要廣播，但每次均需要向發(fā)送RREQ的節(jié)點回復(fù)RACK，中間節(jié)點無需維護(hù)反向路由。

收到RACK的節(jié)點根據(jù)0號節(jié)點的位置、自身的位置和發(fā)送RACK節(jié)點的位置來判斷發(fā)送RACK的節(jié)點應(yīng)位于該節(jié)點的前向列表還是反向列表上。判斷方法如圖4所示。

圖4 前向/反向列表判斷方式

1)如圖4(a)，當(dāng)收到RACK的節(jié)點A和0號節(jié)點構(gòu)成了線段0A，節(jié)點A和發(fā)出RACK的節(jié)點B構(gòu)成了線段AB，當(dāng)0A和AB構(gòu)成的夾角∠0AB為鈍角時，則B應(yīng)被添加到A節(jié)點的前向列表中。即當(dāng)A有數(shù)據(jù)前向發(fā)送時，B可以作為A的下一跳節(jié)點。

2)如圖4(b)，當(dāng)0A和AB構(gòu)成的夾角∠0AB為銳角時，則B應(yīng)被添加到A節(jié)點的反向列表中。即當(dāng)A有數(shù)據(jù)反向發(fā)送時，B可以作為A的下一跳節(jié)點。

3)如圖4(c)，當(dāng)收、發(fā)RACK兩節(jié)點B、A的距離AB小于30 m時，B不會把A節(jié)點放入任何一個列表。即當(dāng)A、B位于同一個桿塔上時，它們互不存在于對方的前向或反向列表中。

當(dāng)A節(jié)點把B節(jié)點添加到自身的前向/反向列表后，A節(jié)點從自身的鄰居表(Neighbor Table)中查詢到與B節(jié)點之間鏈路的LQI(鏈路質(zhì)量)，并將LQI和A、B之間的距離一同保存在前向/反向列表中，同時將鏈路狀態(tài)標(biāo)記為valid，見表1。

當(dāng)線路對側(cè)D節(jié)點收到RREQ后，同樣對所有給它發(fā)送RREQ的節(jié)點回復(fù)RACK。而收到D節(jié)點RACK的節(jié)點同樣向D節(jié)點回復(fù)RACK，這樣D節(jié)點就擁有了自己的反向列表，知道它可以將數(shù)據(jù)反向發(fā)送至哪些節(jié)點了。通過這種RREQ-RACK方式，每個節(jié)點都會將與它兩側(cè)存在雙向鏈路的節(jié)點予以存儲，并根據(jù)這些節(jié)點的位置判斷這些節(jié)點是用于前向傳輸還是反向傳輸。

D節(jié)點接收到回復(fù)的RACK后經(jīng)過一段時間(即假設(shè)已經(jīng)將所有反向節(jié)點插入了反向列表)，D節(jié)點根據(jù)自己存儲的反向列表選擇下一跳節(jié)點，反向向0號節(jié)點發(fā)送RREP(路由回復(fù))。

從前向/反向列表中選擇下一跳的依據(jù)為:

1)若前向傳輸，從前向列表中挑選；若反向傳輸，則從反向列表中挑選。

2)列表中節(jié)點鏈路質(zhì)量滿足大于Min Link Quality的情況下，挑選與本節(jié)點距離最遠(yuǎn)的節(jié)點為下一跳。這是因為跳數(shù)的增加會帶來端到端時延的增加，選擇距離最遠(yuǎn)可以盡量減少傳輸?shù)奶鴶?shù)，也就可以減少時延。若沒有大于Min Link Quality的節(jié)點，則挑選鏈路質(zhì)量最高的節(jié)點，作為下一跳。

收到RREP的每一個節(jié)點都按照上面的規(guī)則選擇下一跳的節(jié)點。當(dāng)RREP最后到達(dá)0號節(jié)點時，代表整個網(wǎng)絡(luò)的路由列表已經(jīng)建立完畢，0號節(jié)點可以開始發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.3 路由維護(hù)

無線節(jié)點在運行過程中可能會受到內(nèi)在或外在因素而不能正常工作，此時與該節(jié)點建立的鏈路均會失效。但由于根據(jù)緊急保護(hù)通道的特性將傳統(tǒng)Zigbee的按需路由方式改為了表驅(qū)動式的路由方式，這樣就使得一旦某條鏈路發(fā)生了故障，節(jié)點可以迅速從自己的前向/反向列表中查找到備用鏈路來使用。一旦某個轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點檢測到下一跳失效，則將前向/反向列表中相應(yīng)的節(jié)點標(biāo)記為invalid，然后按照上述挑選節(jié)點的方法，重新選取下一跳的節(jié)點。

3.4 路由協(xié)議仿真

假設(shè)所需保護(hù)線路為500 kV雙端供電輸電線路，利用前述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的緊急保護(hù)通道方案來模擬通道數(shù)據(jù)時延，并采用NS2仿真軟件進(jìn)行基于本文所提出的路由協(xié)議和AODV協(xié)議的通信模擬。通信節(jié)點的硬件采用2.4 GHz Xbee XBP24-BWIT-004無線傳輸模塊，其室外傳輸視距可達(dá)3 200 m，工作溫度范圍為-40～85℃，發(fā)送數(shù)據(jù)時電流為220 mA，接收數(shù)據(jù)時電流為62 mA，空閑狀態(tài)電流為4μA。

仿真采用分相電流差動保護(hù)，分別在線路不同位置模擬不同類型的故障，將獲得的三相電流向量值組包后，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到對側(cè)。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的端到端時延具有不確定性，因此仿真結(jié)果均為平均時延。同時不同類型、不同位置發(fā)生故障產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)過組包后情況類似，仿真結(jié)果僅給出中點發(fā)生金屬性單相接地故障的時延仿真結(jié)果。在桿塔檔距和節(jié)點通信范圍分別固定為400 m和3 200 m的情況下，逐漸增加線路長度，比較不同線路長度時本文所提出的路由協(xié)議和AODV協(xié)議的通信時延，結(jié)果見表3。由仿真結(jié)果可知，相比于ADOV協(xié)議，本文所提出的基于WSN的路由協(xié)議能有效地減少端到端的時延，而且針對線路桿塔所構(gòu)成的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)直線型拓?fù)涞奶攸c，簡化了路由發(fā)現(xiàn)過程，無需知道源節(jié)點到目的節(jié)點的所有路由，無需頻繁的路由發(fā)現(xiàn)。

表3 兩種路由協(xié)議的時延

4 結(jié)論

本文為應(yīng)對電網(wǎng)災(zāi)變情況下保護(hù)通道中斷導(dǎo)致保護(hù)性能下降甚至退出的問題，提出并研究了利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建緊急通信通道方案，以便提供一條傳輸保護(hù)信息的臨時通道。

1)提出基于WSN并結(jié)合電力設(shè)施監(jiān)測構(gòu)建縱聯(lián)差動保護(hù)緊急通信系統(tǒng)的方案。說明了此方案的工作原理，闡述了傳感器節(jié)點的布置方案和能量供應(yīng)，探討了網(wǎng)絡(luò)可靠性和時延等關(guān)鍵技術(shù)問題，并提出了解決方案。

2)針對緊急通道長鏈?zhǔn)酵負(fù)涞奶攸c，設(shè)計了一種延時短、容錯率高的多跳路由協(xié)議，該協(xié)議由列表建立、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)三部分組成，通過在一次路由發(fā)現(xiàn)過程中為每個節(jié)點建立一個前向列表和反向列表，保證了某條正在使用的鏈路失效后，通道可以自動快速修復(fù)，相比于AODV有明顯的優(yōu)勢。