井含香，劉曉焜，郝艷軍

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司營銷服務(wù)中心，甘肅 蘭州 730000) (2.西安創(chuàng)奕信息科技有限公司, 陜西 西安 710100)

智能電網(wǎng)具有堅(jiān)強(qiáng)的電網(wǎng)基礎(chǔ)體系和技術(shù)支撐體系，能夠抵御各類外部干擾和攻擊。電力系統(tǒng)中不同種類的電子元件具有不同的動(dòng)態(tài)特性，并且可以對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)的干擾作出不同的響應(yīng)。由于每種動(dòng)態(tài)特性都反映了電力系統(tǒng)的某些特征[1]，因此可以根據(jù)其發(fā)生的原因、結(jié)果、時(shí)間、物理特性或發(fā)生在系統(tǒng)中的位置對(duì)其進(jìn)行分類。根據(jù)干擾的物理特性不同，可以將電力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分為波、電磁、機(jī)電和熱力學(xué)4種。高壓傳輸線中的干擾通常與波效應(yīng)、雷擊或人為的開關(guān)操作有關(guān)，其發(fā)生通常是瞬時(shí)的[2]。

在當(dāng)今的電力系統(tǒng)中，傳感設(shè)備常通過有線通信(例如以太網(wǎng)或光纖)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂剖?，公用事業(yè)總部的監(jiān)控系統(tǒng)和調(diào)度員在該位置管理電網(wǎng)運(yùn)行[3]。但是在惡劣環(huán)境中使用有線通信通常是不經(jīng)濟(jì)的，甚至是不可能的[4]，因此迫切需要低成本的無線監(jiān)測系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的可靠性和效率。文獻(xiàn)[5]對(duì)智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中無線傳感網(wǎng)絡(luò)的安全問題進(jìn)行了研究，重點(diǎn)對(duì)智能電網(wǎng)監(jiān)控中無線傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)組成和組間、組內(nèi)通信傳輸問題進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[6]通過信號(hào)控制電路將智能電網(wǎng)中的信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)采集電路輸入端進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種高水平的電力通信傳輸參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。最新的研究結(jié)果表明[7-8]，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在完成監(jiān)控和通信任務(wù)方面具有巨大的潛力。

傳感器在監(jiān)測電力系統(tǒng)的狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的敏感數(shù)據(jù)[9]，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的增加也帶來了新的挑戰(zhàn)，特別是在隱私、連接和安全管理方面。為了建立智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)來評(píng)估智能電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)了一種有效且安全的在輸電線上測量數(shù)據(jù)的方法，并進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估的精度較高。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以提供重要的信息，用于電力系統(tǒng)的優(yōu)化。電力系統(tǒng)的監(jiān)視和控制對(duì)于其高效的運(yùn)行至關(guān)重要，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，具有低成本、靈活且自組織的特性，是創(chuàng)建高度可靠且可自我修復(fù)的智能電網(wǎng)的理想選擇。與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢，其特點(diǎn)是可快速和直接部署，覆蓋范圍大、安裝和維護(hù)成本低、易于更換和升級(jí)[10]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用范圍很廣，包括但不限于電能質(zhì)量監(jiān)控、斷電檢測、架空傳輸線監(jiān)控、故障檢測和定位、設(shè)備故障診斷和地下>電纜系統(tǒng)監(jiān)控等。與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作性和上下文感知特性使其具有更好的容錯(cuò)能力、更高的精度、更大的覆蓋范圍和局部特征可提取等特性。盡管擁有不可否認(rèn)的優(yōu)勢，但與所有類型的無線網(wǎng)絡(luò)一樣，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也容易受到來自開放通信環(huán)境的威脅，給系統(tǒng)帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)[11]。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其所在的物理環(huán)境密切相關(guān)，并隨著環(huán)境的變化而不斷地變化，因此無法將先進(jìn)且復(fù)雜的安全機(jī)制應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，使得其保護(hù)措施變得更加復(fù)雜，并使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更容易受到外部攻擊。由于電網(wǎng)具有較強(qiáng)的復(fù)雜性且對(duì)時(shí)間高度敏感，因此容易受到各種類型的攻擊[12]。電網(wǎng)系統(tǒng)可用的安全解決方案往往很昂貴，并且會(huì)消耗大量的中央處理器(CPU)資源。遠(yuǎn)距離使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)缺點(diǎn)是信息傳輸?shù)臅r(shí)延較大。

信息傳輸?shù)臅r(shí)延與所使用的路由算法有關(guān)，并且與數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x以及上一條信息最終發(fā)送到基站的時(shí)間有關(guān)[13]。為了實(shí)現(xiàn)高效的通信，最小化信息傳輸時(shí)延是至關(guān)重要的。因此，本文著眼于最小化時(shí)延，同時(shí)考慮通信的可靠性，提出了輸電網(wǎng)系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全、可靠的通信方案。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在輸電網(wǎng)系統(tǒng)中的安全可靠通信方案

通常，電網(wǎng)系統(tǒng)中包括發(fā)電、輸電、配電和用電站點(diǎn)。變電站監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)是變電站控制的核心。智能電網(wǎng)系統(tǒng)包括電力傳輸網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)，其中通信網(wǎng)絡(luò)包括蜂窩網(wǎng)絡(luò)、微波網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)、串行鏈路或無線局域網(wǎng)。圖1所示為典型的包含無線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器用于電力數(shù)據(jù)傳輸和配電監(jiān)控[14-15]，由于傳感器處理的是敏感且機(jī)密的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，應(yīng)該確保傳輸?shù)陌踩?，以防止被竊并避免任何未經(jīng)授權(quán)的訪問，因此需要實(shí)施安全可靠的傳輸協(xié)議。

圖1 典型的包含無線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)

圖2給出了一個(gè)110 kV傳輸線示例。兩個(gè)變電站之間有43個(gè)極點(diǎn)，共45極(包括變電站)。在每個(gè)極點(diǎn)上部署4個(gè)傳感器中繼節(jié)點(diǎn)(也稱為接收節(jié)點(diǎn))，總共部署了180個(gè)傳感器，如圖3所示。一組(4個(gè))傳感器將感知信息發(fā)送到接收節(jié)點(diǎn)，接收節(jié)點(diǎn)從感知節(jié)點(diǎn)收集信息后，將信息發(fā)送到變電站，變電站再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。

圖2 電力傳輸網(wǎng)絡(luò)上的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖3 配備無線傳感器的電線桿

由于傳感器感知節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)之間的距離很小，因此使用短距離通信技術(shù)，將TelosB傳感器設(shè)備安裝到電線桿，作為傳感器感知節(jié)點(diǎn)，用于收集數(shù)據(jù)，使用Mica2傳感器作為接收器節(jié)點(diǎn)，通信協(xié)議為IEEE 802.15.4/ZigBee。傳感器的參數(shù)見表1。

表1 傳感器參數(shù)

為了準(zhǔn)確地監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)需要不斷更新測量參數(shù)，因此無線傳感器之間的數(shù)據(jù)需要同步，以便在傳輸線的不同位置對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行直接比較。傳輸線路上每個(gè)接收器將測量數(shù)據(jù)發(fā)送到相鄰中繼節(jié)點(diǎn)所需的時(shí)間隨著跳數(shù)的增加而增加,離變電站較近的傳感器要比離變電站較遠(yuǎn)的傳感器處理更多的測量數(shù)據(jù)?？紤]到傳輸線的拓?fù)浼s束，低帶寬、低數(shù)據(jù)速率的無線節(jié)點(diǎn)無法以多跳的方式傳輸大量數(shù)據(jù)，因此將所獲得的數(shù)據(jù)分為兩部分進(jìn)行傳輸，以減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。

假設(shè)電力線位于一個(gè)開放區(qū)域中，在該區(qū)域，中繼節(jié)點(diǎn)的天線彼此之間可見。通常使用數(shù)學(xué)傳輸模型以統(tǒng)計(jì)方式對(duì)電力傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模。由于在鏈路預(yù)算中，路徑損耗在網(wǎng)絡(luò)損耗中占比最大，且變化也較大，因此在仿真中使用路徑損耗作為評(píng)估指標(biāo)，通過計(jì)算獲得接收節(jié)點(diǎn)之間的連接質(zhì)量(q值)。q值的精確計(jì)算公式如下：

q=20×lgd-tp-20×lgf-32.44

(1)

式中：tp為發(fā)射機(jī)的射頻功率，dBm；d為兩個(gè)相鄰接收節(jié)點(diǎn)之間的距離，km；f為設(shè)備的頻率，MHz。q值定義了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連接質(zhì)量，為非負(fù)實(shí)數(shù)(q={q∈R|q≥0})，q值越小，表示連接質(zhì)量越好。

在傳輸電網(wǎng)中部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為監(jiān)控解決方案時(shí)，數(shù)據(jù)包丟失是必須考慮的一個(gè)重要問題。數(shù)據(jù)包丟失可能由多種原因引起，包括網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)上的信號(hào)質(zhì)量下降、流量過大而造成的擁塞、鏈路層的碰撞或緩沖區(qū)溢出。節(jié)點(diǎn)之間的傳輸距離和連接質(zhì)量也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失。數(shù)據(jù)包丟失與信號(hào)強(qiáng)度之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，在長距離傳輸中，信號(hào)強(qiáng)度衰減效應(yīng)導(dǎo)致信噪比降低，從而造成數(shù)據(jù)包丟失。解決數(shù)據(jù)包丟失問題最常見的方法之一是數(shù)據(jù)包重傳。數(shù)據(jù)包重傳需要通過一些其他機(jī)制來實(shí)現(xiàn)，例如，使用確認(rèn)(ACK)機(jī)制，每個(gè)成功接收的數(shù)據(jù)包都應(yīng)由接收者通過通知進(jìn)行確認(rèn)，如果發(fā)送者無法識(shí)別通知消息，則應(yīng)重新發(fā)送該數(shù)據(jù)包。ACK機(jī)制可以為數(shù)據(jù)包重傳提供可靠的保證。

3 仿真與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文方法實(shí)現(xiàn)電力傳輸網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估的效果，進(jìn)行仿真測試。設(shè)置傳輸線相鄰兩極之間的距離為100 m,信息評(píng)價(jià)的演化參數(shù)集大小為200，訓(xùn)練集維數(shù)為45，電網(wǎng)運(yùn)行的容量為1 800 MW。將傳輸線分為兩個(gè)子線，每個(gè)子線只有一個(gè)極點(diǎn)直接鏈接到變電站，因此所獲得的數(shù)據(jù)最終到達(dá)變電站需要遍歷的跳數(shù)為左子線22，右子線23。各傳感器收集的數(shù)據(jù)大小相同，為80個(gè)字節(jié)，由于每個(gè)極點(diǎn)上有4個(gè)傳感器，因此中繼節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)大小為320字節(jié)。TelosB將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街欣^節(jié)點(diǎn)大約需要4 000 ms。為保證傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)不泄漏，只有被授權(quán)者才能訪問,因此需要對(duì)訪問者進(jìn)行身份驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)中,已為參與通信過程的每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用了單獨(dú)的密匙。

在基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能電網(wǎng)系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行電力傳輸運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估實(shí)驗(yàn)，其具體步驟如下：

步驟1，在智能電網(wǎng)系統(tǒng)質(zhì)量預(yù)測值中添加一個(gè)待定權(quán)值，并保持在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)，將實(shí)際測量的數(shù)值與預(yù)測數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析；

步驟2，對(duì)節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)7修正的負(fù)荷值進(jìn)行質(zhì)量量化評(píng)估，并進(jìn)行不良數(shù)據(jù)檢測；

步驟3，如果出現(xiàn)不良數(shù)據(jù)，則使用預(yù)期損失模型分析獲取一個(gè)估計(jì)值，以此修正不良數(shù)據(jù)；

步驟4，重復(fù)步驟1～3，直到?jīng)]有不良數(shù)據(jù)出現(xiàn)為止，得到質(zhì)量量化預(yù)測值；

步驟5，將得到的預(yù)測值傳送給電網(wǎng)后臺(tái)監(jiān)控端，并剔除掉不良數(shù)據(jù)，防止信息干擾。

依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，得到智能電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量信息分布如圖4所示。

圖4 智能電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量信息分布

由圖4可知，利用本文方法進(jìn)行智能電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量量化評(píng)估，其質(zhì)量信息分布均勻。為了對(duì)比該結(jié)果與已有研究的成果，分別使用文獻(xiàn)[5]方法、文獻(xiàn)[6]方法計(jì)算了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連接質(zhì)量(q值)，并在此基礎(chǔ)上，獲得連接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比結(jié)果，見表2。

表2 不同方法獲得連接質(zhì)量對(duì)比結(jié)果

由表2可知，與文獻(xiàn)[5]方法和文獻(xiàn)[6]方法相比，本文方法得到的標(biāo)準(zhǔn)差值與實(shí)際值較為接近，說明用該方法進(jìn)行智能電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量量化評(píng)估效果更好，原因是本文方法能夠更加全面地分析隨機(jī)擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)頻率所產(chǎn)生的影響。

智能電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量特征表現(xiàn)為電網(wǎng)的輸出參數(shù)信息、用戶信息和電網(wǎng)各項(xiàng)設(shè)施設(shè)備的運(yùn)行管理信息，在此基礎(chǔ)上建立智能電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量分布特征檢測模型，并與文獻(xiàn)[5]方法和文獻(xiàn)[6]方法進(jìn)行對(duì)比，得到質(zhì)量信息特征的準(zhǔn)確性對(duì)比結(jié)果如圖5所示，平均信息傳輸時(shí)延如圖6所示。

圖5 不同方法質(zhì)量信息特征檢測準(zhǔn)確性對(duì)比

圖6 信息傳輸時(shí)延比較結(jié)果

分析圖5和圖6可知，利用本文方法進(jìn)行質(zhì)量信息特征檢測準(zhǔn)確率比文獻(xiàn)[5]方法和文獻(xiàn)[6]方法高,而且信息傳輸時(shí)延明顯優(yōu)于文獻(xiàn)[5]方法和文獻(xiàn)[6]方法。利用本文方法進(jìn)行智能電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估的特征聚類性較好，有利于提高質(zhì)量評(píng)估的可靠性。

4 結(jié)束語

無線傳感器、智能變電站和通信設(shè)備可以提供實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，使智能電網(wǎng)運(yùn)營商能夠主動(dòng)預(yù)防許多問題。利用無線傳感器和自動(dòng)化控件采集的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測，使智能電網(wǎng)可以避免停電、電能質(zhì)量問題和服務(wù)中斷等情況的發(fā)生。本文提出了一種有效且安全的在輸電線上測量數(shù)據(jù)的方法，并將其應(yīng)用于智能電網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)控，從安全性和信息傳輸時(shí)延方面進(jìn)行了分析。通過與其他方法比較可知，所提方法可以提高質(zhì)量評(píng)估的可靠性。