黃 震 敬沅坤 閆 克 任春梅

面向輸變電場景的無線傳感網(wǎng)通信性能測試研究

黃 震1敬沅坤2閆 克1任春梅1

（1. 許昌開普檢測研究院股份有限公司，河南 許昌 461000； 2. 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，廣東 珠海 519088）

無線傳感網(wǎng)在輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠有效提升電網(wǎng)運(yùn)行效率，實現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)價值和社會效益。通過分析無線傳感網(wǎng)在輸變電場景下的通信特征，提出通信性能測試方法，構(gòu)建閉環(huán)測試平臺，對無線傳感網(wǎng)的接入容量、組網(wǎng)性能等關(guān)鍵指標(biāo)開展測試驗證。結(jié)果表明，所提測試方法能有效評估無線傳感網(wǎng)的終端接入、數(shù)據(jù)傳輸能力，可為無線傳感網(wǎng)在電力系統(tǒng)的推廣提供技術(shù)支撐。

輸變電；無線傳感網(wǎng)；通信性能；閉環(huán)驗證

0 引言

電力系統(tǒng)是由發(fā)電、輸電、變電、配電、用電設(shè)備及相應(yīng)的輔助系統(tǒng)組成的電能生產(chǎn)、輸送、分配、使用的統(tǒng)一整體。輸變電設(shè)備是電力系統(tǒng)的核心組成部分，其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，對輸變電設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)警是電力系統(tǒng)的重要需求[1-2]。傳統(tǒng)的輸變電設(shè)備監(jiān)測依靠人工巡檢設(shè)備狀態(tài)，這種方式存在人力資源浪費(fèi)、監(jiān)測不及時等問題。隨著電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，其結(jié)構(gòu)也變得越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工巡檢方式已經(jīng)無法滿足實際需求。無線傳感網(wǎng)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，通過傳感器采集監(jiān)測區(qū)域或?qū)ο蟮男畔ⅲ⒁詿o線通信的方式將監(jiān)測信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，以實現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域或?qū)ο蟮膶崟r監(jiān)測，具有靈活性高、自組織性強(qiáng)等特點[3-4]。無線傳感網(wǎng)在輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域的融合應(yīng)用，能夠降低人工巡檢頻率，減少運(yùn)維成本，實現(xiàn)對輸變電設(shè)備的智能化管理和優(yōu)化調(diào)度，促進(jìn)設(shè)備狀態(tài)管控力和運(yùn)檢管理穿透力的有效提升。

目前，國家電網(wǎng)有限公司在積極推進(jìn)無線傳感網(wǎng)的適用性驗證，在包括江蘇、浙江、安徽、四川等多個省份開展試點建設(shè)。為此，本文通過分析無線傳感網(wǎng)在輸變電場景下的通信特征，提出通信性能測試方法，構(gòu)建測試平臺，實現(xiàn)對無線傳感網(wǎng)的接入容量、組網(wǎng)性能的通信性能測試，以期為輸變電場景下的無線傳感網(wǎng)建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 無線傳感網(wǎng)通信特征分析

1.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

無線傳感網(wǎng)位于輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)的感知層，分為傳感器層和數(shù)據(jù)匯聚層[5-6]。無線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

傳感器層由各種類型的無線傳感器組成，用于采集不同類型的狀態(tài)參量，并通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至匯聚節(jié)點。無線傳感器分為微功率無線傳感器（mW級）、低功耗無線傳感器（mW級）[7-8]。典型的無線傳感器有輸電場景下的導(dǎo)線溫度傳感器、風(fēng)偏傳感器、桿塔傾斜傳感器和變電場景下的溫濕度傳感器、六氟化硫微水監(jiān)測傳感器、特高頻傳感器等[9]。

數(shù)據(jù)匯聚層由接入節(jié)點、匯聚節(jié)點等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備組成，用于構(gòu)成全覆蓋的傳感數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，為海量無線傳感器提供通信接入。接入節(jié)點是無線傳感網(wǎng)的通信主設(shè)備，負(fù)責(zé)無線傳感網(wǎng)與電力專用網(wǎng)絡(luò)的通信接口，主要用于對無線傳感網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點設(shè)備和無線傳感器的管理和數(shù)據(jù)采集，具備網(wǎng)絡(luò)管理、自組網(wǎng)和無線傳感器接入等功能。匯聚節(jié)點是無線傳感網(wǎng)的通信中繼設(shè)備，主要用于接收、匯聚一定范圍內(nèi)的無線傳感器上傳的數(shù)據(jù)，具備自組網(wǎng)和無線傳感器接入等功能[10]。

1.2 輸電場景通信特征分析

輸電線路由輸電導(dǎo)線、輸電桿塔構(gòu)成，其空間位置分布類似帶狀[11]。線路送出距離和輸電桿塔檔距在不同的電壓等級下有所不同，以220kV輸電線路為例，單條線路送出距離為50～150km，輸電桿塔檔距通常為200～500m[12]。無線傳感器大部分布置在輸電桿塔周邊，數(shù)量約上百個，少部分布置在輸電線路中央，通常為數(shù)十個。由于線路中央無法布置匯聚節(jié)點，僅能將匯聚節(jié)點部署在輸電桿塔上。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞矫?，由無線傳感器和匯聚節(jié)點構(gòu)成的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)為星形拓?fù)?，由匯聚節(jié)點和接入節(jié)點構(gòu)成的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)為鏈狀拓?fù)?。輸電場景下無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)方式如圖2所示。

圖2 輸電場景下無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)方式

輸電線路及其輔助設(shè)備在運(yùn)行過程中，面臨的主要運(yùn)行風(fēng)險有大風(fēng)雨雪天氣、電力線過載、設(shè)備老化等[13-14]，因此輸電場景下的無線傳感器需要對風(fēng)偏、導(dǎo)線溫度、絕緣子泄漏電流等狀態(tài)參量進(jìn)行監(jiān)視，其數(shù)據(jù)發(fā)送間隔通常為min級，傳輸數(shù)據(jù)長度較短。輸電場景下典型無線傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送間隔、數(shù)據(jù)長度見表1。

表1 輸電場景下典型無線傳感器發(fā)送間隔、數(shù)據(jù)長度

1.3 變電場景通信特征分析

變電站主要包含變壓器、開關(guān)設(shè)備、出線設(shè)備、控制裝置等設(shè)備，設(shè)備的空間位置分布較為集中，通常呈塊狀[15]。在無線傳感器部署位置方面，電力設(shè)備監(jiān)測用無線傳感器受限于被監(jiān)測設(shè)備位置，通常安裝在被監(jiān)測設(shè)備本體或周邊，部署位置相對集中，環(huán)境監(jiān)測用無線傳感器則均勻分布在整個變電站區(qū)域內(nèi)[16]。在無線傳感器部署數(shù)量方面，小型變電站部署傳感器數(shù)量約為1 000個，大型變電站部署傳感器數(shù)量約為4 000個。由于變電場景下的無線傳感器部署在單個變電站內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸距離有限，其對單跳數(shù)據(jù)傳輸距離及通信跳數(shù)要求不高[17]。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞矫?，變電站?nèi)無線傳感器與匯聚節(jié)點、接入節(jié)點構(gòu)成的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)為樹狀拓?fù)?。變電場景下無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)方式如圖3所示。

圖3 變電場景下無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)方式

變電站內(nèi)運(yùn)行設(shè)備種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，面臨的主要運(yùn)行風(fēng)險包含電氣火災(zāi)、觸電等電氣安全風(fēng)險和設(shè)備形變、老化等設(shè)備故障風(fēng)險[18-19]，因此變電場景下的無線傳感器需要對環(huán)境溫濕度、煙感、形變等狀態(tài)參量進(jìn)行監(jiān)視，其數(shù)據(jù)發(fā)送間隔為min級或h級，傳輸數(shù)據(jù)長度跨度較大，通常為幾十字節(jié)到上萬字節(jié)[20]。變電場景下典型無線傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送間隔、數(shù)據(jù)長度見表2。

表2 變電場景下典型無線傳感器發(fā)送間隔、數(shù)據(jù)長度

2 無線傳感網(wǎng)通信性能測試方法

結(jié)合輸變電場景下無線傳感網(wǎng)終端接入量大、中繼設(shè)備跳數(shù)多的通信特征，需要對無線傳感網(wǎng)的接入容量、組網(wǎng)性能進(jìn)行測試驗證。在測試環(huán)境方面，由于無線傳感網(wǎng)對周邊射頻環(huán)境較為敏感，因此要求測試環(huán)境的射頻環(huán)境噪聲不大于-90dBmW，環(huán)境中無其他無線感知設(shè)備干擾，且無線傳感器與節(jié)點設(shè)備之間的發(fā)射信號強(qiáng)度不小于-20dBmW。在測試參數(shù)選取方面，應(yīng)考慮輸變電場景下的組網(wǎng)方式、接入數(shù)量、多跳級數(shù)、數(shù)據(jù)傳輸間隔及數(shù)據(jù)幀長。

2.1 接入容量測試

接入容量測試模擬大量無線傳感器同時接入無線傳感網(wǎng)，并進(jìn)行傳感數(shù)據(jù)傳輸，用以評估無線傳感網(wǎng)在單位時間內(nèi)的最大終端接入數(shù)量。測試方法及評價標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）輸電場景下，將接入節(jié)點、匯聚節(jié)點組成鏈狀拓?fù)?，按照?jié)點設(shè)備支持最大多跳級數(shù)，模擬每級匯聚節(jié)點接入100個微功率無線傳感器或20個低功耗無線傳感器。設(shè)置微功率無線傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)幀長24B、發(fā)送周期5min，低功耗無線傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)幀長14 450B、發(fā)送周期2h，運(yùn)行240min以上，統(tǒng)計被測接入節(jié)點收到數(shù)據(jù)的傳感器數(shù)量和丟包率。丟包率不應(yīng)大于1%。模擬200個微功率無線傳感器或50個低功耗無線傳感器采用單頻點接入被測匯聚節(jié)點，無線傳感器數(shù)據(jù)幀長、發(fā)送周期保持不變，運(yùn)行240min以上，統(tǒng)計被測匯聚節(jié)點收到數(shù)據(jù)的傳感器數(shù)量和丟包率。丟包率不應(yīng)大于1%。

2）變電場景下，將接入節(jié)點、匯聚節(jié)點組成單跳樹狀拓?fù)洌M3 000個微功率無線傳感器或1 000個低功耗無線傳感器，采用直連或通過匯聚節(jié)點中繼的方式接入被測接入節(jié)點。無線傳感器數(shù)據(jù)幀長、發(fā)送周期與輸電場景下保持一致，運(yùn)行240min以上，統(tǒng)計被測接入節(jié)點收到數(shù)據(jù)的傳感器數(shù)量和丟包率。丟包率不應(yīng)大于1%。模擬1 000個微功率無線傳感器或500個低功耗無線傳感器采用單頻點接入被測匯聚節(jié)點，無線傳感器數(shù)據(jù)幀長、發(fā)送周期保持不變，運(yùn)行240min以上，統(tǒng)計被測匯聚節(jié)點收到數(shù)據(jù)的傳感器數(shù)量和丟包率。丟包率不應(yīng)大于1%。

2.2 組網(wǎng)性能測試

組網(wǎng)性能測試模擬多節(jié)點設(shè)備組成樹狀拓?fù)浠蜴湢钔負(fù)洌⑦M(jìn)行傳感數(shù)據(jù)傳輸，用以評估無線傳感網(wǎng)的拓?fù)浞€(wěn)定性和最大組網(wǎng)節(jié)點數(shù)量。測試方法及評價標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）輸電場景下，將接入節(jié)點、匯聚節(jié)點組成鏈狀拓?fù)?，多跳級?shù)10級，模擬1 000個微功率無線傳感器或200個低功耗無線傳感器，通過匯聚節(jié)點中繼的方式接入被測接入節(jié)點。設(shè)置微功率無線傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)幀長24B、發(fā)送周期5min，低功耗無線傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)幀長14 450B、發(fā)送周期2h，運(yùn)行240min以上，統(tǒng)計被測接入節(jié)點的丟包率。丟包率不應(yīng)大于5%，且被測接入節(jié)點和匯聚節(jié)點的拓?fù)潢P(guān)系應(yīng)正確。

2）變電場景下，將接入節(jié)點、匯聚節(jié)點組成樹狀拓?fù)?，模擬1 000個微功率無線傳感器或200個低功耗無線傳感器，通過匯聚節(jié)點中繼的方式接入被測接入節(jié)點，匯聚節(jié)點數(shù)量不少于30個。無線傳感器數(shù)據(jù)幀長、發(fā)送周期與輸電場景下保持一致，運(yùn)行240min以上，統(tǒng)計被測接入節(jié)點的丟包率。丟包率不應(yīng)大于5%，且被測接入節(jié)點和匯聚節(jié)點的拓?fù)潢P(guān)系應(yīng)正確。

3 無線傳感網(wǎng)測試平臺設(shè)計

無線傳感網(wǎng)測試平臺結(jié)構(gòu)如圖4所示，該平臺包含測試主機(jī)、控制模塊、接入模塊、匯聚模塊、傳感器模塊。測試主機(jī)具備測試用例編輯、測試拓?fù)浜蜏y試結(jié)果展示功能，是測試平臺的人機(jī)接口?？刂颇K具備預(yù)制測試用例管理、測試配置下裝功能，是各模擬功能塊的控制接口。接入模塊具備數(shù)據(jù)接入、網(wǎng)絡(luò)管理、設(shè)備控制功能，能夠模擬接入節(jié)點或接入被測接入節(jié)點的北向測試接口，統(tǒng)計上行傳感數(shù)據(jù)，是測試平臺閉環(huán)驗證的數(shù)據(jù)終點。匯聚模塊具備數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)中繼功能，能夠模擬多個匯聚節(jié)點，通過測試平臺射頻端口的自環(huán)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。傳感器模塊具備傳感數(shù)據(jù)上送功能，能夠模擬數(shù)千個微功率無線傳感器或低功耗無線傳感器，是測試平臺閉環(huán)驗證的數(shù)據(jù)起點。

圖4 無線傳感網(wǎng)測試平臺結(jié)構(gòu)

測試過程中，被測接入節(jié)點北向接入測試平臺的接入模塊，南向接入?yún)R聚模塊，被測匯聚節(jié)點采用直連或通過匯聚模塊中繼的方式接入被測接入節(jié)點，形成樹狀或鏈狀拓?fù)?。傳感器模塊模擬無線傳感器，經(jīng)被測接入節(jié)點或被測匯聚節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)，并按照設(shè)定的數(shù)據(jù)幀長、發(fā)送周期發(fā)送傳感數(shù)據(jù)，傳感數(shù)據(jù)經(jīng)由被測節(jié)點設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)返回測試平臺，接入模塊完成對傳感數(shù)據(jù)的丟包率統(tǒng)計，形成閉環(huán) 驗證。

4 無線傳感網(wǎng)通信性能測試驗證

使用無線傳感網(wǎng)測試平臺對某公司接入節(jié)點、匯聚節(jié)點進(jìn)行接入容量、組網(wǎng)性能測試，測試環(huán)境如圖5所示。

圖5 無線傳感網(wǎng)通信性能測試環(huán)境

測試環(huán)境包含被測接入節(jié)點和被測匯聚節(jié)點，測試平臺模擬微功率無線傳感器和低功耗無線傳感器。被測節(jié)點設(shè)備與微功率無線傳感器間的通信使用2 400～2 483.5MHz頻段的線性調(diào)頻擴(kuò)頻物理層配置，與低功耗無線傳感器間的通信使用470～510MHz頻段的線性調(diào)頻擴(kuò)頻物理層配置，發(fā)射接收信號強(qiáng)度-20dBmW，接入容量測試結(jié)果見表3，組網(wǎng)性能測試結(jié)果見表4。

表3 接入容量測試結(jié)果

表4 組網(wǎng)性能測試結(jié)果

經(jīng)驗證，被測節(jié)點設(shè)備的丟包率在1%以下，且拓?fù)潢P(guān)系正常，接入容量、組網(wǎng)性能滿足測試評價標(biāo)準(zhǔn)。測試平臺能夠完成對輸變電場景下的無線傳感網(wǎng)通信性能測試。

5 結(jié)論

本文對輸變電場景下無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)拓?fù)?、?shù)據(jù)傳輸特征進(jìn)行分析，提出了無線傳感網(wǎng)接入容量、組網(wǎng)性能的通信性能測試方法，建立了測試平臺，對無線傳感網(wǎng)的通信性能開展了測試驗證，結(jié)果表明本文所提測試方法合理有效。本文研究對輸變電場景下的無線傳感網(wǎng)通信性能評估具有一定的意義，可為后續(xù)無線傳感網(wǎng)在電力系統(tǒng)的推廣建設(shè)提供有效技術(shù)支撐。

[1] 趙博. 電力一次設(shè)備的在線監(jiān)測及其狀態(tài)檢修技術(shù)[J]. 低碳世界, 2016(13): 52-53.

[2] 雷蓓, 查笑春, 蔣宗敏, 等. 基于SpringBoot的智慧變電站監(jiān)測及診斷系統(tǒng)[J]. 電氣技術(shù), 2021, 22(9): 56-62.

[3] 艾精文, 黨曉婧, 呂啟深, 等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的具有全景功能的全維度設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2019, 47(16): 122-128.

[4] 李偉杰. 基于智能物聯(lián)網(wǎng)的電池組群管護(hù)系統(tǒng)[J]. 電氣技術(shù), 2023, 24(2): 64-70.

[5] 池威威, 劉海峰, 岳國良, 等. 基于主動感知技術(shù)的輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)及應(yīng)用[J]. 河北電力技術(shù), 2022, 41(1): 1-7.

[6] 王曉波, 韓東興, 王東強(qiáng). 基于邊緣計算框架的電網(wǎng)基建智慧物聯(lián)體系研究與實踐[J]. 電氣技術(shù), 2022, 23(10): 96-103.

[7] 輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)微功率無線網(wǎng)通信協(xié)議: Q/GDW 12020—2019[S]. 北京: 中國電力出版社, 2019.

[8] 輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備無線組網(wǎng)協(xié)議: Q/GDW 12021—2019[S]. 北京: 中國電力出版社, 2019.

[9] 沈曉峰, 徐愛蓉, 曹基南, 等. 基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的箱式變電站智能監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 電氣技術(shù), 2020, 21(9): 27-32.

[10] 程天宇, 李龍, 林志強(qiáng). 基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的智能安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 制造業(yè)自動化, 2022, 44(9): 202-206.

[11] 蔡光柱, 楊振, 鄭鵬超. 大跨越輸電線路巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 電氣技術(shù), 2022, 23(4): 76-81.

[12] 陳佳旺. 高壓輸電線路桿塔規(guī)劃及經(jīng)濟(jì)檔距的研究[J]. 通訊世界, 2018(2): 206-207.

[13] 吳曉濱. 輸電線路運(yùn)維風(fēng)險及其解決措施[J]. 現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化, 2020, 10(6): 121-122.

[14] 韓興波, 吳海濤, 郭思華, 等. 輸電線路單導(dǎo)線覆冰和扭轉(zhuǎn)的相互影響機(jī)制分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2022, 37(17): 4508-4516.

[15] 郭紅斌, 馬馳, 文正其. 預(yù)制艙式模塊化變電站關(guān)鍵技術(shù)及展望[J]. 電氣技術(shù), 2023, 24(9): 1-10, 19.

[16] 馮銘超. 淺談現(xiàn)代電力變電站的設(shè)計與布局[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新, 2017(19): 61-62.

[17] 薛宏利, 蔡澤祥, 譚煒豪, 等. 面向電力物聯(lián)網(wǎng)的LoRa通信建模與性能仿真分析[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù), 2022, 16(3): 108-115.

[18] 許卉. 500kV變電站運(yùn)維的風(fēng)險來源及控制對策分析[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2015(26): 221.

[19] 韓翔宇, 紐春萍, 何海龍, 等. 電磁式斷路器狀態(tài)監(jiān)測與智能評估技術(shù)綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2023, 38(8): 2191-2210.

[20] 輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)規(guī)范: Q/GDW 12184—2021[S]. 北京: 中國電力出版社, 2021.

Research on communication performance testing of wireless sensor networks for power transmission and transformation scenarios

HUANG Zhen1JING Yuankun2YAN Ke1REN Chunmei1

(1. Xuchang KETOP Testing Research Institute Co., Ltd, Xuchang, He’nan 461000; 2. Beijing Institute of Technology, Zhuhai, Zhuhai, Guangdong 519088)

The application of wireless sensor network in the field of status monitoring of power transmission and transformation equipment can effectively improve the efficiency of power grid operation and realize higher economic value and social benefits. By analyzing the communication characteristics of wireless sensor networks in power transmission and transformation scenarios, a communication performance test method is proposed in this paper. A closed-loop test platform is constructed to test and verify the key indexes such as access capacity and network performance of wireless sensor networks. The results show that the proposed method can effectively evaluate the terminal access and data transmission capacity of wireless sensor network, which can provide technical support for the promotion of wireless sensor network in power system.

power transmission and transformation; wireless sensor network; communication performance; closed-loop verification

2023-11-02

2023-12-01

黃 震（1989—），男，河南南陽人，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)通信及自動化產(chǎn)品測試技術(shù)。