無線自組網(wǎng)在變電站綜自系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

蘇漢，逢宗海

(保定供電公司，河北 保定 071051)

1 引言

變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的主要任務(wù)［1］有兩個(gè)方面:一方面完成綜自系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)或各種功能模塊間的信息交換;另一方面完成變電站與控制中心的通信任務(wù)，將故障信息及時(shí)上報(bào)控制中心，同時(shí)接受和執(zhí)行控制中心下達(dá)的各種控制和調(diào)控命令。由此可見，數(shù)據(jù)通信是變電站綜自系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。另外由于變電站需要通信的數(shù)據(jù)具有一些特殊性，比如數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、故障信息的突發(fā)性和現(xiàn)場(chǎng)惡劣的電磁環(huán)境等問題，對(duì)綜自系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信提出了更高更苛刻的要求。目前變電站綜自系統(tǒng)采用的通信方式有串行通信、現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)。

在綜自系統(tǒng)中，特別是微機(jī)保護(hù)、自動(dòng)裝置與監(jiān)控系統(tǒng)相互通信電路中主要采用RS422和RS485串行通信。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)采用RS－485/422接口，可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)間的連接。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是通信設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)。但連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)比較少一般不超過32個(gè)。在很多情況下不能滿足系統(tǒng)的要求。因此，這種通信方式適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且投資成本少的小型變電站，主要在35kV的變電站。

現(xiàn)場(chǎng)總線與原有的RS485總線方式相比，它具有系統(tǒng)開放、通信速率高、多主通信、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。當(dāng)變電站規(guī)模較大時(shí)，站內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，一般在40個(gè)以上，多主冗余要求和節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加使RS422和RS485難以勝任，應(yīng)考慮選擇選擇現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。國(guó)內(nèi)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用較多的現(xiàn)場(chǎng)總線是Lon-Works和 CAN。LonWorks一般用于110kV變電站，CSC－2000型變電站綜自系統(tǒng)就是采用Lonworks總線進(jìn)行組網(wǎng)的;CAN網(wǎng)一般用于小規(guī)模的35kV變電站和110kV終端變電站。

以太網(wǎng)技術(shù)以其應(yīng)用廣泛、價(jià)格低廉、通信速率高、軟硬件資源豐富等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為電力工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。目前，以太網(wǎng)技術(shù)己成為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的主流技術(shù)。但是由于以太網(wǎng)MAC層采用CSMA/CD介質(zhì)訪問方式，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)重載時(shí)，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性。雖然交換式以太網(wǎng)可解決CSMA/CD協(xié)議問題，但當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，資源出現(xiàn)短缺，同樣無法保證時(shí)延的確定性。

相比組網(wǎng)靈活性低，線路易受破壞，并且通信覆蓋范圍有限的RS－422、RS－485、Lonworks或CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)等有線通信方式［2］，無線通信具有靈活性高、擴(kuò)展性好等特點(diǎn)，可作為現(xiàn)有變電站自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展和補(bǔ)充。

2 無線自組網(wǎng)

無線自組網(wǎng)是一種特殊的無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，其中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位平等，無需設(shè)置任何中心控制節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)兼具主機(jī)和路由器兩個(gè)角色。作為主機(jī)，節(jié)點(diǎn)需要提供面向用戶的服務(wù);作為路由器，節(jié)點(diǎn)需要運(yùn)行相應(yīng)的路由協(xié)議，并根據(jù)路由策略參與分組轉(zhuǎn)發(fā)和路由維護(hù)。即自組網(wǎng)具有無中心、自組織、多跳路由和動(dòng)態(tài)拓?fù)涞忍攸c(diǎn)［3，4］，因而在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面與普通無線網(wǎng)有明顯區(qū)別，主要體現(xiàn)在路由協(xié)議和信道訪問控制(MediaAecessControl，MAC)協(xié)議上。

2.1 變電站自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

目前變電站綜自系統(tǒng)基本都采用分層式結(jié)構(gòu)，根據(jù)所完成的功能在邏輯上可分為3層:變電站層、間隔層和過程層。在其自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中，變電站層內(nèi)部可采用以太網(wǎng)通信，間隔層內(nèi)部及間隔層和變電站層之間可采用RS－485網(wǎng)、Lonworks網(wǎng)、CAN或以太網(wǎng)通信，過程層目前還是采用硬件連線方式進(jìn)行通信［5，6］，基于自組網(wǎng)的變電站自動(dòng)化無線通信方案可作為目前有線通信的補(bǔ)充和擴(kuò)展，也可代替部分有線通信，突破有線通信方式的種種限制，使數(shù)據(jù)傳輸更靈活。

變電站自組網(wǎng)由終端節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和匯集節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可通過無線通信模塊互相通信。終端節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集和測(cè)量功能，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給匯集節(jié)點(diǎn)。匯集節(jié)點(diǎn)與站內(nèi)有線網(wǎng)相連，將從各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)傳送到變電站監(jiān)控系統(tǒng)并向各終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送應(yīng)答(Acknowledgement，ACK)報(bào)文。匯集節(jié)點(diǎn)除了具有信息匯集功能外還具有網(wǎng)橋功能，轉(zhuǎn)發(fā)有線網(wǎng)與無線網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)。當(dāng)匯集節(jié)點(diǎn)不在終端節(jié)點(diǎn)的單跳通信范圍內(nèi)時(shí)可通過中繼節(jié)點(diǎn)向匯集節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。中繼節(jié)點(diǎn)可由其他終端節(jié)點(diǎn)充當(dāng)，也可以是專用的節(jié)點(diǎn)。

2.2 路由選擇

路由協(xié)議是AdHoc網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，其主要任務(wù)是發(fā)現(xiàn)、維護(hù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由，將數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)送到目的節(jié)點(diǎn)。路由的好壞直接影響網(wǎng)絡(luò)的性能。按照發(fā)現(xiàn)路由方式的不同，自組網(wǎng)路由協(xié)議分為主動(dòng)式路由協(xié)議和按需式路由協(xié)議［7］。

由于無線信道傳輸距離和通信質(zhì)量方面的原因，變電站自組網(wǎng)中某些節(jié)點(diǎn)可能無法直接與匯集節(jié)點(diǎn)通信，數(shù)據(jù)報(bào)文要通過中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。因此，在變電站自組網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有自動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)功能?？紤]到變電站自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)直徑不大，無線信道基本對(duì)稱且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較固定，數(shù)據(jù)流向比較固定(一般從自動(dòng)化智能設(shè)備流向變電站監(jiān)控系統(tǒng))，數(shù)據(jù)傳輸具有周期性，每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性有一定要求等實(shí)際情況，本文采用基于ad hoc按需距離矢量路由(Ad hoc on Demand Distance Vector，AODV)的路由發(fā)現(xiàn)算法［8］。AODV算法采用動(dòng)態(tài)源路由(Dynamic Source Routing，DSR)的路由發(fā)現(xiàn)、維護(hù)機(jī)制和目的序列距離矢量路由(Destination－Sequenced Distance Vector，DSDV)的逐跳路由、序列編號(hào)機(jī)制，具有路由發(fā)現(xiàn)速度快、占用資源少、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。在AODV協(xié)議中，目的節(jié)點(diǎn)在收到這個(gè)路由請(qǐng)求分組后，可以根據(jù)反向路徑回復(fù)路由請(qǐng)求，這樣在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間就建立起一條全雙工路徑。AODV協(xié)議的特點(diǎn)在于它采用逐跳轉(zhuǎn)發(fā)分組方式，且加入了組播路由協(xié)議的擴(kuò)展。AODV獲得路由信息的方式如圖1所示，當(dāng)某網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(源節(jié)點(diǎn))需要到達(dá)另一節(jié)點(diǎn)(目的節(jié)點(diǎn))的路由時(shí)，源節(jié)點(diǎn)向其所有鄰居節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)路由請(qǐng)求報(bào)文(Route Requirements，RREQ)，各鄰節(jié)點(diǎn)采用洪泛的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳播RREQ報(bào)文，直至RREQ報(bào)文到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)或到達(dá)某一能提供路由信息的中間節(jié)點(diǎn)。在傳播過程中，采用序列號(hào)來區(qū)分RREQ報(bào)文的新舊，防止路由環(huán)路。RREQ報(bào)文為每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)它的中間節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)臨時(shí)的、到達(dá)源節(jié)點(diǎn)的路由(稱反向路由)。當(dāng)RREQ報(bào)文到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)或某一能提供路由信息的中間節(jié)點(diǎn)時(shí)，接方收送方發(fā)一個(gè)路由應(yīng)答(RouteReply，RREp)報(bào)文按RREQ報(bào)文經(jīng)過的路徑反向傳送給源節(jié)點(diǎn)。RREP在向源節(jié)點(diǎn)傳送時(shí)，為每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)它的中間節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由(正向路由)。源節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的RREP報(bào)文得到自己到目的節(jié)點(diǎn)的路由。

圖1 AODV路由算法

2.3 無線自組網(wǎng)MAC協(xié)議選擇

無線自組網(wǎng)MAC協(xié)議主要解決無線信道的接入方式問題，根據(jù)節(jié)點(diǎn)獲取信道的方式，可分為基于競(jìng)爭(zhēng)和非競(jìng)爭(zhēng)兩類。

2.3.1 非竟?fàn)幍臒o線自組網(wǎng)MAC協(xié)議

在非競(jìng)爭(zhēng)的無線自組網(wǎng)MAC協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)之間通過一定的資源分配機(jī)制來避免競(jìng)爭(zhēng)，如:CDMA中的編碼空間、TDMA中的時(shí)隙空間、FDMAt中的頻譜空間等。這些協(xié)議需要借助某種形式的集中協(xié)調(diào)機(jī)制，這在無線單跳網(wǎng)絡(luò)中容易實(shí)現(xiàn)，但在分布式的多跳無線自組網(wǎng)中卻非常復(fù)雜。另外，集中式的協(xié)調(diào)調(diào)度還會(huì)帶來較大的管理開銷，因此在分布式的無線自組網(wǎng)中很少采用。

2.3.2 基于競(jìng)爭(zhēng)的無線自組網(wǎng)MAC協(xié)議

基于競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的MAC協(xié)議的顯著特點(diǎn)是數(shù)據(jù)發(fā)送異步進(jìn)行，發(fā)送時(shí)間只由發(fā)送方或接收方單獨(dú)決定，無需與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)同步，盡管在傳送時(shí)不能確保無沖突，但由于該類協(xié)議易于實(shí)現(xiàn)，具有良好的魯棒性，非常適合用在無線自組網(wǎng)的分布自組場(chǎng)景當(dāng)中。基于競(jìng)爭(zhēng)的無線自組網(wǎng)MAC協(xié)議又可細(xì)分為隨機(jī)訪問模式和帶有預(yù)約機(jī)制的訪問模式兩類。

(1)在隨機(jī)訪問模式下，節(jié)點(diǎn)在自身準(zhǔn)備好之后就立即訪問信道，該機(jī)制的最大優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但由于節(jié)點(diǎn)在發(fā)送時(shí)未顧及其他節(jié)點(diǎn)的情況，最終導(dǎo)致很高的信道沖突率，ALOHA、時(shí)隙 ALOHA就屬此類協(xié)議。為了減小數(shù)據(jù)分組的碰撞概率，研究人員提出了CSMA協(xié)議，其核心思想是:節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，首先對(duì)信道進(jìn)行載波監(jiān)聽，只有當(dāng)信道空閑時(shí)才發(fā)送數(shù)據(jù)。如果信道忙，則采取不同的監(jiān)聽策略，即非堅(jiān)持、1堅(jiān)持和P堅(jiān)持。非堅(jiān)持指如果信道忙就進(jìn)行退避，之后重新監(jiān)聽;1堅(jiān)持是指如果信道忙就一直監(jiān)聽，直到信道空閑為止;P堅(jiān)持是指如果信道忙，就以P概率繼續(xù)監(jiān)聽，以(1－P)概率退避后重新監(jiān)聽。通過載波監(jiān)聽，CSMA進(jìn)一步減小了數(shù)據(jù)分組沖突的概率。然而，將CSMA機(jī)制直接應(yīng)用到無線多跳自組網(wǎng)時(shí)，存在隱藏終端和暴露終端問題。上述兩種情況可以用圖2來輔助說明，當(dāng)節(jié)點(diǎn)1與3同時(shí)處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，由于接收沖突導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)B無法正確接收到A發(fā)送的數(shù)據(jù)，出現(xiàn)隱藏終端問題。當(dāng)節(jié)點(diǎn)2向節(jié)點(diǎn)1發(fā)送報(bào)文時(shí)，節(jié)點(diǎn)3偵聽到節(jié)點(diǎn)2的發(fā)送，使得節(jié)點(diǎn)3不能同時(shí)向節(jié)點(diǎn)4發(fā)送報(bào)文，延遲發(fā)送而造成不必要的延遲，即暴露終端問題。隱藏終端和暴露終端問題均會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，進(jìn)而導(dǎo)致虛假的鏈路失敗報(bào)告，降低了網(wǎng)絡(luò)吞吐量和信道利用率，所以Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議要盡可能解決隱藏和暴露終端問題。

圖2 隱藏和暴露終端示意圖

(2)帶有預(yù)約機(jī)制的訪問模式典型的有MACA協(xié)議［9］和改進(jìn)的 MACA 協(xié)議 －MACAW 協(xié)議［10］，通過采用RTS/CTS和DATA/ACK握手機(jī)制部分解決了無線自組網(wǎng)的隱藏終端和暴露終端問題。在對(duì)ALOHA的信道時(shí)隙劃分機(jī)制、CSMA的載波監(jiān)聽機(jī)制、MACA的RTS/CTS握手機(jī)制、MACAW的DATA/ACK握手機(jī)制進(jìn)行融合的基礎(chǔ)上提出的IEEE802.ll協(xié)議簇能較好的解決隱藏終端和暴露終端問題。IEEE802.ll采用的報(bào)文握手順序是RTS－CTS－DATA－ACK。當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)文較短時(shí)，直接采用DATA－ACK簡(jiǎn)單握手機(jī)制以提高數(shù)據(jù)通信效率;當(dāng)報(bào)文較長(zhǎng)時(shí)，為減小報(bào)文沖突，采用RTS－CTS機(jī)制來預(yù)約信道。

從上面的分析可以看出基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議更適合應(yīng)用在分布式自組網(wǎng)，其中IEEE802.ll系列協(xié)議的優(yōu)勢(shì)較為明顯。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)當(dāng)前綜自系統(tǒng)中所用的通信組網(wǎng)方式進(jìn)行了深入分析，指出了各自的缺點(diǎn)，提出了無線組網(wǎng)方案。重點(diǎn)對(duì)現(xiàn)有無線路由協(xié)議和MAC協(xié)議進(jìn)行了分析和介紹，根據(jù)變電站數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求高、數(shù)據(jù)突發(fā)性等特點(diǎn)，對(duì)幾種典型的路由協(xié)議和MAC協(xié)議做出評(píng)估和篩選，確定了路由和MAC方案，為基于無線自組網(wǎng)的變電站綜自系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)提供了參考方案。將自組網(wǎng)作為現(xiàn)有站內(nèi)通信網(wǎng)的備用和擴(kuò)展符合我國(guó)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀。隨著需求的增長(zhǎng)和技術(shù)的進(jìn)一步成熟，自組網(wǎng)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。

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