無線自組網(wǎng)絡(luò)在城市配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為通信領(lǐng)域的新興技術(shù)，具有分布式處理系統(tǒng)的高監(jiān)測(cè)精度、高容錯(cuò)性、覆蓋區(qū)域廣、可遠(yuǎn)程遙測(cè)遙控、自組織多跳路由等優(yōu)點(diǎn)。

為了滿足城市配電網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性特點(diǎn)的要求，針對(duì)城市配電結(jié)構(gòu)及設(shè)備分布特點(diǎn)、配電通信數(shù)據(jù)要求，探討了一種配電通信無線通信自組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)不同實(shí)時(shí)性需求的配電通信數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)不同傳輸質(zhì)量服務(wù)的差異化處理方法。其核心是建立城市配電網(wǎng)無線通信自組網(wǎng)絡(luò)的MAC層模型，本文提出的方法可滿足不同實(shí)時(shí)性配電數(shù)據(jù)通信的需求，并對(duì)多節(jié)點(diǎn)共享單信道通信建模方法具有一定的推廣意義。

1城市配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析

城市配電網(wǎng)監(jiān)控終端位置分布廣、設(shè)備數(shù)量多、安裝地點(diǎn)分散、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、地理地域分布狀況不均衡，既不呈純“總線型”分布，也不呈純“星型”分布，而呈兩者的混合型分布等特點(diǎn)。特別在35kV/10kV以下的城市配電線路主要為10kV架空線以及部分地下電纜線路。架空線采用的接線方式主要是“手拉手”環(huán)網(wǎng)接線和電源輻射接線。配電主線路沿道路架設(shè)或鋪設(shè)，基本呈向街區(qū)中心區(qū)域延伸放射狀的方式，幾臺(tái)或幾十臺(tái)變壓器T接于同一條線路的各個(gè)分支上。

2.1自組織性

傳感器節(jié)點(diǎn)的位置一般無法預(yù)設(shè)，節(jié)點(diǎn)之間的距離、環(huán)境等關(guān)系也不能提前預(yù)知，所以需要傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力，自動(dòng)配置和管理，形成多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2.2動(dòng)態(tài)性

由于環(huán)境變化，無線自組織網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)原有鏈路無法通信時(shí)，無線傳感器節(jié)點(diǎn)通過路由識(shí)別功能自動(dòng)尋找新的鏈路，并嘗試建立新的連接，通過無線通信協(xié)調(diào)器接入網(wǎng)絡(luò)。

2.3規(guī)模大

配電網(wǎng)的配變裝置分布較廣、數(shù)量多，可能配電系統(tǒng)分散而配電設(shè)備集中。此時(shí)需要通過從不同通路獲取信息來提高信噪比，減少盲區(qū)。

2.4可靠性

配電網(wǎng)數(shù)據(jù)影響著配電生產(chǎn)管理和調(diào)度運(yùn)行，所以要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信的可靠性。2.5安全性

為了防止數(shù)據(jù)被竊聽或者非法侵入，無線自組織網(wǎng)絡(luò)通信需采用消息認(rèn)證、完整性鑒別、密鑰算法、節(jié)點(diǎn)間耦合性等技術(shù)來保證各種數(shù)據(jù)，尤其是機(jī)密數(shù)據(jù)的安全。

（3）網(wǎng)絡(luò)模式與配電線路架構(gòu)相適應(yīng)；

（4）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與通信鏈路可靠性相適應(yīng)。

因此，建立與沿城市主干道路的配電主線路相對(duì)應(yīng)的無線傳感自組網(wǎng)路由鏈路，易于構(gòu)建無線信號(hào)遮擋物少通信質(zhì)量好的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。建立呈向街區(qū)中心區(qū)域延伸放射狀的相對(duì)應(yīng)的無線傳感自組網(wǎng)路由鏈路，易于構(gòu)建以環(huán)形網(wǎng)節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。選擇增加中繼路由跳點(diǎn)，易于構(gòu)建輻射鏈路質(zhì)量好的健壯無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。選擇增加多路路由跳點(diǎn)，易于構(gòu)建可靠性高的多路徑無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，城市配電無線傳感自組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)采用環(huán)狀網(wǎng)和星狀網(wǎng)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞绞健?/p>

配電網(wǎng)無線傳感自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。無線傳感自組網(wǎng)簇頭節(jié)點(diǎn)既承擔(dān)構(gòu)建通信質(zhì)量好的環(huán)狀主干網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)又負(fù)責(zé)路由/終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯集轉(zhuǎn)發(fā)。環(huán)狀主干網(wǎng)絡(luò)上任一簇頭節(jié)點(diǎn)失效后，并不影響其它簇頭節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。因此，環(huán)狀主干網(wǎng)絡(luò)具有較高的可靠性。配電無線傳感自組網(wǎng)路由/終端節(jié)點(diǎn)通過配變數(shù)據(jù)檢測(cè)單元（PTTU）將傳感器數(shù)據(jù)處理后發(fā)送配電無線傳感自組網(wǎng)有線接入?yún)f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可通過光纖以太網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)、RS232/485等電力有線通信網(wǎng)絡(luò)接入配電無線傳感自組網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)完成各配變數(shù)據(jù)檢測(cè)單元與配電信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互及無線傳感自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理功能。

分析MAC層模型可得，隨著非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)產(chǎn)生率增加，非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在CSMA/CA機(jī)制中經(jīng)過最大的退避次數(shù)仍不能獲取信道完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_撞率明顯增加。相比之下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的CSMA/CA信道沖撞率受到的影響較小。

同時(shí)當(dāng)非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)產(chǎn)生率很大時(shí)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)仍然能保較低的傳輸延時(shí)，幾乎不受影響。

并且在網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)比較大的極端情況下，大量非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不能完成傳送，而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幾乎不受影響。

該系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用，其性能指標(biāo)為：

無線節(jié)點(diǎn)室外明視單跳可靠傳輸距離：1.2 km；

RF數(shù)據(jù)傳輸率：250 kbit/s；

接口數(shù)據(jù)傳輸率：115.2 kbit/s；

頻率波段：2.400 0—2.483 5GHz；

工作溫度：-30—75℃；

數(shù)據(jù)通信命令包可靠率：≥99%；

數(shù)據(jù)包傳輸平均時(shí)延：≤3s；

配電無線通信自組網(wǎng)MAC層機(jī)制的提出滿足了城市配電系統(tǒng)對(duì)信息傳輸實(shí)時(shí)性及可靠性的要求，為配電信息化通信組網(wǎng)在配電管理系統(tǒng)的實(shí)用提供了技術(shù)支持，具有良好的性能優(yōu)勢(shì)。

6結(jié)束語

與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)相比，配電網(wǎng)無線通信自組網(wǎng)無需固定的基礎(chǔ)設(shè)施，可通過路由／終端器節(jié)點(diǎn)多跳方式形成一種分布式無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，它所具有的星型和網(wǎng)狀多跳級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和自組織特性，非常適合城市地理環(huán)境的節(jié)點(diǎn)布局，適應(yīng)城市發(fā)展帶來的配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的變化。

（1）配電網(wǎng)無線通信自組網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)地位相等，都承擔(dān)路由和終端的功能，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都具有報(bào)文的收發(fā)功能，受傳輸范圍的限制，當(dāng)2個(gè)節(jié)點(diǎn)不能直接通信時(shí)，可以通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，本質(zhì)上提高了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

（2）配電網(wǎng)無線通信自組網(wǎng)與電力光纖通信網(wǎng)結(jié)合使用，可以極大地?cái)U(kuò)展配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)臺(tái)區(qū)的覆蓋范圍，通過合理規(guī)劃配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（區(qū)域）功能并進(jìn)行環(huán)境整合優(yōu)化，可以組建區(qū)域性的地理單元模塊，積木式地構(gòu)建和實(shí)施配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)無線通信平臺(tái)。

（3）配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)無線通信自組網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，路由/終端器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳送可靠，保證了配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性及可靠性。