低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)監(jiān)測中的應(yīng)用與優(yōu)化

［摘 要］隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對其進(jìn)行實時監(jiān)控和精細(xì)管理變得尤為迫切，而低功耗的無線感知陣列作為高效的監(jiān)管工具，在電網(wǎng)監(jiān)管領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。文章闡述了WSN 技術(shù)的工作機(jī)制及其在電力系統(tǒng)監(jiān)管方面的實際應(yīng)用，分析了電力系統(tǒng)監(jiān)管的內(nèi)在需求，對比了傳統(tǒng)監(jiān)管手段的不足，探討了如何布署低功耗的WSN，以及如何從中采集數(shù)據(jù)、進(jìn)行傳輸，實現(xiàn)實時監(jiān)控與精準(zhǔn)故障診斷，并提出了一套針對低功耗WSN 的性能提升方案。

［關(guān)鍵詞］低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；電力系統(tǒng)監(jiān)測；優(yōu)化技術(shù)；能源管理；安全保護(hù)

［中圖分類號］TP212.9 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0131–03

1 低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（以下簡稱“WSN”）是由分布式傳感節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這些節(jié)點(diǎn)具有低成本和低能耗的特點(diǎn)，遍布于監(jiān)測區(qū)域。每個智能感知單元通常包括感測器、微型處理器、無線傳輸部件和電源儲存部件。在構(gòu)建傳感器節(jié)點(diǎn)時，需要在耗電量、成本和性能之間找到平衡點(diǎn)，如選擇節(jié)能的微控制器和傳感器，以延長節(jié)點(diǎn)的工作時間，并保證感測精度。在WSN 的通信協(xié)議方面，常選用輕量級的協(xié)議，如Zigbee、LoRa，以實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間在低能耗和低傳輸速率下的數(shù)據(jù)交換。能源管理在WSN 中至關(guān)重要，因為大多數(shù)節(jié)點(diǎn)依賴電池供電，而電池更換不便。在數(shù)據(jù)處理方面，傳感器節(jié)點(diǎn)通常在現(xiàn)場對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步加工和解析，只將有價值的結(jié)果或特定數(shù)據(jù)發(fā)送至基站，以降低無線傳輸?shù)某杀尽?/p>

1.2 WSN在電力系統(tǒng)監(jiān)測中的應(yīng)用現(xiàn)狀

在電力系統(tǒng)中，WSN 廣泛用于對關(guān)鍵部件如變壓器和斷路器進(jìn)行實時健康狀態(tài)跟蹤。這些網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)能夠時刻捕捉到溫度、濕度、電流等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。而通過對變壓器溫度和濕度的連續(xù)監(jiān)控，能夠?qū)崟r了解其健康狀況，一旦發(fā)現(xiàn)異常能立即發(fā)出警報，確保問題得到及時處理。在電力負(fù)載監(jiān)管領(lǐng)域，WSN 通過在各個關(guān)鍵點(diǎn)安置感測器單元，能即時捕捉電網(wǎng)負(fù)載的分布狀況，跟蹤并分析家庭、工業(yè)區(qū)和商業(yè)區(qū)的電力消耗情況，以實現(xiàn)更精細(xì)化的電力需求掌控和調(diào)度優(yōu)化。在電力系統(tǒng)健康監(jiān)控方面，WSN扮演著關(guān)鍵角色，布置于電網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)實時跟蹤電力系統(tǒng)中的異常情況，可迅速鎖定故障位置，大幅提升了電力供應(yīng)的可靠性與穩(wěn)定性。

1.3 WSN的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

在電力系統(tǒng)監(jiān)控領(lǐng)域，低能耗WSN 具有顯著優(yōu)勢：①其低成本特性突出，傳感器節(jié)點(diǎn)價格實惠且布局靈活，可根據(jù)實際需求隨時調(diào)整位置和數(shù)量，從而有效降低監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)維的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。②其具備卓越的即時響應(yīng)能力，使每個傳感器節(jié)點(diǎn)能夠在第一時間內(nèi)收集并發(fā)送監(jiān)測信息，為電網(wǎng)的實時監(jiān)控和遙控管理提供了堅實的技術(shù)支持。③其具有強(qiáng)大的適應(yīng)性，能夠根據(jù)需求輕松地嵌入電力設(shè)施的各個重要部分，實現(xiàn)全面的監(jiān)控覆蓋。

然而，WSN 在電力系統(tǒng)監(jiān)控領(lǐng)域也面臨著一些挑戰(zhàn)：①能源約束。在這些網(wǎng)絡(luò)中，各個感知節(jié)點(diǎn)依賴電池供能，過度能耗會縮短節(jié)點(diǎn)的工作期限，從而影響監(jiān)測系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。②在網(wǎng)絡(luò)布局中受限于傳感器間通訊距離和環(huán)境障礙物的影響，監(jiān)測盲區(qū)與信號薄弱地帶難以避免，可能影響監(jiān)控體系的完整性與精確度。③數(shù)據(jù)安全。傳感節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交互容易受到竊聽和篡改，必須采用加密技術(shù)和認(rèn)證手段來確保數(shù)據(jù)的安全性。

2 電力系統(tǒng)監(jiān)測需求分析

2.1 電力系統(tǒng)監(jiān)測的重要性

作為現(xiàn)代工業(yè)和生活基礎(chǔ)設(shè)施的電力體系，其穩(wěn)定運(yùn)行直接影響著生產(chǎn)、日常生活和社會規(guī)律的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。電力的穩(wěn)定供應(yīng)是支撐工業(yè)制造、物流流轉(zhuǎn)、醫(yī)療救治等各領(lǐng)域的基礎(chǔ)，從機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)到交通流通，再到醫(yī)療設(shè)備運(yùn)行，都依賴于電力的持續(xù)供應(yīng)。因此，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)的繁榮和社會生產(chǎn)力的高度。例如，電力質(zhì)量不佳可能導(dǎo)致設(shè)備故障和生產(chǎn)中斷，對企業(yè)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。電力基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性和穩(wěn)定性直接關(guān)系到國民生活的安寧與安全，大面積的電力中斷或突發(fā)事件可能導(dǎo)致社會秩序的緊張甚至安全危機(jī)。

2.2 監(jiān)測需求與指標(biāo)分析

通過實時監(jiān)測電力設(shè)施的溫度、濕度、電流和電壓等關(guān)鍵參數(shù)，能夠及時識別出異常情況，有效避免設(shè)備故障或損壞。例如，對變壓器而言，溫度是一個關(guān)鍵的觀測指標(biāo)，過高的溫度可能是設(shè)備故障或超負(fù)荷運(yùn)行的信號。監(jiān)測要素還包括對電網(wǎng)負(fù)載的追蹤，可幫助了解電力需求的分布與變動趨勢，為電力調(diào)度和供應(yīng)規(guī)劃提供可靠數(shù)據(jù)支持。主要監(jiān)控指標(biāo)包括電網(wǎng)的電流、電壓、功率等關(guān)鍵參數(shù)。及時偵測異常并迅速采取措施可以最大限度地減輕故障帶來的影響。

2.3 傳統(tǒng)監(jiān)測方法的局限性

傳統(tǒng)的電力監(jiān)測方法存在監(jiān)測頻率低和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差的問題。在電力領(lǐng)域，常見的監(jiān)控方式是依賴人工巡檢和定期檢修，這種方式受到人力資源和時間安排的限制，無法實現(xiàn)電力系統(tǒng)全天候、全方位的監(jiān)控。因此，對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的響應(yīng)較遲緩，難以及時發(fā)現(xiàn)潛在問題。另外，傳統(tǒng)監(jiān)控方法易受到人為干擾，例如，人工巡查可能存在主觀因素，導(dǎo)致無法保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，從而影響對電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確評估。依賴傳統(tǒng)監(jiān)控方法，不僅需要投入大量人力和物力資源，而且監(jiān)測范圍有限，無法對電力系統(tǒng)的各個重要部位和參數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)測。

3 低功耗WSN在電力系統(tǒng)監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 傳感器布署與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計

需要根據(jù)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)和監(jiān)測目標(biāo)，精確安排傳感器的位置和數(shù)量。關(guān)鍵設(shè)備如變壓器、發(fā)電機(jī)和配電裝置應(yīng)優(yōu)先考慮安裝監(jiān)測設(shè)備，以實時監(jiān)測其工作狀態(tài)。針對電力網(wǎng)絡(luò)的布局，需考慮物理結(jié)構(gòu)和通信需求，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如星型、樹型或網(wǎng)狀布局。同時，需綜合考慮節(jié)點(diǎn)間通信距離、覆蓋范圍和障礙物影響，調(diào)整節(jié)點(diǎn)位置和通信半徑，以確保監(jiān)測范圍全面且數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。通過精心設(shè)計的傳感器布署和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可以?yōu)化監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局，提高監(jiān)測效率和可靠性。

3.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸

在數(shù)據(jù)采集方面，智能節(jié)點(diǎn)需搭載高精度的傳感器和數(shù)據(jù)抓取單元，以實時監(jiān)測電網(wǎng)各項指標(biāo)。例如，智能感應(yīng)單元能捕獲電學(xué)參數(shù)如電壓、電流和頻率，并同步監(jiān)測環(huán)境溫度和濕度等狀況。數(shù)據(jù)采集間隔可根據(jù)監(jiān)測需求靈活調(diào)整，通常從幾秒鐘到幾分鐘不等。在信息傳輸環(huán)節(jié)，WSN 利用無線通信技術(shù)完成傳感器節(jié)點(diǎn)間及節(jié)點(diǎn)與監(jiān)管核心的信息交換。采用低功耗的通信協(xié)議如Zigbee、LoRa 可節(jié)省能源消耗并延長節(jié)點(diǎn)工作時間。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，利用壓縮和加密技術(shù)可提高傳輸效率并保障信息安全。

3.3 實時監(jiān)測與故障診斷

通過對電力系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控，并分析傳感器節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)，可以迅速識別異常情況，及時進(jìn)行故障排查和風(fēng)險提示。首先，傳感器節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)經(jīng)過本地處理后，利用無線技術(shù)發(fā)送到監(jiān)控中心或數(shù)據(jù)處理單元。監(jiān)控機(jī)構(gòu)通過即時數(shù)據(jù)流對電網(wǎng)各項指標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測和深度解讀，檢驗電壓、電流等電學(xué)指標(biāo)是否達(dá)到預(yù)設(shè)極限，觀察頻率、功率因數(shù)等是否存在偏差。采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，對實時收集的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)分析，迅速發(fā)現(xiàn)并診斷問題。常用的分析方法包括時間序列分析、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)及機(jī)器學(xué)習(xí)算法等。

4 低功耗WSN性能優(yōu)化技術(shù)

4.1 能源管理與節(jié)能策略

選擇節(jié)能的微處理器和傳感器元件，并通過優(yōu)化硬件設(shè)計來降低節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)耗電量。例如，可以改進(jìn)傳感器節(jié)點(diǎn)的工作模式，采用周期性的休眠與激活策略，在非數(shù)據(jù)采集期間讓節(jié)點(diǎn)進(jìn)入省電模式，有效降低能源消耗。根據(jù)監(jiān)測需求，靈活設(shè)定傳感器節(jié)點(diǎn)的工作與休眠周期，使節(jié)點(diǎn)能在非監(jiān)測時段自動進(jìn)入休眠模式，實現(xiàn)節(jié)能目的。此外，采用先進(jìn)的能量收集技術(shù)如太陽能板和振動能量收集器，為傳感器節(jié)點(diǎn)提供額外能量，延長節(jié)點(diǎn)的工作時間。例如，常規(guī)太陽能光伏板可為節(jié)點(diǎn)提供約5 mA 的電流，假設(shè)節(jié)點(diǎn)僅消耗1 mA 電流，即可顯著延長節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行時間。

4.2 數(shù)據(jù)壓縮與傳輸優(yōu)化

采用高效的算法對傳感器節(jié)點(diǎn)收集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以減少數(shù)據(jù)量。常見的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)包括差分編碼、哈夫曼編碼等方法。例如，針對溫度傳感器收集的數(shù)據(jù)，可采用差分編碼技術(shù)，僅傳輸數(shù)據(jù)的變化部分而非具體數(shù)值，從而降低數(shù)據(jù)傳輸量。

而優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議和機(jī)制也至關(guān)重要，可減少能量消耗并緩解網(wǎng)絡(luò)擁堵。選擇節(jié)能的傳輸協(xié)議和機(jī)制如低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy）或窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrowband IoT），可降低數(shù)據(jù)傳輸中的能量消耗。此外，通過分組發(fā)送和數(shù)據(jù)包級別劃分等手段，可以減少網(wǎng)絡(luò)擁堵和沖突，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院托省?/p>

不同傳輸協(xié)議下的能耗和數(shù)據(jù)傳輸速率見表1。在選擇數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則時，需權(quán)衡電力消耗和數(shù)據(jù)傳輸速度，并根據(jù)具體情況做出合理的決策。

4.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化與路由算法

針對電力系統(tǒng)，利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化的方法，根據(jù)實際布局和監(jiān)測需求，合理規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以減少能源浪費(fèi)和縮短數(shù)據(jù)傳輸?shù)却龝r間。通過采用以簇為單位的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將感知設(shè)備劃分成群組，并由群組領(lǐng)袖負(fù)責(zé)信息匯總與傳輸任務(wù)，從而降低成員間的通訊頻次和能源消耗。通過定期輪換群組領(lǐng)袖來平衡各個節(jié)點(diǎn)的能量使用，以延長網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。在設(shè)計路由算法時，應(yīng)選擇高效的算法，以確保數(shù)據(jù)的快速傳輸和可靠交付。采用基于距離和能量的動態(tài)路由選擇算法，根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的距離和能量狀態(tài)選擇最佳路徑，以減少能源消耗和數(shù)據(jù)傳輸延遲。

4.4 安全與隱私保護(hù)

需要對傳感器節(jié)點(diǎn)實施加密和認(rèn)證等安全措施，以防止未經(jīng)授權(quán)的節(jié)點(diǎn)入侵和數(shù)據(jù)篡改。例如，采用加密密鑰來確保傳感器節(jié)點(diǎn)間通信的安全性，利用公鑰加密體系（PKI）驗證節(jié)點(diǎn)身份和交換加密密鑰，同時還可通過物理層面的安全措施，如頻譜監(jiān)測和信號截取，有效檢測和抵御可能的物理攻擊。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，需強(qiáng)化安全措施，采用加密和校驗技術(shù)，確保信息的機(jī)密性和完整性。例如，利用高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）等加密算法保護(hù)數(shù)據(jù)的隱私，同時使用哈希函數(shù)驗證數(shù)據(jù)的完整性，防止第三方竊聽和篡改數(shù)據(jù)。這些安全措施旨在確保數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全性，有效防范潛在的安全威脅和攻擊行為。

5 結(jié)束語

在電力系統(tǒng)監(jiān)控領(lǐng)域，采用節(jié)能設(shè)計的WSN 展現(xiàn)了較大的潛力和廣泛的應(yīng)用前景。在不斷的技術(shù)革新和創(chuàng)新驅(qū)動下，WSN 技術(shù)得到了升級優(yōu)化，顯著提升了監(jiān)測系統(tǒng)的性能，確保了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，為人們提供了更加堅固的技術(shù)支撐和保障體系。利用WSN 技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)控電網(wǎng)狀態(tài)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，從而能夠迅速識別并處理可能出現(xiàn)的問題，執(zhí)行預(yù)防性維修工作，有效減少電力設(shè)施的故障頻次，增強(qiáng)電力供應(yīng)的穩(wěn)定性與可靠性。WSN 技術(shù)的普及與應(yīng)用，助力電網(wǎng)運(yùn)維實現(xiàn)了轉(zhuǎn)型升級，智能化升級意味著運(yùn)營更高效、能源消耗更低，為打造智能化電網(wǎng)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊柱石. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)線舞動監(jiān)測系統(tǒng)研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2011.

[2] 季澤宇. 基于6LoWPAN 技術(shù)的智能配電網(wǎng)WSN 路由優(yōu)化研究[D]. 重慶：重慶理工大學(xué)，2023.

[3] 侍智融. 基于無線傳感網(wǎng)的電能監(jiān)測與預(yù)測[D]. 上海：同濟(jì)大學(xué)，2013.

[4] 閆志鵬. 面向無線供能通信網(wǎng)絡(luò)的圖形化和數(shù)學(xué)化資源分配策略[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2020.

[5] 郭瑞春. 面向輸電線路監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2014.