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无线传感器网络在智能电网中的应用

时间:2015-06-10 21:16 来源:未知 作者:admin 阅读:

        无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN )将传统的传感器信息获取技术从独立的单一化模式向集成化、微型化、网络化、智能化的方向发展,成为近年来IT 领域重要的研究热点。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,能够协作地感知和采集网络分布区域内监测对象的信息,并传送给观测者。作为沟通客观物理世界和主观感知世界的载体与桥梁,无线传感器网络提供了一种与以往不同的信息获取和处理技术,是信息感知和采集的一场革命。无线传感器网络凭借其自身的技术特点,可以被广泛地应用于国防军事、环境监测、城市管理、医疗卫生、工业控制、反恐抗灾等诸多领域。在电力系统自动化领域,已有研究把无线传感器网络应用于远程抄表、负荷预测、变电站自动化、配电网继电保护、配电线路故障定位、输电线路实时监测与预警等方面。这些应用有效地监测了电力系统运行状态,提高了电力系统的运行效率,使得无线传感器网络成为电能生产、传输、分配、消费环节的有益补充。智能电网的兴起引起了政府部门、工业界、学术界的广泛关注。智能电网将最先进的传感器技术、网络技术、通信技术、新能源技术和IT 技术等融合到电力系统中,使其具备现有电网尚不具备的自愈、互动、兼容、集成、优化和安全等特点。不仅GE、IBM、ABB、SIEMENS 等电气企业热衷于智能电网产品的研发,Intel、Cisco、Google、 Microsoft等信息产业龙头也纷纷投入智能电网业务, 在电网信息处理领域发挥作用。无线传感器网络可以获取电网运行状态、参数等物理信息,为电网运行和管理人员提供更为全面、完整的电网运营数据,有利于决策系统控制实施方案和应对预案,必将成为智能电网的有效组成部分。

在智能电网中的应用前景

        智能电网涵盖了高级量测体系(AdvancedMetering Infrastructure,AMI)、高级配电运行(Advanced Distribution Operation,ADO)、高级输电运行(Advanced TransmissionOperation,ATO)和高级资产管理(Advanced Asset Management,AAM),它们之间的密切配合实现智能电网安全稳定运行、兼容分布式电源、提高电网资产的利用率、提高用户用电的效率、可靠性和电能质量的目标。无线传感器网络在AMI、ADO、ATO和AAM 领域有着广泛的应用前景。

WSN在AMI中的应用 AMI 是一个用来测量、收集、储存、分析和运用用户用电信息的完整的网络处理系统,主要由智能电表、家庭网络( Home Area Network,HAN)、本地通信网络、连接电力公司数据中心的 Back-Haul 通信网络、量测数据管理系统等组成。一般情况下,AMI 是电网智能化的第一步。AMI 把用户和电力公司紧密相连, 为配电自动化等智能电网功能的实现奠定基础。图1 所示为基于WSN 的 AMI 系统,从 WSN 网关到数据中心之间的通信线路,可采用电力线载波、数字微波、SDH 光纤、ASON 光网络 、GPRS/CDMA、卫星通信等通信介质。从WSN 网关到用电设备的“最后一英里”(last mile) 采用一系列微功率无线通信技术的WSN 来实现一个完整的AMI 系统。

 


  1. 微功率无线通信技术包括BluetoothWi-Fi、 ZigBeeUWB等,低成本、低功耗和对等通信是微功率无线通信技术的三个重要特征和优势。典型的微功率无线通信技术的特点如表所示。


    WSN 
    技术克服了数据点对点无线传输模式的局限性,采用自组织网络、自动中继的方式来实现低功耗、远距离、多障碍的数据传输。目前,低功耗、低成本、低速率的ZigBee 技术成为HAN 用户接口通信较为接受的标准。通过ZigBee 技术,实现智能电表和家庭设备之间的无线通信, 构成家庭内部的能源管理系统。智能家居是WSN 兴起时即提出的应用领域,而智能电网的出现最终将这一目标实现。随着智能电网的发展,HAN也必将融合3G4G 网络和Internet 进入人们的日常生活中, 成为人们现代化便捷生活的组成部分。

  2. WSNADO中的应用 ADO的技术组成和功能主要包括高级配电自动化、高级保护与控制、配电快速仿真与模拟(DFSM)、新型电力电子装置、分布式能源(DER)运行、AC/DC微网运行、运行管理系统等,ADO 主要的功能是使系统可自愈。为了实现自愈的目标,电网应具有灵活的可重构的配电网络拓扑和实时监视、分析系统目前状态的能力。在配电网中部署监测传感器节点,形成安全可靠的传感器网络,是做出快速预测和响应的一种途径。面对智能电网提出自愈、兼容、安全等新挑战,无线传感器网络中的节点高度集成了数据采集、数据处理和通信等功能,不需要复杂的通信线路的布线;无线传感器网络具有自组织性、动态性拓扑,使得无线传感器网络更适用于分布式处理;无线传感器网络节点部署完毕后,可以实现不同保护平台的迅速构建而不需要添加更多的设施。这些特点对ADO 所要求的网络重构、故障定位、隔离和恢复供电、分布式能源(DER)运行、AC/DC 微网运行、系统拓扑结构发生变化时继电保护再整定都起到了辅助支撑的作用, 使得ADO既具有识别故障早期征兆的预测能力, 也具有对已经发生的扰动做出响应的能力。

  3. WSNATO中的应用 输电网是电网的骨干, 中国将建设以特高压电网为骨干网架的坚强智能电网,ATO在智能电网中发挥着重要作用。ATO 的技术组成和功能主要包括:变电站自动化、输电的地理信息系统(GIS)、广域量测系统(WAMS)、高速信息处理、高级保护与控制、模拟、仿真和可视化工具、高级的输电网络元件、先进的区域电网运行等。输电线路监测系统主要采集输电线路的运行环境数据和线路铁塔的运行环境数据等,包括线路温度、湿度、污秽、覆冰、风偏、山火、雷击,铁塔环境温度、应力状况等,并在多信息集成和融合条件下实现线路故障监测及管理,为数字化线路奠定基础。国家电力建设研究所目前已将Crossbow 公司开发的无线传感器网络节点部署在高压输电线上(见图3),传感器网络网关固定在高压输电塔上,用于监测大跨据输电线路的应力、温度和震动等参数。此外,带有视频采集功能的无线传感器网络节点可以采集现场图像,用于进行灾害预警,实现全网可视化。

  4. WSNAAM中的应用 AAM 使用AMIADO和 ATO的信息与控制,能够提高设备的利用率、改善电网运行效率、减少线损、降低电网运营成本。在智能电网中,实现AAM 可以利用WSN 技术, 在系统中大量部署可提供系统参数和资产状况的传感器节点,通过无线传感器网络,把收集到的实时信息与优化资产使用的运行、输配电网规划、设备定期检修、工程设计与建造、顾客服务、工作与资源管理、模拟与仿真等过程结合,从而提升资产的利用率,优化电网的投资,降低运营商运营成本。

需要解决的主要技术问题

  1. 电磁兼容 无线传感器网络在电网中受到的电磁干扰因素主要有电晕干扰、无线电干扰、雷电、辐射电磁场等等。应用于智能电网的无线传感器网络,在数据的采集和传输过程中,都有可能因为电磁干扰而造成失误, 所以无线传感器网络能正常工作的先决条件就是能够承受电网正常工作或故障情况下产生的极强的电磁干扰。电磁干扰的产生、传播和接收是不可能完全消除的,但是可以在满足电磁兼容设计目标要求的情况下来完成电磁兼容的可行性设计。无线传感器网络的电磁兼容性设计既要考虑在规定干扰强度的电磁环境下能正常工作, 也要考虑向外界发送的电磁干扰强度在规定的范围内。

  2. 关键支持技术 无线传感器网络关键支持技术包括节点部署、拓扑控制、路由协议、时钟同步、能量供给、定位技术、数据管理与融合等。

    1. 节点部署 在智能电网中,无线传感器网络节点一般需要人为部署,而不是随机抛撒。无线传感器网络在智能电网中采集电气量和非电气量,在部署的过程中,应综合考虑节点数量、感知范围及通信半径三个要素,以满足传感器网络连通及感知可靠性的要求,实现网络节点快速、有效组网。

    2. 拓扑控制 拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之一。通过拓扑控制,能够提高路由协议和MAC 协议的效率,可为时间同步、数据融合、目标定位等很多方面奠定基础, 有利于提高数据传输的效率和准确性。智能电网本身具有灵活的可重构的配电网络拓扑,无线传感器网络需要与之相适应。

    3. 路由协议 无线传感网络路由协议依据具体应用的不同而不同,在智能电网中,一些应用对通信的服务可靠性和实时性有较高要求,因此无线传感网络的路由协议应根据链路的稳定性、信道的质量、拓扑变化等情况,设计满足QoS需求的路由协议。

    4. 时钟同步 时间同步机制是分布式系统基础框架的一个关键机制。无线传感器网络是一种新的分布式系统,系统的协同工作需要节点间的时间同步。智能电网中,要考虑具体应用的同步精度需求,保证无线传感器网络的时间同步精度。

    5. 能量供给 在传统无线传感器网络研究中, 假设节点能量十分有限且不可再生,各种技术均以节能为目标。在智能电网中,可以采用小TA 取能、微风发电、太阳能电池等技术使无线传感器网络节点获得持续的电能,保证能量的持续供应,以满足智能电网中大量、快速、可靠数据传输对能量的需求。

  3. 标准化通信 智能电网应具有开放、标准、集成的通信系统,通信系统是智能电网赖以运行的基础,没有全面的通信系统就没有智能电网。无线传感器网络在智能电网中不是孤立地存在, 而应与电力通信系统相结合,包括与电力宽频通信(BPL)、数字微波、SDH 光纤、ASON 光网络等通信技术结合。全面集成的通信系统必须使用通用的标准,不同应用场合下的无线传感器网络应遵循相应的标准接入到电力通信网。智能电网中的标准制定还在进一步推进, 在推进的过程中, 应考虑到无线传感器网络与现有通信系统的集成,避免重复开发。

  4. 网络安全技术 与传统的电力通信网络相比,应用于智能电网的无线传感器网络面临更大的安全挑战。作为连接真实物理环境和信息系统的接口, 无线传感器网络是应用深度嵌入的网络。针对不同的应用,无线传感器网络的结构和协议会有所不同。无线传感器网络的这种特征很难直接将传统网络安全算法和协议应用于传感器网络。除考虑信息获取的机密性、完整性和新鲜性以及通信实体和消息源的认可性之外,还要将安全问题融入网络路由、时钟同步、数据融合等环节,从而保证智能电网安全、稳定、可靠运行。


(责任编辑:admin)

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