發(fā)布時(shí)間：2021-08-04所屬分類：免費(fèi)文獻(xiàn)瀏覽：1次
摘 要： 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程
《基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估》論文發(fā)表期刊：《機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程》；發(fā)表周期：2021年03期
《基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估》論文作者信息：井含香( 1986—) ，女，工程師，主要從事電能計(jì)量研究與管理．
摘要：現(xiàn)有輸電電網(wǎng)存在維護(hù)成本高，可擴(kuò)展性差，缺乏安全、有效的系統(tǒng)監(jiān)控等問(wèn)題，為此提出了利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效、可靠、低成本的電網(wǎng)監(jiān)控方法，來(lái)評(píng)估智能電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。設(shè)計(jì)了一種有效且安全的在傳輸線上測(cè)量數(shù)據(jù)的方法，并進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估的精度較高，智能電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量信息分布均勻。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);智能電網(wǎng);輸電線路;安全;可靠性
智能電網(wǎng)具有堅(jiān)強(qiáng)的電網(wǎng)基礎(chǔ)體系和技術(shù)支撐體系，能夠抵御各類外部干擾和攻擊。電力系統(tǒng)中不同種類的電子元件具有不同的動(dòng)態(tài)特性，并且可以對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)的干擾作出不同的響應(yīng)。由于每種動(dòng)態(tài)特性都反映了電力系統(tǒng)的某些特征1因此可以根據(jù)其發(fā)生的原因、結(jié)果、時(shí)間、物理特性或發(fā)生在系統(tǒng)中的位置對(duì)其進(jìn)行分類。根據(jù)干擾的物理特性不同，可以將電力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分為波、電磁、機(jī)電和熱力學(xué)4種。高壓傳輸線中的干擾通常與波效應(yīng)、雷擊或人為的開(kāi)關(guān)操作有關(guān)，其發(fā)生通常是瞬時(shí)的2。
在當(dāng)今的電力系統(tǒng)中，傳感設(shè)備常通過(guò)有線通信(例如以太網(wǎng)或光纖)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂剖遥檬聵I(yè)總部的監(jiān)控系統(tǒng)和調(diào)度員在該位置管理電網(wǎng)運(yùn)行。但是在惡劣環(huán)境中使用有線通信通常是不經(jīng)濟(jì)的，甚至是不可能的，因此迫切需要低成本的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的可靠性和效率。文獻(xiàn)[5]對(duì)智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題進(jìn)行了研究，重點(diǎn)對(duì)智能電網(wǎng)監(jiān)控中無(wú)線傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)組成和組間、組內(nèi)通信傳輸問(wèn)題進(jìn)行了研究：文獻(xiàn)6]通過(guò)信號(hào)控制電路將智能電網(wǎng)中的信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)采集電路輸入端進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種高水平的電力通信傳輸參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。最新的研究結(jié)果表明[-1，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在完成監(jiān)控和通信任務(wù)方面具有巨大的潛力。
傳感器在監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)的狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的敏感數(shù)據(jù)[，因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的增加也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，特別是在隱私、連接和安全管理方面。為了建立智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)評(píng)估智能電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)了一種有效且安全的在輸電線上測(cè)量數(shù)據(jù)的方法，并進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估的精度較高。
1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以提供重要的信息，用于電力系統(tǒng)的優(yōu)化。電力系統(tǒng)的監(jiān)視和控制對(duì)于其高效的運(yùn)行至關(guān)重要，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，具有低成本、靈活且自組織的特性，是創(chuàng)建高度可靠且可自我修復(fù)的智能電網(wǎng)的理想選擇。與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，其特點(diǎn)是可快速和直接部署，覆蓋范圍大、安裝和維護(hù)成本低、易于更換和升級(jí)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用范圍很廣，包括但不限于電能質(zhì)量監(jiān)控、斷電檢測(cè)、架空傳輸線監(jiān)控、故障檢測(cè)和定位、設(shè)備故障診斷和地下電纜系統(tǒng)監(jiān)控等。與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作性和上下文感知特性使其具有更好的容錯(cuò)能力、更高的精度、更大的覆蓋范圍和局部特征可提取等特性。盡管擁有不可否認(rèn)的優(yōu)勢(shì)，但與所有類型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)一樣，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也容易受到來(lái)自開(kāi)放通信環(huán)境的威脅，給系統(tǒng)帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)1]。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其所在的物理環(huán)境密切相關(guān)，并隨著環(huán)境的變化而不斷地變化，因此無(wú)法將先進(jìn)且復(fù)雜的安全機(jī)制應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，使得其保護(hù)措施變得更加復(fù)雜，并使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)更容易受到外部攻擊。由于電網(wǎng)具有較強(qiáng)的復(fù)雜性且對(duì)時(shí)間高度敏感，因此容易受到各種類型的攻擊22，電網(wǎng)系統(tǒng)可用的安全解決方案往往很昂貴，并且會(huì)消耗大量的中央處理器
(CPU)資源。遠(yuǎn)距離使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)缺點(diǎn)是信息傳輸?shù)臅r(shí)延較大。
信息傳輸?shù)臅r(shí)延與所使用的路由算法有關(guān)，并且與數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x以及上一條信息最終發(fā)送到基站的時(shí)間有關(guān)[1]。為了實(shí)現(xiàn)高效的通信，最小化信息傳輸時(shí)延是至關(guān)重要的。因此，本文著眼于最小化時(shí)延，同時(shí)考慮通信的可靠性，提出了輸電網(wǎng)系統(tǒng)中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全、可靠的通信方案。
2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在輸電網(wǎng)系統(tǒng)中的安全可靠通信方案
通常，電網(wǎng)系統(tǒng)中包括發(fā)電、輸電、配電和用電站點(diǎn)。變電站監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)是變電站控制的核心。智能電網(wǎng)系統(tǒng)包括電力傳輸網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)，其中通信網(wǎng)絡(luò)包括蜂窩網(wǎng)絡(luò)、微波網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)、串行鏈路或無(wú)線局域網(wǎng)。圖1所示為典型的包含無(wú)線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器用于電力數(shù)據(jù)傳輸和配電監(jiān)控[-1，由于傳感器處理的是敏感且機(jī)密的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，應(yīng)該確保傳輸?shù)陌踩裕苑乐贡桓`并避免任何未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)，因此需要實(shí)施安全可靠的傳輸協(xié)議。
圖 2 給出了一個(gè) 110 kV 傳輸線示例。兩個(gè)變電站之間有 43 個(gè)極點(diǎn)，共 45 極( 包括變電站) 。在每個(gè)極點(diǎn)上部署 4 個(gè)傳感器中繼節(jié)點(diǎn)( 也稱為接收節(jié)點(diǎn)) ，總共部署了 180 個(gè)傳感器，如圖 3 所示。一組( 4 個(gè)) 傳感器將感知信息發(fā)送到接收節(jié)點(diǎn)，接收節(jié)點(diǎn)從感知節(jié)點(diǎn)收集信息后，將信息發(fā)送到變電站，變電站再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。
由于傳感器感知節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)之間的距離很小，因此使用短距離通信技術(shù)，將 TelosB 傳感器設(shè)備安裝到電線桿，作為傳感器感知節(jié)點(diǎn)，用于收集數(shù)據(jù)，使用 Mica2 傳感器作為接收器節(jié)點(diǎn)，通信協(xié)議為 IEEE 802. 15. 4 /ZigBee。傳感器的參數(shù)見(jiàn)表 1。
為了準(zhǔn)確地監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，輸電線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要不斷更新測(cè)量參數(shù)，因此無(wú)線傳感器之間的數(shù)據(jù)需要同步，以便在傳輸線的不同位置對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行直接比較。傳輸線路上每個(gè)接收器將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送到相鄰中繼節(jié)點(diǎn)所需的時(shí)間隨著跳數(shù)的增加而增加，離變電站較近的傳感器要比離變電站較遠(yuǎn)的傳感器處理更多的測(cè)量數(shù)據(jù)。考慮到傳輸線的拓?fù)浼s束，低帶寬、低數(shù)據(jù)速率的無(wú)線節(jié)點(diǎn)無(wú)法以多跳的方式傳輸大量數(shù)據(jù)，因此將所獲得的數(shù)據(jù)分為兩部分進(jìn)行傳輸，以減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。假設(shè)電力線位于一個(gè)開(kāi)放區(qū)域中，在該區(qū)域，中繼節(jié)點(diǎn)的天線彼此之間可見(jiàn)。通常使用數(shù)學(xué)傳輸模型以統(tǒng)計(jì)方式對(duì)電力傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模。由于在鏈路預(yù)算中，路徑損耗在網(wǎng)絡(luò)損耗中占比最大，且變化也較大，因此在仿真中使用路徑損耗作為評(píng)估指標(biāo)，通過(guò)計(jì)算獲得接收節(jié)點(diǎn)之間的連接質(zhì)量( q 值) 。q 值的精確計(jì)算公式如下:
在傳輸電網(wǎng)中部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為監(jiān)控解決方案時(shí)，數(shù)據(jù)包丟失是必須考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。數(shù)據(jù)包丟失可能由多種原因引起，包括網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)上的信號(hào)質(zhì)量下降、流量過(guò)大而造成的擁塞、鏈路層的碰撞或緩沖區(qū)溢出。節(jié)點(diǎn)之間的傳輸距離和連接質(zhì)量也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失。數(shù)據(jù)包丟失與信號(hào)強(qiáng)度之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，在長(zhǎng)距離傳輸中，信號(hào)強(qiáng)度衰減效應(yīng)導(dǎo)致信噪比降低，從而造成數(shù)據(jù)包丟失。解決數(shù)據(jù)包丟失問(wèn)題最常見(jiàn)的方法之一是數(shù)據(jù)包重傳。數(shù)據(jù)包重傳需要通過(guò)一些其他機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如，使用確認(rèn)(ACK)機(jī)制，每個(gè)成功接收的數(shù)據(jù)包都應(yīng)由接收者通過(guò)通知進(jìn)行確認(rèn)，如果發(fā)送者無(wú)法識(shí)別通知消息，則應(yīng)重新發(fā)送該數(shù)據(jù)包.ACK機(jī)制可以為數(shù)據(jù)包重傳提供可靠的保證。
3仿真與結(jié)果分析
為了驗(yàn)證本文方法實(shí)現(xiàn)電力傳輸網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估的效果，進(jìn)行仿真測(cè)試。設(shè)置傳輸線相鄰兩極之間的距離為100 m，信息評(píng)價(jià)的演化參數(shù)集大小為200，訓(xùn)練集維數(shù)為45，電網(wǎng)運(yùn)行的容量為1800 Mw.將傳輸線分為兩個(gè)子線，每個(gè)子線只有一個(gè)極點(diǎn)直接鏈接到變電站，因此所獲得的數(shù)據(jù)最終到達(dá)變電站需要遍歷的跳數(shù)為左子線22，右子線23。各傳感器收集的數(shù)據(jù)大小相同，為80個(gè)字節(jié)，由于每個(gè)極點(diǎn)上有 4 個(gè)傳感器，因此中繼節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)大小為 320 字節(jié)。TelosB 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街欣^節(jié)點(diǎn)大約需要 4 000 ms。為保證傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)不泄漏，只有被授權(quán)者才能訪問(wèn)，因此需要對(duì)訪問(wèn)者進(jìn)行身份驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)中，已為參與通信過(guò)程的每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用了單獨(dú)的密匙。
在基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能電網(wǎng)系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行電力傳輸運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估實(shí)驗(yàn)，其具體步驟如下:
步驟 1，在智能電網(wǎng)系統(tǒng)質(zhì)量預(yù)測(cè)值中添加一個(gè)待定權(quán)值，并保持在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)，將實(shí)際測(cè)量的數(shù)值與預(yù)測(cè)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析：步驟2，對(duì)節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)7修正的負(fù)荷值進(jìn)行質(zhì)量量化評(píng)估，并進(jìn)行不良數(shù)據(jù)檢測(cè);步驟3，如果出現(xiàn)不良數(shù)據(jù)，則使用預(yù)期損失模型分析獲取一個(gè)估計(jì)值，以此修正不良數(shù)據(jù)：步驟4，重復(fù)步驟1-3，直到?jīng)]有不良數(shù)據(jù)出現(xiàn)為止，得到質(zhì)量量化預(yù)測(cè)值;步驟5，將得到的預(yù)測(cè)值傳送給電網(wǎng)后臺(tái)監(jiān)控端，并剔除掉不良數(shù)據(jù)，防止信息干擾。
依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，得到智能電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量信息分布如圖4所示。
由圖 4 可知，利用本文方法進(jìn)行智能電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量量化評(píng)估，其質(zhì)量信息分布均勻。為了對(duì)比該結(jié)果與已有研究的成果，分別使用文獻(xiàn)[5]方 法、文獻(xiàn)[6]方法計(jì)算了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連接質(zhì)量 ( q 值) ，并在此基礎(chǔ)上，獲得連接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比結(jié)果，見(jiàn)表 2。
由表2可知，與文獻(xiàn)[5]方法和文獻(xiàn)[6]方法相比，本文方法得到的標(biāo)準(zhǔn)差值與實(shí)際值較為接近，說(shuō)明用該方法進(jìn)行智能電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量量化評(píng)估效果更好，原因是本文方法能夠更加全面地分析隨機(jī)擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)頻率所產(chǎn)生的影響。
智能電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量特征表現(xiàn)為電網(wǎng)的輸出參數(shù)信息、用戶信息和電網(wǎng)各項(xiàng)設(shè)施設(shè)備的運(yùn)行管理信息，在此基礎(chǔ)上建立智能電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量分布特征檢測(cè)模型，并與文獻(xiàn)[]方法和文獻(xiàn)[6]方法進(jìn)行對(duì)比，得到質(zhì)量信息特征的準(zhǔn)確性對(duì)比結(jié)果如圖 5 所示，平均信息傳輸時(shí)延如圖 6 所示。
分析圖5和圖6可知，利用本文方法進(jìn)行質(zhì)量信息特征檢測(cè)準(zhǔn)確率比文獻(xiàn)[5]方法和文獻(xiàn)[6]方法高，而且信息傳輸時(shí)延明顯優(yōu)于文獻(xiàn)[5]方法和文獻(xiàn)6]方法。利用本文方法進(jìn)行智能電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估的特征聚類性較好，有利于提高質(zhì)量評(píng)估的可靠性。
4結(jié)束語(yǔ)
無(wú)線傳感器、智能變電站和通信設(shè)備可以提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，使智能電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商能夠主動(dòng)預(yù)防許多問(wèn)題。利用無(wú)線傳感器和自動(dòng)化控件采集的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，使智能電網(wǎng)可以避免停電、電能質(zhì)量問(wèn)題和服務(wù)中斷等情況的發(fā)生。本文提出了一種有效且安全的在輸電線上測(cè)量數(shù)據(jù)的方法，并將其應(yīng)用于智能電網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)控，從安全性和信息傳輸時(shí)延方面進(jìn)行了分析。通過(guò)與其他方法比較可知，所提方法可以提高質(zhì)量評(píng)估的可靠性。
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Abstract: The existing power transmission network has problems such as high maintenance cost, poor scalability, and lack of effective and safe system monitoring. Therefore, wireless sensor network (WSN) technology is used to realize an efficient, reliable and low-ost power network monitoring method, and the wireless operation qualityof smart power grid is evaluated. An effective and safe method is designed to measure data on transmission lines, and simulation results show that the wireless operation quality evaluation of smart grid based on wireless sensor network has a higher accuracy, and the operation quality information of smart grid system is evenly distributed.
Key words: wireless sensor network; smart grid; transmission line; safety; reliability