电力自动化背景下的混合式通信网络体系结构研究
摘 要：该文以电力自动化的通信网络为研究对象，提出将整体通信系统设计为混合式网络体系结构，论文分别探讨了基于Internet的虚拟专用网络、无线通信网络、用于电力自动化的无线传感器网络和用于电力自动化的WiMAX网络和无线网状网络（WMN），分析了各种网络的优势和应用要求，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。
关键词：电力 无线网络 漏洞 自动化 解决方案
中图分类号：TM77 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（a）-0023-02
现代通信技术的发展激活了可靠的远程控制系统，它能够监控电力系统的实时运行状态和性能。这些通信技术可分成四类，即：电力线通信、卫星通信、光纤通信及无线通信。每种通信技术都有其自己的优缺点，必须对这些优缺点进行评估以确定应用于电力自动化的最佳通信技术。
考虑电力自动化的通信需求时，Internet可提供一种可供选择的通信网络，以其现有的通信基础设施以节省成本的方式对变电站进行远程控制和监视。考虑个体通信能力以及电力系统基础设施的位置时，将整体通信系统考虑为如图1所示的混合式网络体系结构笔者认为是合适的。
由于低成本的数据通信网络是自动化应用的核心，该文描述了该混合式网络体系结构的机遇和挑战，尤其详细说明了Internet VPN、电力线通信、卫星通信和无线通信（无线传感器网络、WiMAX网络和无线网状网络）。我们的目的在于为打算应用新的自动化通信技术的电力公司展示一个结构化框架，从而更加有效直接地做出决策。
1 基于Internet的虚拟专用网络
目前Internet VPN技术为电力系统的远程监控提供了一种可供选择的低成本的高速通信核心网络。该解决方案应提供下列基本性能属性。
（1）服务质量（QoS）：由于因特网的数据通信主要是基于最佳服务范例，因此因特网技术本身并不能保证电力应用要求的极其严格的服务质量要求。在这方面，Internet VPN技术的QoS性能则能够保证关键任务的优先化或延迟敏感流量以及在各种网络流量条件下通过共享的网络基础设施来解决网络拥堵。（2）可靠性：通信网络应能够长期连续运行，既使是网络元件出现故障或是网络拥堵。为此，通信网络的设计应使得所有工作条件下没有损耗并能得体的解决故障。因此，Internet VPN技术应能够以一种可靠及时的方式为自动化应用传输数据。（3）升级性：由于变电站和远程设备的数量很大而且增长迅速，通信系统必须能够在不以指数规律增加通信网络运行次数的情况下处理极大的网络拓扑结构。因而，所设计的混合式网络体系结构应能够很好地升级，以适应由顾客需求量推动的新的通信要求。（4）健壮性：为避免由于网络流量条件变化而劣化通信性能，向Internet VPN之虚拟链接分配带宽的定尺度过程不仅要根据主要带宽需求矩阵，还要根据其它可能的带宽需求矩阵，在网络定尺度过程中要提供一个安全限度，避免拥堵。当以目前的网络流量无法避免网络拥堵时，应堵塞低优先级非关键的数据流量，以便最为关键的数据能以保证的服务质量传输。这样，可以应用高优先级数据的额外带宽实现关键数据的实时通信，这对于电力系统的报警尤其重要。（5）安全性：即支持远程控制中心与现场设备之间安全通信的能力，使通信免受外部阻断服务的攻击和入侵。因此，Internet VPN必须提供能越过现有共享因特网中枢的安全数据传输，能保护敏感数据，使其成为越过共享网络的机密。
2 无线通信
最电力系统“最后一里”连接可选的通信技术有：电力线通信、卫星通信、光纤通信、无线通信。以下介绍无线通信的应用。目前有数种用于电力系统自动化的无线通信技术。与传统有线通信网络相比，无线通信技术使远程监控变电站具有潜在优势，例如：节省架设电缆的费用以及通信基础设施的快速安装。但无线通信对电磁干扰（EMI）更敏感，通常对带宽容量和通信设备之间的最大距离有限制。此外，由于无线通信中的无线电波在空中传播，能发生窃听，这对通信安全是一个威胁。电力公司使用无线通信有两种选择：（1）利用现有的公共网络通信基础设施，例如公共蜂窝网络。（2）架设专用无线网络。
专用无线网络可使电力公司对其通信网络拥有更多的控制权。但是，专用无线网络需要大量的安装投资及维护费用。在电力自动化中，无线通信技术已经有所应用。最近，数字蜂窝网络的短信服务（SMS）功能已经应用于变电站的远程控制和监视。蜂窝网络的控制信道还应用于某些基于警报的变电站监视情形。然而，这种通信技术只适合于发送小量数据的应用，因此不能提供变电站实时监控应用所需的严格的服务质量（QoS）。随着近期无线通信及数字电子技术的进步，混合式网络体系结构激活了可供选择的其他可升级的无线通信系统，能够提供自动化应用要求的严格的服务质量（QoS）。这些最新无线技术有：无线传感器网络、WiMAX网络和无线网状网络。
3 用于电力自动化的无线传感器网络
3.1 无线自动仪表读取（WAMR）
WAMR系统为电力行业提供了多项优势，包括不再需要人工抄表员而降低了电力公司的运营成本，还有基于顾客的实时能量消耗的实时计价模式。WAMR系统的实时计价功能对顾客也很有益。电力公司的实时计价模式要求电力公司和顾客的仪表设备之间有可依赖的双向通信，而WSN技术通过提供低成本低功率的无线通信有效的解决了这个要求。电力控制中心通过多跳式无线通信收集来自仪表的传感数据，这种监控系统为电力公司提供了灵活性。总之，WAMR系统能够为电力系统提供下列功能。
（1）自动仪表读取功能：WSN可以实时自动测量顾客的能量消耗。自动仪表测量还可以分为：个体仪表测量、群体仪表测量和全球仪表测量。在此，我们的目标是为电力行业提供具有各种实时监控选项的灵活管理策略。（2）遥测功能：电力控制中心可从智能传感器节点获取实时数据，控制位于配电网选定点上的某些元件，例如，控制开关的状态。因而，配电传感自动化能够通过减少故障和修复时间增强电力行业的服务。（3）动态配置功能：在电力自动化应用中，即使网络线路出现故障时也要保证测量的可靠性。因而，为了满足应用的可靠性要求，动态地调整网络配置就显得极其重要，例如：动态的路由选择。在这方面，WSN的自我配置能力能够使网络动态的重新配置。（4）状态监控功能：监控仪表设备的状态是WAMR系统的另一个功能，此功能嵌入在智能传感器内。这一功能对于准确及时地确定网络中传感器节点故障会很有帮助。另外，状态监控功能还可以应用于修改仪表设备的情形。例如，如果某人试图破坏仪表设备，系统能够自动通知公安局。这缩减了派出维修人员修理被破坏仪表设备的大量费用。可以预见，随着WAMR技术的不断进步，这种系统不会再那么昂贵，并且会更加可靠。随着低成本低功率无线传感器的发明，无线RF通信是收集电力仪表数据最为节省成本的方式。
3.2 电力系统监控
设备故障、电击、意外事故和自然灾害等均会引起电力干扰和断电，经常导致服务长期中断。因此，电力系统应进行适当控制和监视，以便及时采取必要的预防措施。在这方面，WSN能够为电力系统提供一种低成本的可靠的监视系统。用无线传感器节点建设的有效监视系统能够减少配电网故障检测及恢复电力供应的时间。另外，电力服务的连续性在当今竞争激烈的电力市场中从顾客满意度角度来看也是至关重要的。为评定电力系统的性能，用WSN技术可获得几项质量服务（QoS）指数。例如，可以计算出服务中断的平均持续时间和平均维修时间。
3.3 无线传感器网络的设计考虑
要将无线传感器网络技术应用于电力自动化中，开发既能支持现有功能又能支持未来电力系统新的运营要求的低成本的无线传感器网络，有两个重要的考虑。
3.3.1 网络拓扑结构和体系结构要求
传感器网络的拓扑结构在网络使用寿命、路由算法、传感器节点的通信范围等几个方面具有重要含义。网络体系结构要求包括网络的物理和逻辑组织以及传感器节点的密度。通常，传感器网络的目标就是有效的覆盖配置区域。网络的逻辑和等级组织还影响能量消耗及通信协议的选择。另外，根据拓扑结构的要求，传感器网络可以是分布式组织或者群集式组织。电力系统网络拓扑结构和体系结构要求回答下列问题来确定：（1）何种网络拓扑结构最适合这种应用？（是一对一、一对多、多对一还是多对多？）（2）监控网络如何工作？（是主辅式、点对点、点对多点还是对等式？）（3）覆盖区域内最恶劣的环境条件是什么？（4）电力系统当前和以后有多少变电站要监控？（5）是否存在已知的物理障碍物、电力线或大型感应电动机的RF干扰等潜在干扰问题？
3.3.2 应用要求
通过无线传感器网络传播的必需信息应予以分类和量化。通过对电力系统自动化应用进行综合分析来实现这些要求。下列问题可帮助电力公司确定这些要求：（1）应用的服务质量要求是什么？（要求实时监视还是容忍延迟监视？（2）系统连续查询信息（定期监视）还是根据异常查询（基于事件的监视）？（3）传感器数据的类型是什么？即：影像、声音、数据？电力自动化系统应综合确定网络拓扑结构、体系结构和应用要求，以建立最适合应用的无线传感器网络。全面考虑各种选择条件以及是否适合电力公司的应用对于成功实施至关重要。
4 用于电力自动化的WiMAX网络和无线网状网络（WMN）
无线网状网区域：在前面提出的混合式网络体系结构中，无线网状网在电力公司各用户之间构成一个充分连接的无线网络。与传统无线网络不同，每个无线网状区域可以动态的自我组织和自我配置。换言之，网状网络中的节点自动建立并保持网络连通性。这种特点为电力公司带来许多益处，例如先期成本低、网络维护简单、健壮性以及可靠的服务覆盖范围。另外，使用先进的无线电技术，例如多重无线电界面和智能天线，网络容量能大幅增加。WiMAX骨干网：局域控制中心与远程控制中心之间必要的远距离通信（达50公里）用微波存取全球互通（即WiMAX）技术提供。随着WiMAX技术的加入，网络中枢的容量可增加至75Mbps。另外，WiMAX为点对多点无线网络提供了一种标准化通信技术，即IEEE802.16标准。这使得不同厂商之间的产品可以互通，这正是电力公司另一个重要关注所在。
4.1 WiMAX和无线网状网络的混合式网络体系结构的优势
（1）增加可靠性：在无线网状区域中，无线中枢在无线连接的发送者和接收者之间提供了冗余路径。这就排除了网络区域内的单点故障和可能存在的瓶颈链接，显著增加了通信可靠性。由于存在多重可能的可选路由，还可以保证网络抗潜在问题的健壮性，例如：因RF干扰或障碍而产生的节点故障、路径故障。因此，利用WMN技术，即使在出现网络元件故障或网络拥堵的情况下，电力公司的网络也可长期可靠地运行。（2）安装成本低：由于网状网络只要求线路上的几个点连接至有线网络，因此建设无线网状网络可以降低基础设施成本，并且能够以合理费用对网络进行改造，这一点在现今电力公司竞争激烈的环境下尤其重要。（3）较大的覆盖区域：目前，无线局域网（WLAN）的数据速率通过应用极具效率的调制配置有所增加，例如：802.11a和802.11g为54Mbps。虽然WLAN的数据速率增加了，对于具体的传输功率，当来自存取点的终端用户更多时，WLAN的覆盖范围和连通性都有所下降。然而，WiMAX技术可使局域控制中心与远程控制中心之间进行远距离通信的性能却不会降低。因此，混合式网络中的WiMAX骨干网可以实现自动化应用所要求的高速远距离通信。（4）自动网络连通：在该混合式网络体系结构中，无线网状区域可以动态地自我组织和自我配置。换言之，网状网络中的节点自动建立并保持网络连通，这可为电力公司提供无缝多跳式互联服务。例如，当新节点加入到网络中时，这些节点利用其网状功能自动发现所有可能的路由器并决定到达控制中心的最佳路径。此外，鉴于新的可用路由，现有网状路由器可重新组织网络，从而能够轻松扩展网络。无线网状网络的自我配置特点对于电力系统自动化至关紧要，因为它使电力公司能够应付由顾客需求量推动的新的连通要求。
4.2 WiMAX和无线网状网络的混合式体系结构的设计关键
尽管混合式网络体系结构能够为广泛配置用于电力自动化应用的高速无线通信提供一种经济可行的解决方案，但使用现有通信协议进行的现场试验表明混合式网络体系结构的表现仍远远低于预期。因此，需要开发用于混合式网络体系结构的新通信协议，许多开放研究问题有待解决。
（1）恶劣的监视环境：在变电站，由于障碍及电力线和RF干扰引起的极其嘈杂的环境，无线链接表现出极为不同的时间和空间特点。为改进网络容量，限制无线电干扰，开发通信协议时应使用先进的无线电技术，例如多输入多输出（MIMO）技术、多重无线电界面和智能天线。（2）WiMAX塔台的最佳放置：在提出的混合式体系结构中，在符合时间临界监视数据的截止期限的同时，设计一种有效的低成本的网络基础设施很重要。因此，配有昂贵的RF硬件的WiMAX塔台，应置于配置区域的最佳位置，以便既降低基础设施成本又满足服务质量要求。（3）灵活性支持：需要使用低反应时间切换管理算法来支持移动设施控制器的通信服务。这样，必要时，例如发生警报时，移动设施管理器还可以本地监视系统。（4）集成不同种类网络：现有网络技术与不同无线网络集成的能力有限。因此，为增强混合式网络体系结构的性能，应改进多重无线界面的集成能力以及网络路由器的相应网关/桥接器功能。（5）升级性：在如今竞争性的动态市场环境下，电力公司可能很快会配置新变电站、提供更大的服务请求。因此，设计的混合式网络体系结构应能够很好地升级，以适应由顾客需求量推动的新通信要求。（6）协调的资源管理：为对无线信道特点、争用和通信量模式的系统变化作出有效反应，需要分布式和协作式网络资源管理。这样，才可以实现全系统的良好性和网络的自我配置。（7）安全：网络中的阻断服务攻击可能会对配置的混合式网络的运行造成严重损害。使用有效的加密术和密码系统，可以解决安全性问题。为解决所有这些现有的混合式网络体系结构的问题，从物理层到应用层的协议栈需要改进或重新创建。在这方面，需要一个跨层设计来共同优化主要网络功能以及设计适合无线信道动态特点的通信协议集。这样，混合式网络体系结构才能够快速确定服务中断，及时恢复电力公司的服务。
5 结语
该文的目的在于更好的理解能够提供不同种类电力系统自动化应用要求的混合式网络体系结构，为打算利用新的自动化通信技术的电力公司展示一个结构化框架，从而更加有效地做出决策。
参考文献
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