基于无线传感器网络的应急保护通道可靠性及通信性能研究-潘伟.pdf
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1、第44卷第17期 电力系统保护与控制 v0144 No172016年9 j韭日 !竺兰竺壁坐里!竺塑!垒竺!坐兰竺翌塑! 苎望:!:!竺!鱼-_-_-_-_。-。_。-_。-。_。-_。一一 一DOI:107667PSPCI51196基于无线传感器网络的应急保护通道可靠性及通信性能研究潘伟1,陈旭2,许立强1,尹项根2余斌2(1国网湖南省电力公司电力科学研究院,湖南长沙41 0007;2强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学), 湖北武汉430074)摘要:论述利用无线传感器网络构建线路纵联差动保护应急通信通道的技术方案,在考虑节点数量及其灾变损毁率情况下,提出了基于全网络通信可靠性及
2、成本最优的节点冗余布置方法。并研究AODV路由方式下,节点通信距离、架空线路杆塔档距及转跳次数对通信延时的影响并分析了延时抖动。通过纵联差动保护数字仿真试验表明,基于无线传感器网络构建的保护通道采用节点冗余布置方法进行网络规划,在极端灾变情况下可获得较高的生存性,基本满足纵联差动保护的信息传输需求。关键词:无线传感器网络;应急保护通道:纵联差动保护;延时;可靠性Reliability and performance of emergency communication channel based on wireless sensor networkPAN Weil,CHEN xu2,XU Li
3、qian91,Y1N Xianggen2,YU B岔(1DepartmentofPower ScientificResearchofHunanProvincePowerCompany ofStateGrid,Changsha410007,China;2State Key Laboratory ofAdvanced Electromagnetic Engineering and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)Abstract:Optical fiber differentia
4、l protection is widely used as the primary protection of power transmission line,but itmay be influenced by extreme natural and man-made hazard which would impair protection performanceThis paperdiscusses a technical scheme of pilot differential protection channel based on wireless sensor networkTak
5、ing the numberofnodes and failure rates into account,redundancy arrangement ofnodes based on reliability ofthe whole communicationnetwork and optimal cost is proposedBesides,this paper studies the influence of the communication distance,line spansand communication range of nodes on end-to-end time d
6、elay under AODV routineThe results of pilot differential digitalsimulation test shows that emergency protection channel constructed by wireless sensor network which uses redundancyarrangemem method to do network panning Can achieve strong survivability and meet the need of pilot differentialprotecti
7、on under extreme disasterThis work is supported by National Hightech R&D Program ofChina(863 Program)(No2015AA050201)Key words:wireless sensor network;emergency communication channel;longitudinal differential protection;delay;reliabilityO 引言在极端自然灾害影响下,光纤通信通道损毁导致纵联差动保护退出运行的事故屡见不鲜,如2008年冰灾致杆塔覆冰载荷过重倒塌,
8、OPGW光缆被破坏引起保护数据通道中断,多条高压线路主保护退出运行,严重危及主网的安全稳定运行。线路保护装置通常利用距离保护作为纵联差动保护的后备保基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)(2015AA050201):国网科技项目护,其利用单端电气量信息,可在通信通道故障时保证故障的可靠切除,但仍存在无法全线速动的缺点,因此需研究重构应急保护通道的技术方案。目前保护通信通道的重构有两方面思路,首先利用灾变后的健全通信通道,其次是对于不存在迂回通道的“信息孤岛”采用其他的通信方式。应急保护通道作为光纤通道失效后的备用通道,它的通信方式应尽量和光纤通信不相关,如在通信原理和通信介质上不同,以
9、免和光纤通信同时失效。文献2】提出利用公用通信网构建应急通道的改进措施,针对公用通信网延时的不确定性问题,采用GPS对万方数据72 电力系统保护与控搠时信号提高同步精度;针对公用通信网采用自愈保护而光纤电流差动保护原理不再适用的特点,在光纤电流差动保护装置中增加光纤距离保护原理,从而扩大光纤电流差动保护装置的适用范围。但公用通信网还存在数据安全问题,极端自然灾害情况下可能出现基站失电造成数据无法转发。纵联差动保护对数据传输实时性要求高,因此目前在纵联差动保护通道的研究多集中在影响光纤保护通道的延时和同步分析上,包括信道模型、误码特性、倒换路由改变等因素对保护延时及同步的影响即J。另外一方面,文
10、献79】针对光纤通道传输保护信号的可靠性进行了研究。然而在纵联差动保护应急保护通信上的研究较少。由于无线传感器网络(WSN)具有自组织、多条路由等优点,特别适合用于环境恶劣、抢险救灾、危险区域远程控制等领域,文献10】提出了基于无线传感器网络的广域保护紧急通信通道的重构方案,在主保护通道失效后承担线路两端的电流数据传输任务,维系纵联差动保护的功能。但其仅仅是从无线传感器网络结构及特点对该方案进行了初步的论证,对组网方案和关键技术的表面论述也稍显粗浅。此外其仿真采用的无线传感器节点少传输距离较短,受限于当时无线传感器硬件技术。本文在文献10】的工作基础上,结合新型的无线传感器模块对WSN应用于应
11、急保护通道重构的方案实施和关键技术进行了更深入细致的研究。从工程实际应用的角度,进一步研究分析灾变情况下节点冗余布置方法和通信性能。具体而言,在考虑节点数量及其灾变损毁率情况下,提出了基于通信网络可靠性及成本最优的节点冗余布置算法。结合纵联差动保护数字仿真试验,研究了AODV(Ad hocOndemand Distance Vector)路由方式下,节点通信距离、架空线路杆塔档距及转跳次数对通信延时及延时抖动的影响。1 应急保护通道的方案设计11应急保护通道网络特点基于无线传感器网络的应急保护通信通道与传统的移动自组网络式传感器网络(MANET)有着许多显著不同的特点:(1)位于应急保护通道中
12、的无线传感器节点位置固定并且按近似直线的链式拓扑排列;而MANET的概念中节点可以自由移动,拓扑常见的是星状、网状或树状111-12;(2)应急保护通道中真正的通信节点只有线路首尾两端的两个节点,而MANET中一个节点可以向网络中任何一个节点发起通信;(3)移动自组网络式传感器网络本身兼具采集传感数据和传输数据功能,可应用于输电线路状态监测数据(Pn导线温度、风舞等)的采集;应急保护通道的无线传感器网络是自组网络式传感器网络的一种工作模式,能够在灾变情况下从监测模式切换到应急数据传输模式,肩负起传输保护数据的重任;(4)构建的应急保护通道中通信节点的供电方式为线上感应取电【l 3J或备用电池供
13、电,可以进行供电方式切换。而MANET中一般的设想是节点由电池供电,寿命有限。12传输及同步方式无线传感器网络具有应用相关性,保护数据传输量决定了网络的带宽和数据传输速率,为网络协议的选择提供了依据。不同的差动保护判据其传输方案不同,通过比较其传输数据和数据量可以采用数据量少的方案达到数据融合的目的。纵联差动保护可以利用采样值判据或相量判据。假设采样率为一个周波16点采样,ABC三相电流、电压采用四字节表示。若采用采样值数据传输,一个周波需3 072 bits即传输速率为1536 kbps。若采用全周富氏算法,一个数据窗内包含一个周波的采样数据点,计算当前16个点后,每隔125 ms数据窗向前
14、滚动一次,即每隔125 ms丢弃这16个点中的第一个采样值,并用这125 ms内最新产生的采样点补充到之前剩余的1 5个点的尾部组成一个新的数据窗来计算电流向量。1 S内产生l 000125=800个数据包,数据包中有效数据段折合传输速率为1536 kbps。可以总结出如下结论:(1)采样值方式有效数据段的传输速率与采样率呈正比,若需提高采样率,其对通信信道的传输速率要求变高;(2)对于数据包中的有效数据字段,若采样率相同,那么按照采样周期平移时间窗的傅氏算法传输数据量和采样值传输数据量相同;(3)相量值方式有效数据段的传输速率与采样率无关,而与两个数据窗的时间间隔有关,可通过增大数据窗的间隔
15、减小有效数据段的传输速率。纵联差动保护两端数据由于通道延时引起的不同步可能导致保护装置的不正确动作,目前,纵联差动保护中的采样同步方式有以下几种:基于数据通道的同步方法、基于参考向量的同步方法和基于GPS的同步方法。其中基于数据通道的同步方法又包含采样时刻调整法、采样数据修正法和时钟校正法1 41,但其依赖的是通道在两个不同方向上拥有相同的延时。而Zigbee网络的路由在前后两个方向万方数据潘伟,等 基于无线传感器网络的应急保护通道可靠性及通信性能研究 -73一上无法保证是相同的。而且即使一个方向上的路由也可能会受到链路质量、节点故障等因素的影响而改变,从而导致端到端时延的改变【l 5|。针对
16、这种端到端时延多变的通信网络,可以将每一次转跳花费的时间记录下来并写入到传输数据包中发送到对侧。或者采用基于GPS的同步采样方案,利用GPS接收机接收GPS卫星发送秒脉冲信号IPPS,该脉冲信号上升沿与UTC的同步误差不超过l“s,也就是说如果利用该脉冲信号上升沿作为一轮采样的触发信号,线路两端的采样同步误差会在2“s以内。2“s相对于一周期20 ms的周波是00360,完全可以满足纵联差动保护的精度要求。13数据包格式及工作方式考虑到无线传感器网络传输速度有限、延时较大,如果将电流采样值实时发送到线路对侧,可能会给网络造成拥堵,带来巨大的负担。因此应急保护通道采取的是传送相量的方式。即在本侧
17、求解出相量的实部和虚部值,然后将它们发送到线路对侧。目前传输的数据包有两种格式:一种是为提高经大过渡电阻故障时的灵敏度,采用相、零序电压补偿电容电流,需要同时采集三相电压和三相电流;一种是不进行电容电流补偿,其传输仅包含三相电流相量实、虚部。表1为第一种数据包的具体字段组成和相应的字节数。表1应急保护通道数据包格式Table 1 Data packet format of emergency communication同步字节用来对数据段的开头和结尾进行标记;组ID用于标记本条线路上节点所组成的网络的ID号,只有节点拥有相同的组ID时才可以互相通信。这样可以避免周围线路的网络造成干扰;目标节点
18、为线路对侧的变电站内接收节点的节点号;产生节点为本侧变电站内发送节点的节点号;发送节点为数据包转发过程中,发出该数据包的节点号;采样序号为对1 S内计算出的电流向量进行标号,用于表示1 S内数据窗相对于GPS接收机的秒触发脉冲的时间偏移。在接收到秒脉冲时将下一个数据包的采样序号置0,每滚过一个时间窗,并计算得到一组电流向量就将采样序号加l。在1 S内,具有相同采样序号的数据包表明是在同一时刻所选取的数据窗。对侧接收到数据后,应将两侧采样序号相同的数据代入保护判据进行计算。三相电流分别表示三相电流的幅值,实部和虚部各用两个字节表示;三相电压分别表示三相电压的幅值,实部和虚部各用两个字节表示;开关
19、量包含远跳信号、远传信号、CT断线、CT饱和等信息;CRC对数据包中的所有数据进行卷积计算得到两个字节的CRC码,CRC码可用于在接收时对全部数据进行校验。为了实现两侧数据的同步,当GPS接收机每接收到一次秒触发脉冲后,校正下一次的采样时刻,并将下一组时间窗所对应的数据包中的采样序号置0。在1 S内,具有相同采样序号的数据包表明是在同一时刻所选取的数据窗。由于该应急保护通道的端到端延时经过仿真不会超过1 s(在下文会用仿真验证),在接收端最后计算得出的本侧800个数据包中,有且仅有一个数据包的采样序号会与对侧数据包中的采样序号相对应。也就是说不会发生接收端将对侧第圹1秒的数据对应到本侧第n秒的
20、数据的情况,保证了数据的同步性。在这种数据发送格式下,每秒单侧产生的比特数为800358=224 000 bits,而基于IEEE802154的Zigbee协议工作在24 GHz时拥有250 kbps的带宽,满足数据传输的要求。2 应急保护通道可靠性分析应急保护通道作为光纤通道的后备通道,应该在恶劣的自然条件和自然灾害下具备足够的可靠性。因此,本节对自然灾害下节点的可靠性和整个通道的连通性建立相关模型并进行分析。考虑某段输电线路,杆塔之间的档距均相等,假设某种自然灾害发生在该段线路时,单个节点正常工作的概率为P,损毁概率为l节。对整个通信网络有如下假设:(1)各节点损毁时间相互独立,因此整个网
21、络的连通性则是在某种自然灾害下,全部节点能够使电流数据从网络的一端发送至另一端的概率;(2)每个杆塔周围都装有一个或多个节点且每个节点的通信范围均相等:(3)档距远大于杆塔附件节点之间距离,通信网络近似考虑为直线型网络且通信范围为无遮挡视距。本节主要研究保证网络连通情况下,可靠性和杆塔节点安装总成本的多目标优化问题。21可靠性算法以某段有行个杆塔的直线型线路,k个故障节点时为例对算法展开论述(每个杆塔只布置一个节点)。每个节点的通信范围能够向一侧覆盖m个档万方数据74 电力系统保护与控制距,只有当网络中有相邻的m个节点发生故障时,网络通信才会中断。因此网络的连通性就是指在各种可能的节点损坏情况
22、下,最多相邻故障点数目不超过m个的概率。L 。匕-=M(1一p)“xp”。 (1)k=0网络的可靠性可由式(1)求得,其中:Prel为网络的可靠性;M是指k个节点故障的C种情况中能使网络不至于中断的数目,即最多相邻故障点数目不超过m个的情况的数目。根据式(1)可知,算法的核心在于M的计算方法。首先将故障点数目k分为3种情况:(1)O-m一1;(2),zwl;(3)sll。其中s是由m决定的一个划分情况(2)和(3)的中间变量,满足不等式s(m一1)一lns的。对于情况(1),不会出现m个相邻点故障的情况。对于情况(3),剩余的”一k个正常点无法将故障点分隔,使得每个故障点区间的数目大于m,网络
23、不可能连通。因此,主要取情况(2)来进行分析。对于情况(2),应用排列组合的方法,将k个故障节点中的m个看成一个节点,并不与剩余的扣m个区分,则故障节点为k-m+1个,总的节点数为,zm+1个,可知网络不连通的情况有C=种。而总的排列组合种数有口种,因此,网络连通的情况有一锱种。将给定故障点数目的所有分组方式下产生的排列组合数目相加即得出上文提到的帆,最后将M代入式(1)即可得到整个网络的可靠性。22节点的最优布置在实际的无线传感网络中,一个杆塔上仅仅布置一个节点往往是不够的。为了提高网络的可靠性,需要在杆塔上布置多个节点。此时可以把杆塔上的全部节点视为一个可靠性为1一(1叩r的合成节点,x为
24、杆塔上布置节点的个数。l一(1叩r的含义是只有当该处所有的节点全部故障,该位置的合成节点才会失效。增加每个杆塔上节点的数目固然会增加网络的可靠性,但同时增加了成本。因此,需要在成本和可靠性之间进行优化。目标函数及约束为max S(x)=g(1一(1一p)3)一fOXxpricex门,m、 7 L上,subjectto:x爿m。其中:函数舡)是网络可靠性和单个节点正常工作概率的函数关系;09是权衡可靠性和成本的权重系数,其值取决于对可靠性和成本的相对重视程度:price为单个节点成本;。是指杆塔上的最大可安置的节点数,取决于杆塔的载重,绝缘等因素。最终的目标即综合考虑网络可靠性和节点成本,寻求目
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