發布時間：2021-08-04所屬分類：免費文獻瀏覽：1次
摘 要： 機械設計與制造工程
《基于無線傳感器網絡的智能電網運行質量評估》論文發表期刊：《機械設計與制造工程》；發表周期：2021年03期
《基于無線傳感器網絡的智能電網運行質量評估》論文作者信息：井含香( 1986—) ，女，工程師，主要從事電能計量研究與管理．
摘要：現有輸電電網存在維護成本高，可擴展性差，缺乏安全、有效的系統監控等問題，為此提出了利用無線傳感器網絡(WSN)技術實現高效、可靠、低成本的電網監控方法，來評估智能電網的運行質量。設計了一種有效且安全的在傳輸線上測量數據的方法，并進行了仿真。仿真結果表明，基于無線傳感器網絡進行智能電網運行質量評估的精度較高，智能電網系統運行質量信息分布均勻。
關鍵詞：無線傳感器網絡;智能電網;輸電線路;安全;可靠性
智能電網具有堅強的電網基礎體系和技術支撐體系，能夠抵御各類外部干擾和攻擊。電力系統中不同種類的電子元件具有不同的動態特性，并且可以對系統中出現的干擾作出不同的響應。由于每種動態特性都反映了電力系統的某些特征1因此可以根據其發生的原因、結果、時間、物理特性或發生在系統中的位置對其進行分類。根據干擾的物理特性不同，可以將電力系統動力學分為波、電磁、機電和熱力學4種。高壓傳輸線中的干擾通常與波效應、雷擊或人為的開關操作有關，其發生通常是瞬時的2。
在當今的電力系統中，傳感設備常通過有線通信(例如以太網或光纖)將采集的數據傳輸到中央控制室，公用事業總部的監控系統和調度員在該位置管理電網運行。但是在惡劣環境中使用有線通信通常是不經濟的，甚至是不可能的，因此迫切需要低成本的無線監測系統，以提高系統的可靠性和效率。文獻[5]對智能電網監控系統中無線傳感網絡的安全問題進行了研究，重點對智能電網監控中無線傳感技術、網絡組成和組間、組內通信傳輸問題進行了研究：文獻6]通過信號控制電路將智能電網中的信號進行放大，對采集電路輸入端進行優化，設計了一種高水平的電力通信傳輸參數遠程監測系統。最新的研究結果表明[-1，無線傳感器網絡在完成監控和通信任務方面具有巨大的潛力。
傳感器在監測電力系統的狀態時，會產生大量的敏感數據[，因此無線傳感器網絡應用的增加也帶來了新的挑戰，特別是在隱私、連接和安全管理方面。為了建立智能電網監控系統來評估智能電網運行質量，本文設計了一種有效且安全的在輸電線上測量數據的方法，并進行仿真，仿真結果表明基于無線傳感器網絡進行智能電網運行質量評估的精度較高。
1無線傳感器網絡
無線傳感器網絡可以提供重要的信息，用于電力系統的優化。電力系統的監視和控制對于其高效的運行至關重要，無線傳感器網絡作為一種分布式傳感網絡，具有低成本、靈活且自組織的特性，是創建高度可靠且可自我修復的智能電網的理想選擇。與傳統通信技術相比，無線傳感器網絡通信技術具有顯著的優勢，其特點是可快速和直接部署，覆蓋范圍大、安裝和維護成本低、易于更換和升級
無線傳感器網絡在智能電網中的應用范圍很廣，包括但不限于電能質量監控、斷電檢測、架空傳輸線監控、故障檢測和定位、設備故障診斷和地下電纜系統監控等。與傳統的通信技術相比，無線傳感器網絡的協作性和上下文感知特性使其具有更好的容錯能力、更高的精度、更大的覆蓋范圍和局部特征可提取等特性。盡管擁有不可否認的優勢，但與所有類型的無線網絡一樣，無線傳感器網絡也容易受到來自開放通信環境的威脅，給系統帶來一定的風險1]。由于無線傳感器網絡與其所在的物理環境密切相關，并隨著環境的變化而不斷地變化，因此無法將先進且復雜的安全機制應用于無線傳感器網絡，使得其保護措施變得更加復雜，并使無線傳感器網絡更容易受到外部攻擊。由于電網具有較強的復雜性且對時間高度敏感，因此容易受到各種類型的攻擊22，電網系統可用的安全解決方案往往很昂貴，并且會消耗大量的中央處理器
(CPU)資源。遠距離使用無線傳感器網絡的另一個缺點是信息傳輸的時延較大。
信息傳輸的時延與所使用的路由算法有關，并且與數據傳輸的距離以及上一條信息最終發送到基站的時間有關[1]。為了實現高效的通信，最小化信息傳輸時延是至關重要的。因此，本文著眼于最小化時延，同時考慮通信的可靠性，提出了輸電網系統中無線傳感器網絡安全、可靠的通信方案。
2無線傳感器網絡在輸電網系統中的安全可靠通信方案
通常，電網系統中包括發電、輸電、配電和用電站點。變電站監控與數據采集(SCADA)系統是變電站控制的核心。智能電網系統包括電力傳輸網絡和通信網絡，其中通信網絡包括蜂窩網絡、微波網絡、光纖網絡、串行鏈路或無線局域網。圖1所示為典型的包含無線傳感器通信網絡的電力傳輸網絡。無線傳感器用于電力數據傳輸和配電監控[-1，由于傳感器處理的是敏感且機密的電網數據，應該確保傳輸的安全性，以防止被竊并避免任何未經授權的訪問，因此需要實施安全可靠的傳輸協議。
圖 2 給出了一個 110 kV 傳輸線示例。兩個變電站之間有 43 個極點，共 45 極( 包括變電站) 。在每個極點上部署 4 個傳感器中繼節點( 也稱為接收節點) ，總共部署了 180 個傳感器，如圖 3 所示。一組( 4 個) 傳感器將感知信息發送到接收節點，接收節點從感知節點收集信息后，將信息發送到變電站，變電站再將數據傳輸到網關。
由于傳感器感知節點與中繼節點之間的距離很小，因此使用短距離通信技術，將 TelosB 傳感器設備安裝到電線桿，作為傳感器感知節點，用于收集數據，使用 Mica2 傳感器作為接收器節點，通信協議為 IEEE 802. 15. 4 /ZigBee。傳感器的參數見表 1。
為了準確地監控數據，輸電線路監測系統需要不斷更新測量參數，因此無線傳感器之間的數據需要同步，以便在傳輸線的不同位置對測量數據進行直接比較。傳輸線路上每個接收器將測量數據發送到相鄰中繼節點所需的時間隨著跳數的增加而增加，離變電站較近的傳感器要比離變電站較遠的傳感器處理更多的測量數據。考慮到傳輸線的拓撲約束，低帶寬、低數據速率的無線節點無法以多跳的方式傳輸大量數據，因此將所獲得的數據分為兩部分進行傳輸，以減少數據傳輸的延遲。假設電力線位于一個開放區域中，在該區域，中繼節點的天線彼此之間可見。通常使用數學傳輸模型以統計方式對電力傳輸網絡進行建模。由于在鏈路預算中，路徑損耗在網絡損耗中占比最大，且變化也較大，因此在仿真中使用路徑損耗作為評估指標，通過計算獲得接收節點之間的連接質量( q 值) 。q 值的精確計算公式如下:
在傳輸電網中部署無線傳感器網絡作為監控解決方案時，數據包丟失是必須考慮的一個重要問題。數據包丟失可能由多種原因引起，包括網絡傳輸介質上的信號質量下降、流量過大而造成的擁塞、鏈路層的碰撞或緩沖區溢出。節點之間的傳輸距離和連接質量也會導致數據包丟失。數據包丟失與信號強度之間存在很強的相關性，在長距離傳輸中，信號強度衰減效應導致信噪比降低，從而造成數據包丟失。解決數據包丟失問題最常見的方法之一是數據包重傳。數據包重傳需要通過一些其他機制來實現，例如，使用確認(ACK)機制，每個成功接收的數據包都應由接收者通過通知進行確認，如果發送者無法識別通知消息，則應重新發送該數據包.ACK機制可以為數據包重傳提供可靠的保證。
3仿真與結果分析
為了驗證本文方法實現電力傳輸網絡運行質量評估的效果，進行仿真測試。設置傳輸線相鄰兩極之間的距離為100 m，信息評價的演化參數集大小為200，訓練集維數為45，電網運行的容量為1800 Mw.將傳輸線分為兩個子線，每個子線只有一個極點直接鏈接到變電站，因此所獲得的數據最終到達變電站需要遍歷的跳數為左子線22，右子線23。各傳感器收集的數據大小相同，為80個字節，由于每個極點上有 4 個傳感器，因此中繼節點接收到的數據大小為 320 字節。TelosB 將數據傳輸到中繼節點大約需要 4 000 ms。為保證傳感器網絡中的數據不泄漏，只有被授權者才能訪問，因此需要對訪問者進行身份驗證。在實驗中，已為參與通信過程的每個節點使用了單獨的密匙。
在基于無線傳感器網絡的智能電網系統環境中進行電力傳輸運行質量評估實驗，其具體步驟如下:
步驟 1，在智能電網系統質量預測值中添加一個待定權值，并保持在設定的閾值范圍內，將實際測量的數值與預測數值進行對比分析：步驟2，對節點1到節點7修正的負荷值進行質量量化評估，并進行不良數據檢測;步驟3，如果出現不良數據，則使用預期損失模型分析獲取一個估計值，以此修正不良數據：步驟4，重復步驟1-3，直到沒有不良數據出現為止，得到質量量化預測值;步驟5，將得到的預測值傳送給電網后臺監控端，并剔除掉不良數據，防止信息干擾。
依據上述實驗步驟，得到智能電網系統運行質量信息分布如圖4所示。
由圖 4 可知，利用本文方法進行智能電網系統運行質量量化評估，其質量信息分布均勻。為了對比該結果與已有研究的成果，分別使用文獻[5]方 法、文獻[6]方法計算了無線傳感器網絡的連接質量 ( q 值) ，并在此基礎上，獲得連接質量標準差對比結果，見表 2。
由表2可知，與文獻[5]方法和文獻[6]方法相比，本文方法得到的標準差值與實際值較為接近，說明用該方法進行智能電網系統運行質量量化評估效果更好，原因是本文方法能夠更加全面地分析隨機擾動對系統頻率所產生的影響。
智能電網運行質量特征表現為電網的輸出參數信息、用戶信息和電網各項設施設備的運行管理信息，在此基礎上建立智能電網系統運行質量分布特征檢測模型，并與文獻[]方法和文獻[6]方法進行對比，得到質量信息特征的準確性對比結果如圖 5 所示，平均信息傳輸時延如圖 6 所示。
分析圖5和圖6可知，利用本文方法進行質量信息特征檢測準確率比文獻[5]方法和文獻[6]方法高，而且信息傳輸時延明顯優于文獻[5]方法和文獻6]方法。利用本文方法進行智能電網系統運行質量評估的特征聚類性較好，有利于提高質量評估的可靠性。
4結束語
無線傳感器、智能變電站和通信設備可以提供實時監測系統的運行狀況，使智能電網運營商能夠主動預防許多問題。利用無線傳感器和自動化控件采集的實時信息進行系統監測，使智能電網可以避免停電、電能質量問題和服務中斷等情況的發生。本文提出了一種有效且安全的在輸電線上測量數據的方法，并將其應用于智能電網系統監控，從安全性和信息傳輸時延方面進行了分析。通過與其他方法比較可知，所提方法可以提高質量評估的可靠性。
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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
SCISSCIAHCI
