WSN在变电站的应用

0引言

无线传感器网络（WirelessSensorNetwork,WSN）作为通信领域的新兴技术，具有分布式处理系统的高监测精度、高容错性、覆盖区域大、可远程遥测遥控、自组织、多跳路由等优点[1]。WSN是信息感知和采集的一场革命，在新一代网络中具有关键作用。WSN在多目标、短距离通信方面应用中的优势明显。近年来，“智能电网”成为业内外的热点议题，也是研究的热点内容。因为智能电网建设对其上下游产业链具有巨大的带动作用，而且随着对智能电网研究的深入，展示了未来在能源转化、能源供给方面的美好愿景。目前，国际上对于智能电网还无统一明确的定义，各国都根据自己的特点给出了所要建设智能电网特有的内涵，但有一点是共识：智能电网将在传统电力网络中应用最新的信息化和数字化技术，因此智能电网也是现有输配电网的智能化升级[2]。坚强的网架是实现电网智能化功能目标的基础。作为电力系统重要组成部分的变电站智能化建设成为智能电网建设的重要一环。文章旨在讨论WSN在实现变电站智能化功能的应用，重点讨论WSN在设备状态检修、站内辅助系统及综合自动化系统3个领域应用的技术优势，为变电站的智能化建设提供新思路，以便充分利用先进的通信技术构建安全、可靠的通信网络，贯穿信息采集、传输、集成、展现和决策应用等各阶段，最终形成电力流、信息流、业务流的高度融合和一体化[3]。

1无线传感器网络的架构及特点

1.1网络架构

无线传感器网络是在Ad-hoc网络的基础上发展而来，继承了Ad-hoc在自组织、动态拓扑等方面的特点，并综合了传感器、嵌入式计算机、分布式信息处理等技术，能实时监测、感知、采集网络分布区域的各种环境或监测对象的信息，传送到需要这些信息的用户[4]。无线传感器网络体系架构如图1所示。由图1可知，大量的传感器节点部署在目标区域内部或附近，所有节点通过自组织方式快速形成一个网络。传感器网络全部功能的完成主要来自3个方面的相互协同：①传感器节点，既是信息的采集者，也充当信息的路由者，采集的数据通过多跳路由达到网络汇聚节点，最后接入任务管理节点；②建立在每个节点上所实现的协议栈类型，协议栈决定节点自组织网络的类型、功能，很大程度上决定了网络的可靠性、安全性等方面；③汇聚节点，一端与传感网络相联，另一端与接入网相联，作为两者之间联接的“桥梁”在某种程度上充当代理和协议转换的角色，也决定了其需要拥有较强的通信能力、计算能力和丰富的资源，可以是增强功能的传感器节点，也可以是没有监测功能的专用网关设备。

1.2主要特点

WSN与移动通信、蓝牙、无线局域网等常见的无线网络相比，具有如下特点：①网络资源有限，体现在节点感知、通信范围、能量有限、计算能力有限；②无中心、自组织，体现在网络功能的分布式；③动态拓扑，体现在节点之间存在的竞争与合作。

2WSN在变电站的应用

智能电网的实现很大程度上来自对电网状态的精确感知，而感知精度取决于电网元件数学模型的准确程度及系统元件信息采集的准确性和覆盖范围。WSN将新一代无线通信网络应用于变电站，通过在站内设备上部署传感器和无线网络，很容易实现测量点的全覆盖，且网络结构清晰，利于站内信息的整合，彻底解决存在多个信息孤岛的局面。另外，传感器的增加和退出对系统的影响较小，投资也较低[5–9]。

2.1WSN应用于设备状态检修

传统变电站设备普遍采用定期检修的策略，多年的实践证明，该检修策略有很大缺陷，易造成检修不足和检修过剩。智能变电站模式的提出使检修模式也由定期策略向状态策略转变。目前的应用方式未发挥状态检修的优点。现在的做法是监测传感器就地安装，数据传输方式采用现场总线上传至监测数据集中器，通过规约转换接入状态监测系统进行评估分析，结果通过安全隔离设备在监控系统进行展示。若增加监测节点或监测对象，对现有模式的改造将费时费力，尤其是对老变电站的智能化改造。另外，由于监测传感器安装对象一般处于高电压、大电流和强磁场环境中，在实际运行中必须要求监控对象与监测仪器之间进行电压隔离，保证工作时的人身安全。WSN可应用到设备状态检修中，充分发挥其不需布线、灵活多变且网络结构清晰的优点。将精密电流、精密电压、温度、微水、SF6等传感器设备在原有功能基础上加装信号调理、A/D转换、射频、电源管理等功能，提升传感器的信息采集、信息处理和无线通信功能。应用WSN的状态检修系统如图2所示。

2.2WSN应用于辅助系统

站内辅助系统主要包括视频系统、消防安防系统、给排水系统、采暖通风系统，均为变电站的重要组成部分，其可靠与否直接影响正常的生产、运行。常规变电站的建设对于辅助系统的关注较少，基本是各为一体，纵向上无信息模型标准，横向间无信息交互，功能相对单一。在智能变电站模式下，信息化、自动化、互动化的特点要求应用必须关注辅助系统的信息，重要的是关注信息采集的标准化、应用的智能化。WSN应用于辅助系统中的设想是：改变现有辅助系统智能化的思路，从对设备物理上的整合转向对站内辅助系统信息上的重构和应用，将原有的多套孤立的辅助系统从信息上整合成为1套系统，使结构更为简单和清晰。应用WSN的辅助系统如图3所示。

2.3WSN应用于综合自动化系统

通信技术是变电站自动化赖以实现的关键技术。从变电站自动化发展历程看，每次进步都与通信技术的发展密切相关。通信技术由RS–485、CAN到以太网，相应变电站自动化模式也由最初的远动终端设备（RemoteTerminalUnit，RTU）、常规综合自动化到数字化变电站，再到目前建设的智能化变电站。IEC61850标准将变电站分为过程层、间隔层和站控层，为了在通信技术日益发展的今天保持业务层的相对稳定性，标准并没有规定具体的网络拓扑、网络结构、通信方式和物理接口，为WSN技术的应用创造了基础。WSN应用于综合自动化系统的设想是：保留站控层模式不变，将WSN应用于过程网络，取代现有过程的基于以太网网络和部分光纤串行通信。将合并单元、智能终端等过程层设备增加无线路由功能，对应用无任何影响。在具体设备实现上也只需将满足IEC61850–9标准的特殊通信服务映射（SpecificCommunicationServiceMappingSCSM），改变为满足所采用WSN网络的映射规则即可，即改变“应用层+链路层+物理层”。应用WSN的综合自动化系统如图4所示。