湖北民族学院课程考试答题本考生姓名黄鹏考生学号031240611系、年级电气工程及其自动化考试科目传感器与检测技术考试日期2014年12月31日无线传感器网络在电力系统中的应用摘要:概括了目前应用于电力系统中的几种主要的通信技术，包括电力线载波通信、光纤通信和无线通信技术，分析了几种通信方式的优势和不足。
介绍了无线传感器网络的应用现状，研究了无线传感器节点构成与工作原理，并探讨了无线传感器网络在变电站自动化系统、电能质量监测、配电网设备监控与故障定位、输电线路实时监测等方面的应用。
关键词: 通信方式; 无线传感器网络; 变电站; 配电网; 输电线路Abstract: Several major communication technologies used in the power system are summarized，including power line carrier communication，optical fiber communication and wireless communication technologies.The advantages and disadvantages of several communication technologies are analyzed．The present application situation of the wireless sensor networks ( WSNs) is introduced，and the constitution and working principle of WSNs node is studied.The applications of WSNs in substation automation system，power quality monitoring，power distribution network equipment monitoring and fault localization，transmission lines real-time monitoring，and so on are discussesd．Key words: communication mode; wireless sensor networks ( WSNs ) ; transformer substation; distribution network; transmission line。
引言物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮，随着物联网受到越来越多的关注，作为其核心技术的无线传感器网络( wireless sensor networks，WSNs) 技术也进入了迅猛发展的时期。
无线传感器网络最初是由美国军方提出的，美国国防部高级研究所计划署( DARPA) 于1978 年开始资助卡耐基—梅隆大学进行分布式传感器网络的研究，这被看成是无线传感器网络的雏形。
无线传感器网络能够协作地监测、感知、采集分布于监测区域内的各传感器信息，并通过节点处理将数据发送至监控中心从而达到实时监测的目的。
无线传感器网络具有以下独特的优势［1]: 节点高度集成; 采用无线通信模式，不需要复杂的通信线路布线; 自组织性和大规模性; 适用于恶劣的环境; 针对不同的应用场景，配置不同的传感器节点，快速搭建平台。
目前国内对无线传感器网络的研究也在各个学科领域逐渐深入，包括工程过程控制、环境的监测、医疗护理、智能家居、智能电网等。
本文对几种电力系统通信技术的优势和不足进行分析，在此基础上对无线传感器网络技术进行深入研究，并对无线传感器网络在电力系统中的应用进行探讨。
1 电力系统通信方式目前，应用于电力系统中的通信技术主要有电力线载波技术、光纤通信技术和无线通信技术3 种。
1． 1 电力线载波技术电力线载波通信( power line carrier，PLC) 技术具体是将载有信息的高频信号加载到电力线上，利用高压输电线作为传输线路，在接收端通过专用的电力线调制解调器将高频信号从电力线上分离出来，用于电力系统的调度通信、远动、保护、生产指挥、行政业务通信及各种信息传输。
目前，PLC 依然是地区电网的重要通信手段之一，是在电力系统中应用最广泛的通信方式。
PLC 经历了从分立到集成，从功能单一到微机自动控制，从模拟信号到数字信号的发展历程［2，优点是覆盖范围广，上至500 kV 线路，下至35 kV 线路都开通了电力载波机; 成本低，利用现有的输电线就可以构建通信网络; 数据传输速率高，可以享有整个信号的带宽。
但是，PLC 技术载波频率较低，噪音高，信号衰减和失真较为严重［3]。
1． 2 光纤通信技术自1966 年，美籍华裔学者高锟提出以光纤作为传输介质的思想以来，光纤通信技术从研究到应用有了迅速的发展。
电力系统光纤通信主要用于语音、数据、宽带业务等常规电信业务和电力保护、安全自动控制及电力市场化所需的宽带数据等电力生产专业业务。
电力系统专用的特殊光缆有光纤( 复合) 架空地线( optical fiber overhead ground wire，OPGW) 、全介质自承( all dielectric self supporting，ADSS) 光缆、光纤复合相线( optical phase conductor，OPC)、金属自承( metal aerial self supporting，MASS)光缆［4]等。
我国电力系统使用较多的是OPGW 和ADSS。
其中，OPGW 是由光纤与电力输送系统的地线组合而成的通信光缆，兼具地线和光纤通信的作用，已经在电力系统的通信中发挥了重要的作用。
光纤通信的优点是频带宽，传输容量大，只需要一根光纤就可以传送需要几百芯的电缆才能传送的数据量; 损耗小，中继距离长且误码率小; 抗电磁干扰能力强，保密性好;耐腐蚀、耐高温、在恶劣环境中发挥了重要作用; 光纤使用SiO2制造，材料价格低廉，节约了金属材料。
缺点是分路和耦合不灵活，连接比较困难，强度不如金属导线，弯曲半径不宜太小。
1． 3 无线通信技术应用于电力系统通信的无线通信技术包括第三代移动通信CDMA2000，WCDMA 和TD-SCDMA，全球微波接入互操作( world interoperability for microwave access，WiMAX)系统，多点多信道分布式系统( multipoint multichannel distribution system，MMDS)，无线局域网( wireless local area network，WLAN)，本地多点分配( local multipoint distribute service，LMDS) 接入系统，超宽带( ultra wide band，UWB)无线技术等［5]。
无线通信应用于电力系统的优势是可以在通信区域内移动，安装快速，简单灵活，可以遍及有线通信不能到达的地方; 布线少，投资小; 扩展能力强，可以综合利用多种网络拓扑结构。
不足之处是抗电磁干扰措施要求高，灵敏度受限制，受障碍物影响严重。
2 无线传感器网络在过去十几年中，国内外无线传感器网络技术的发展和应用都取得了很大的进展。
2002 年，Berkeley大学启动了NEST 计划研究开放式的软硬件平台; 2003 年，INTEL 公司在Berkeley大学的研究中心启动了关于无线传感器网络的研究，包括测试异构传感网性能，Mote计划，TASK 计划［6]; 2004 年，哈佛大学启动了CodeBlue平台研究计划［7];欧洲于2002 年启动了EYES［6] 研究计划。
我国中科院早在1999 年就启动了传感网的研究，并在无锡成立了微纳传感网工程技术研发中心; 2004 年，中国国家自然科学基金委员会将无线传感器网络列为重点研究项目，2005 年开始传感器网络的标准化研究工作; 2009 年9 月11 日，我国成立了《传感器的网络标准工作组》; 2010 年3 月，传感网络国际标准工作组( WGSN)在英国伦敦举行了自成立以来的第一次工作会议，在会议上我国代表团提出了两份标准草案，一个是创新网络协同信息处理的标准草案，一个是创新网络总体架构的标准草案，该草案对于整个国际物联网标准的制定有着十分重要的意义［8]。
常用的应用于电力系统监测的无线传感器有温度、湿度、加速度等。
温度传感器应用在变电站开关柜、变压器等温度监测中; 湿度传感器可以应用在湿度监测中，加速度传感器可以应用在电力电缆舞动监测。
一种以A VRATmega16作为处理器模块芯片的温度、湿度、加速度传感器节3 无线传感器网络在电力系统的应用3． 1 变电站自动化随着变电站综合自动化系统的大规模普及，变电站的无人值守模式成为变电站发展的必然趋势，因此，对通信网络的要求也提高了。
高性能的通信网络可以提高变电站运行的可靠性，采用无线传感器网络对变电站进行监测可以实现实时准确的在线监测。
变电站自动化通信网络的设备层与间隔层之间的传输速率为250 kbit /s，间隔层内的传输速率为130Mbit /s，间隔层与变电站层之间的传输速率为100 kbit /s［9]。
无线传感器网络工作在2.4 GHz 频段，数据传输速率可以达到2Mbit /s，网络的传输速率完全能够满足变电站自动化通信网络的需求。
2007 年，重庆大学的高电压与电工新技术教育部重点实验室提出了一种基于正六边形网格的分层网络结构，并将此结构应用于变电站自动化系统，通过理论分析获得了给定能量模型下的最优分层算法，并进行了仿真计算，结果表明采用此网络结构后，网络寿命明显延长，能够满足变电站自动化系统的要求［10]。
2009 年，电力安全与高效湖北省重点实验室提出了一种应用于变电站自动化系统的无线传感器网络组网方案，是一种基于分簇路由的两层架构模式，在过程层采用无线传感器网络，在间隔层、变电站层采用以太网，并对实现该网络的关键技术进行了研究，该方案是对变电站自动化系统通信网络的一种有益探索［11]。
3.2 电能质量监测国内中国电力科学研究院、浙江大学、天津大学、四川大学等都对小型化电能质量数据采集设备进行了研究，并取得一定的成果。
国家电网电力科学研究院的王玲等人构建出硬件基于ARM + DSP 双系统和软件基于多Agent 技术的开放、主动的电能质量监测系统，并应用于湖北电网和浙江电网中，用于监测暂态与稳态电能质量指标，能准确反映出电网电能质量的状况［12]。
东北电力大学的滕志军等人设计了基于Zig Bee的电能质量监测分析系统，将无线传感器网络技术应用于电能质量监测，包括系统功率因数、有功和无功功率、谐波等相关数据的电能质量数据经检测设备采集，然后传到Zig Bee模块再发送出去，经多跳传输后由终端设备接收。