智能电网输电线路走廊通信系统

杨家全

(云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217)

智能电网输电线路走廊通信系统

杨家全

(云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217)

针对当前输电线路在线监测需求，提出一种高压输电走廊的通信方案，组建了光纤复合架空地线OPGW光网络、2G/3G无线蜂窝网络紧耦合的无线Mesh网络。实现了网络拓扑容错、全网时钟同步。同时，针对输电线路环境特征，提出了无线信道分配，QoS路由，业务调度技术；该通信方式满足了输电走廊中对电力信息传输的实时性、可靠性要求。

智能电网；输电线路；无线Mesh网；可靠性；实时性

0 前言

高压线路构成的地理走廊具有距离跨度大、位置偏僻、线路监测点多的特点。而当前智能监测设备缺乏可用的远程通信信道，因为输电线路上的OPGW光纤面临光纤开口多的工程实现性困难，而采用2G/3G无线公网又不能保障对被监测点的覆盖。为此，本文提出了一种输电走廊的混合通信方法。

智能化在线监控系统中，一方面智能监测设备对输电线路进行实时监测和控制，并将采集的数据通过上行汇聚到变电站或更高等级的监控中心；另一方面，变电站向智能监控设备下行发送状态检修指导等数据信息。为了保障这些数据能够尽快地，无差错地传递，输电走廊需要建成宽带、实时、可靠、安全的通信网络[1-2]，同时，该通信网络应支持IEC61850和IEC61970所定义的电力业务，满足智能监测系统的地理信息系统(geographic information system，GIS)、故障时序逻辑分析等特殊要求。

1 输电走廊通信系统

1.1 三平面组网方式

智能电网输电走廊中通信系统在数据传输面是分3个平面：光网络平面，无线Mesh网络平面与PLMN平面，如图1所示，输电线路上OPGW光纤为电力远程调度提供了可靠的通信信道，同时也为输电走廊上的在线监控设备提供信息接入的通信骨干网络。无线Mesh网络将输电走廊上多级杆塔信息采用无线中继方式汇聚到OPGW的信息接入点，从而减少OPGW开口次数。PLMN网络作为OPGW骨干光网络备份，无线Mesh网络将信息通过2G/ 3G蜂窝无线网络接入通信骨干网络。

图1 通信系统

1.1.1 网络容错设计

三平面组网为信息节点提供多样化的接入通信骨干网络选择，可以构成多归属配置，从而提高了信息汇聚接入点的可靠性。另一方面，为了克服输电杆塔上的无线中继设备的多跳线状组网带来的可靠性缺陷，无线Mesh网络在电力走廊构成网状逻辑拓扑，为多跳中继的无线网络提供了冗余路径。如下图2所示：杆塔1～8之间，从通信链路在1、2、3杆塔之间构成线状拓扑，在这样单路径结构中，节点2就称为关键点；第二种就是在3、4、5、6之间构成环状拓扑，这样就有两条路径；第三种是在6～13、14之间形成网状拓扑，提供多路径冗余。

图2 通信网络容错拓扑

1.1.2 网络控制设计

上述网络拓扑采用IEEE802.11设备的 “点对点”和 “点对多点”的简单拓扑组成多个独立的基本服务集 (basic service set，BSS)，而多跳无线Mesh网络构成扩展服务集 (extended service set，ESS)，OPGW光网络和PLMN网络构成分布式系统 (distribution system，DS)。通过这样简化BSS域可以避免无线Mesh接入协议中的的隐藏和暴露终端的问题。

1.1.3 网络同步设计

通信网络的信息传输需要时钟体系支持，而智能信息终端的业务也需要获得通信网络时钟。以电力系统BITS时钟为基准，无线Mesh网络从OPGW光网络提取参考时钟，而GPS作为外基准时钟备份。为此，无线Mesh网络建立以骨干网关口节点为根节点，采用最少级数为原则构成动态时钟树，如图3所示，同步树中越靠近树根的节点的时钟等级越高。

图3 通信网络时钟同步树

1.2 无线Mesh关键技术

无线Mesh网络以 (工作在2.4 GHz或5.8 GHz的公共频段)IEEE802.11为基础，采用多个独立BSS服务集构建，其中通信节点之间需要实现数公里的远程通信。为此，需要考虑功率、无线资源、协议等限制条件。

1.2.1 高增益无线技术

输电走廊大跨度的信息传输需要增加传统IEEE802.11设备的传输距离。输电走廊信息节点沿杆塔呈线性分布，使用高天线增益，可以在满足无线电管理委员会的规定条件下提高通信传输距离。例如：若收发侧均采用增益为20 dBi，接受灵敏度为-75 dBm的定向天线时，设置发射功率为500 mW便可以提供5 km通信距离。

1.2.2 无线信道分配

无线Mesh网络需要对无线信道资源进行合理的分配，限制无线信道之间干扰。由于无线功率限制，其有效通信距离称为通信域，然而在超出通信域仍然会对其他通信造成干扰的区域称之为干扰域。输电走廊中通信系统中无线Mesh网络的通信域与干扰域模型如图4所示：

图4 干扰域与通信域的模型

进行无线信道分配的基本原则就是：最大限度的利用给定的信道数目以及通信端口数目，使得在一个节点的干扰域内，互相通信的两个节点不会产生干扰，即其通信域不会重叠。对此，结合无线Mesh网络的拓扑，在确保无线Mesh网络中节点连通性的情况下，给每个节点的每个接口分配一个独立信道，抑制相邻节点在通信时所产生的信道之间干扰。对于组成线状拓扑的多个节点，可以对两个通信节点之间使用多个通信接口，通过使用多条链路实现链路级的资源冗余，提高网络可靠性。

1.2.3 无线Mesh网络QoS路由

输电系统从本质上来说是一种控制系统，对信息传输的实时性、可靠性都提出了严格要求。在此，通信网络提供了综合QoS保障措施：无线Mesh在网络拓扑上提供QoS路由。

路由分为2个部分，第一个是根据QoS建立和维护该节点到达关口节点的最优路径树，第二个部分是节点根据最优路径树和不同业务的QoS选择不同的路径进行转发。

首先，节点周期性更新整个无线网络的链路状态数据库，包括时延，带宽等指标。每次更新后，节点重新计算业务服务质量约束下的最优路径树；另外，当无线Mesh网发生异常时，上述操作将会立即进行。

以使用光网络作为业务骨干网络时的节点11为例，并采用时延和可用带宽作为链路的业务服务质量指标 (链路的上的值代表时延和可用带宽，如链路 (6，8)上的值为1/4，则表示该链路的时延为1，可用带宽为4)，假设得到如图5所示的链路状态图：

图5 网络部分链路状态图

通过计算得到，节点11到达关口7和16的最优路径树如图6所示

图6 最优路径树

然后节点对内部的不同QoS要求的业务根据最佳路径的原则，从最优路径树中选择出最佳路径，由图6可知：

节点11和节点7之间的时延为5，节点11与节点7之间的可用带宽为2。节点11和节点16之间的时延为7，节点11与节点16之间的可用带宽为3。因此，将所有从节点11发出的对时延敏感的业务通过节点7到达光网络，对带宽敏感的业务通过节点16到达光网络，实现网络流量的均衡传输。

1.2.4 无线Mesh网络调度

通常的通信调度中，依据信息的实时性、可靠性，在信息入口点将业务分为不同的优先级，从而获得有区别的通信服务。然而，无线Mesh网络由于内部多跳传输，如：一些低优先级业务由于中继跳数短而实际获得更高优先级服务。为此，需要动态调整信息的优先级。例如：控制类业务优先级最高 (标记为4)，其次为集抄数据业务优先级 (标记为3)，监控视频类业务最低 (标记为2)。在无线Mesh网络中可以根据已传输跳数h动态调整在多跳传输中的优先级Priority，对于不同的承载业务采用不同的策略：

即是对于控制类业务和集抄类业务，其在无线Mesh网络中每经过一跳，其优先级权值也相应加1，但是集抄业务的最高优先级却没有控制业务高，以实现对控制类业务的保障；对于一般的视频业务的优先级权值不变。

节点根据优先级权值和业务最大可容忍时延限制进行调度，先对优先级权值最大的业务进行调度，当权值相同时，根据业务最大可容忍时延限制不同，优先调度最早到达截止期限的业务，以保障业务的实时性要求。

1.2.5 无线Mesh网络同步算法

精准的频率同步能够减小因为时钟不一致而引起的丢包。从骨干网获得时钟经过无线Mesh网络传递构成主从同步，为此具备上级时钟的通信设备周期性地发送信标帧，如图7所示。低等级的通信节点在接收到有效信标后，将首先更新其时间戳值，如式 (1)所示：

其中：Tnew是更改定时器后信标帧中的时间戳值；Tstamp是信标帧中原有的时间戳；Dphy2mac是从物理层传输到MAC层所需要的时延；Dreceive是节点完整接受一个帧所需要的时间；Trange是测距得到的节点之间传输时延。

随后节点将Tnew设置为本地时间，然后将信标帧向下级节点发送过去，通过该种方式得到的定时精度可确定在 ±0.01%以内。

图7 同步时信标帧

2 无线Mesh网络性能

文中所设计的无线Mesh网络由多个独立的“点对点”和 “点对多点”的基本服务集组成，限制了BSS中的无线接入竞争数目，从而提高了网络吞吐量。由于通信设备之间距离远大于IEEE802.11无线局域网规定，因此需要分析这种通信方式的性能。

2.1 数据接入概率分析

IEEE802.11设备采用CSMA/CA接入方式，其数据接入成功概率取决于参与接入竞争的通信设备数量以及设备之间的距离。设SIFS=10 μs，Slottime= 20 μs，DIFS = 50 μs，即符合IEEE802.11g标准定义，假设在网络中存在着n个相互竞争的设备，令这些节点之间的通信距离相等D=6 km，所以在节点与节点之间的传输时延如式 (2)所示：

某一个时刻能够成功发送数据的概率是从其发送数据的那个时刻起的时间σ内，其他节点不能发送任何数据。因通信设备成功发送数据的条件是在其发送数据的前后两个时隙均没站点，其他n-1个节点均没有发送数据，为此，可以得到数据成功发送的概率如式 (3)所示：

其中，τ为发送数据的前后连个时隙。

2.2 点对点传输的性能

在输电线路上，无线Mesh的BSS域主要采用定向天线实现点对点的通信，且多跳汇聚后将制约根节点带宽，并增加时延为此需要开展性能分析

2.2.1 长距离传输吞吐量

在两个通信设备构成的点对点接入中，任意两个节点之间的吞吐量S可由式 (4)计算：

其中R表示数据传输速率，DATA是为数据包中数据的有效载荷，ES为平均时隙长度。

2.2.2 长距离点对点传输时延

信息传输时延主要由通信设备处理时延和信号传输时延组成。前者是设计中需要考虑的主要因素。由状态图得到在通信设备在进行退避产生的时延的数学期望是进入每个退避状态的概率乘于对应状态的退避时隙数的期望。

为此，得到本次分析中，进行成功传输时的退避延时的期望如式 (5)所示：

因此得到通信设备之间的平均传输时延=退避延时+空闲延时+传输延时+碰撞超时产生的延时，即式 (6)所示：

通过以上的分析可以得到节点之间的传输距离为6 km时，节点之间的时延和吞吐量的数学近似表达式。分析表明随着通信距离的增加，节点之间发送数据产生碰撞的概率也增加，从而使得时延增加，网络吞吐量减小，这个结果在网络的每个节点都产生大量的数据时表现很明显。

3 网络仿真

仿真平台采用opnet，仿真中无线参数设置如表1所示：

表1 仿真中无线参数设置

本次通过对以下3中场景进行仿真：

1)节点距离为10 m的点对点网络；

2)节点距离为5 km的点对点网络；

3)节点之间最远相距5 km，如图1所示的Mesh网络。

通过改变节点的负载得到网络的时延，MAC接入时延 (MAC delay)和全网吞吐量，最终仿真结果如图8、9、10所示：

其中图8是3个场景的 MAC接入时延(MAC delay)和时延 (delay)的对比；图9是两种点对点网络下的吞吐量对比；图10是组成如图1所示的无线Mesh网的吞吐量和网络负载关系：

图8 3种场景下时延与接入时延

图9 2个点对点场景下的网络吞吐量

图10 无线Mesh网络的网络吞吐量

由以上仿真结果可知，当节点之间的距离由10 m变成5 km时，网络的性能有一定程度的下降，节点的极限负载由14 Mbps下降到6 Mbps，从时延的对比也能知道，节点负载为5 Mbps时，网络的时延急剧上升。当节点的负载达到6 Mbps时，网络已经无法处理所有产生的数据包，部分数据包已经开始被丢弃，网络的吞吐量达到极限。

对所组成的无线Mesh网，在节点的负载为2 Mbps时，网络的时延是毫秒级的，完全能够满足一路监测视频的传输，整个网络是可靠的。

当节点的负载上升到3.5 Mbps时，网络中的Mesh网络部分开始达到极限，而在线状网络部分中仍未达到性能极限，因此随着节点的负载的增加，网络的整体吞吐量仍然在缓慢增加，直到节点的负载是10 M时达到性能的极限，然而在这个过程中，节点丢弃了大量的数据，因此并不可靠。

从以上结果可以知道组建无线Mesh网络能够完全保证实时性和可靠性的情况下实现对每个节点的视频监测和控制。

4 结束语

本文提出一种适用于工业信息走廊的无线通信方式，组建了与光网络、PLMN网络和无线Mesh网紧耦合的三平面通信组网方案。

提供了链路和拓扑上的容错方式，增强了系统可靠性，并针对电力系统的业务特征，提出保障其业务可靠性，实时性的策略，包括QoS路由，业务调度和网络同步方式。对后对该种组网方式的性能进行了分析和仿真。

[1] 梁芝贤，邱小耕，安然.智能电网对通信的影响与需求[J].电力系统通信，2010，31(215)：1-4.

[2] 黄新波，刘家兵，王向利，喻华玉.基于GPRS网络的输电线路绝缘子污秽在线遥测系统 [J].电力系统自动化.2004，28(21)：92-95.

[3] 傅正财，吴斌，黄宪东，忻永良.基于 GSM网络的输电线路故障在线监测系统 [J].高电压技术 .2007，33 (5)：69-72.

[4] 王梓，宋国旺，李民.3G在智能电网自动化系统验收中的应用 [J].电力系统通信.2011，32(228)：78-81.

[5] 王阳光，尹项根，游大海，等.基于无线传感器网络的电力设施冰灾实时监测与预警系统 [J].电网技术，2009，33(7)：14-19.

[6] 王炫，李红，丛琳.基于无线通信和光通信的高压输电线路监测系统 [J].电网技术，2009，33(18)：198-203.

[7] IEEE-SA Standards Board.IEEE Std 802.11 81 36 BE34-2007. Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications[S].USA：IEEE，2007.

[8] IEEE-SA Standards Board.IEEE Std 802.16j-2009，Part 16：Air Interface for Broadband Wireless Access Systems Amendment 1：Multiple Relay Specification[S] .USA：IEEE，2009.

[9] IEEE-SA Standards Board.IEEE Std 802.11g-2003，Part 11：Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)specifications，Amendment 4：Further Higher Data Rate Extension in the 2.4 GHz Band[S].USA：IEEE，2003.

[10] Masaaki Tanaka，Daisuke Umehara，Masahiro Morikura.New Throughput Analysis of Long-Distance IEEE 802.1Wireless Communication System for Smart Grid[J].Communication Networks for Smart Grid(IEEE SmartGridComm)：90-95.

[11] G.Bianchi.Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function[J].IEEE J.Sel.Areas Commun.2000，18(3)：535-547.

Study of Communication System for Transmission Line in Smart Grid

YANG Jiaquan
(Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China)

To fit the requirements of on-line monitor of transmission line，a suggestion of communication system in High Voltage Transmission Line is proposed in this paper.Set up a wireless Mesh network which is tight coupling with optical network made up by OPGW and wireless cellular network known as 2G/3G.Achieved the network topology fault-tolerant，unified the time in the whole network.At the same time，to adapt the physical feature of transmission line，raised such as wireless resource allocation，QoS routing and schedule of services，this communication system can meet the requirements of power information transfer in Transmission Line in real-time and reliability.

smart grid；transmission line；wireless Mesh network；reliability；real-time

TM76

B

1006-7345(2015)03-0094-05

2015-01-09

杨家全 (1978)，男，高级工程师，云南电网有限责任公司电力科学研究院，从事自动化专业工作 (e-mail)yjquan99＠163.com。