0引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork,WSN）作為通信領(lǐng)域的新興技術(shù)，具有分布式處理系統(tǒng)的高監(jiān)測(cè)精度、高容錯(cuò)性、覆蓋區(qū)域大、可遠(yuǎn)程遙測(cè)遙控、自組織、多跳路由等優(yōu)點(diǎn)[1]。WSN是信息感知和采集的一場(chǎng)革命，在新一代網(wǎng)絡(luò)中具有關(guān)鍵作用。WSN在多目標(biāo)、短距離通信方面應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)明顯。近年來，“智能電網(wǎng)”成為業(yè)內(nèi)外的熱點(diǎn)議題，也是研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。因?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)建設(shè)對(duì)其上下游產(chǎn)業(yè)鏈具有巨大的帶動(dòng)作用，而且隨著對(duì)智能電網(wǎng)研究的深入，展示了未來在能源轉(zhuǎn)化、能源供給方面的美好愿景。目前，國際上對(duì)于智能電網(wǎng)還無統(tǒng)一明確的定義，各國都根據(jù)自己的特點(diǎn)給出了所要建設(shè)智能電網(wǎng)特有的內(nèi)涵，但有一點(diǎn)是共識(shí)：智能電網(wǎng)將在傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最新的信息化和數(shù)字化技術(shù)，因此智能電網(wǎng)也是現(xiàn)有輸配電網(wǎng)的智能化升級(jí)[2]。堅(jiān)強(qiáng)的網(wǎng)架是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化功能目標(biāo)的基礎(chǔ)。作為電力系統(tǒng)重要組成部分的變電站智能化建設(shè)成為智能電網(wǎng)建設(shè)的重要一環(huán)。文章旨在討論WSN在實(shí)現(xiàn)變電站智能化功能的應(yīng)用，重點(diǎn)討論WSN在設(shè)備狀態(tài)檢修、站內(nèi)輔助系統(tǒng)及綜合自動(dòng)化系統(tǒng)3個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為變電站的智能化建設(shè)提供新思路，以便充分利用先進(jìn)的通信技術(shù)構(gòu)建安全、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，貫穿信息采集、傳輸、集成、展現(xiàn)和決策應(yīng)用等各階段，最終形成電力流、信息流、業(yè)務(wù)流的高度融合和一體化[3]。

1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)及特點(diǎn)

1.1網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是在Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，繼承了Ad-hoc在自組織、動(dòng)態(tài)拓?fù)涞确矫娴奶攸c(diǎn)，并綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算機(jī)、分布式信息處理等技術(shù)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知、采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，傳送到需要這些信息的用戶[4]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)部署在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)部或附近，所有節(jié)點(diǎn)通過自組織方式快速形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)全部功能的完成主要來自3個(gè)方面的相互協(xié)同：①傳感器節(jié)點(diǎn)，既是信息的采集者，也充當(dāng)信息的路由者，采集的數(shù)據(jù)通過多跳路由達(dá)到網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)，最后接入任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)；②建立在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上所實(shí)現(xiàn)的協(xié)議棧類型，協(xié)議棧決定節(jié)點(diǎn)自組織網(wǎng)絡(luò)的類型、功能，很大程度上決定了網(wǎng)絡(luò)的可靠性、安全性等方面；③匯聚節(jié)點(diǎn)，一端與傳感網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)，另一端與接入網(wǎng)相聯(lián)，作為兩者之間聯(lián)接的“橋梁”在某種程度上充當(dāng)代理和協(xié)議轉(zhuǎn)換的角色，也決定了其需要擁有較強(qiáng)的通信能力、計(jì)算能力和豐富的資源，可以是增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，也可以是沒有監(jiān)測(cè)功能的專用網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

1.2主要特點(diǎn)

WSN與移動(dòng)通信、藍(lán)牙、無線局域網(wǎng)等常見的無線網(wǎng)絡(luò)相比，具有如下特點(diǎn)：①網(wǎng)絡(luò)資源有限，體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)感知、通信范圍、能量有限、計(jì)算能力有限；②無中心、自組織，體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)功能的分布式；③動(dòng)態(tài)拓?fù)?，體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)之間存在的競(jìng)爭(zhēng)與合作。

2WSN在變電站的應(yīng)用

智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)很大程度上來自對(duì)電網(wǎng)狀態(tài)的精確感知，而感知精度取決于電網(wǎng)元件數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確程度及系統(tǒng)元件信息采集的準(zhǔn)確性和覆蓋范圍。WSN將新一代無線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于變電站，通過在站內(nèi)設(shè)備上部署傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)，很容易實(shí)現(xiàn)測(cè)量點(diǎn)的全覆蓋，且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰，利于站內(nèi)信息的整合，徹底解決存在多個(gè)信息孤島的局面。另外，傳感器的增加和退出對(duì)系統(tǒng)的影響較小，投資也較低[5–9]。

2.1WSN應(yīng)用于設(shè)備狀態(tài)檢修

傳統(tǒng)變電站設(shè)備普遍采用定期檢修的策略，多年的實(shí)踐證明，該檢修策略有很大缺陷，易造成檢修不足和檢修過剩。智能變電站模式的提出使檢修模式也由定期策略向狀態(tài)策略轉(zhuǎn)變。目前的應(yīng)用方式未發(fā)揮狀態(tài)檢修的優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在的做法是監(jiān)測(cè)傳感器就地安裝，數(shù)據(jù)傳輸方式采用現(xiàn)場(chǎng)總線上傳至監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集中器，通過規(guī)約轉(zhuǎn)換接入狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估分析，結(jié)果通過安全隔離設(shè)備在監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行展示。若增加監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)或監(jiān)測(cè)對(duì)象，對(duì)現(xiàn)有模式的改造將費(fèi)時(shí)費(fèi)力，尤其是對(duì)老變電站的智能化改造。另外，由于監(jiān)測(cè)傳感器安裝對(duì)象一般處于高電壓、大電流和強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中，在實(shí)際運(yùn)行中必須要求監(jiān)控對(duì)象與監(jiān)測(cè)儀器之間進(jìn)行電壓隔離，保證工作時(shí)的人身安全。WSN可應(yīng)用到設(shè)備狀態(tài)檢修中，充分發(fā)揮其不需布線、靈活多變且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰的優(yōu)點(diǎn)。將精密電流、精密電壓、溫度、微水、SF6等傳感器設(shè)備在原有功能基礎(chǔ)上加裝信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、射頻、電源管理等功能，提升傳感器的信息采集、信息處理和無線通信功能。應(yīng)用WSN的狀態(tài)檢修系統(tǒng)如圖2所示。

2.2WSN應(yīng)用于輔助系統(tǒng)

站內(nèi)輔助系統(tǒng)主要包括視頻系統(tǒng)、消防安防系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、采暖通風(fēng)系統(tǒng)，均為變電站的重要組成部分，其可靠與否直接影響正常的生產(chǎn)、運(yùn)行。常規(guī)變電站的建設(shè)對(duì)于輔助系統(tǒng)的關(guān)注較少，基本是各為一體，縱向上無信息模型標(biāo)準(zhǔn)，橫向間無信息交互，功能相對(duì)單一。在智能變電站模式下，信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的特點(diǎn)要求應(yīng)用必須關(guān)注輔助系統(tǒng)的信息，重要的是關(guān)注信息采集的標(biāo)準(zhǔn)化、應(yīng)用的智能化。WSN應(yīng)用于輔助系統(tǒng)中的設(shè)想是：改變現(xiàn)有輔助系統(tǒng)智能化的思路，從對(duì)設(shè)備物理上的整合轉(zhuǎn)向?qū)φ緝?nèi)輔助系統(tǒng)信息上的重構(gòu)和應(yīng)用，將原有的多套孤立的輔助系統(tǒng)從信息上整合成為1套系統(tǒng)，使結(jié)構(gòu)更為簡單和清晰。應(yīng)用WSN的輔助系統(tǒng)如圖3所示。

2.3WSN應(yīng)用于綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

通信技術(shù)是變電站自動(dòng)化賴以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。從變電站自動(dòng)化發(fā)展歷程看，每次進(jìn)步都與通信技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。通信技術(shù)由RS–485、CAN到以太網(wǎng)，相應(yīng)變電站自動(dòng)化模式也由最初的遠(yuǎn)動(dòng)終端設(shè)備（RemoteTerminalUnit，RTU）、常規(guī)綜合自動(dòng)化到數(shù)字化變電站，再到目前建設(shè)的智能化變電站。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將變電站分為過程層、間隔層和站控層，為了在通信技術(shù)日益發(fā)展的今天保持業(yè)務(wù)層的相對(duì)穩(wěn)定性，標(biāo)準(zhǔn)并沒有規(guī)定具體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒕W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信方式和物理接口，為WSN技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了基礎(chǔ)。WSN應(yīng)用于綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)想是：保留站控層模式不變，將WSN應(yīng)用于過程網(wǎng)絡(luò)，取代現(xiàn)有過程的基于以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和部分光纖串行通信。將合并單元、智能終端等過程層設(shè)備增加無線路由功能，對(duì)應(yīng)用無任何影響。在具體設(shè)備實(shí)現(xiàn)上也只需將滿足IEC61850–9標(biāo)準(zhǔn)的特殊通信服務(wù)映射（SpecificCommunicationServiceMappingSCSM），改變?yōu)闈M足所采用WSN網(wǎng)絡(luò)的映射規(guī)則即可，即改變“應(yīng)用層+鏈路層+物理層”。應(yīng)用WSN的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)如圖4所示。