第 27 卷第 4 期 2010 年 8 月 供 　用 　电 71 智能电网中无线传感器网络技术的应用研究 吴佳伟 (上海市电力公司信息通信中心 ,上海 　200122) 摘 　要 :无线传感器网络具有的特点能够很好地解决智能电网建设中遇到的很多问题 。通过对无线传感器网 络这一无线通信中的热点领域 ,在无线传感器网络体系构架 、大规模组网技术及网络管理 、环境感知技术 、数 据采集技术以及信息处理技术方面进行了应用研究 ,以期能将该项技术应用于我国智能电网的建设发展中 。 关键词 :智能电网 ;无线传感器网络 ;通信技术 中图分类号 : TN929 5 ; TM76 　　文献标识码 :A 　　文章编号 :1006 - 6357 (2010) 04 - 5 Research on Application of Wireless Sensor Net work Technology in Smart Grid ( Information & Communication Center of SM EPC ,Shanghai 200122 ,Shanghai China) W U J i aw ei Abstract :The wireless sensor network has some advantages to handle many p roblems encountered in smart grid construction very well. Focusing on the wireless sensor network , the hot area of wireless communication , it s network architecture , large scale networking technologies and network management , environment sensing , da ta acquisition , and information p rocessing technologies are researched in the aspect of application to benefit the construction and develop ment of smart grid in China. Key words :smart grid ; wireless sensor network ; communication technology 　　智能电网建设是将基于现代新材料技术 、计 算机软硬件技术 、自动控制技术 、传感器技术 、电 力电子器件技术 、高温超导技术 、信息技术 、分布 式发电技术以及现代通信技术的综合 ,为现代电 网提供各种类型先进的测量 、监视 、保护和控制的 电力设备 ,对传统电网进行升级改造 ,构造一个更 加经济 、安全 、可靠 、环保的电网 。 智能电网建设必须采用上述各种技术来支撑 智能电网所需的属性 。这些技术不少是在现有电 网中已采用或是正在完善的技术 ,如无线传感器 通信技术 ,传感器信息采集 、计量技术 ,网络融合 技术 ,数据融合技术 ,网络安全与自愈技术 ,决策 支持和人机接口技术 ,智能电表技术 ,家庭储能计 入技术 ,清洁能源接入技术等 。 无线传感器网络 ( WSN) 是新一代无线通信 中的热点领域 ,具有广阔的市场前景和潜力 。其 由随机分布的集成有传感器 、数据处理单元和通 信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络 , 借助于节点中内置的形式多样的传感器进行测 量 ,采用短距离的无线低功率通信技术 。 能够实时采集并检测实际系统或环境中的参数 , 并传递给系统需求者 。该网络具有自组织性 、抗 干扰能力强 、自愈性好等特点 ,能够保证系统的稳 定性 、健壮性 ,充分利用好这些功能可以很好地解 决智能电网建设中遇到的很多问题 。 1 　无线传感器网络体系架构研究 在不同应用中 ,无线传感器网络节点的组成 不尽相同 ,但一般都由数据采集 、数据处理 、数据 传输和电源这 4 部分组成 。无线传感器的类型由 被监测物理信号的形式决定 。处理器通常选用嵌 入式 CPU ,如 Motorola 的 68 HC16 ,A RM 公司的 A RM7 和 Intel 的 8086 等 。数据传输单元主要 由低功 耗 、短 距 离 的 无 线 通 信 模 块 组 成 , 比 如 RFM 公司的 TR1000 等 。因为需要进行较复杂 的任务调度与管理 ,无线传感器网络需要一个微 型化的操作系统 ,如嵌入式 Linux 。 启发于现有的比较经典的 、成功的传感器网 络体系构架设计 ,对无线传感器网络体系进行的 构架设计如图 1 所示 。 无线传感器网络不同于传统的有线网络 ,它 1) 数据采集层 。主要是对各个电力设备以 

81 吴佳伟 :智能电网中无线传感器网络技术的应用研究 决突发事件具有很大的帮助 ,也增加了电网的智 能性 。 2 　无线传感器网络大规模组网技术及网 络管理研究 无线传感器网络大规模组网技术及网络管理 研究的目的 ,是研制适用于规模性密集布设和自 治组网的无线传感器节点 。当数量巨大的无线传 感器节点被随机布设后 ,自治组网和网络管理成 为网络运行和业务应用的一个核心问题 。自治组 网和网络管理需要无线传感器节点和网关设备的 底层支持 ,其实现需要软硬件的协同设计来完成 。 因此 ,研究大规模组网和网络管理技术将为无线 传感器节点 、网关设备和系统软件的研究提供技 术支撑 。大规模组网及网络管理的关键技术主要 包括 :时间同步机制 、网络拓扑控制 、网络安全等 。 2. 1 　时间同步机制研究 时间同步机制是协同无线传感器网络的一个 关键机制 ,是高效路由 、定时唤醒 、冲突避免等技 术的基础 。目前已经提出了多种时间同步机制 , 如参考广播同步 ( RBS) 、时间同步协议 ( TPSN) 和 T YN Y/ MIN I S YNC 等 ,但都存在一定的缺 陷 。例如 ,RBS 由于需要用于广播交换以得到成 对节点同步的开销 ,随着网络密度的增加 ,这种开 销也随之增加 ; TPSN 由于采用了分级的方式和 传统的同步方式 ,使得同步效果比较好 ,但是增加 了能耗和复杂度 ; M IN I S YNC 算法的复杂度相 对较低 ,但是对于计算和存储的要求较高 。 本文研究采用一种基于错误容忍的自适应快 速轻量级时间同步机制 ,通过结点问答机制来快 速获取当前时间 ,达到快速时间机制的效果 。基 于这种模式可以使一部分不工作的节点休眠 ,而 当这些节点被唤醒时可以立即通过问答方式立即 获取当前时间 ,节省了大量的等待时间 ,从而节省 了能量 。而当有一些节点受损坏时 ,根据邻居节 点的相关信息通过空间和时间组合方式进行对现 有时间的恢复和广播 。考虑到 TPSN 在网络稠 密的地方效率高 ,而 RBS 在网络稀疏的地方效率 高 ,本机制根据网络节点分布情况动态设置和调 整一个门限值 ,从而根据不同的情况而采取不同 的时间同步机制 ( TPSN 或 RBS) 。这种机制同时 采用了接收者 —接收者模式和接收者 —发送者模 图 1 　无线传感器网络体系构架图 及变电站设备进行实时的状态数据采集 。通过无 线传感器节点的部署 ,对不同设备进行信息采集 时 ,节点上装备的无线传感器不同 。这些节点按 照区域进行划分 。每一个区域的数据存储在对应 变电站的存储器中 ,存储器对采集的数据进行初 步处理 ,然后加上地域标签传输到上一层 。 2) 数据传输层 。分为变电站层级 、区级 、县 市级 、省级国家级共 4 个级别 。上一层的数据管 理中心可以查看下一层的数据 ,下一层的数据管 理中心有义务定时地向上一层的数据管理中心上 传最新采集的数据 。不同的层向上一层提交数据 的时间间隔是不同的 。 3) 数据处理层 。不同层的数据处理能力是 不同的 ,因此得到的数据形式和传输的数据量也 不同 。第一层是在无线传感器节点将采集的数据 进行简单处理 ,主要是去掉冗余的数据 ;第二层是 各个变电站将自己管辖范围内的各个区域的数据 收集后 ,周期性的进行处理确定是否该区域有异 常事件方式 ,并将一些基本的检测数据进行上传 ; 第三 、四层分别是区级 、市县级的数据处理 ,分别 确定该级别的数据是否有异常 ,并作好备份处理 ; 最后是国家级的数据收集处理中心 ,对数据进行 统一格式的存储和管理 。 4) 应用系统层 。主要是对不同层次的数据 进行分析处理 ,并进行相应的预测和故障排除 。 如及时地预报电力元件是否出现或将会故障 ;如 果出现故障 ,则分析问题出现在何处 ,是什么原因 造成的 ,并将分析结果提供给维修人员进行相应 的维修处理 。 本文提出层次无线传感器网络的构想 ,将其 按照区域大小分层 ,不同层次可采用不同的通信 标准 ,这样对数据的传递 、初步分析 、节点定位 、解 

吴佳伟 :智能电网中无线传感器网络技术的应用研究 91 式 。结合这两种模式的优点即可以节省能量 ,又 能达到较高的时间精确度 。 2. 2 　网络拓扑控制研究 2. 2. 1 　网络拓扑控制的意义 智能电网中的无线传感器是感知网络的关 键 ,构建一个合理的网络拓扑结构 ,能够提高路由 协议和 MAC 协议的效率 ,为数据融合 、时间同步 和目标定位等很多方面提供基础 ,有利于延长整 个网络的生存时间 ,对数据高速 、可靠传输具有重 要作用 。拓扑控制是在保证网络连通性和覆盖度 的前提下 ,通过一定的功率控制或骨干网节点的 选择算法 ,剔除节点间不必要的无线通信链路 ,生 成一个能量高效的数据转发的优化网络拓扑结 构 。 无线传感器网络拓扑控制机制的设计主要考 虑通过调节无线传感器节点的发射功率 ,在降低 节点通信能耗的同时 ,要保证网络的连通性和覆 盖度 ,尽可能地均衡节点间的数据转发任务 ,以延 长网络生存时间 、提高网络整体性能为目标 。 在无线传感器网络中 ,对网络的拓扑控制与 优化有着十分重要的意义 ,主要表现在以下几个 方面 。 1) 影响整个无线传感器网络的生存时间 。 无线传感器网络的节点一般采用电池供电 ,节省 能量是网络设计主要考虑的问题之一 。拓扑控制 的一个重要目标就是在保证网络连通性和覆盖度 的情况下 ,尽量合理高效地使用网络能量 ,延长网 络的生存时间 。 2) 减小节点间通信干扰 ,提高网络通信效 率 。无线传感器网络节点通常密集部署 ,如果每 个节点都以大功率进行通信 ,会加剧节点之间的 干扰 ,降低通信效率 ,并造成节点能量的浪费 ;如 果选择太小的发射功率 ,会影响网络的连通性 。 所以 ,拓扑控制中的功率控制技术是解决这个矛 盾的重要途径 。 3) 为路由协议提供基础 。在无线传感器网 络中 ,只有活动的节点才能够进行数据转发 ,而拓 扑控制可以确定由哪些节点作为转发节点 ,同时 确定节点之间的邻居关系 。 4) 影响数据融合 。无线传感器网络中的数 据融合指无线传感器节点将采集的数据发送给骨 干节点 ,骨干节点进行数据融合 ,并把结果发送给 数据收集节点 。而骨干节点的选择是拓扑控制的 一项重要内容 。 5) 弥补节点失效的影响 。无线传感器节点 可能部署在恶劣环境中 ,因此很容易受到破坏而 失效 。这就要求网络拓扑结构具有鲁棒性以适应 这种情况 。 2. 2. 2 　网络拓扑控制研究的方向 无线传感器网络中拓扑控制分为功率控制和 层次拓扑结构控制两个研究方向 (见图 2) 。 图 2 　无线传感器网络拓扑控制 节点功率控制机制调整无线传感器网络中每 个节点的发射功率 ,保证网络连通 ,在均衡节点的 直接邻居数目 (单跳可达邻居数目) 的同时 ,降低 节点之间的通信干扰 。 层次拓扑结构控制利用分簇思想 ,依据一定 的原则使网络中的部分节点处于激活状态 ,成为 簇头节点 ,由这些簇头节点构建一个连通的网络 来处理和传输网络中的数据 ;其他节点为簇内节 点则处于非激活状态 ,关闭其通信模块以降低能 量消耗 ,并且定期或不定期地重新选择簇头节点 以均衡网络中节点的能量消耗 。 层次拓扑结构控制具有很多优点 ,例如 ,由簇 头节点担负数据融合的任务 ,减少了数据通信量 ; 分簇式的拓扑结构有利于分布式算法的应用 ,适 合大规模部署的网络 ;由于大部分节点在相当长 的时间内关闭通信模块 ,所以显著延长了网络的 生存时间等 。 2. 2. 3 　网络拓扑控制的算法 hoc 网络 ,但相对于一般意义上的 ad 无线传感器网络在某种程度上可视为一种 hoc 网络 ad 来说 ,其面临的环境更复杂多变 ,其节点的部署更 密集 ,节点能量更有限 ,无线链路更容易受到干 扰 ,节点也更容易失效 ,所以必须研究适应于无线 传感器网络的 、面向具体应用的 、更高效的拓扑控 

02 制算法 。 根据层次化的拓扑结构 ,国内外研究人员提 出了很多算法来提高系统的通信效率和能量利用 率 。在保证网络覆盖的前提下 ,需要使全网中形 成簇的个数尽量少 ,同时还要考虑节点剩余能量 和网络鲁棒性问题 。 1) L EAC H 算法是一种自适应分簇拓扑算 法 ,它的执行过程是周期性的 ,每轮循环分为簇的 建立阶段和稳定的数据通信阶段 。 2) GA F 算法是以节点地理位置为依据的分 簇算法 。 3) TopDisc 算法来源于图论中的思想 ,是基 于最小支配集问题的经典算法 。它利用颜色区分 节点状态 ,解决骨干网络结构的形成问题 。 2. 3 　安全体系研究 由于无线传感器网络自身的一些特点 ,为路 由协议等安全机制的设计和实现带来了前所未有 的挑战 。 1) 节点资源高度受限 。为了降低无线传感 器网络部署成本 ,传感节点在计算能力 、存储空 间 、通信能力 (包括通信带宽和通信范围) ,特别是 电池寿命方面受到很大的约束 ,从而制约了在传 感节点所能采取的加密 、解密以及认证措施 ,并引 入了传统安全机制的适用性问题 。例如 ,计算密 集型的公开密钥系统的适用性问题 。 2) 面临更大的物理安全问题 。传感节点通 常被部署在无人看管的区域 ,易受到各种物理攻 击 ,传感节点易被捕获 。 3) 采用无线通信方式 ,使得无线传感器网络 易遭到窃听 、非授权访问 、假冒 、重放和拒绝服务 攻击 。 4) 传感节点除了具有路由器功能之外 ,还具 有传统路由器所不具有的功能 ,即将巨大的源数 据汇集成有用的数据 ,这通常需要在通信节点间 建立信任关系 。 目前 ,对于无线传感器网络安全路由协议方 面的研究仍然很少 。已有的许多安全路由协议大 多是针对一般的自组织 ( Ad hoc) 网络提出的 。 尽管无线传感器网络也属于一种 Ad hoc 网络 ,但 是相对于一般 Ad hoc 网络而言 ,无线传感器网络 仍存在诸多差异 ,这使得很多的路由协议不适用 于 WSN ,必须依据 WSN 的特点设计新的路由协 吴佳伟 :智能电网中无线传感器网络技术的应用研究 议 ,使之 有 效 地 保 证 WSN 功 能 的 正 常 实 施 。 WSN 需要一系列的跨层 、自适应安全机制来保 证网络的运行安全 。因此 ,对于无线传感器网络 的安全路由协议需要重新加以分析和研究 。 路由协议的威胁一般来自外部攻击和内部不 安全节点两方面 ,认证是安全保障重要技术之一 。 任何节点无论合法与否 ,只要具备相应的硬件设 备就能在网络中发送数据 ,对接收到的数据进行 合法性验证 (是否由合法的实体发送) ,对于网络 的安全至关重要 。其中 ,公共密钥架构 ( P KI) 和 认证授权 ( CA) 就是两种非常重要的认证机制 。 一方面 ,可采用数字签名技术实现认证以保护路 由信息 ,但计算量大 、耗能多 ;另一方面 ,无线传感 器节点大多处于无人达到区域 ,在地理位置或虚 拟位置上增加时间戳机制来实现认证 ,可以防止 不良节点的攻击问题 。为了确保位置信息的安 全 ,目前通常采用正确计算位置信息和修正位置 信息两种方法 。定位技术应用于安全性保障中可 实现路由认证 ,结合其他安全技术将提高路由的 安全性 。使用定位技术来解决无线传感器网络的 安全问题是一个很新的课题 。 无线传感器网络的特性使其具有巨大的应用 价值 ,而计算 、资源和能量有限的节点又需兼备路 由功能 ,使其路由协议的安全性研究尤为重要 。 但是 ,现有的路由协议在安全方面有一定的局限 性 ,而且存在对具体应用环境针对性不强等问题 。 因此 ,还需根据实际情况作进一步的改进和完善 , 如在密钥的更新 、撤销和攻击检测方面等 。 3 　无线传感器网络环境感知 、数据采集技 术研究 智能电网的一大重要机能是对电网的各个节 点进行监控 ,各个节点必须能够准确地给出该节 点的各类信息 ,包括无线传感器网络采集电网各 个节点的电力数据 (电量 、功率 、电压 、电流 、频率 、 相位 、功率因数 、谐波成分等) 、电力异常 (失压 、缺 相 、窃电等) 以及环境信息 (包括温度 、湿度 、气压 以及图像信息等) 。 环境信息测量可采用现有网络管理 、视频监 控这些成熟技术实现 。环境信息监测是这些应用 的组成部分 ,可以从这些应用中借鉴到适用于各 种成本 、功耗需求的环境信息测量解决方案 。 

吴佳伟 :智能电网中无线传感器网络技术的应用研究 12 电力数据的采集需要解决以下几个关键问 题 。 1) 大动态范围下高精度计量/ 测量 。在电能 传输和使用过程中 ,电压信号通常为稳定数值 (例 如 220 V) ,但是电流信号有着极大的动态范围 , 通常用户节点的动态范围就需要达到 1∶1 000 ,而 在一些关键节点 ,动态范围要求会进一步提高 。 在如此宽的动态范围内 , 电能计量提出了电量 1 ‰,有效值 1 %以上的精度要求 ,这就要求设计 高精度 、高动态范围的模数变换器 (ADC) 和位宽 足够的数字处理系统 。 2) 谐波测量。电力线上在 50 Hz 基波信号之 外通常存在高次谐波 ,这通常是由于使用非线性器 件导致 ,并成为对电网的主要污染之一 ,必须有手 段对各个节点的谐波含量、分布进行测量分析和治 理。谐波测量的主要手段包括快速傅里叶变换 ( FFT) 频谱分析和滤波器组两种方案 ,FFT 方案必 须解决同步采样的实现问题 ,滤波器组则必须在硬 件代价和测量精度之间找到合理的平衡点。 3) 无功测量 。无功电量是电网污染的另一 个主要来源 ,简单的移相方法只能测量基波无功 电量 ,必须采用对所有频率信号有相同相移和增 益的滤波器才能准确计量各次谐波的无功电量 。 4 　无线传感器网络信息处理技术研究 根据智能电网的特点 ,无线传感器节点所要 收集的数据将是多样的 ,可通过这些数据了解整 个电网的运行情况 ,包括各个设备的使用情况 。 因此 ,智能电网的控制系统应具有很强的信息处 理能力 ,同时对无线传感器网络的信息数据处理 技术的要求也很高 。 由于无线传感器网络采集的流数据是连续 、 无限 、快速 、随时间变化的 ,而且许多是相似的数 据 ,因此需要建立一种新型的数据模型来描述 ,并 提供相应的操作 ,从而方便上层应用程序对数据 的调用访问 。 由于无线传感器网络实时产生的大量数据 ,有 许多是相似的可对这些数据进行压缩。但现有的 数据压缩方法的压缩率不是很高 ,针对这个问题提 出了一种新的数据压缩技术 ,将曲线分段拟合与数 据流传输相结合来实现数据的压缩传输。 在数据流压缩传输中 ,很多情况下某一时间 段内数据的变化符合某种模式 ,如果对每个时间 段进行拟合处理 ,不但增加了拟合的负担 ,而且往 往显得多余 。因此可以采用对数据进行验证的办 法 。比如可以设定一个门限值 ,如果新的数据仍 然采用上一个拟合函数 ,并且误差小于门限值 ,则 可以不进行曲线拟合 ,而采用上一个拟合函数 。 这样既大大提高了效率 ,而且节省了能源 。 对于这个问题 ,可以采用半分布式的数据管理 结构。因为如果是完全分布式的 ,每个节点的功能 要求基本相同 ,而且计算存储能力接近于普通计算 机的能力。利用半分布式的结果是数据采集可以 利用普通的无线传感器节点 ,而将网关节点放在各 个变电站处 ,使节点的处理能力更强。这样有利于 提供一个分层的、功能不同的系统结构。 在智能电网这种大型或者复杂的网络环境 下 ,大量的数据需要存储和管理 。通过统计分析 可知 ,绝大部分的数据信息是基于上下文的 。因 此应对大量的上下文数据进行合理的存储 ,并采 用一定方式进行管理 ,从而使应用与用户能以最 有效的方式访问数据 。 5 　结语 1) 建设高速 、双向 、实时 、集成的通信网 ,是 智能电网建设的重要基础 。目前 ,我国关于智能 电网的研究建设已经进入到实质性的应用阶段 , 对无线传感器网络进行应用的研究 ,有利于为智 能电网提供一种可靠安全的通信传输方式 。 2) 基于我国国情 ,针对智能电网的输电 、配 电 、变电 、用电等环节 ,结合无线传感器网络 、下一 代无线通信技术 、智能控制技术等关键技术 ,应尽 快提出具有我国自主知识产权的相关关键技术 , 以及我国智能电网方面的相关标准 。 参考文献 [ 1 ] 　徐丙垠 ,李天友 ,薛永端 ,等. 智能配电网讲座 　第 四讲 　互动功能与高级量测体系 [J ]. 供用电 ,2009 (6) . [ 2 ] 　任丰原 ,黄海宁 ,林 　闯. 无线传感器网络 [J ] ,软件 学报 ,2003 (7) . 收修改稿日期 :2010 年 6 月 吴佳伟 　(1981 - ) ,工程师 ,主要从事电网通信工作