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无线传感器网络在电力系统中的应用研究
前言
20世纪90年代以来,随着嵌入式系统、无线通信、网络及MEMS（微电子机械系统）等技术的快速发展,具有感知、计算和无线网络通信能力的传感器以及由其构成的无线传感器网络（WirelessSensorNetwork,WSN）引起了人们的极大关注[1]。
WSN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,协作地实时感知和采集周边环境中众多人们感兴趣的物质现象,并对这些信息进行处理,获得更为详尽而准确的信息,可以在任何时间、绝大多数地点和多种环境条件下获取大量详实而可靠的信息[5]。
上述优秀特性为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景,主要表现在军事、环境、健康、家庭和其他商业领域。
例如,传感器网络可以向正在准备进行登陆作战的部队指挥官报告敌方岸滩的详实特征信息,为制定作战方案提供可靠的信息;传感器网络也能用于环境监测,帮助监测人员方便地确定污染物的类型、浓度及位置。
实际上,传感器网络为终端用户提供了对监测环境更智能、更好地理解。
可以相信,传感器网络必将成为未来信息传输中不可缺少的一部分[1，5]。
同样，无线传感器网络在电力系统中的应用的前景是非常广阔的。
包括在电力监控、配电网继电保护和电机制造等多方面有着很好的应用。
国家电力建设研究所目前已将无线传感器网络产品用于监测大跨据输电线路的应力、温度和震动等参数。
每个传感器节点部署在高压输电线上，而网关固定在高压输电塔上。
此项目克服了超高压大电流环境中在线监测装置的电磁屏蔽、工频干扰、电晕干扰、在线监测装置的长期供电等技术难题；解决了导地线微风振动传感技术、无线数据传输、多参数信息监测与集成等关键技术问题。
另外，针对电力系统监控、测量需求的不断提高，无线传感器网络在通信容量、延时、丢包率、能量损耗等方面取得了一定进展[6]。
因此，在当代电力系统网络化、信息化技术高速发展的现状下，开展较大规模的无线传感器网络在电力系统中应用的相关理论和基础研究是相当有必要的。
第1章绪论
1.1论文研究的背景及其意义
无线传感器网络（wirelesssensorNewtorks，WSN）系统是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。
它综合了传感器技术、嵌人式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种监测对象的数据险，这些数据通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现人们研究自然界的目的[1-3]。
无线传感器网络是由大量低成本且具有传感、数据处理和无线通信能力的传感器节点通过自组织方式形成的网络。
它独立于基站或移动路由器等基础通信设施，通过特定的分布式协议自组成起来形成网络。
它能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，使需要这些信息的用户在任何时间、任何地点和任何环境条件下（尤其是仅适合无线通信条件下）获取大量详实而可靠的信息。
因此，这种网络系统可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。
例如，无线传感器网络可以向正在准备进行登陆作战的部队指挥官报告敌方岸滩的详实特征信息，如丛林地带的地面坚硬度、干湿度等，为制定作战方案提供可靠的信息。
此外，无线传感器网络在计算设备和用户都与因特网（尤其是嵌入式）相联的普适计算中也将发挥重要作用。
1999年，著名的美国商业周刊就将无线传感器网络列为二十一世纪最具影响的21项技术之一;2003年，MIT技术评论technologyRoview在预测未来技术发展的报告中，将其列为改变世界的10大新技术之一;2003年。
美国商业周刊又在其“未来技术专版”中发表文章指出，传感器网络是全球未来的四大高技术产业之一，将掀起新的产业浪潮[7]。
无线传感器网络在电力系统中可以用于实时监控周围环境的温度、湿度、电磁强度等数据量,为整个系统的部署提供必要的参考。
同时,无线传感器网络的应用也有助于远程控制系统的性能,监视系统的运行情况。
在电力系统中应用无线传感器网络,可以有效提高系统的运行效率,减轻人工维护的负担,是整个系统的一个有益补充[4]。
无线传感器网络针对在电力监测中工作环境差，尤其是在部分环境下进行人为作业危险，采用无线传感器网络实现远程的信息监测，从而很够很快的发现故障所在，避免人为检测的盲目性和危险性。
1.2国内外研究现状
1.2.1国内研究现状
电力系统通信是电力系统的重要组成部分之一，是电网调度自动化、电网运营市场化和电网管理信息化的基础，是确保电网安全、稳定、经济运行的重要手段。
高可靠性和实时性是实现可靠的电力运输、提供用户满意度和电力运营利润的关键因素。
设备故障、电击、电力系统故障、自然灾害等等经常会导致电力系统扰动甚至于长时间的电力中断。
随着时代的发展，用户对电力系统提出了越来越高的要求[7]。
为了提供一个不中断的电力服务，就需要电力系统具有高可靠性和自我恢复能力。
电力市场运营和市场化要求一个高性能的数据通信网络支持。
由上图可知，从整体上来说，电力系统通信网络分两部分[8]组成：
（1）高速主干网。
它可以采用专用网络或者公用网络。
通过VPN（VirtualPrivateNetwork）技术，用户不再需要拥有实际的长途数据线路，而是依靠Internet服务提供商（ISP）和其它网络服务提供商（NSP），在Internet中建立专用的数据传输通道，构成一个逻辑网络。
它不是专用网络，却能够实现专用网络的功能。
在电力系统中，常采用基于Internet的VPN作为高速的主干网络。
（2）“最后1Km连接”问题。
它是指厂站通信网络对主干网络的接入。
通过接入高速主干网络，才能实现广域网环境下调度主机、各厂站主机或者IED之间等的直接、快速、准确、自由的信息交换[7]。
目前应用在电力系统中的通信技术主要有四种：
（1）电力线载波；
（2）卫星通信；（3）光纤通信；（4）无线通信。
目前，国家电力建设研究所已将无线传感器网络产品用于监测大跨据输电线路的应力、温度和震动等参数。
每个传感器节点部署在高压输电线上，而网关固定在高压输电塔上。
此项目克服了超高压大电流环境中在线监测装置的电磁屏蔽、工频干扰、电晕干扰、在线监测装置的长期供电等技术难题；解决了导地线微风振动传感技术、无线数据传输、多参数信息监测与集成等关键技术问题[6]。
1.2.2国外研究现状
2004年以来，报道了国外开展的WSN在电力系统的应用研究情况。
D.R.Brown
将Sensor分别安装在电抗器的两端实现了空心电抗器的无线差动保护装置，通过无线传感网络通信不需要任何金属连接和对电抗器结构进行改进。
实验表明：
装置的灵敏度高，能在小匝间故障的初始阶段识别。
而采用有线通信的差动保护，如果不小心走线和屏蔽的话，噪音可能导致差动保护系统的误动作。
而无线保护被认为能克服上面的问题，可用来保护所有的电抗器。
Helsinki大学电力系统和高电压工程实验室研制了一种分布式电力系统故障检测系统。
通过无线传感器节点实现了相间短路故障和单相接地故障的检测和定位。
研究了有利于非电能供电型传感器节能的相关算法，并且传感器之间不需要保证同步。
另外，Ulema.M还提出了将无线传感器网络用作发电厂监测系统的通信网络。
1.3在电力系统中应用到的关键技术[7]
无线传感器网络在电力系统中应用的关键技术涉及到通信、组网、管理、分布式信息处理、针对不同应用目标的服务质量描述、网络安全、与电力系统网络的融合等多方面的问题。
（1）通信与组网。
在电力系统中，无线传感器节点主要用来完成各种电气量、开关量、模拟量等的监控和检测，因此，基于电力系统网络的无线传感器网络的通信和组网，应该充分考虑电力系统本身的特点。
无线频段的选择、调制技术和扩频技术等都是无线通信需要解决的主要问题。
节点的成本和能量供应方式是无线传感华中科技大学博士学位论文器网络的两个主要性能指标，设计基于电力系统场合下能长期使用的无线传感器网络是物理层协议需要考虑的关键问题。
无线传感器网络媒体访问控制层（MAC）要求低能耗、低通信延时和可以动态扩展。
考虑电力系统背景下分析无线传感器网络动态特性，设计相适应的网络拓扑结构。
（2）管理和分布式信息处理。
无线传感器网络必须保证时间的同步性，这是因为：
①无线传感器之间需要通过协作来综合判断、分析检测的电力量信息，需要同步机制来保证各个传感器节点数据的同步性；②同步性有利于延长无线传感器网络的生命周期；③同步性可以确保数据在通信过程中避免因为相互干扰而引起的数据丢失。
无线传感器网络的通信带宽较低，网络拓扑结构动态变化，传统的时间同步机制难以适用。
需要研究满足电力系统需要的而且通信开销低的时间同步机制。
由于电力系统中数据量大，不同类型的数据要求传输质量、响应时间都不同，而且需要进行不同的数据处理。
单元级、域级、厂站级之内和之间的数据需要不同的交互和协作处理，这就需要建立有效的分层分布式处理机制。
在电力系统中，只有结合位置信息，传感器节点获取的数据信息才有实际意义。
例如，在变电站综合自动化系统中，电气量、开关量等数据信息只有知道确切的位置信息，才能有效的进行数据处理。
因此，需要有效的管理方式来管理无线传感器网络。
在满足电力系统定位要求的前提下，设计低开销、低成本的分布式定位算法，也是无线传感器网络在电力系统中应用的关键课题之一。
（3）电力通信网络接入和网络安全。
从传感器节点获取到的电气量、开关量、模拟量等数据，可能需要上传到厂、站控制中心或者调度中心，以便分析和监控。
因此，需要将无线传感器网络接入到现有的电力数据通信网络，达到数据的共享和互补。
电力信息数据在通信过程中，必须保证任务执行的机密性、数据产生的可靠性和安全性，防止数据被窃听或者非法用户接入，影响电力系统的运行。
由于传感器节点本身的特点，无线传感器网络通常是通过简单的邻居发现协议来初始化网络，而且通常没有硬件防护措施，这就导致网络易于被窃听，甚至被攻击。
这就需要研究无线传感器网络框架的机密性、消息认证技术、完整性鉴别、密匙算法及其分布模型、节点件的耦合性等。
1.4无线传感器网络概念及特点
1.4.1无线传感器网络的概念
无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）是一种新型的科学技术网络，最早的研究来源于美国军方。
什么是无线传感器网络呢？
无线传感器网络是由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通信方式，互相传递信息，协同地完成特定功能的只能专用网络[1]。
它综合了传感器技术，嵌入式计算技术，通信技术，分布式信息处理技术，微电子制造技术和软件编程技术等，可以实时监测感知和采集网络所监控区域内的各种环境或检测对象的信息，并对收集到的信息进行处理后传送给终端用户。
无线传感器网络有着广泛的应用，其研究开发和应用关系到国家安全，经济发展等许多重要方面。
因而无线传感器网络广阔的应用前景和巨大的应用价值，近年来在国际上引起了广泛的重视。
1.4.2无线传感器网络的特点
无线传感器网络是一种“智能”网络，那么与传统网络相比有什么独特之处呢？
而且正是由于这些特点，使得无线传感器网络具有其自身的优势的同时也存在很多需要解决的问题，这不论是对现代研究者来说，还是对无线传感器网络在实际的应用来说，都具有很大的挑战性。
无线传感器网络的主要特点有[9]以下几点：
（1）自组织性
传感器节点的位置通常都不能预先设定，节点之间的相互邻居关系也不确定，如通过飞机播撒大量传感器节点或者随意配置到危险区域的传感器节点形成的网络。
这样要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动地进行配置和管理，通过拓扑机制和网络协议自动形成多跳的无线网络系统。
（2）动态拓扑
网络的拓扑结构会因为以下原因导致变化：
（1）环境的因素或者电能耗尽导致传感器节点出现故障或者失效；
（2）环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时续；（3）无线传感器网络中的传感器节点、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；（4）新节点的加入。
（3）大规模网络
网络的大规模性体现在两个方面：
一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内；另一方面，传感器节点的部署很密集。
无线传感器网络的大规模性可以通过不同的空间视角获取的信号有更大的信噪比，提供检测的精确度，同时能够增大检测区域，减少洞穴或者盲区。
（4）应用相关的网络
无线传感器网络主要用来感知客观物理世界，获取相关的信息量。
这就决定了，不同的信息量，需要用不同的无线传感器节点，不同的背景对无线传感器网络的要求也不一样，其硬件平台、软件系统和网络协议会有很大的区别。
所以无线传感器网络不能象Internet一样，有统一的通信协议平台。
关注无线传感器网络中的差异，才能设计出最高效的系统。
（5）以数据为中心的网络
传统的互联网络是一种以地址为中心的网络，网络中的每个设备都有唯一的IP地址标识，资源定位和信息传输都依赖于地址标识。
无线传感器网络是任务型网络，网络中的节点通常都是随机配置，节点的标识与网络之间的关系是一种动态关系。
在网络中，关注的是事件的信息，而不是某个编号的节点。
这种以数据本身作为查询或者传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯，所以说无线传感器网络是一种以数据为中心的网络。
1.5无线传感器网络的应用
无线传感器网络具有非常广泛的应用前景,其发展和应用将会给人类的生活和生产等各个领域带来深远的影响。
随着计算成本的下降，传感器节点的飞速发展，以及微处理器体积的变小，很多无线传感网络应用方案已经开始投入使用。
目前无线传感器网络的应用主要集中在以下几个领域。
1.5.1军事应用
由于无线传感网络具有密集型随机分布的特点使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。
美国国防部对这类项目进行了广泛的支持。
俄亥俄州正在开发“沙地直线”（ALinenitheasnd），就是一种无线传感网络系统。
这个系统能够散射电子绊网（TripWier）s到任何地方，也就是到整个战场，以侦测运动的高金属含量目标。
这种能力意味着一个特殊的军事用途，例如侦察和定位敌军坦克和其他车辆。
无线传感网络技术，预示着为战场上带来新的电子眼和电子耳，“能够在未来几十年内变革战场环境”。
1.5.2环境监控
传感器网络也广泛运用在环境检测生态监控等环境如用传感器网络来检测大范围的空气污染监测、水污染检测等;也可以用来检测鸟类、动物还有昆虫的迁移;同时传感器网络可以用在农作物的种植，灌溉方面，通过测量各个不同地点的生物学家使用“微尘，，来研究海燕的筑巢行为，每个“微尘"中都装有温度、气压和湿度传感器来记录环境的状况，用被动式的红外传感器探测鸟儿及鸟蛋的温度来获知其存在。
然而，这个装置的尺寸不能超过数厘米，这样才不会干扰到亲鸟和雏鸟。
显然，他们必须是无线的，因为在大片筑巢地上布网线和电线是不现实的。
因而，该装置要自带电源，电量足够在每季筑巢季节里供电。
同时，它坏要在无人于扰的情况下持续运行，通过网络中的其它节点把记录的数据传送到数据采集中心。
1.5.3医疗护理
无线传感网络所具备的自组织，微型化和对周围区域的感知能力等特点，决定了它在检测人体身体数据，健康状况，医院药品管理以及远程医疗等反面可以发挥出色的作用，因而在医疗反面有着广阔的应用前景。
如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，利用无线传感器网络，远端的医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理。
还可以利用无线传感器网络长时间地收集人体的生理数据，这些数据在研制新药品的过程中非常有用。
在药品管理方面，将传感器节点按药品种类分别放置，计算机系统即可帮助辨认所开的药品，从而减少病人用错药的可能性。
1.5.4家庭应用
嵌入家具和家电中的传感器与执行单元组成的无线网络与Internet连接在一起，能够为人们提供更加舒适方便和具有人性化的智能家居环境。
用户可以方便地对家电进行远程监控，如在下班前遥控家里电饭锅，微波炉，电话机，录像机电脑等家电，按照自己的意愿完成相应的煮饭，烧菜，查收电话留言，选择电视节目以及下载网络资料等工作。
在家居环境控制方面，将无线传感器节点放在家庭里不同的房间，可以对各个房间的温度进行局部控制。
此外，利用无线传感器网络还可以监测幼儿的早期教育环境，跟踪儿童的活动范围，让研究人员，父母或是老师全面地了解和指导儿童的学习过程。
1.5.5其他领域
无线传感网络还被应用于其他一些领域。
如井矿、核电厂等危险的工业环境，工作人员可以通过它来实施安全监测;也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具;此外和还可以运用到工业自动化生产线等诸多领域，Intel正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这个无线传感网络组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。
它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。
无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。
1.6无线传感器网络的研究进展[10-11]
信息化革命促进了传感器信息的获取从单一化逐渐走向集团化，微型化和网络化的方向发展。
伴随着网络化的潮流以及传感相关技术的飞速进步，无线传感器网络的发展跨越了三个阶段：
无线数据网络，无线传感器网络，普适计算。
无线网络技术的发展起源于人们都无线数据传输的需求，它的不断进步直接推动了无线传感器网络的产生和发展。
其中典型的无线网络包括：
ALOHA系统，分组无线网，无线局域网，无线个域网，无线自组网络。
无线传感器网络起源于美国军方作战需求。
1978年，DARPA在卡耐基-梅隆大学成立了分布式传感器网络工作组。
到了20世纪90年代中期以后，无线传感器网络引起了学术界，军界和工业界的极大关注，美国通过国防部和国家基金委员会等多种渠道投入巨额支持无线传感器网络技术的研究，其他发达国家也相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划。
在主机计算时代，人们只能通过数量有限的大型主机获取和处理有限的信息，这是的信息空间是有相对独立的计算机的存储空间构成的，信息服务也是相当有限，在桌面计算时代，互联网技术极大地促进了信息科技的挑战的那信息空间的入口仍然有限，通长只能通过有限的手段来获取和处理信息。
这严重阻碍了人们获取信息的能力，因而需要一种与信息空间发展相适应的计算模式来满足人们的信息需求，普适计算应运而生。
1991年，MarkWeiser提出了“普适计算”的思想，即把计算机嵌入到环境或日常工具中去，让计算机本身从人们的视线中消失，使人们注意的中心回归到完成的任务本身，并可以随时随地和透明地获得数字化的服务。
在无线传感器网络这个新兴的充满着智慧的普适计算环境中，任意的时间，任意的地点，与外界信息的交流将变得更加方便，而且无线传感器网络利用天然的传输媒介，把普适计算的“透明”这个显著特点表现得淋漓尽致。
因此用无线传感器网络来实现普适计算是可行的，而且也是普适计算发展的趋势。
这一切将深刻地改变着人类与自然的交互方式！
1.7论文研究的主要内容及章节安排
本文主要针对应用于电力系统中的无线传感器网络进行了相关理论和基础研究。
在论文的结构安排上，共分四章，各章的主要内容如下：
第1章绪论，在了解了论文课题研究的背景和目的意义后，对无线传感器网络的知识有了一个概述，并介绍了目前无线传感器网络主要应用领域和无线传感器网络的研究进展。
最后提出本论文的主要研究内容。
第2章分析了无线传感器网络拓扑控制技术，在此研究基础上，提出了典型的拓扑控制算法。
第4章研究无线传感器网络的通信与组网技术，并对无线传感器网络各层的协议进行分析比较。
在此基础上，提出了一种适合于电力监控环境的的组网策略。
第5章研究无线传感器网络的时间同步机制。
对典型无线传感器网络时间同步机制介绍，并介绍了一种适合大规模的无线传感器网络新型时间同步机制，即协作同步机制。
第6章研究了基于无线传感器网络的电力系统故障检测和定位。
最后，总结本文的研究工作，指出还存在的一些问题，并给出今后需要进一步研究的方向。
第2章无线传感器网络的工作原理
2.1无线传感器网络的结构
2.1.1无线传感器网络的通信结构
无线传感器网络（WSN）通常是指由一组带有嵌入式处理器、传感器、以及无线收发装置的节点以自组织的方式构成的无线网络，通过节点的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中的目标信息。
图2．1是经常被引用的一个典型的WSN网络架构。
无线传感器网络系统的体系架构如图2.1所示，主要有三部分组成；
（1）传感器节点；
（2）Sink节点；（3）监控终端。
具有射频功能的传感器节点（sensornode）分布于传感器网络的目标区域（SensorField），传感器节点具有数据采集、信号处理和无线通信功能，它既是信息帧的发起者，也是信息帧的转发者，通过星型网络自组织和多跳路由，将采集到监测数据向Sink节点发送；Sink节点也称为汇聚节点，将传感器节点传输过来的数据通过串口通信传送到监测中心控制台；监控终端主要完成网络的数据的汇总、管理、查询，发出组网请求，要求指定节点采样数据等功能，分为数据的获取和数据的管理两部分[9]。
无线传感器网络的典型应用模式可分为两类，一类是传感器结点监测环境状态的变化或事件的发生，将变化的状态或发生的事件报告给管理中心；一类是由管理中心发布命令给某一区域的传感器结点，传感器结点执行命令并返回相应的监数据。
与之相应的通信方式也有两种，一类是多点对一点的通信方式，是传感节点将信息传给网络管理中心的过程；一类是点对多点的通信方式，是网络管理中心对观测区域节点下达命令的模式。
2.1.2无线传感器网络的节点结构
在不同应用中,传感器网络节点的结构不尽相同,但一般都由传感单元、数据处理单元、数据传输和电源这4部分组成，无线传感器的实现机理是以无线传输模块代替传统的有线串行通信模块，将采集的数据以无线方式发送出去。
如下图所示。
无线通信模块负责数据的无线收发，主要包括射频和基带两部分，前者提供数据通信的空中接口，后者主要提供链路的物理信道和数据分组。
微控制器负责链路管理与控制，执行基带通信协议和相关的处理过程，包括建立链接、频率选择、链路类型支持、媒体接入控制、功率模式和安全算法等。
经过调理的传感器模拟信号经过A/D转换后暂存于缓存中，由无线通信模块通过无线信道发送到基站，再由基站发送到网络管理中心。
2.2无线传感器网络的拓扑结构
传感器节点在网络应用现场具有数量大、节点密集度高、节点分布不确定等特征，网络中的相邻节点会收集并发送过多的冗余数据，导致网络中能量的大量的浪费，使冗余节点休眠可以减少冗余信息的采集和发送，节省了网络的能量。
但是无原则的让过多的节点休眠势必影响整个网络采集数据的精度和完整性，影响网络的通信质量。
且随着网络的运行，网络中一部分节点会因为电池能量的耗尽而死亡，网络的拓扑结构就随之变化，这种变化所带来的不确定性进一步加剧了这种选择的难度。
因此，研究有效的网络拓扑结构对于整个网络的生命周期有着至关重要的意义。
无线传感器网络拓扑控制控制的主要目标是降低网络的能量损耗，增加网络的生存周期，减少节点间的通信干扰，为路由提供基础。
2.2.1无线传感器网络拓扑结构的分类
无线传感器网络的拓扑结构有3种:
星状网、网状网及混合网。
基本的星状网拓扑结构是一个单跳系统,网络中所有无线传感器节点都与基站和网关进行双向通信。
各节点相互之间并不传输数据或命令，需要通过基站传送。
在各种无线传感器网络中,星状网整体功耗最低,但节点与基站间的传输距离有限,一般只有几十米。
网状拓扑结构是多跳
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