（国网浙江省供电公司杭州供电公司 310019）
摘要 无线传感网（WSN）近年来在各个领域得到了广泛的应用，具有广阔的应用前景。根据其超低功耗、自组织网络、低成本等特点，可以解决电力通讯末端一公里的问题，应用于智能配电网。文章分析了无线传感网在智能配电网中的网络架构和如何实现信息安全等问题。
关键词 无线传感网、终端通信接入网、智能配电网、路由、安全
引言
无线传感网 (Wireless Sensor Networks, 简称WSN)技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，是一种基于IEEE 802.15.4无线标准的组网、安全和应用软件方面的技术。无线传感网WSN(Wireless Sensor Networks)综合了传感器技术、嵌入式系统技术、网络无线通信技术、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节点实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，而每个传感器节点都具有无线通信功能，并组成一个无线网络，将测量数据通过自组多跳的无线网络方式传送到监控中心。
无线传感网的一大特点是没有数据传输线，方便部署，因此可以广泛的应用于环境监测、城市管理、医疗卫生、智能家居、国防军事、仓储管理等领域。随着智能配电建设的深入推进，配电网络复杂而庞大，配电自动化的要求越来越高。配电通信网络作为智能配电网的基础支撑，是实现配电网信息化、自动化的关键所在。为统筹配电和用电通信网络的建设，国家电网公司提出了终端通信接入网的概念。
终端通信接入网是电力系统通信网的重要组成部分，是骨干通信网的延伸，包括10kV
终端通信接入网和0.4kV终端通信接入网。10kV终端通信接入网是面向配电网开关站、配电室、环网柜、配电线路等，目前在使用的业务主要是配电自动化。0.4kV终端通信接入网是面向用户的网络。
2研究动态及特点
2.1研究动态
无线传感网在国外的发展已有一两百年的历史，它诞生于电气时代，电气时代广泛使用模拟电压技术，传感器也不例外。近年来，无线传感网研究几乎是呈爆炸式发展，美国麻省理工学院、哈佛大学、康奈尔大学、斯坦福大学等世界著名大学，以及包括Inter、Microsoft、IBM、DUST、Crossbow在内的著名企业都纷纷开展无线传感网方面的研究。
与此同时，无线传感网的应用研究也在全面展开，无线传感网逐渐从实验室原型系统走向大规模实际应用的阶段，在旧金山，200个联网WSN节点已被部署在金门大桥。这些节点用于确定大桥从一边到另一边的摆动距离-可以精确到在强风中为几英尺。当节点检测出移动距离时，它将把该信息通过WSN传递出去，进行数据分析。任何与当前天气情况不吻合的异常读数都可能预示着大桥存在隐患。系统将根据这一信息通知工程师对其进行修缮，以确保桥梁在遭受地震或其它自然灾害时仍保持完好无损。无线传感网还越来越多的应用于智能医疗、智能家居等领域。
2.2主要特点
无线传感器网络与传统无线网络相比具有许多独特的性质。
（1）规模大。为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点。传感器可以分布在很广泛的地理区域，感知的范围也很大。
（2）自组织。无线传感网是由对等节点构成的网络，不存在中心控制。管理和组网都非常简单灵活。在传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。
（3）动态性。传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：环境因素或电能耗尽造成的传感器节点故障或失效；环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。
（4）可靠性。无线传感网节点可以工作在露天环境中，遭受日晒、风吹、雨淋，甚至遭到人或动物的破坏。传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件
（5）集成化。传感器节点的功耗低，体积小，价格便宜，实现了集成化。其中，微机电系统技术的快速发展为无线传感器网络接点实现上述功能提供了相应的技术条件。
（6）多跳网络路由。无线传感网络的节点由于发射功率有限，当它与覆盖范围外的节点进行通信时，需要中间节点的转发，要求网络具有多跳路由。而且无线传感器网络的多跳路由是由普通节点协作完成，无需专门的路由设备。
在配电网中的应用
3.1应用分析
无线传感网的特点是低成本、大容量。实际中的系统速率并不高，一般为20Kbps－250kbps。因此无线传感网只适用于电力低速数据网，作为全面实现配配电自动化的通信技术补充手段。可应用于配电系统内的自管站两遥信号传输、环境数据、设备数据、路灯数据等。
杭州供电公司已建设的10kV终端通信接入网主要采用以光纤专网为主，中压载波自组网为辅的技术方案，其中，光纤专网通信方式采用以太网无源光网络（EPON）技术。光网络布到开关站。站内末端500－1000米使用无线传感网进行无线数据网覆盖。低压网络末端采用无线使用网对电力光纤网进行扩展和延伸。根据浙江省电力公司统一规划，“十二五”期间，杭州主城区配电自动化站点基本实现通信全覆盖，并通过电力光纤和其他通信技术结合的方式建设强大的终端通信接入网将在线检测计量、故障定位、自动控制、规划和数据统计管理等方面为配电网提供有力的支撑。
3.2终端通信接入网组网方案
骨干网采用电力光纤网，末端一公里采用WSN进行数据采集。使用集成WSN传输节点(Node)和传感器的一体化数据采集器和在仪表上使用互感器和485协议转换的WSN专用数据采集器进行数据采集。系统架构如图一所示。
图1 终端通信接入网系统架构图
WSN系统结构为：
（1）无线网关：负责无线传感网网络生成、拓扑管理、路由选择、数据传输的关键设备。下行支持无线传感网频率和协议，上行支持EPON。
（2）无线传输模块：将节点、传感器或仪表通讯模块采集到的数据上传到数据中心；将管理中心下发的数据和指挥传输到控制节点。支持电力低压网的无线频率/信道，支持组网/广播两种工作模式。
（3）传感器/支持485协议的设备：为无线模块采集数据，对485设备进行协议转换；对互感和传感数据进行变送。
3.3无线传感网络架构
根据网络需求，无线传感网支持星型、树型、Mesh型、簇型等网络结构的应答式带校验的轻量级组网协议，研发了融入实际场景约束的网络拓扑结构优化选择算法，实现了不同环境下的多站与调度站的网络构建及优化。以杭州供电公司组网方式为例，如图2所示。
针对实际场景应用情况变化所产生的网络动态调整要求，构建了基于分级关联描述的路由表，设计了分布式拓扑管理机制及路由管理算法，实现了最小传输次数的路由优化，工作休眠状态的自转换和数据并发的自适应传输。
信息安全
数据安全性是电力系统重要的特性， 安全是系统可用的前提。电
力系统一直使用专用数据网，目的是进行数据的物理隔离，保证数据安全性。无线传感网的射频、IP数据都需要考虑安全问题，保证数据的物理隔离与防窃听。
图2 WSN组网方式
在前端无线数据传输单元或无线数据路由单元采用精简的TEA加密算法，避免明文传输，在无线数据汇聚网关处根据密钥进行解密；
不同安全等级业务使用不同信道，避免相互之间的干扰，以实现数据的物理隔离，保证数据安全性。
如遇到长时间的无线干扰，设备可以采用跳频的方式来避免信道干扰，保证数据安全可靠传输。
总结
本文就WSN在配电自动化中的应用进行了研究分析，结合配电网的实际情况设计了适合的无线传感网网络架构。WSN的特性可以解决电力通讯末端一公里的问题。电力通信光纤网又为WSN网络提供了最佳的接入方式和使用场景。而智能配电网需要的是内外的数据，还有新兴的业务数据。所以WSN网络在新一代的终端通信网络建设过程中，可以发挥其灵活，低功耗的作用，为节能减排，合理运用能源，保障电网长期，安全稳定的运行发挥应用的作用。
参考文献
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论文作者:王瑾
论文发表刊物:《电力设备》2015年第12期供稿
论文发表时间:2016/4/28
标签：节点论文; 传感器论文; 网络论文; 数据论文; 终端论文; 通信论文; 路由论文; 《电力设备》2015年第12期供稿论文;