文/天津大学电气与自动化工程学院 张强 孙雨耕 杨挺
天津市电力公司通信分公司 崔振辉

摘要： 智能电网与先进的传感测量技术和通信技术密切相关， 也为无线传感器网络提供了新的应用平台。从无线传感器网络的研究动态及其特点出发， 结合无线传感器网络在电力系统中的应用现状， 分析了无线传感器网络在智能电网高级量测体系（AMI）、高级配电运行（ADO）、高级输电运行（ATO） 和高级资产管理（AAM） 中的应用前景。在此基础上， 归纳了应用于智能电网的无线传感器网络需要解决的主要技术问题。最后指出以具体应用为背景， 满足智能电网的特性要求， 将是无线传感器网络在智能电网中应用的发展趋势。
关键词： 无线传感器网络； 智能电网； 电力系统通信； 高级量测体系（AMI）
中图分类号： TM727；TP212.6 文献标志码： A 文章编号： 1004-9649（2010）06-0031-06

0 引言
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）将传统的传感器信息获取技术从独立的单一化模式向集成化、微型化、网络化、智能化的方向发展，成为近年来IT 领域重要的研究热点。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地感知和采集网络分布区域内监测对象的信息，并传送给观测者［1］。作为沟通客观物理世界和主观感知世界的载体与桥梁，无线传感器网络提供了一种与以往不同的信息获取和处理技术，是信息感知和采集的一场革命。

无线传感器网络凭借其自身的技术特点， 可以被广泛地应用于国防军事、环境监测、城市管理、医疗卫生、工业控制、反恐抗灾等诸多领域［2-3］。在电力系统自动化领域，已有研究把无线传感器网络应用于远程抄表、负荷预测、变电站自动化、配电网继电保护、配电线路故障定位、输电线路实时监测与预警等方面［4-13］。这些应用有效地监测了电力系统运行状态，提高了电力系统的运行效率，使得无线传感器网络成为电能生产、传输、分配、消费环节的有益补充。

智能电网的兴起引起了政府部门、工业界、学术界的广泛关注。智能电网将最先进的传感器技术、网络技术、通信技术、新能源技术和IT 技术等融合到电力系统中，使其具备现有电网尚不具备的自愈、互动、兼容、集成、优化和安全等特点［14-15］。不仅GE、IBM、ABB、SIEMENS 等电气企业热衷于智能电网产品的研发，Intel、Cisco、Google、Microsoft 等信息产业龙头也纷纷投入智能电网业务， 在电网信息处理领域发挥作用［16］。无线传感器网络可以获取电网运行状态、参数等物理信息，为电网运行和管理人员提供更为全面、完整的电网运营数据，有利于决策系统控制实施方案和应对预案， 必将成为智能电网的有效组成部分。

1 研究动态及特点
1.1 研究动态
无线传感器网络的早期研究起源于美国20 世纪70 年代的军事项目，近10 a 来，无线传感器网络的兴起引起了国内外研究机构的广泛关注， 使得无线传感器网络在基础理论和支撑技术等方面获得了长足发展。目前，无线传感器网络正处在从实验原型系统走向大规模实际应用的阶段， 其内涵和外延也得到了不断的丰富和扩展。

在理论研究方面， 研究者基于无线传感器网络大规模、自组织、多跳、无分区、无基础设施，节点是同构的、成本较低、体积较小、随机部署、能量有限且不能再生、通信和计算能力严格受限等条件，围绕低功耗这一核心，在拓扑控制、网络路由、数据融合、目标定位、网络安全等方面不断地进行探索，从而延长网络寿命。

在实际应用中， 人们不再拘泥于传统意义上的无线传感器网络一味强调低功耗、节点随机密集部署等苛刻条件， 而是根据具体的应用需求及所能获得的条件，以应用为中心，采用成熟、简单、可行的技术， 将一切借助无线通信技术实现网络化的监控系统均纳入无线传感器网络研究的范畴，强调灵活、便捷的无线通信技术对传统的独立传感器注入网络通信功能后所展现的勃勃生机和巨大潜能［17］。

1.2 主要特点
（1）应用相关性。无线传感器网络在不同的应用背景下，其硬件平台、软件系统、网络协议、甚至是体系结构也不尽相同， 针对每一个具体应用来研究无线传感器网络技术， 这是无线传感器网络设计不同于传统网络的显著特征［3］。
（2）以数据为中心。以数据为中心的传感器网络的基本思想是把传感器视为感知数据流或感知数据源， 把无线传感器网络视为感知数据空间或感知数据库，把数据管理和处理作为网络的应用目标。感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的传感器网络的核心技术［1］。
（3）自组织、自适应。无线传感网络节点可以随机或人工部署在监测区域内， 无需依赖任何预设的网络设施，节点具有自组织、自适应的能力，能够自动进行配置和管理， 通过拓扑控制和网络协议协调各自的行为，自动地组成一个独立的网络。
（4）动态变化的拓扑。无线传感器网络节点可以根据应用需求选择工作或休眠方式， 此外， 节点能量、无线信道、地形和天气等环境因素的影响，使得无线传感器网络具有动态的、可重构的网络拓扑。
（5）多跳网络路由。无线传感器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。

2 在智能电网中的应用前景
智能电网涵盖了高级量测体系（AdvancedMeteringInfrastructure，AMI）、高级配电运行（AdvancedDistribution Operation，ADO）、高级输电运行（AdvancedTransmissionOperation，ATO）和高级资产管理（AdvancedAsset Management，AAM）［18］，它们之间的密切配合实现智能电网安全稳定运行、兼容分布式电源、提高电网资产的利用率、提高用户用电的效率、可靠性和电能质量的目标。无线传感器网络在AMI、ADO、ATO和AAM 领域有着广泛的应用前景。

2.1 WSN 在AMI 中的应用
AMI 是一个用来测量、收集、储存、分析和运用用户用电信息的完整的网络处理系统， 主要由智能电表、家庭网络（Home Area Network，HAN）、本地通信网络、连接电力公司数据中心的Back-Haul 通信网络、量测数据管理系统等组成［14］。一般情况下，AMI是电网智能化的第一步［18］。AMI 把用户和电力公司紧密相连， 为配电自动化等智能电网功能的实现奠定基础。

图1 所示为基于WSN 的AMI 系统，从WSN 网关到数据中心之间的通信线路，可采用电力线载波、数字微波、SDH 光纤、ASON 光网络、GPRS/CDMA、卫星通信等通信介质。从WSN 网关到用电设备的“最后一英里”（last mile） 采用一系列微功率无线通信技术的WSN 来实现一个完整的AMI 系统。微功率无线通信技术包括Bluetooth、Wi-Fi、ZigBee、UWB等，低成本、低功耗和对等通信是微功率无线通信技术的3 个重要特征和优势。典型的微功率无线通信技术的特点如表1 所示［17］。

WSN 技术克服了数据点对点无线传输模式的局限性，采用自组织网络、自动中继的方式来实现低功耗、远距离、多障碍的数据传输。目前，低功耗、低成本、低速率的ZigBee 技术成为HAN 用户接口通信较为接受的标准［19］ 。通过ZigBee 技术，实现智能电表和家庭设备之间的无线通信， 构成家庭内部的能源管理系统。智能家居是WSN 兴起时即提出的应用领域，而智能电网的出现最终将这一目标实现。

随着智能电网的发展，HAN 也必将融合3G、4G 网络和Internet 进入人们的日常生活中， 成为人们现代化便捷生活的组成部分。

2.2 WSN 在ADO 中的应用
ADO 的技术组成和功能主要包括高级配电自动化、高级保护与控制、配电快速仿真与模拟（DFSM）、新型电力电子装置、分布式能源（DER）运行、AC/DC微网运行、运行管理系统等，ADO 主要的功能是使系统可自愈［18］。为了实现自愈的目标，电网应具有灵活的可重构的配电网络拓扑和实时监视、分析系统目前状态的能力。在配电网中部署监测传感器节点，形成安全可靠的传感器网络， 是做出快速预测和响应的一种途径。

文献［7］提出了一种基于无线传感器网络的配电线路故障定位方案， 利用故障相相邻节点间故障电流幅值差与对应非故障相相邻节点间故障电流幅值差之比的方法来实现故障的精确定位， 其故障定位原理如图2 所示［4］。

用i⁰_mj表示故障前m 相节点j 的采样电流（m=1，2，3； j =1，2，3），i_mj表示故障时m 相节点j 的采样电流，φ 表示故障前与故障时电流的相位差，每个节点的故障电流幅值为：

式中：K 为单相节点故障检测灵敏度系数。设：k=Δ2（C1，C2）/Δ2（A1，A2）k 为故障相相邻节点间故障电流幅值差与对应非故障相相邻节点间故障电流幅值差之比， 根据该比值可以实现配电线路的故障定位。

面对智能电网提出自愈、兼容、安全等新挑战，无线传感器网络中的节点高度集成了数据采集、数据处理和通信等功能， 不需要复杂的通信线路的布线；无线传感器网络具有自组织性、动态性拓扑，使得无线传感器网络更适用于分布式处理；无线传感器网络节点部署完毕后，可以实现不同保护平台的迅速构建而不需要添加更多的设施［8］。这些特点对ADO 所要求的网络重构、故障定位、隔离和恢复供电、分布式能源（DER）运行、AC/DC 微网运行、系统拓扑结构发生变化时继电保护再整定都起到了辅助支撑的作用， 使得ADO 既具有识别故障早期征兆的预测能力， 也具有对已经发生的扰动做出响应的能力。

2.3 WSN 在ATO 中的应用
输电网是电网的骨干， 中国将建设以特高压电网为骨干网架的坚强智能电网，ATO 在智能电网中发挥着重要作用。ATO 的技术组成和功能主要包括：变电站自动化、输电的地理信息系统（GIS）、广域量测系统（WAMS）、高速信息处理、高级保护与控制、模拟、仿真和可视化工具、高级的输电网络元件、先进的区域电网运行等［18］。

2.3.1 变电站自动化
变电站自动化离不开先进通信技术的支持，文献［9-10］对无线传感器网络应用于变电站自动化进行了探讨。其中，文献［9］提出一种基于无线自组传感器网络的新型变电站自动化通信网络， 设计了变电站无线自组传感器网络的体系结构， 并讨论了路由协议的选择问题。文献［10］提出一种基于分簇路由的2 架构变电站自动化系统无线传感器网络组网方案， 对该方案具体实施中的传感器节点能量供给、数据融合与分簇路由算法、可靠性与安全技术、WSN 接入以太网等关键技术给出了初步解决办法。

2.3.2 输电线路监测
输电线路监测系统主要采集输电线路的运行环境数据和线路铁塔的运行环境数据等， 包括线路温度、湿度、污秽、覆冰、风偏、山火、雷击，铁塔环境温度、应力状况等，并在多信息集成和融合条件下实现线路故障监测及管理，为数字化线路奠定基础。国家电力建设研究所目前已将Crossbow 公司开发的无线传感器网络节点部署在高压输电线上（见图3），传感器网络网关固定在高压输电塔上， 用于监测大跨据输电线路的应力、温度和震动等参数［12］。此外，带有视频采集功能的无线传感器网络节点可以采集现场图像，用于进行灾害预警，实现全网可视化。

2.4 WSN 在AAM 中的应用
AAM 使用AMI、ADO 和ATO 的信息与控制，能够提高设备的利用率、改善电网运行效率、减少线损、降低电网运营成本。

在智能电网中， 实现AAM 可以利用WSN 技术， 在系统中大量部署可提供系统参数和资产状况的传感器节点，通过无线传感器网络，把收集到的实时信息与优化资产使用的运行、输配电网规划、设备定期检修、工程设计与建造、顾客服务、工作与资源管理、模拟与仿真等过程结合，从而提升资产的利用率，优化电网的投资，降低运营商运营成本［20］。

3 需要解决的主要技术问题
3.1 电磁兼容
无线传感器网络在电网中受到的电磁干扰因素主要有电晕干扰、无线电干扰、雷电、辐射电磁场等等。应用于智能电网的无线传感器网络，在数据的采集和传输过程中， 都有可能因为电磁干扰而造成失误， 所以无线传感器网络能正常工作的先决条件就是能够承受电网正常工作或故障情况下产生的极强的电磁干扰。电磁干扰的产生、传播和接收是不可能完全消除的， 但是可以在满足电磁兼容设计目标要求的情况下来完成电磁兼容的可行性设计。无线传感器网络的电磁兼容性设计既要考虑在规定干扰强度的电磁环境下能正常工作， 也要考虑向外界发送的电磁干扰强度在规定的范围内。

3.2 关键支持技术
无线传感器网络关键支持技术包括节点部署、拓扑控制、路由协议、时钟同步、能量供给、定位技术、数据管理与融合等。

3.2.1 节点部署
在智能电网中， 无线传感器网络节点一般需要人为部署，而不是随机抛撒。无线传感器网络在智能电网中采集电气量和非电气量，在部署的过程中，应综合考虑节点数量、感知范围及通信半径3 个要素，以满足传感器网络连通及感知可靠性的要求， 实现网络节点快速、有效组网。

3.2.2 拓扑控制
拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之一。通过拓扑控制，能够提高路由协议和MAC 协议的效率，可为时间同步、数据融合、目标定位等很多方面奠定基础， 有利于提高数据传输的效率和准确性。智能电网本身具有灵活的可重构的配电网络拓扑，无线传感器网络需要与之相适应。

3.2.3 路由协议
无线传感网络路由协议依据具体应用的不同而不同，在智能电网中，一些应用对通信的服务可靠性和实时性有较高要求， 因此无线传感网络的路由协议应根据链路的稳定性、信道的质量、拓扑变化等情况，设计满足QoS 需求的路由协议。

3.2.4 时钟同步
时间同步机制是分布式系统基础框架的一个关键机制。无线传感器网络是一种新的分布式系统，系统的协同工作需要节点间的时间同步。智能电网中，要考虑具体应用的同步精度需求， 保证无线传感器网络的时间同步精度。

3.2.5 能量供给
在传统无线传感器网络研究中， 假设节点能量十分有限且不可再生，各种技术均以节能为目标。在智能电网中，可以采用小TA 取能、微风发电、太阳能电池等技术使无线传感器网络节点获得持续的电能，保证能量的持续供应，以满足智能电网中大量、快速、可靠数据传输对能量的需求。

3.3 标准化通信
智能电网应具有开放、标准、集成的通信系统，通信系统是智能电网赖以运行的基础， 没有全面的通信系统就没有智能电网。无线传感器网络在智能电网中不是孤立地存在， 而应与电力通信系统相结合，包括与电力宽频通信（BPL）、数字微波、SDH 光纤、ASON 光网络等通信技术结合。全面集成的通信系统必须使用通用的标准， 不同应用场合下的无线传感器网络应遵循相应的标准接入到电力通信网。智能电网中的标准制定还在进一步推进， 在推进的过程中， 应考虑到无线传感器网络与现有通信系统的集成，避免重复开发。

3.4 网络安全技术
与传统的电力通信网络相比， 应用于智能电网的无线传感器网络面临更大的安全挑战。作为连接真实物理环境和信息系统的接口， 无线传感器网络是应用深度嵌入的网络。针对不同的应用，无线传感器网络的结构和协议会有所不同。无线传感器网络的这种特征很难直接将传统网络安全算法和协议应用于传感器网络。除考虑信息获取的机密性、完整性和新鲜性以及通信实体和消息源的认可性之外，还要将安全问题融入网络路由、时钟同步、数据融合等环节，从而保证智能电网安全、稳定、可靠运行。

4 结语
本文对无线传感器网络在智能电网中的应用进行了研究，并分析了需要解决的主要技术问题。从无线传感器网络在电力系统中的研究现状看， 已经取得了一定的研究成果， 但还没有在大规模实际应用中检验。从智能电网的发展计划看，亟须无线传感器网络的参与，因此以具体应用为背景，满足智能电网自愈、互动、兼容、集成、优化和安全要求的无线传感器网络将是其在智能电网中应用的发展趋势。

参考文献：
［1］ 李建中, 李金宝, 石胜飞. 传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展［J］. 软件学报, 2003, 14（10）: 1717-1727．LI Jian-zhong, LI Jin-bao, SHI Sheng-fei. Concepts, issues and advance of sensor networks and data management of sensor networks
［J］. Journal of Software, 2003, 14（10）: 1717-1727.
［2］ AKYILDIZ I F, SU W, SANKARASUBRAMANIAM Y, et al. Wireless sensor networks: a survey ［J］. Computer Networks. 2002, 38 （4）: 393-422.
［3］ 孙利民, 李建中, 陈渝, 等. 无线传感器网络［M］. 北京: 清华大学出版社, 2005.SUN Li-min, LI Jian-zhong, CHEN Yu, et al. Wireless sensor networks
［M］. Beijing: Tsinghua University Press, 2005.
［4］ NORDMAN M. An architecture for wireless sensors in distributed management of electrical distribution systems ［D］. Hilsinki （Finland）:Hilsinki University of Technology, 2004.
［5］ 黄绪勇, 刘沛, 苗世洪, 等. 无线传感自组网在电力监控中的应用动态［J］. 电力系统自动化, 2007, 31（7）: 99-103.HUANG Xu-yong, LIU Pei, MIAO Shi-hong, et al. Application of wireless sensor networks in power monitoring system ［J］. Automation of Electric Power Systems. 2007, 31（7）: 99-103.
［6］ MUTHUKUMAR M, SURESHKUMAR N, BHADRINARAYAN M A.A wireless sensor network communication model for automation of electric power distribution［C］//The IAJC-IJME Conference Committee.Proceedings of the 2008 IAJC-IJME International Conference. Nov.17-19, 2008. Nashville, Tennessee. USA: IAJC,2008:110-119.
［7］ 苗世洪, 谌小莉, 刘沛, 等. 基于无线传感器网络的配电线路故障定位方案［J］. 电力系统自动化. 2008, 32（20）: 61-66.MIAO Shi-hong, CHEN Xiao-li, LIU Pei, et al. A distribution linesfault location scheme based on the wireless sensor network［J］, Automationof Electric Power Systems. 2008, 32（20）: 61-66.
［8］ 黄绪勇, 苗世洪, 刘沛, 等. 基于无线传感器网络的配电线路的故障监测的可行性研究［J］. 继电器，2008, 36（8）: 11-15.HUANG Xu-yong, MIAO Shi-hong, LIU Pei, et al. A feasibilityresearch of fault detection for distribution line based on wireless sensornetworks［J］. Relay，2008, 36（8）: 11-15.
［9］ 苗世洪, 谌小莉, 黄绪勇, 等. 无线自组传感器网络在变电站自动化中的应用［J］. 电网技术, 2007. 31（S2）: 256-259.MIAO Shi-hong, CHEN Xiao-li, HUANG Xu-yong, et al. Application of wireless ad hoc sensor networks in substation automation system
［J］. Power System Technology, 2007. 31（S2）: 256-259.
［10］ 王阳光, 尹项根, 游大海, 等. 应用于变电站自动化系统的无线传感器网络技术［J］. 电网技术. 2009, 33（2）: 20-26. WANG Yang-guang, YIN Xiang-gen, YOU Da-hai, et al. Application of wireless sensor networks in substation automation systems［J］. Power System Technology. 2009, 33（2）: 20-26.
［11］ LEON RA, VITTAL V, MANIMARAN G. Application of sensor network for secure electric energy infrastructure ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery, 2007, 22（2）:1021-1028.
［12］ Crossbow Technology. 无线传感器网络与电力系统［EB/OL］.［2009-8-20］. http:// www.xbow.com.cn/wsn/pdf/WSN_ 电力系统.pdf.
［13］ CHALLA BP, CHALLA S, CHAKRAVORTY R. A novel approach for electrical load forecasting using distributed sensor networks［C］//IEEE. Proceedings of the 2005 3rd International Conference on Intelligent Sensing and Information Processing, Dec.14-17, Bangalore,India. USA: IEEE Computer Society. 2005:189-194.
［14］ 许晓慧. 智能电网导论［M］. 北京: 中国电力出版社. 2009.XU Xiao-hui. Introduction to smart grid［M］. Beijing: China ElectricPower Press. 2009.
［15］ 余贻鑫, 栾文鹏. 智能电网［J］. 电网与清洁能源,2009,25（1）:7-11．YUYi-xin, LUAN Wen-peng. Smart grid［J］. Power System and CleanEnergy, 2009, 25（1）: 7-11.
［16］ BERSTJ.Googlejumpsintosmart grid ［EB/OL］. ［2009-02-09］. http://www.smartgridnews.com/artman/publish/companies/Google_Jumps_Into_Smart_Grid.html.
［17］ 李晓维, 徐勇军, 任丰原. 无线传感器网络技术［M］. 北京: 北京理工大学出版社, 2007.
LI Xiao-wei, XU Yong-jun, REN Feng-yuan. Techniques for wireless sensor networks［M］. Beijing: Beijing Institute of Technology Press,2007.
［18］ 余贻鑫. 智能电网的技术组成和实现顺序［J］. 南方电网技术,2009,3（2）:1-5.YU Yi-xin. Technical composition of smart grid and its implementationsequence［J］. Southern Power System Technology, 2009, 3（2）:1-5.
［19］ 栾文鹏. 高级量测体系［J］. 南方电网技术，2009,3（2）:6-10.LUAN Wen-peng. Advanced metering infrastructure ［J］. SouthernPower System Technology, 2009, 3（2） :6-10.
［20］ 林宇峰, 钟金, 吴复立. 智能电网技术体系探讨［J］. 电网技术，2009, 33（12）: 8-14.LIN Yu-feng, ZHONG Jin, WU Fu-li. Discussion on smart grid supporting technologies ［J］. Power System Technology. 2009, 33（12）: 8-14.