淺談無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于變電站的可行性研究

　　引言

　　目前，變電站系統(tǒng)自動(dòng)化正成為一種不可改變的趨勢，其監(jiān)控和通信系統(tǒng)的重要性日益凸顯。變電站現(xiàn)有測控系統(tǒng)多采用有線通信方式，但是，有線通信的弊端是顯而易見的，例如傳輸線鋪設(shè)復(fù)雜、不易檢修和維護(hù)，長距離傳輸線易受電磁千擾的影響等等。而無線通信則具有運(yùn)行可靠、安裝靈活。成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在需要實(shí)時(shí)監(jiān)控變電站信息的情況下，無線通信更是具有極大的優(yōu)勢。

　　現(xiàn)有無線通信方式主要有IEEE802.11b/g、藍(lán)牙、ZigBee. GPRS/GSM等。而ZigBee技術(shù)更是以安全性高、響應(yīng)時(shí)間快、占用系統(tǒng)資源低、成本低以及能耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)成為變電站實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中首選的無線通信技術(shù)。ZigBee技術(shù)是專門針對無線傳感器開發(fā)的，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在變電站中的應(yīng)用研究尚處于起步階段，其研究重點(diǎn)主要放在配電網(wǎng)自動(dòng)化以及溫度、電能在線監(jiān)測方面，然而，變電站高強(qiáng)電磁環(huán)境對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的影響的研究還相對缺失。因此本文對變電站的干擾和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的調(diào)制技術(shù)進(jìn)行研究，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在變電站中的應(yīng)用的可行性進(jìn)行論證。

　　1變電站中的電磁千擾

　　變電站內(nèi)部具有復(fù)雜的電磁環(huán)境，因此必須對各種典型的電磁干擾源進(jìn)行詳細(xì)的分析。變電站存在的典型的電磁干擾源有:50Hz工頻電磁場;設(shè)備出口短路引起的脈沖磁場;電暈放電;靜電放電;局部放電;空氣擊穿燃弧;SF6間隙擊穿燃弧;真空間隙擊穿燃弧等。其中工頻電磁場和脈沖磁場對無線信號基本不會(huì)產(chǎn)影響。

　　1. 1靜電放電和局部放電

　　兩個(gè)具有不同靜定電位的物體，由于直接接觸或靜電場感應(yīng)引起兩物體間的靜電電荷的轉(zhuǎn)移。靜電電場的能量達(dá)到一定程度后，擊穿其間介質(zhì)而進(jìn)行放電的現(xiàn)象就是靜電放電。當(dāng)外加電壓在電氣設(shè)備中產(chǎn)生的場強(qiáng)，足以使絕緣區(qū)域發(fā)生放電，但在放電區(qū)域內(nèi)未形成固定放電通道的這種放電現(xiàn)象，稱為局部放電。兩者都是小絕緣間隙、小能量放電的擊穿。

　　這兩種放電產(chǎn)生輻射干擾在幾百kHz以內(nèi)，且能量低，衰減快，因此對無線通信不會(huì)造成影響。

　　1.2電暈放電和空氣擊穿放電

　　電力導(dǎo)線在高壓強(qiáng)電場作用下，可能對周圍空間產(chǎn)生游離放電的電暈。導(dǎo)線表面的機(jī)械損傷、污染微粒或者導(dǎo)線附近的水滴、灰塵等，都會(huì)引起導(dǎo)線表面曲率變化，從而使得點(diǎn)位梯度達(dá)到空氣介質(zhì)的擊穿介質(zhì)。因此，在電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中電暈的產(chǎn)生幾乎是不可避免的。

　　由圖1可見電暈放電的輻射信號主要集中在78MHZ和180MHZ附近的兩個(gè)包絡(luò)內(nèi)，并且最大信號強(qiáng)度僅為一40dBmW。

　　由圖2可知空氣間隙擊穿產(chǎn)生的電磁場帶寬較寬，主要集中在600MHZ以下，并且干擾信號的強(qiáng)度很小，即使在580:MHZ頻率附近也只有-35dBmW。

　　1.3開關(guān)操作干擾

　　變電站內(nèi)斷路器、隔離開關(guān)等一次設(shè)備在投切操作或開關(guān)故障電流時(shí)，由于感性負(fù)載的存在，開關(guān)觸頭開斷時(shí)，產(chǎn)生的電弧的熄滅和重燃可能在母線或線路上引起含有多個(gè)頻率分量的衰減振蕩波，通過母線或設(shè)備間的連線將暫態(tài)電磁場的能量向周圍空間輻射，形成輻射脈沖電磁場。設(shè)備操作干擾主要有SF6間隙擊穿和真空間隙擊穿所產(chǎn)生的輻射信號。

　　圖3. 4可知SF6間隙擊穿放電和真空間隙擊穿放電所產(chǎn)生的干擾信號覆蓋頻段很寬，且在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)電磁信號的強(qiáng)度比較強(qiáng)，在2. 4GHz頻段，電磁信號的強(qiáng)度約為一40dBmW。

　　2無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)頻技術(shù)

　　2.1 ZigBee協(xié)議

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的ZigBee協(xié)議的框架是建立在IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)之上，IEEE802. 15. 4定義}ZigBee的物理層和媒體訪問層。IEEE802. 15. 4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2. 4GHz物理層和868月I5MHz物理層。兩個(gè)物理層都基于直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)，主要完成能量檢測、鏈路質(zhì)量指示、信道選擇以及數(shù)據(jù)發(fā)送和接收等功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)輸出2.4GHzISM頻段直接序列擴(kuò)頻信號，輸出功率大于一17dBm，工作頻段2. 405^2. 480GHz 。

　　2. 2直接序列擴(kuò)頻技術(shù)

　　擴(kuò)頻是利用與信息無關(guān)的為隨機(jī)碼，通過調(diào)制的方法將己調(diào)制的頻譜寬度擴(kuò)展到比原調(diào)制信號的帶寬寬得多的過程。常用的擴(kuò)頻技術(shù)有調(diào)頻、混合擴(kuò)頻和直接序列擴(kuò)頻等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)。

　　直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)就是用具有高碼率的偽隨機(jī)(PN)序列，在發(fā)送端擴(kuò)展信號的頻譜，在接受端用相同的PN序列對信號進(jìn)行解擴(kuò)，還原出原始信號。

　　3變電站干擾對傳感器網(wǎng)絡(luò)的影晌

　　變電站的電磁干擾主要分為兩部分:0~300MHz低頻部分、2. 4~2. 5GHz同頻帶寬。

　　1)電暈放電和空氣擊穿所產(chǎn)生的低頻干擾的頻帶離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作頻段2. 4GHz很遠(yuǎn)，并且強(qiáng)度小于一40dBmW，可以通過低通濾波器進(jìn)行處理，因此對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信基本沒有影響。

　　2) SF6間隙擊穿放電和真空間隙擊穿放電所產(chǎn)生的電磁干擾在2. 405GHz~2. 485GHz頻帶內(nèi)也有較強(qiáng)的信號存在，在間隙擊穿電壓為I5KV左右時(shí)電磁強(qiáng)度達(dá)到一40dBmV。變電站現(xiàn)場的擊穿電壓可能會(huì)更高，電磁強(qiáng)度也就更高，因此對無線通信會(huì)有一定的影響。但是同頻干擾對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的影響是很小的，這可以通過兩方面說明:

　?、贌o線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的抗干擾能力是由于接收機(jī)將擴(kuò)頻后的信號再次與擴(kuò)頻碼相乘還原出原始信號，同時(shí)干擾信號也在接收端與擴(kuò)頻碼相乘從而將其頻帶展寬，干擾信號能量也就分散到很寬的頻帶上，這樣2. 405GHz~2. 485GHz頻帶內(nèi)只有很小部分干擾信號能量，因此同頻噪聲對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信干擾是微乎其微的。

　?、赟F6間隙擊穿放電和真空間隙擊穿放電產(chǎn)生瞬態(tài)電磁千擾，這種干擾只能持續(xù)很短的時(shí)間，因此對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的干擾也是瞬間的，瞬態(tài)電磁干擾結(jié)束，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也恢復(fù)正常。

　　除電磁干擾外，變電站內(nèi)還存在不可忽略的多徑干擾.由于變電站中大量的金屬設(shè)備和柱狀物容易反射射頻信號，使得接收端接收到的信號包括了多個(gè)不同傳輸路徑的折射或反射信號，從而造成多徑干擾。多徑會(huì)導(dǎo)致信號的衰落、相移和分解，這對以信號能量為判斷標(biāo)準(zhǔn)的無線系統(tǒng)必將產(chǎn)生很大的影響。但是直接序列擴(kuò)頻技術(shù)對于抗多徑干擾有很大的優(yōu)勢，其中很大程度上取決于擴(kuò)頻通信中所采用的偽隨機(jī)序列的周期相關(guān)特性，因?yàn)殡S機(jī)序列具有類似白噪聲一般的尖銳自相關(guān)性，在接收端解擴(kuò)是可以有效地抑制多徑信號的干擾，達(dá)到提高信噪比和通信質(zhì)量的目的。標(biāo)準(zhǔn)DSSS接收機(jī)通過較佳的相關(guān)器自動(dòng)選擇幅度最大的波形信號，比與之鎖定同步，從而降低多徑干擾。因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)可以很好的抑制多徑干擾。

　　4結(jié)論

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)可以很好的抑制變電站中的高強(qiáng)電磁干擾，同時(shí)對變電站中可能產(chǎn)生的多徑干擾也有很好的抑制作用。因此無線傳感器在變電站自動(dòng)化中的應(yīng)用是可行，也是電力系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。