變電站無線通信論文

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1無線通信技術(shù)的對(duì)比與選擇

無線通信是在有線通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上加入無線接入點(diǎn)（Access　Point）等設(shè)備而實(shí)現(xiàn)，作為有線局域網(wǎng)的延伸，無線網(wǎng)絡(luò)可以有效地解決有線通信不易實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)連通問題［6－9］。變電站內(nèi)采用無線通信技術(shù)突出的優(yōu)點(diǎn)：

①便捷性

在變電站內(nèi)一般只需安裝多個(gè)無線接入點(diǎn)AP，即可在站內(nèi)覆蓋無線網(wǎng)絡(luò)通信，從而省去了大量穿墻、埋溝布線的工作量，減少了二次電纜的數(shù)量。

②靈活性

站內(nèi)各類采集設(shè)備可以不受布線的限制，安裝在任何有無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，尤其移動(dòng)設(shè)備可以通過無線網(wǎng)絡(luò)與控制中心通信，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活度。

③經(jīng)濟(jì)性

無線傳輸無須架設(shè)大量電纜，當(dāng)站內(nèi)通信規(guī)模增加時(shí)無線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性好，通信故障時(shí)維護(hù)簡(jiǎn)便，因此建立和維護(hù)無線網(wǎng)絡(luò)的投資都較少。目前，應(yīng)用較成熟的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要包括：

1）藍(lán)牙技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)是全球通用的無線技術(shù)，在2．4GHz波段工作，采用跳頻展頻技術(shù)，數(shù)據(jù)速率為1Mbit／s，傳輸距離10m。因此，它是一種以低成本的近距離無線連接為基礎(chǔ)，為固定與移動(dòng)設(shè)備通信環(huán)境建立一個(gè)特別連接的短程無線電技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是成本低、功耗低，主要用于語音傳輸。其標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、知識(shí)產(chǎn)權(quán)共享的優(yōu)勢(shì)是非常明顯的，變電站內(nèi)許多設(shè)備間采用無線方式通信在不久的將來就可以實(shí)現(xiàn)。

2）GPRS技術(shù)。GPRS是通用無線分組業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱，是在GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，作為2G向3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)過渡的技術(shù)。GPRS理論帶寬可達(dá)171．2kbit／s，實(shí)際應(yīng)用帶寬約30～40kbit／s。在電力系統(tǒng)中主要用于傳輸負(fù)控、遠(yuǎn)抄等實(shí)時(shí)性要求不高、數(shù)據(jù)量交換較小的場(chǎng)合。

3）3G技術(shù)。3G指第代移動(dòng)通信技術(shù)，它能夠處理圖像、音樂、視頻等多媒體數(shù)據(jù)國(guó)際確定的3個(gè)無線接口標(biāo)準(zhǔn)分別為WCDMA，CDMA2000，TDS－CDMA，其網(wǎng)絡(luò)理論下行速度可達(dá)2．8Mbit／s，上行速度可達(dá)384kbit／s。在國(guó)內(nèi)使用3G網(wǎng)絡(luò)必須租用中國(guó)電信或聯(lián)通的3G寬帶，由于在基站范圍內(nèi)所有用戶分享帶寬，因此使用3G網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際帶寬會(huì)有所減少。

4）4G技術(shù)。4G指第4代移動(dòng)通信技術(shù)，包括TD－LTE和FDD－LTE　2種制式4G技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率理論可達(dá)100Mbit／s，能夠快速傳輸數(shù)據(jù)、高質(zhì)量的圖像、音頻、視頻；具有良好的保密性和兼容性，可以在2G網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)、有線寬帶網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)間實(shí)現(xiàn)無縫漫游。與3G網(wǎng)絡(luò)類似，使用4G需要向運(yùn)營(yíng)商租用網(wǎng)絡(luò)，而4G通信系統(tǒng)正在建設(shè)中，各類相關(guān)技術(shù)仍需完善。

5）WLAN技術(shù)。無線局域網(wǎng)（WLAN）作為有線局域網(wǎng)的補(bǔ)充和擴(kuò)展，是應(yīng)用無線通信技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)起來，構(gòu)成相互通信和資源共享的網(wǎng)絡(luò)體系。無線局域網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較多，其中，美國(guó)國(guó)際電子電機(jī)學(xué)會(huì)制定的IEEE　802．11系列標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)較成熟，應(yīng)用較廣泛。IEEE　802．11常用標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)參數(shù)。上海地區(qū)110kV及以下變、配電站內(nèi)安裝了大量GIS設(shè)備、鎧裝式中置開關(guān)柜以及測(cè)控、保護(hù)、通信屏柜，金屬架構(gòu)以及電磁干擾對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性提出了很高要求；同時(shí)，站內(nèi)智能移動(dòng)設(shè)備測(cè)取的大量紅外監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)等通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸將占用大量網(wǎng)絡(luò)帶寬。通過5種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的對(duì)比，結(jié)合變電站無線通信的需求，可以得出以下結(jié)論：藍(lán)牙傳輸速率低、距離短，僅適合傳送語音數(shù)據(jù)；GPRS帶寬小，不適用于站內(nèi)大量數(shù)據(jù)通信；3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟，但是實(shí)際帶寬無法承受站內(nèi)所有的信息量交互，并且需要租用網(wǎng)絡(luò)，其運(yùn)行安全與可靠性受控于租借方，運(yùn)行成本也偏高；4G網(wǎng)絡(luò)傳輸速率高，但同樣存在向運(yùn)營(yíng)商租用網(wǎng)絡(luò)的問題，并且該技術(shù)還有待進(jìn)一步發(fā)展。采用WLAN技術(shù)在封閉區(qū)域內(nèi)構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)，通訊距離可達(dá)80～120m，適合變電站內(nèi)及樓層間使用，且其工作頻段是無需任何運(yùn)營(yíng)執(zhí)照的免費(fèi)頻段，運(yùn)行費(fèi)用低廉。在速率方面，選用IEEE802．11g／n標(biāo)準(zhǔn)，速率可達(dá)54Mbit／s以上，遠(yuǎn)大于720P視頻流所需的4Mbit／s碼流，可以保證視頻、音頻、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。因此，從技術(shù)特點(diǎn)分析得出，變電站內(nèi)采用WLAN技術(shù)組建無線網(wǎng)絡(luò)是可行的。

2變電站遠(yuǎn)程巡檢系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)變電站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)必須充分利用無線網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)

在終端層、基站層和主站層間無縫傳輸。變電站遠(yuǎn)程巡檢系統(tǒng)的分層式架構(gòu)如圖1所示。變電站內(nèi)終端層主要由無線測(cè)溫傳感器、無線紅外測(cè)溫儀、可見光攝像機(jī)等傳感設(shè)備組成。終端設(shè)備采集變電站信息后，將信息通過站內(nèi)無線通信網(wǎng)絡(luò)傳送至基站層。基站層設(shè)置管理服務(wù)器、巡檢系統(tǒng)服務(wù)器及存儲(chǔ)服務(wù)器，其中管理服務(wù)器對(duì)所有前端傳感設(shè)備集中管理，實(shí)現(xiàn)所有前端設(shè)備的配置及網(wǎng)絡(luò)連接；巡檢系統(tǒng)接收各類終端層上傳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的巡檢、監(jiān)控、預(yù)警功能；存儲(chǔ)服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，授權(quán)用戶可通過網(wǎng)絡(luò)查詢歷史數(shù)據(jù)，回放視頻、音頻。各變電站與集控站、調(diào)度中心通過有線局域網(wǎng)絡(luò)連接，調(diào)度員及運(yùn)行人員在主站層通過Web方式瀏覽變電站實(shí)時(shí)信息，并調(diào)取歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)變電站遠(yuǎn)程巡檢與監(jiān)控。

3無線局域網(wǎng)的安全問題與對(duì)策研究無線局域網(wǎng)組網(wǎng)靈活

維護(hù)便利，尤其適合可移動(dòng)設(shè)備接入，但是，由于無線網(wǎng)絡(luò)是通過無線電波在空間中傳送數(shù)據(jù)，只要處于電波覆蓋范圍內(nèi)，就有可能受到非法用戶的惡意攻擊，例如攔截網(wǎng)內(nèi)未加密數(shù)據(jù)、竊聽無線接口、破解網(wǎng)絡(luò)密鑰、攻擊網(wǎng)絡(luò)弱點(diǎn)控制篡改通信數(shù)據(jù)等，因此，無線局域網(wǎng)比有線網(wǎng)絡(luò)面臨著更嚴(yán)峻的安全威脅［10－11］。變電站內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)主要用于傳輸電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)，同時(shí)，主站系統(tǒng)可以通過無線網(wǎng)對(duì)各類傳感器、攝像機(jī)下發(fā)控制指令，如果站內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)遭遇惡意入侵，將造成變電站信息外流，監(jiān)控行為嚴(yán)重紊亂。

1）物理隔離

電力系統(tǒng)內(nèi)制定了非常嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)安全分區(qū)機(jī)制［10］，站內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)必須符合國(guó)家、行業(yè)的有關(guān)安全防護(hù)的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定，與電力信息內(nèi)網(wǎng)完全隔離。

2）設(shè)置MAC地址白名單

任何網(wǎng)絡(luò)中的無線傳感器或無線攝像頭都擁有一塊無線網(wǎng)卡，將終端網(wǎng)卡的合法MAC地址輸入到AP的白名單中，其它不在白名單的終端一律被拒絕訪問無線AP。

3）隱藏SSID

SSID（Service　Set　Identifier）服務(wù)標(biāo)識(shí)符主要用于區(qū)別不同的網(wǎng)絡(luò)，只有通過身份驗(yàn)證的用戶才可以進(jìn)入相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，防止未被授權(quán)的用戶進(jìn)入。SSID通常由AP廣播出來，出于安全考慮，可隱藏SSID，此時(shí)需要手工設(shè)置SSID才能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，此技術(shù)可阻止無關(guān)的無線網(wǎng)卡搜索到站內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)，提高了網(wǎng)絡(luò)安全性。

4）采用先進(jìn)的加密技術(shù)

WEP是IEEE　802．11的加密標(biāo)準(zhǔn)之一，主要在身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)對(duì)信息進(jìn)行加密。WEP使用RC4和CRC－32校驗(yàn)，生成40位的密鑰。由于該密鑰屬于靜態(tài)非交換式，各終端用戶共享相同的密鑰，因此很容易被破解。WPA采用暫時(shí)密鑰完整協(xié)議（TKIP），使用RC4和MIChael校驗(yàn)，可生成128位的動(dòng)態(tài)密鑰。WPA包含了認(rèn)證、加密和數(shù)據(jù)完整性3個(gè)部分，整體安全性大幅提升。WPA2的校驗(yàn)算法采用了公認(rèn)非常安全的CCMP訊息認(rèn)證碼以及先進(jìn)的AES加密算法。WPA和WPA2比WEP具備更強(qiáng)大的加密安全保證和標(biāo)準(zhǔn)，它們通過指定的時(shí)間量對(duì)數(shù)據(jù)傳輸中的安全密鑰進(jìn)行更改，有效地防止了非法入侵者暴力破解密鑰，破壞和竊取數(shù)據(jù)。綜合利用上述技術(shù)，多管齊下，將有效提升變電站無線網(wǎng)絡(luò)的安全性，保證變電站遠(yuǎn)程巡檢系統(tǒng)的可靠通信。

4工程實(shí)踐該項(xiàng)目在上海地區(qū)某35kV變電站內(nèi)搭建了無線通信測(cè)試平臺(tái)

通過傳輸視頻數(shù)據(jù)，驗(yàn)證無線通信技術(shù)在戶內(nèi)變電站的應(yīng)用效果。測(cè)試系統(tǒng)安裝在面積為735m2（35m×21m）的35／10kV開關(guān)室內(nèi)，由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、5dBi增益全向天線、筆記本電腦、720P高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、服務(wù)器各一臺(tái)組成。攝像機(jī)采集開關(guān)室內(nèi)設(shè)備的視頻信息，通過其自帶的多媒體格式編解碼模塊生成MPEG格式視頻流，視頻流數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)模塊傳送至接收端，再通過無線局域網(wǎng)傳送至服務(wù)器。在測(cè)試過程中，盡管IEEE　802．11g標(biāo)準(zhǔn)理論速率可達(dá)54Mbit／s，傳輸距離達(dá)50～100m，但是由于開關(guān)室內(nèi)安裝了大量鎧裝式金屬柜，傳輸效果都大打折扣，為此，必須使用AP增加信號(hào)強(qiáng)度。在接入端使用5dBi增益全向天線后，經(jīng)測(cè)試平均吞吐量達(dá)10．52Mbit／s，滿足監(jiān)控點(diǎn)4Mbit／s的帶寬要求；同時(shí)，無論攝像機(jī)處于開關(guān)室內(nèi)任何角落，視頻畫面清晰流暢，控制數(shù)據(jù)也沒有明顯延時(shí)。在安全性方面，由于變電站本體建筑物的隔離屏蔽作用，使得站外無法監(jiān)測(cè)到站內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)；802．11g使用2．4GHz頻段，不會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)中使用的7．5GHz數(shù)字微波頻段產(chǎn)生干擾；采用可靠的認(rèn)證和加密技術(shù)，更有效避免了無線網(wǎng)絡(luò)遭遇入侵。通過傳輸視頻數(shù)據(jù)，充分驗(yàn)證了無線通信技術(shù)應(yīng)用于戶內(nèi)型變電站的可行性，能夠滿足遠(yuǎn)程巡視系統(tǒng)對(duì)大量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、音頻視頻信息的需求。

5結(jié)語

實(shí)現(xiàn)變電站遠(yuǎn)程巡檢是變電站自動(dòng)化與智能化發(fā)展的必然趨勢(shì)，無線通信技術(shù)是開發(fā)遠(yuǎn)程巡檢系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。筆者對(duì)變電站內(nèi)構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行了可行性研究，分析了多種無線通信技術(shù)的特點(diǎn)，并對(duì)無線局域網(wǎng)的安全問題提出了解決方案，最終將研究成果進(jìn)行工程實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果良好。該文研究?jī)?nèi)容將為變電站遠(yuǎn)程巡檢系統(tǒng)的研發(fā)，尤其是新型無線傳感器、移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)傳輸問題提供一定參考。

作者：羅磊 臧少華 邰能靈 單位：上海市南供電公司 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院