一種構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)電流差動(dòng)應(yīng)急保護(hù)通道的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)通信通道領(lǐng)域，更具體地，涉 及一種構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)電流差動(dòng)應(yīng)急保護(hù)通道的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國電力需求持續(xù)增長(zhǎng)，電力規(guī)模持續(xù)增大。目前，"西 電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)"的發(fā)展戰(zhàn)略已基本實(shí)現(xiàn)，南、中、北三大跨區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)初步 形成，一個(gè)覆蓋全國范圍的互聯(lián)電網(wǎng)已初具規(guī)模。一旦發(fā)生故障，影響的地域范圍和用戶數(shù) 量越來越大，造成的經(jīng)濟(jì)損失將不可估量。
[0003] 線路的電流差動(dòng)保護(hù)是一種原理簡(jiǎn)單、動(dòng)作速度快、反應(yīng)靈敏的繼電保護(hù)原理。由 于它能夠根據(jù)被保護(hù)元件各端電流向量關(guān)系正確地判別區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障，具有天然的選相 功能，而且不受系統(tǒng)震蕩的影響，因此成為高壓線路主保護(hù)的首選。電流差動(dòng)保護(hù)依賴線路 兩端電流信息的交換，實(shí)現(xiàn)信息交換的通道從最初的導(dǎo)引線、發(fā)展到后來的微波通信、再到 目前廣泛部署的光纖通信，無論是通信的速度還是可靠性都有了質(zhì)的提升。但目前差動(dòng)保 護(hù)大多只有一條主保護(hù)通道，一旦遇到自然災(zāi)害或人為破壞導(dǎo)致主保護(hù)通道失效，便會(huì)使 電流差動(dòng)保護(hù)完全失效，線路不能及時(shí)切除內(nèi)部故障，造成更大范圍的停電事故。
[0004] 極端災(zāi)害發(fā)生，網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)不存在任何迂回通道的"信息孤島"，或者迂回通信通 道延時(shí)過大不能滿足繼電保護(hù)速動(dòng)性的要求時(shí)，此時(shí)，需要采用其他技術(shù)在故障鏈路上構(gòu) 建新的傳輸通道，傳統(tǒng)的通信方式需要預(yù)先建設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，具有依賴基礎(chǔ)設(shè)施的缺點(diǎn)，而近 年來無線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展為解決緊急通信通道的構(gòu)建問題提供了契機(jī)。因此，構(gòu)建一條通 信原理和媒介不同于主保護(hù)通道的應(yīng)急保護(hù)通道作為備用通道是非常有必要的。
[0005] WSN是基于IEEE802. 15. 4的ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，具有高監(jiān)測(cè)精度、高容錯(cuò)性、自組 織、自適應(yīng)、動(dòng)態(tài)拓?fù)涞葍?yōu)點(diǎn)，為災(zāi)變時(shí)電流差動(dòng)保護(hù)緊急通信通道的構(gòu)建提供了一種可行 的方案?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的緊急保護(hù)通信通道的構(gòu)建方案在近幾年被提出，但僅是從 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)對(duì)該方案進(jìn)行了初步的論證。此外相關(guān)仿真采用的無線傳感器 節(jié)點(diǎn)少傳輸距離較短，受限于當(dāng)時(shí)無線傳感器硬件技術(shù)。
[0006] 應(yīng)用于應(yīng)急保護(hù)通道的Zigbee網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的MANET (移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)）有著許多顯 著不同的特性：
[0007] (1)位于應(yīng)急保護(hù)通道中的Zigbee節(jié)點(diǎn)位置固定并且按近似直線的拓?fù)渑帕?；?MNET的概念中節(jié)點(diǎn)可以自由移動(dòng)，拓?fù)涑Ｒ姷氖切菭?、網(wǎng)狀或樹狀。
[0008] (2)應(yīng)急保護(hù)通道中真正的通信節(jié)點(diǎn)只有線路首尾兩端的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)；MANET中一 個(gè)節(jié)點(diǎn)可以向網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信。
[0009] (3)應(yīng)急保護(hù)通道中的節(jié)點(diǎn)均配置有GPS模塊，節(jié)點(diǎn)可以獲取自身的位置并發(fā)送 給其他節(jié)點(diǎn)；而MANET中一般不會(huì)考慮節(jié)點(diǎn)的位置信息
[0010] (4)應(yīng)急保護(hù)通道中通信節(jié)點(diǎn)的供電方式最好為線上取電，同時(shí)有備用電池可以 進(jìn)行供電方式切換。而MNET中一般的設(shè)想是節(jié)點(diǎn)由電池供電，壽命有限。
[0011] 因此，應(yīng)急保護(hù)通道可以視為MANET的一種極為特殊的情況。
[0012] Zigbee聯(lián)盟規(guī)定了 Zigbee設(shè)備中使用的路由協(xié)議是AODV路由和樹狀路由相結(jié) 合的路由方式。Zigbee的路由協(xié)議盡管同樣適用于應(yīng)急保護(hù)通道，但針對(duì)應(yīng)急保護(hù)通道與 MNET的不同之處，本發(fā)明對(duì)Zigbee路由協(xié)議做出了修改。使每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)有一個(gè)前向列 表和反向列表，保證了某條正在使用的鏈路失效后，通道可以自動(dòng)快速修復(fù)。
[0013] 基于此目的，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，它可以在主保護(hù) 通道失效后承擔(dān)線路兩端的電流數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，維系電流差動(dòng)保護(hù)的功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本申請(qǐng)?zhí)峁┑氖且环N構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)電流差動(dòng)應(yīng)急保 護(hù)通道的方法，其中通過對(duì)列表建立、路由發(fā)現(xiàn)進(jìn)行研究和涉及，與現(xiàn)有相比，具有災(zāi)變情 況下電流差動(dòng)保護(hù)功能的恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備延時(shí)短、能耗低、多跳的特點(diǎn)，因而尤其適 用于災(zāi)變情況下應(yīng)急保護(hù)通道的數(shù)據(jù)傳輸需求。
[0015] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)電流差動(dòng)應(yīng) 急保護(hù)通道的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
[0016] 路由發(fā)現(xiàn)步驟，通過路由請(qǐng)求和路由應(yīng)答來建立從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由；
[0017] 列表建立步驟，通過路由發(fā)現(xiàn)過程為每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)前向列表和反向列表，分 別用以存儲(chǔ)到達(dá)前向和反向節(jié)點(diǎn)的路由；
[0018] 路由維護(hù)步驟，在某條鏈路失效時(shí)轉(zhuǎn)到備用鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程。
[0019] 優(yōu)選地，所述每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過路由發(fā)現(xiàn)過程獲得其相鄰節(jié)點(diǎn)的序號(hào)和位置等信息， 并計(jì)算與相鄰節(jié)點(diǎn)的距離以及形成的鏈路的鏈路質(zhì)量與鏈路狀態(tài)，從而形成到達(dá)該相鄰節(jié) 點(diǎn)的路由條目。
[0020] 優(yōu)選地，其從前向/反向列表中選擇下一跳的依據(jù)具體為：
[0021] 1)若前向傳輸，從前向列表中挑選；若反向傳輸，則從反向列表中挑選。
[0022] 2)列表中節(jié)點(diǎn)鏈路質(zhì)量滿足大于要求的最小鏈路質(zhì)量的情況下，挑選與本節(jié)點(diǎn)距 離最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)為下一跳；若沒有大于要求的最小鏈路質(zhì)量的節(jié)點(diǎn)，則挑選鏈路質(zhì)量最高的 節(jié)點(diǎn)，作為下一跳。
[0023] 總體而言，按照本發(fā)明的上述技術(shù)構(gòu)思與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu) 占 .
[0024] 1、所提供的列表建立過程建立前向/反向列表可以使路由發(fā)現(xiàn)過程中更快地找 到下一跳節(jié)點(diǎn)，保證了某條鏈路失效后，通道可以自動(dòng)快速修復(fù)；所提供的由發(fā)現(xiàn)過程中判 斷發(fā)送RACK的節(jié)點(diǎn)應(yīng)位于該節(jié)點(diǎn)的前向列表還是反向列表上的方法可以準(zhǔn)確確定數(shù)據(jù)前 向發(fā)送和反向發(fā)送的路由，充分利用了線路桿塔所構(gòu)成的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)直線型拓?fù)涞奶攸c(diǎn)；所 提供的選擇下一跳的依據(jù)減少了轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)并保證了數(shù)據(jù)傳輸可靠性。
[0025] 2、通過列表建立、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)三個(gè)部分建立輸電線路首端節(jié)點(diǎn)到末端節(jié) 點(diǎn)的通信路由，有效地利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電流電壓數(shù)據(jù)的可靠傳輸，從而保證災(zāi)變 情況下電流差動(dòng)保護(hù)功能的恢復(fù)，并且具有延時(shí)短、能耗低、多跳的特點(diǎn)，滿足災(zāi)變情況下 應(yīng)急保護(hù)通道的數(shù)據(jù)傳輸需求。
【附圖說明】
[0026] 圖1為基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)急通道系統(tǒng)架構(gòu)示意圖；
[0027] 圖2為應(yīng)急保護(hù)通道利用基于Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議通信的示意圖；
[0028] 圖3為前向/反向列表判斷方式示意圖；
[0029] 圖4為應(yīng)急通道仿真系統(tǒng)示意圖。
[0030] 在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1，GPS(Global Positioning System)模塊；2, Zigbee 無線傳感器節(jié)點(diǎn)；3,決策中心；4，IED (Intelligent Electronic Device)設(shè)備。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0032] 本發(fā)明針對(duì)災(zāi)變情況下電流差動(dòng)應(yīng)急保護(hù)通道的數(shù)據(jù)傳輸和輸電線路桿塔構(gòu)成 的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)，提出一種基于Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)的由列表建立、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)組成 的路由協(xié)議，從而利用應(yīng)急可靠快速地傳輸電壓電流數(shù)據(jù)，保證電流差動(dòng)保護(hù)功能的恢復(fù)。
[0033] 本發(fā)明通過在變電站內(nèi)的電子式電流互感器中擴(kuò)展無線通信模塊或接入無線傳 感器網(wǎng)關(guān)，使得保護(hù)裝置成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。為把電流信息傳送到 對(duì)側(cè)，在輸電線路的桿塔上安裝相應(yīng)的具有無線通信功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，使得可以利用無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸電流信號(hào)。然后，各傳感器節(jié)點(diǎn)以自組網(wǎng)的方式形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，構(gòu) 成圖1所示的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通道系統(tǒng)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到變電站A與變電站B之間的光纖通 道中斷時(shí)，變電站內(nèi)的保護(hù)裝置立即切換到WSN網(wǎng)絡(luò)，利用本發(fā)明所述路由協(xié)議進(jìn)行通信， 各節(jié)點(diǎn)之間以多跳方式傳輸保護(hù)信息，為保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)建一條可靠的應(yīng)急通道。采集到的數(shù) 據(jù)可以通過以無線網(wǎng)關(guān)接入到電力通信網(wǎng)。
[0034] 如圖2所示，為本發(fā)明所提出的利用基于Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議進(jìn)行網(wǎng) 絡(luò)通信的示意圖，所述路由協(xié)議由列表建立、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)三部分構(gòu)成。
[0035] 所述列表建立過程具體為0號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)出RREQ廣播，如表1所示，其中包含自身節(jié) 點(diǎn)號(hào)和GPS位置信息，每個(gè)收到RREQ的節(jié)點(diǎn)獲得源節(jié)點(diǎn)的GPS位置信息，同時(shí)向給它發(fā)送 RREQ的節(jié)點(diǎn)單播發(fā)送一個(gè)加入自己的地理位置信息的RACK，這使得網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得 其相鄰節(jié)點(diǎn)的序號(hào)和位置信息，并計(jì)算與相鄰節(jié)點(diǎn)的距離以及形成的鏈路的鏈路質(zhì)量與鏈 路狀態(tài)，從而形成到達(dá)該相鄰節(jié)點(diǎn)的路由條目。
[0036] 表1 RREQ中的有效數(shù)據(jù)段
[0037]
[0038] 鏈路質(zhì)量評(píng)估算法具體為：定義節(jié)點(diǎn)從鄰居節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量為 LQI (Link Quality Indicator)。對(duì)于 LQI 的計(jì)算，采用 EWMA 算法：
[0039] NEff_Estimate = 255X received(received+missed) (I)
[0040] LQI = (1-alpha) XLQI+alphaXNew_Estimate (2)
[0041] 其中，alpha是EffMA因素，介于0-1。
[0042] 如表2所示路由條目的表項(xiàng)具體包括序號(hào)、節(jié)點(diǎn)號(hào)、距離、鏈路質(zhì)量和鏈路狀態(tài) 等。序號(hào)表示該路由條目的在列表中的序號(hào)；節(jié)點(diǎn)號(hào)表示該路由下一跳的節(jié)點(diǎn)序號(hào)；距離 表示本節(jié)點(diǎn)到達(dá)下一跳節(jié)點(diǎn)需經(jīng)過的距離；鏈路質(zhì)量描述無線設(shè)備之間相互通信所使用的 無線鏈路的傳輸能力；鏈