一種構建通信網絡電流差動應急保護通道的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線傳感器網絡構建線路縱聯(lián)差動保護通信通道領域,更具體地,涉 及一種構建通信網絡電流差動應急保護通道的方法。
【背景技術】
[0002] 隨著我國經濟的快速發(fā)展,我國電力需求持續(xù)增長,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"的發(fā)展戰(zhàn)略已基本實現(xiàn),南、中、北三大跨區(qū)域互聯(lián)電網初步 形成,一個覆蓋全國范圍的互聯(lián)電網已初具規(guī)模。一旦發(fā)生故障,影響的地域范圍和用戶數 量越來越大,造成的經濟損失將不可估量。
[0003] 線路的電流差動保護是一種原理簡單、動作速度快、反應靈敏的繼電保護原理。由 于它能夠根據被保護元件各端電流向量關系正確地判別區(qū)內、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的首選。電流差動保護依賴線路 兩端電流信息的交換,實現(xiàn)信息交換的通道從最初的導引線、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的提升。但目前差動保 護大多只有一條主保護通道,一旦遇到自然災害或人為破壞導致主保護通道失效,便會使 電流差動保護完全失效,線路不能及時切除內部故障,造成更大范圍的停電事故。
[0004] 極端災害發(fā)生,網絡中出現(xiàn)不存在任何迂回通道的"信息孤島",或者迂回通信通 道延時過大不能滿足繼電保護速動性的要求時,此時,需要采用其他技術在故障鏈路上構 建新的傳輸通道,傳統(tǒng)的通信方式需要預先建設網絡設備,具有依賴基礎設施的缺點,而近 年來無線通信網絡的發(fā)展為解決緊急通信通道的構建問題提供了契機。因此,構建一條通 信原理和媒介不同于主保護通道的應急保護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)議的網絡,具有高監(jiān)測精度、高容錯性、自組 織、自適應、動態(tài)拓撲等優(yōu)點,為災變時電流差動保護緊急通信通道的構建提供了一種可行 的方案。基于無線傳感器網絡的緊急保護通信通道的構建方案在近幾年被提出,但僅是從 無線傳感器網絡結構及特點對該方案進行了初步的論證。此外相關仿真采用的無線傳感器 節(jié)點少傳輸距離較短,受限于當時無線傳感器硬件技術。
[0006] 應用于應急保護通道的Zigbee網絡與傳統(tǒng)的MANET (移動自組網絡)有著許多顯 著不同的特性:
[0007] (1)位于應急保護通道中的Zigbee節(jié)點位置固定并且按近似直線的拓撲排列;而 MNET的概念中節(jié)點可以自由移動,拓撲常見的是星狀、網狀或樹狀。
[0008] (2)應急保護通道中真正的通信節(jié)點只有線路首尾兩端的兩個節(jié)點;MANET中一 個節(jié)點可以向網絡中任何一個節(jié)點發(fā)起通信。
[0009] (3)應急保護通道中的節(jié)點均配置有GPS模塊,節(jié)點可以獲取自身的位置并發(fā)送 給其他節(jié)點;而MANET中一般不會考慮節(jié)點的位置信息
[0010] (4)應急保護通道中通信節(jié)點的供電方式最好為線上取電,同時有備用電池可以 進行供電方式切換。而MNET中一般的設想是節(jié)點由電池供電,壽命有限。
[0011] 因此,應急保護通道可以視為MANET的一種極為特殊的情況。
[0012] Zigbee聯(lián)盟規(guī)定了 Zigbee設備中使用的路由協(xié)議是AODV路由和樹狀路由相結 合的路由方式。Zigbee的路由協(xié)議盡管同樣適用于應急保護通道,但針對應急保護通道與 MNET的不同之處,本發(fā)明對Zigbee路由協(xié)議做出了修改。使每個節(jié)點存儲有一個前向列 表和反向列表,保證了某條正在使用的鏈路失效后,通道可以自動快速修復。
[0013] 基于此目的,我們設計了基于Zigbee無線通信網絡的路由協(xié)議,它可以在主保護 通道失效后承擔線路兩端的電流數據傳輸任務,維系電流差動保護的功能。
【發(fā)明內容】
[0014] 針對現(xiàn)有技術中存在的問題,本申請?zhí)峁┑氖且环N構建通信網絡電流差動應急保 護通道的方法,其中通過對列表建立、路由發(fā)現(xiàn)進行研究和涉及,與現(xiàn)有相比,具有災變情 況下電流差動保護功能的恢復等優(yōu)點,同時具備延時短、能耗低、多跳的特點,因而尤其適 用于災變情況下應急保護通道的數據傳輸需求。
[0015] 為實現(xiàn)上述目的,按照本發(fā)明的一個方面,提供了一種構建通信網絡電流差動應 急保護通道的方法,其特征在于,該方法包括以下步驟:
[0016] 路由發(fā)現(xiàn)步驟,通過路由請求和路由應答來建立從源節(jié)點到目的節(jié)點的路由;
[0017] 列表建立步驟,通過路由發(fā)現(xiàn)過程為每個節(jié)點建立一個前向列表和反向列表,分 別用以存儲到達前向和反向節(jié)點的路由;
[0018] 路由維護步驟,在某條鏈路失效時轉到備用鏈路發(fā)送數據包的過程。
[0019] 優(yōu)選地,所述每個節(jié)點通過路由發(fā)現(xiàn)過程獲得其相鄰節(jié)點的序號和位置等信息, 并計算與相鄰節(jié)點的距離以及形成的鏈路的鏈路質量與鏈路狀態(tài),從而形成到達該相鄰節(jié) 點的路由條目。
[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)點鏈路質量滿足大于要求的最小鏈路質量的情況下,挑選與本節(jié)點距 離最遠的節(jié)點為下一跳;若沒有大于要求的最小鏈路質量的節(jié)點,則挑選鏈路質量最高的 節(jié)點,作為下一跳。
[0023] 總體而言,按照本發(fā)明的上述技術構思與現(xiàn)有技術相比,主要具備以下的技術優(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,保證了某條鏈路失效后,通道可以自動快速修復;所提供的由發(fā)現(xiàn)過程中判 斷發(fā)送RACK的節(jié)點應位于該節(jié)點的前向列表還是反向列表上的方法可以準確確定數據前 向發(fā)送和反向發(fā)送的路由,充分利用了線路桿塔所構成的鏈式網絡直線型拓撲的特點;所 提供的選擇下一跳的依據減少了轉發(fā)跳數并保證了數據傳輸可靠性。
[0025] 2、通過列表建立、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護三個部分建立輸電線路首端節(jié)點到末端節(jié) 點的通信路由,有效地利用無線傳感器網絡實現(xiàn)電流電壓數據的可靠傳輸,從而保證災變 情況下電流差動保護功能的恢復,并且具有延時短、能耗低、多跳的特點,滿足災變情況下 應急保護通道的數據傳輸需求。
【附圖說明】
[0026] 圖1為基于Zigbee無線傳感器網絡的應急通道系統(tǒng)架構示意圖;
[0027] 圖2為應急保護通道利用基于Zigbee無線通信網絡的路由協(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為應急通道仿真系統(tǒng)示意圖。
[0030] 在所有附圖中,相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構,其中:1,GPS(Global Positioning System)模塊;2, Zigbee 無線傳感器節(jié)點;3,決策中心;4,IED (Intelligent Electronic Device)設備。
【具體實施方式】
[0031] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白,以下結合附圖及實施例,對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解,此處所描述的具體實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)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要 彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0032] 本發(fā)明針對災變情況下電流差動應急保護通道的數據傳輸和輸電線路桿塔構成 的鏈式網絡,提出一種基于Zigbee無線通信網絡的由列表建立、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護組成 的路由協(xié)議,從而利用應急可靠快速地傳輸電壓電流數據,保證電流差動保護功能的恢復。
[0033] 本發(fā)明通過在變電站內的電子式電流互感器中擴展無線通信模塊或接入無線傳 感器網關,使得保護裝置成為無線傳感器網絡內的一個傳感器節(jié)點。為把電流信息傳送到 對側,在輸電線路的桿塔上安裝相應的具有無線通信功能的傳感器節(jié)點,使得可以利用無 線傳感器網絡傳輸電流信號。然后,各傳感器節(jié)點以自組網的方式形成無線傳感器網絡,構 成圖1所示的無線傳感器網絡應急通道系統(tǒng)。當監(jiān)測到變電站A與變電站B之間的光纖通 道中斷時,變電站內的保護裝置立即切換到WSN網絡,利用本發(fā)明所述路由協(xié)議進行通信, 各節(jié)點之間以多跳方式傳輸保護信息,為保護系統(tǒng)構建一條可靠的應急通道。采集到的數 據可以通過以無線網關接入到電力通信網。
[0034] 如圖2所示,為本發(fā)明所提出的利用基于Zigbee無線通信網絡的路由協(xié)議進行網 絡通信的示意圖,所述路由協(xié)議由列表建立、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護三部分構成。
[0035] 所述列表建立過程具體為0號節(jié)點發(fā)出RREQ廣播,如表1所示,其中包含自身節(jié) 點號和GPS位置信息,每個收到RREQ的節(jié)點獲得源節(jié)點的GPS位置信息,同時向給它發(fā)送 RREQ的節(jié)點單播發(fā)送一個加入自己的地理位置信息的RACK,這使得網絡中各個節(jié)點獲得 其相鄰節(jié)點的序號和位置信息,并計算與相鄰節(jié)點的距離以及形成的鏈路的鏈路質量與鏈 路狀態(tài),從而形成到達該相鄰節(jié)點的路由條目。
[0036] 表1 RREQ中的有效數據段
[0037]
[0038] 鏈路質量評估算法具體為:定義節(jié)點從鄰居節(jié)點接收數據包的鏈路質量為 LQI (Link Quality Indicator)。對于 LQI 的計算,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具體包括序號、節(jié)點號、距離、鏈路質量和鏈路狀態(tài) 等。序號表示該路由條目的在列表中的序號;節(jié)點號表示該路由下一跳的節(jié)點序號;距離 表示本節(jié)點到達下一跳節(jié)點需經過的距離;鏈路質量描述無線設備之間相互通信所使用的 無線鏈路的傳輸能力;鏈