变电站自动化中的无线通信技术探秘

　　0 引 言

　　变电站自动化系统(SAS)以其简单可靠、可扩展性强、兼容性好等特点已经为国内用户所普遍接受，并已在大型变电站监控项目中成功应用。

　　完整的SAS除了在各控制保护单元保留紧急手动操作跳、合闸的手段外，其余的全部控制、监视、测量和报警功能均可通过计算机监控系统来完成。变电站无须另 设远动设备，监控系统完全满足遥信、遥测、遥控、遥调的功能以及无人值班的需要[1～6]。

　　数据通信网是构成SAS的关键环节。目前我国大多采用RS-422和RS-485串口传输或现场总线网，常用的有Lonworks和CAN等[1，3]。 无论采样串口传输还是现场总线网络传输，其介质都是有线的，都要受布线的限制，亦即布线或改线工程量大、线路容易遭到损坏、网络中的各个节点不容易移动 等，特别是当要把相距较远的节点连接起来时，敷设专用通信线路的布线施工量大、费用高、耗时长，不利于网络的升级、扩展。采用新的数据传输模式、克服以上 缺点势在必行。

　　1 无线通信及其标准

　　无线通信通过在有线通信网络的基础上加入无线接入点等设备得以实现，与有线通信的最大区别在于信息的传输介质，无线通信的传输介质为红外线或无线电波，以后者使用居多。使用扩频方式通信时，特别是直接序列扩频调制方法因发射功率低于自然的背景噪声，具有很强的抗干扰、抗噪声、抗衰落能力，这使得通信非常安 全，基本避免了信号的偷听和窃取，具有很高的可用性。

　　无线通信有诸多标准，不同的标准有不同的应用。目前比较流行的有IEEE 802.11标准族(包括 802.lla，802.llb以及802.llg等标准)、蓝牙(Bluetooth)标准以及家庭网络(HomeRF)标准等。

　　HomeRF主要为家庭使用设计。Bluetooth是一种先进的大容量近距离无线数字通信的技术标准，其目标是实现最高数据传输速度l Mbit/s(有效传输速率为72l kbit/s)、传输距离为10cm～l0m，通过增加发射功率可达到100m，如果应用于变电站自动化，则显得传输距离太短。相对而言，IEEE 802.11族标准更加适合工业应用场合。

　　IEEE 802.11无线局域网标准的制定是无线通信技术发展的一个里程碑。TEEE 802.11是无线局域网目前最常用的传输协议。不过，由于IFFF 802.11传输速率最高只能达到2 Mbit/s，IEEE小组又相继推出了802.11b和802.lla两个新标准。 802.llb标准采用一种新的调制技术，使得传输速率能根据环境变化，它采用2.4GHz直接序列扩频，最大数据传输速率为ll Mbit/s，无须直线传播。802.11a标准是802.11b标准的后续标准，提供最高可达54 Mbit/s的数据传输速率和8个不重叠的频率通道，从而可以增加网络容量，提高可扩展性，并能够在不干扰相邻单元的情况下创建微型单元式结构。对于已存 在的802.1la和802.llb而言，802.11g是一个有益的补充，由于支持多种调制方式，802.11g可以提供14种速率来实现在不同通信条 件下的最佳通信速率，其通信速率最高可达54 Mbit/s，工作在不需许可的2.4GHz频段。

　　2 无线通信应用于SAS的可行性

　　无线通信技术相对于目前SAS普遍采用的有线通信技术而言，有以下显著的特点:

　　a.移动性:在通信区域内的任何地方，用户都可以实时地访问信息;

　　b.安装的快速性和简单性:安装无线通信系统既快速又简单，同时消除了穿墙或挖掘电缆沟布线的繁琐工作;

　　c.安装的灵活性:无线技术可以遍及有线通信所不能到达的地方;

　　d.减少投资:尽管无线通信网络硬件的初始投资要比有线的高，但是，无线网络减少了布线的费用，而且维护费用的减少可以使得投资的回报在变电站投运以后逐步体现;

　　e.扩展能力:无线通信可以组成多种拓扑结构，十分容易扩展节点。

　　SAS的数据交换可以采用不同的方式，表1列出了我国目前常用的通信方式及特点。

　　以下从性能、误码率和价格3方面加以比较。

　　a.性能

　　无线通信传输的信息量与以太网相当，传输速率可达54 Mbit/s，并且可以根据使用环境的不同而采取不同的传输速率。

　　国际大电网会议提出的变电站内通信网络传输速率要求是:设备层与间隔层之间数据流约为250 kbit/s，取决于模拟量的采样速度，间隔层各单元之间数据流约为60 kbit/s或130 kbit/s，取决于是否采用分布母线保护;间隔层与变电站层之间及其他链路之间数据流约为100 kbit/s及以下[2]。

　　由比可见，无线传输的传输速率完全能够满足需求。

　　b.误码率

　　从表1可以看出，各种通信方式中以基于有线以太网技术者误码率最低，而误码率最高者为基于现场总线技术的通信方式。我国SAS大量采用现场总线技术，这表 明其通信可靠性是可以接受的;无线通信的误码率为10-6数量级，与现场总线通信方式相当。因此，在有完善的误码检查重发机制的保证下，无线通信完全可以 应用于SAS。

　　c.价格

　　无线通信方式已被广泛接受，随着设备数量的持续增加，制造效率提高，成本下降，价格将越来越低。

　　3 无线通信应用于SAS需解决的技术问题

　　相对于普通的工业应用场合，电力系统对其控制系统的要求是快速、灵敏、可靠、安全。显然，应用于SAS的无线通信系统，要考虑在强电磁场环境下采用何种抗 电磁干扰措施才能保证系统的正常数据通信。通信的可靠性、安全性问题尤为突出。

　　3.1 可靠性问题

　　可以通过多种途径提高无线通信的可靠性，其中主要是:提高无线通信的差错处理能力，降低误码率;增强网络结构的健壮性。

　　3.1.1 差错处理

　　无线通信与有线通信在诸多重要环节上完全不同:无线通信是通过空气作为传输介质来传播电磁波信号;误码率通常比常规有线系统高几个数量级。

　　无线信号可能因遭遇障碍而改变强度，从而改变整个网络拓扑，导致网络不可控，在这种情况下进行网络优化无异缘木求鱼;再如，信号遭遇阻挡可能导致网络覆盖 的盲区，盲区中的变电站设备无法得到期望的控制，这是极端危险的。

　　采用下列技术的无线通信系统可以有效地降低传输误码率，提高可靠性。

　　a.剔除原始误码。采用误码检测技术，最常用的方法是以循环冗余校验(CRC)的形式添加数据校验和。CRC可提供远比原始方法(例如奇偶校验)卓越的误 码检测功能。根据应用的不同，检测到的差错可通过忽略误码数据或请求重传进行处理。

　　b.数据包丢失的处理。

　　c.前向纠错(FEC)技术。FEC是更复杂有效的差错处理方法，它是指信号在被送入传输信道之前预先按一定的算法进行编码处理，加入带有信号本身特征的 冗码，在接收端按照相应算法对接收到的信号进行解码，从而找出在传输过程中产生的错误码并将其纠正。

　　无线系统设计不同于有线系统设计，无法期望原始的无线通信对任何应用都可靠，可以通过采取措施以将误码率降至可接受的程度。因为无线通信误码率高于有线通 信而对无线通信用于电力系统持怀疑态度的观点也是不可取的，即使是有线通信系统，通常也需要采用差错控制和处理措施。

　　3.1.2 网络结构

　　改善无线网络的结构可以提高传输的可靠性。

　　让每个节点使用多条路径进行接续，以便链路出现故障时不会影响整个网络。在传统的点对多点网络中，节点的接入采用星型结构，其中某一节点出现故障，特别是 中心点出现故障，将会影响整个网络的正常工作。

　　为了提高网络的可靠性，目前改进的点对点通信网络中采用了一些保护措施。例如配置后备链路，此方法虽然简单，但每条路径都需要配备有2个独立的链路和1个 保护交换，大大降低了使用效率，提高了成本。

　　本文认为采用网状结构，赋予每个网络节点自动选择路径的功能，则每个节点可使用的链路数大大增加。如果其中某一条链路出了故障，节点便可以自动转移到其他 可选链路接入，因而网络可靠性有了很大提高。

　　总结上述措施，在SAS的应用中提高无线通信可靠性要从以下方面考虑:

　　a.软件可靠性:主要通过采用有效的纠错技术，发现出错立即重发;

　　b.硬件可靠性:芯片、总体框架等硬件实现的各个环节都不应该放过;

　　c.网络结构可靠性:设计时考虑周到，根据实际情况选用网络连接方式;

　　d.关键设备采用冗余设计。

　　3.2 安全性问题

　　安全性问题包括访问控制和保密性两个方面。访问控制确保敏感的数据仅由获得授权的用户访问;保密性则确保传送的数据只被目标接收人接收和理解。采用无线通 信传输所必须考虑的安全威胁有以下几种:

　　a.所有常规有线传输存在的安全威胁和隐患都存在;

　　b.无线传输的信息没有加密或者加密很弱，易被窃取、窜改和插入，从而可能导致装置的误动、拒动。针对

　　无线通信的安全问题采用如下对策:

　　a.扩频、跳频无线传输技术本身使盗听者难以捕捉到有用的数据;

　　b.设置严密的用户口令及认证措施，防止非法用户入侵;

　　c.设置附加的第三方数据加密方案，即使信号被盗听也难以理解其中的内容。

　　采用上述措施后，无线传输的安全性足以适应SAS的需求。

　　4 SAS组网方案

　　4.1 接入方式

　　无线通信的接入方式分为独立接入和非独立接入。

　　本文认为，采用非独立接入，把无线通信作为现有有线通信的补充和扩展是符合我国SAS应用现状的。在这种配置下，多个无线接入设备通过线缆连接在有线网络 上，以使无线用户能够访问网络的各个部分。

　　4.2 方案设计

　　国际大电网会议提出变电站自动化