變電站無線通信論文

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1無線通信技術的對比與選擇

無線通信是在有線通信網絡的基礎上加入無線接入點（Access　Point）等設備而實現(xiàn)，作為有線局域網的延伸，無線網絡可以有效地解決有線通信不易實現(xiàn)的網絡連通問題［6－9］。變電站內采用無線通信技術突出的優(yōu)點：

①便捷性

在變電站內一般只需安裝多個無線接入點AP，即可在站內覆蓋無線網絡通信，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

站內各類采集設備可以不受布線的限制，安裝在任何有無線網絡覆蓋的區(qū)域，尤其移動設備可以通過無線網絡與控制中心通信，提高了數(shù)據傳輸?shù)撵`活度。

③經濟性

無線傳輸無須架設大量電纜，當站內通信規(guī)模增加時無線網絡擴展性好，通信故障時維護簡便，因此建立和維護無線網絡的投資都較少。目前，應用較成熟的無線網絡技術主要包括：

1）藍牙技術。藍牙技術是全球通用的無線技術，在2．4GHz波段工作，采用跳頻展頻技術，數(shù)據速率為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，為固定與移動設備通信環(huán)境建立一個特別連接的短程無線電技術。藍牙技術的主要優(yōu)點是成本低、功耗低，主要用于語音傳輸。其標準統(tǒng)一、知識產權共享的優(yōu)勢是非常明顯的，變電站內許多設備間采用無線方式通信在不久的將來就可以實現(xiàn)。

2）GPRS技術。GPRS是通用無線分組業(yè)務的簡稱，是在GSM網絡基礎上發(fā)展起來的，作為2G向3G移動網絡過渡的技術。GPRS理論帶寬可達171．2kbit／s，實際應用帶寬約30～40kbit／s。在電力系統(tǒng)中主要用于傳輸負控、遠抄等實時性要求不高、數(shù)據量交換較小的場合。

3）3G技術。3G指第代移動通信技術，它能夠處理圖像、音樂、視頻等多媒體數(shù)據國際確定的3個無線接口標準分別為WCDMA，CDMA2000，TDS－CDMA，其網絡理論下行速度可達2．8Mbit／s，上行速度可達384kbit／s。在國內使用3G網絡必須租用中國電信或聯(lián)通的3G寬帶，由于在基站范圍內所有用戶分享帶寬，因此使用3G網絡的實際帶寬會有所減少。

4）4G技術。4G指第4代移動通信技術，包括TD－LTE和FDD－LTE　2種制式4G技術數(shù)據傳輸速率理論可達100Mbit／s，能夠快速傳輸數(shù)據、高質量的圖像、音頻、視頻；具有良好的保密性和兼容性，可以在2G網絡、3G網絡、有線寬帶網絡、無線局域網間實現(xiàn)無縫漫游。與3G網絡類似，使用4G需要向運營商租用網絡，而4G通信系統(tǒng)正在建設中，各類相關技術仍需完善。

5）WLAN技術。無線局域網（WLAN）作為有線局域網的補充和擴展，是應用無線通信技術將網絡設備互聯(lián)起來，構成相互通信和資源共享的網絡體系。無線局域網的技術標準較多，其中，美國國際電子電機學會制定的IEEE　802．11系列標準技術較成熟，應用較廣泛。IEEE　802．11常用標準的主要技術參數(shù)。上海地區(qū)110kV及以下變、配電站內安裝了大量GIS設備、鎧裝式中置開關柜以及測控、保護、通信屏柜，金屬架構以及電磁干擾對無線網絡的信號強度和穩(wěn)定性提出了很高要求；同時，站內智能移動設備測取的大量紅外監(jiān)測數(shù)據、溫度監(jiān)測數(shù)據、視頻數(shù)據、音頻數(shù)據等通過無線網絡傳輸將占用大量網絡帶寬。通過5種網絡技術的對比，結合變電站無線通信的需求，可以得出以下結論：藍牙傳輸速率低、距離短，僅適合傳送語音數(shù)據；GPRS帶寬小，不適用于站內大量數(shù)據通信；3G網絡技術成熟，但是實際帶寬無法承受站內所有的信息量交互，并且需要租用網絡，其運行安全與可靠性受控于租借方，運行成本也偏高；4G網絡傳輸速率高，但同樣存在向運營商租用網絡的問題，并且該技術還有待進一步發(fā)展。采用WLAN技術在封閉區(qū)域內構建無線網絡，通訊距離可達80～120m，適合變電站內及樓層間使用，且其工作頻段是無需任何運營執(zhí)照的免費頻段，運行費用低廉。在速率方面，選用IEEE802．11g／n標準，速率可達54Mbit／s以上，遠大于720P視頻流所需的4Mbit／s碼流，可以保證視頻、音頻、監(jiān)測數(shù)據實時傳輸。因此，從技術特點分析得出，變電站內采用WLAN技術組建無線網絡是可行的。

2變電站遠程巡檢系統(tǒng)網絡架構設計變電站的監(jiān)測數(shù)據必須充分利用無線網絡和現(xiàn)有的有線網絡

在終端層、基站層和主站層間無縫傳輸。變電站遠程巡檢系統(tǒng)的分層式架構如圖1所示。變電站內終端層主要由無線測溫傳感器、無線紅外測溫儀、可見光攝像機等傳感設備組成。終端設備采集變電站信息后，將信息通過站內無線通信網絡傳送至基站層?；緦釉O置管理服務器、巡檢系統(tǒng)服務器及存儲服務器，其中管理服務器對所有前端傳感設備集中管理，實現(xiàn)所有前端設備的配置及網絡連接；巡檢系統(tǒng)接收各類終端層上傳數(shù)據，實現(xiàn)系統(tǒng)的巡檢、監(jiān)控、預警功能；存儲服務器負責存儲數(shù)據，授權用戶可通過網絡查詢歷史數(shù)據，回放視頻、音頻。各變電站與集控站、調度中心通過有線局域網絡連接，調度員及運行人員在主站層通過Web方式瀏覽變電站實時信息，并調取歷史數(shù)據，實現(xiàn)變電站遠程巡檢與監(jiān)控。

3無線局域網的安全問題與對策研究無線局域網組網靈活

維護便利，尤其適合可移動設備接入，但是，由于無線網絡是通過無線電波在空間中傳送數(shù)據，只要處于電波覆蓋范圍內，就有可能受到非法用戶的惡意攻擊，例如攔截網內未加密數(shù)據、竊聽無線接口、破解網絡密鑰、攻擊網絡弱點控制篡改通信數(shù)據等，因此，無線局域網比有線網絡面臨著更嚴峻的安全威脅［10－11］。變電站內無線網絡主要用于傳輸電氣設備監(jiān)測數(shù)據、視頻數(shù)據、音頻數(shù)據，同時，主站系統(tǒng)可以通過無線網對各類傳感器、攝像機下發(fā)控制指令，如果站內無線網絡遭遇惡意入侵，將造成變電站信息外流，監(jiān)控行為嚴重紊亂。

1）物理隔離

電力系統(tǒng)內制定了非常嚴格的網絡安全分區(qū)機制［10］，站內無線網絡必須符合國家、行業(yè)的有關安全防護的法規(guī)、標準、規(guī)定，與電力信息內網完全隔離。

2）設置MAC地址白名單

任何網絡中的無線傳感器或無線攝像頭都擁有一塊無線網卡，將終端網卡的合法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）服務標識符主要用于區(qū)別不同的網絡，只有通過身份驗證的用戶才可以進入相應的網絡，防止未被授權的用戶進入。SSID通常由AP廣播出來，出于安全考慮，可隱藏SSID，此時需要手工設置SSID才能進入網絡，此技術可阻止無關的無線網卡搜索到站內無線網絡，提高了網絡安全性。

4）采用先進的加密技術

WEP是IEEE　802．11的加密標準之一，主要在身份認證和數(shù)據傳輸時對信息進行加密。WEP使用RC4和CRC－32校驗，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采用暫時密鑰完整協(xié)議（TKIP），使用RC4和MIChael校驗，可生成128位的動態(tài)密鑰。WPA包含了認證、加密和數(shù)據完整性3個部分，整體安全性大幅提升。WPA2的校驗算法采用了公認非常安全的CCMP訊息認證碼以及先進的AES加密算法。WPA和WPA2比WEP具備更強大的加密安全保證和標準，它們通過指定的時間量對數(shù)據傳輸中的安全密鑰進行更改，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。綜合利用上述技術，多管齊下，將有效提升變電站無線網絡的安全性，保證變電站遠程巡檢系統(tǒng)的可靠通信。

4工程實踐該項目在上海地區(qū)某35kV變電站內搭建了無線通信測試平臺

通過傳輸視頻數(shù)據，驗證無線通信技術在戶內變電站的應用效果。測試系統(tǒng)安裝在面積為735m2（35m×21m）的35／10kV開關室內，由網絡交換機、5dBi增益全向天線、筆記本電腦、720P高清網絡攝像機、服務器各一臺組成。攝像機采集開關室內設備的視頻信息，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)據通過網絡模塊傳送至接收端，再通過無線局域網傳送至服務器。在測試過程中，盡管IEEE　802．11g標準理論速率可達54Mbit／s，傳輸距離達50～100m，但是由于開關室內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增加信號強度。在接入端使用5dBi增益全向天線后，經測試平均吞吐量達10．52Mbit／s，滿足監(jiān)控點4Mbit／s的帶寬要求；同時，無論攝像機處于開關室內任何角落，視頻畫面清晰流暢，控制數(shù)據也沒有明顯延時。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)測到站內的無線網絡信號；802．11g使用2．4GHz頻段，不會對電力系統(tǒng)中使用的7．5GHz數(shù)字微波頻段產生干擾；采用可靠的認證和加密技術，更有效避免了無線網絡遭遇入侵。通過傳輸視頻數(shù)據，充分驗證了無線通信技術應用于戶內型變電站的可行性，能夠滿足遠程巡視系統(tǒng)對大量監(jiān)控數(shù)據、音頻視頻信息的需求。

5結語

實現(xiàn)變電站遠程巡檢是變電站自動化與智能化發(fā)展的必然趨勢，無線通信技術是開發(fā)遠程巡檢系統(tǒng)的關鍵點之一。筆者對變電站內構建無線網絡通信進行了可行性研究，分析了多種無線通信技術的特點，并對無線局域網的安全問題提出了解決方案，最終將研究成果進行工程實驗，實驗效果良好。該文研究內容將為變電站遠程巡檢系統(tǒng)的研發(fā)，尤其是新型無線傳感器、移動監(jiān)測終端的數(shù)據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 上海交通大學電子信息與電氣工程學院