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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。在國內(nèi)使用3G網(wǎng)絡(luò)必須租用中國電信或聯(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,美國國際電子電機(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?;緦釉O(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。該文研究內(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