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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，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，提高了數據傳輸的靈活度。

③經濟性

無線傳輸無須架設大量電纜，當站內通信規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。藍牙技術的主要優點是成本低、功耗低，主要用于語音傳輸。其標準統一、知識產權共享的優勢是非常明顯的，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。

2）GPRS技術。GPRS是通用無線分組業務的簡稱，是在GSM網絡基礎上發展起來的，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。在電力系統中主要用于傳輸負控、遠抄等實時性要求不高、數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技術數據傳輸速率理論可達100Mbit／s，能夠快速傳輸數據、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。上海地區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測數據、溫度監測數據、視頻數據、音頻數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，僅適合傳送語音數據；GPRS帶寬小，不適用于站內大量數據通信；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展。采用WLAN技術在封閉區域內構建無線網絡，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、監測數據實時傳輸。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網絡架構設計變電站的監測數據必須充分利用無線網絡和現有的有線網絡

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。基站層設置管理服務器、巡檢系統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，實現所有前端設備的配置及網絡連接；巡檢系統接收各類終端層上傳數據，實現系統的巡檢、監控、預警功能；存儲服務器負責存儲數據，授權用戶可通過網絡查詢歷史數據，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，并調取歷史數據，實現變電站遠程巡檢與監控。

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測數據、視頻數據、音頻數據，同時，主站系統可以通過無線網對各類傳感器、攝像機下發控制指令，如果站內無線網絡遭遇惡意入侵，將造成變電站信息外流，監控行為嚴重紊亂。

1）物理隔離

電力系統內制定了非常嚴格的網絡安全分區機制［10］，站內無線網絡必須符合國家、行業的有關安全防護的法規、標準、規定，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議（TKIP），使用RC4和MIChael校驗，可生成128位的動態密鑰。WPA包含了認證、加密和數據完整性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的可靠通信。

4工程實踐該項目在上海地區某35kV變電站內搭建了無線通信測試平臺

通過傳輸視頻數據，驗證無線通信技術在戶內變電站的應用效果。測試系統安裝在面積為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，不會對電力系統中使用的7．5GHz數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對大量監控數據、音頻視頻信息的需求。

5結語

實現變電站遠程巡檢是變電站自動化與智能化發展的必然趨勢，無線通信技術是開發遠程巡檢系統的關鍵點之一。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的研發，尤其是新型無線傳感器、移動監測終端的數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