 Smart Grid 智能电网, 2012, 2, 45-50 http://dx.doi.org/10.12677/sg.2012.22009 Published Online June 2012 (http://www.hanspub.org/journal/sg) Studies on Wireless Ad Hoc Networks Scheme to Support Multi-Services Oriented to Power Transmission Line Monitoring Lei Xu1, Jianjun Bi2, Yadong Zhang2, Yi Sun1 1College of Electric and Electronic Engineering, Nort h Ch ina El ect ric Power Univers ity, Beijing 2Communication and Automation Center, Heilongjiang Electric Power Co., Ltd., Harbin Email: xulei860312@gmail.com Received: May 16th, 2012; revised: May 27th, 2012; accepted: Jun. 1st, 2012 Abstract: The power transmission condition-base monitoring system includes a variety of services. As the different services have different requirements on QoS, su ch as delay, b andwidth and delay jitter, we need introduce a kind of ef- fective multi-service access strategy and an appropriate quality of service. Mobile Ad Hoc Networks have advantages of convenient organization, flexible scalability, and easy maintenance. In recent years, it has been widely used in the power industry. This article proposed a power transmission line monitoring multi-service access strategy based on the Mobile Ad Hoc Network, which can meets the requirements of multi-services transmitting in the same network. To high real-time, especially, author proposes an identification and classified model, managing different sevices to assure the corresponding QoS. Keywords: Power Transmission Line Monitoring; Mobile Ad Hoc Network; Multi-Service Access; QoS 面向输电线路监测的无线自组织网络多业务支持方案研究 徐 磊1，毕建军 2，张亚东 2，孙 毅1 1华北电力大学电气与电子工程学院，北京 2黑龙江省电力有限公司通信自动化中心，哈尔滨 Email: xulei860312@gmail.com 收稿日期：2012 年5月16 日；修回日期：2012 年5月27 日；录用日期：2012 年6月1日 摘 要：输电线路监测包含多种业务，由于不同业务对时延、带宽、时延抖动等服务质量有不同的要求，因此， 需要一个能够支持多业务接入、并提供相应服务质量保证机制的网络来满足监测的需求。无线自组织网络具有 组网方便灵活、可扩展性强、维护简单等优点，近些年来已在电力行业得到了广泛的应用。本文提出了一种基 于无线自组织网络的输电线路监测多业务接入方案，能够在无线自组织技术的支持下，满足多种业务在同一个 网络中传输的需求，同时针对不同级别的业务，尤其是实时性要求很高的业务，提出识别和分类模型，进行不 同的 QoS 管理，保障相应业务的 QoS。 关键词：输电线路监测；无线自组织网络；多业务接入；QoS 1. 引言 在世界“绿色革命”的大环境下[1]，随着能源短 缺问题日益严峻、供电可靠性要求不断提高，电网运 营面临巨大挑战，智能化成为国际电网发展的必然趋 势，建设智能电网在欧美国家已经逐步上升到国家战 略层面。面对电网发展的新形势、新任务，国家电网 公司对加快建设统一坚强智能电网进行了动员和部 署，明确了智能电网发展战略目标、建设任务和工作 Copyright © 2012 Hanspub 45  面向输电线路监测的无线自组织网络多业务支持方案研究 要求。输电线路是电力系统的重要组成部分，实行输 电线路的监测也是非常必要的，这将是电力行业实现 科技化、现代化的必经之路。输电线路由于具有布局 范围大、电力需求多样、线路距离长等特点，一旦受 到大风、冰雪、暴雨、冰雹等恶劣天气影响，或者是 山洪、地震、山体滑坡等严重自然灾害的影响，线路 很可能受损甚至中断，影响着电力系统的运行和安全 状态。这就要求电力工作者实时监测线路运行状况， 发现问题时在第一时间全面的检修输电线路，尽快恢 复电力运行。 国外在 90 年代针对输电线路监测开展了系统的 研究，如澳大利亚红相公司开发的绝缘子泄漏电流在 线监测系统。国内清华大学、西安交通大学、华北电 力大学等科研单位陆续开展了具有完整功能的输电 线路监测技术。目前，已经成熟或者实际运行了例如 输电线路绝缘子污秽监测系统、输电线路氧化锌避雷 器监测系统、输电线路覆冰雪监测系统。 尽管已经可以监测到多种类型的业务，但是如何 将多种输电线路监测业务用无线自组织的方式综合 接入电力网，并实现多业务的服务质量保证，这一课 题在我国电力监测研究领域的应用还比较少。本文首 先对输电线路监测的业务进行分析；其次，提出一种 基于无线自组织网络的多业务接入方案；最后，通过 将不同的业务进行识别、分类，相应的业务打上对应 的QoS 要求的 DSCP 标记，对分类的业务进行流量控 制，从而满足不同业务 QoS 的需求。本文提出的策略 可以为输电线路监测的多业务接入提供一种合理有 效的参考。 2. 输电线路监测业务分析 输电线路监测是为了更便捷的了解整个网络的 运行情况，其业务类型主要包括运行信息、灾害预警、 环境监测和人工巡检四大类。其中，运行管理业务可 以细化为对载流能力、导线温度、弧垂情况等的监测； 威胁电网运行的主要气象灾害包括，台风、雷电、冰 灾、强对流天气等；环境监视能够进行微气象监测、 提前发现山火、外破的情况，有效确保线路运行安全 [2]；人工巡线是电力工作人员在特殊环境下的野外作 业活动。输电线路监测的业务构成可以用如下表 1表 示。 Table 1. Structure and main contents of information on power transmission line 表1. 输电线路状态信息组成结构和主要内容 类别 内容 运行管理 载流能力、导线温度、接头温度、弧垂情况、 外绝缘情况、风偏情况、荷载情况 灾害预警 雷电预警、强对流天气预警、冰灾预警、台风预警 环境监测 微气象监测、山火监测、人为破坏情况监测 人工巡检 利用智能移动终端进行勘测 根据《全国电力二次系统安全防护总体方案》， 还可以将整个二次系统分为四个安全工作区：管理信 息区、生产管理区、实时控制区、非控制生产区，通 过上小节业务分析，输电线路状态分区可分别属于 Ⅲ、Ⅳ区。分区Ⅲ是生产管理区，该区包括进行生产 管理的系统，典型的系统为雷电监测系统、气象接入 等。分区Ⅳ是管理信息区，该区包括办公管理信息系 统、客户服务等。在各安全区之间均需选择适当安全 强度的隔离装置。这样，输电线路不同的监测业务又 可以分到不同的应用域上去。运行管理、灾害预警和 环境监测属于分区Ⅲ，人工巡检在分区Ⅳ的范畴内。 3. 无线自组织网络简介 由于输电线路布局的特殊，它要求其通信网络必 须具有可靠、快捷、灵活、经济等特性，传统的有线 网络不仅布线复杂，而且成本较高。无线网络虽然在 链路上的稳定性较有线网络稍差，但随着底层技术的 不断改进，上层协议以及组网技术的不断优化，无线 技术已经得到了很大程度的提升，其可靠性和稳定性 也越来越好，因此无线自组网在输电线路监测的应用 不仅有广阔的市场前景，在技术上也是可行的。 无线自组网又称“Ad Hoc”网络，是一批带有无 线收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时性自组 织系统。在自组网中，每个终端不仅能够移动，而且 兼有主机和路由器两种功能。作为主机，终端需要运 行各种面向用户的应用程序；作为路由器，终端需要 运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表完成数 据分组转发和路由维护工作。无线自组网的特点主要 有独立组网、动态变化的拓扑结构、无中心的自组织 网络、多跳路由等[3]。目前已经广泛用于工业、生活 等领域的无线通信技术标准有 Zigbee、WiF i、WIA等， 这些无线通信技术的不同在于底层遵循的协议标准以 网络层、应用层采用的组网方式，应用范畴等。可以 Copyright © 2012 Hanspub 46  面向输电线路监测的无线自组织网络多业务支持方案研究 肯定的是，这些技术目前可以应用于输电线路监测。 4. 多业务接入方案 一个面向输电线路的，能够同时进行多业务平滑 接入的系统，应该包含三个部分：监测网络的接入、 传输网络的接入和监测中心的接入。每一层的网络内 部以及不同网络层次之间都会涉及到底层协议、通信 频率、IP 地址分类等通讯问题，这就需要我们根据实 际情况，综合考虑该网络的现实性，如图 1所示。 4.1. 监测网络接入部分 底层监测网络的接入包括三个大的业务子类：传 感器业务的接入、视频流业务的接入以及移动终端业 务的接入。 传感器业务包括荷载监测、弧垂监测、流量监测 等，属于非实时业务，对差错比较敏感。因此选用一 个高可靠性和强稳定性的基于WIA 的无线传感器网 络，该网络包含若干带有特定功能的传感器节点，例 如温湿度传感器、张力传感器、流量传感器等，这就 需要具有相应功能的传感器节点布置入网，通过合理 的路由算法将探测到的数据逐跳的、拓扑结构呈长链 路状的传输给集中器网关。网关节点具有一定的数据 转发的能力，将收集得到的信息，转发给临近的AP 电力专网 监测中心 主站 1 电力塔1 电力塔2 电力塔3 电力塔4 主站 2 传输网络 传感器接入 视频接入 移动终端接入 集中器网关 其它行业专网 安全网闸 AP1 AP2 AP3 AP4 防火墙 监测网络 Figure 1. Multi-service access diagram 图 1. 多业务接入示意图 接收端。传感器接入网络采用短程无线通信 IEEE 802.15.4[4]标准，工作在 2.4 GHz频段。 视频流业务包括视频监控、微气象监测、山火预 警等，属于实时业务，对时延、带宽要求比较严格。 这里，采用的是一个高保真、宽基带的基于WiFi 的 无线网络。用带有通信模块的视频设备与临近的AP 接收端相连，可以快速建立起一个局域网。视频流接 入采用 IEEE802.11 系列标准，工作在 2.4 GHz频段。 移动终端不仅可以与 AP 相连，还能在更大的范围内 移动，在不同的区域进行切换。 这部分的网络，通过 IP 地址规划来进行区分，同 一类型的业务划分在一个相应的子网，由一个 AP 统 一进行管理；不同的子网再设置相异的 IP 地址段。不 同IP 网之间不能相互通信，同一 IP 网内部之间可以 通信。移动终端可以在不同 AP 管辖下的子网进行越 区切换、漫游等操作。这样，就将不同的业务接入了 底层的网络当中。 4.2. 传输网络、监测中心接入部分 由上述内容，已知底层设备已经接入到了传输网 络的 AP。各 个AP 协同通信，组成传输网络，该网络 采用双频通信，与监测设备的通信频率(即接入频率) 为2.4 GHz，自组织逐跳的回传频率为 5.8 GHz，动 态 组成一个链式回程自组网(WiFi-Mesh[5])。最后通过电 力光纤、电力宽带无线 McWiLL[6]等接入电力专网。 该无线网和 WLAN 的802.11协议标准相结合，具有 宽带高速和高频谱效率的优势，具有动态自组织、自 配置、自维护等突出特点，解决了“最后一公里”的 问题。 由于二次系统在电力专网分为不同的等级，每个 等级查询的权限、保密的级别也有所区别。因此设置 了安全闸和防火墙来区分分区Ⅲ和Ⅳ。另外，该系统 也可以通过网关，将探测到的部分数据(如微气象、火 情等)传送至其它行业专网，如公安消防、交通等，为 公共服务提供必要的信息。 5. 多业务服务质量保障 ITU-T 对QoS(Quality of Service)的定义为：QoS 是一个综合指标，用于使用一个服务的满意程度。输 电线路监测的 QoS 主要是指时延、可用带宽、丢包率、 时延抖动等，具体的网络必须满足以下两个条件： Copyright © 2012 Hanspub 47  面向输电线路监测的无线自组织网络多业务支持方案研究 1) 优先级高的业务类型必须得到充分的带宽保 证； 2) 相同业务流通过网络时，它必须受到同等对 待，包括调度时序安排和包转发。 目前，有两个主流的体系结构来解决 QoS 的问 题：综合业务结构(Intserv，Integrated Service[7])和区 分业务结构(Diffserv，Differentiated Service)。由于 IntServ 需要在全网部署，而目前的数据网络各种技术 标准林立，同时对网络资源要求较为苛刻，因此只是 一个理论上的参考模型。而 DiffServ 充分考虑了数据 网络现状，结合实际应用需求，形成了一套较为适用 的技术规范框架。因此，我们准备从以下两个方面入 手，来满足输电线路监测对 QoS 的需求。先对输电线 路业务进行识别与分类，对不同业务采用不同的保 障，采用优先级控制的方法抑制贪婪业务，保障核心 业务；然后在基于分类的基础上，根据用户需求，在 边缘位置，利用边缘路由器，采用简化的优先级控制 策略、队列调度管理策略、QoS 路由技术等共同完成 业务的全程 QoS 保障。 众所周知，输电线路监测的业务具有不同的特 性，如实时视频对传输时延和时延抖动十分敏感，但 对数据的错误率却有一定的容忍度；相反，一般的数 据业务对时延抖动和时延要求不高，但对数据的差错 却十分敏感。所以对不同业务进行区别控制，对业务 进行 QoS 分类，便于路由节点的 QoS 策略控制，以 此达到对多样化业务传输的保障。 5.1. 多业务识别与分类 具体的业务识别与业务分类模型如图 2所示。 对网络中各种业务进行高效、准确地识别是无线 网络对业务流量进行管理的一个重要前提，它是系统 对流量进行控制，保障各种业务 QoS 需求的基础。这 里，我们采用一个 DPI识别法来进行业务识别。 业务分类模块业务识别模块 DSCF值与不同 QoS业务对应策 略库 业务识别与业务分类模型 Figure 2. Curve: Identification and classificati o n model 图2. 业务识别与业务分类模型 DPI[8]技术，即深度包检测技术是一种基于应用层的流 量检测和控制技术，当 IP 数据包流通过基于 DPI 技 术的带宽管理系统时，该系统通过深入读取 IP 包载荷 的内容来对信息进行重组，从而得到整个应用层程序 的全部内容，然后按照系统定义的管理策略对流量进 行整形操作。DPI技术不仅包含了传统的流量监测技 术，而且还可以对新的应用进行有效的识别。 区分服务(DiffServ)是IETF 区分服务工作组提出 的一个重要的基于 IP 网络的 QoS服务协议模型，它 要求分组在进入网络时首先进行分类和调整，并分配 给不同的行为集合(behavior aggregate，BA)，该行为 集合由 IP 包头中的 DSCP 差分服务代码点(Dif fer- entiated Services Code Poin t)域来标识。它在每个数据 包IP 头部的服务类别TOS 标识字节中，利用已使用 的6比特和未使用的 2比特字节，通过编码值来区分 优先级。这里的标记过程是在对各种业务进行识别的 基础上进行的，所以在标记之前要对业务进行 QoS 分 类，即每种业务对网络要求不一致。我们知道目前 RFC 定义了六类标准业务即：EF、AF1-AF4、BE， 并且通过定义各类业务的 PHB(Per-hop Behavior)明确 了各类业务的具体实现要求。从业务对外在环境的要 求及表现来看，基本上可认为 EF 流要求低丢包率、 低时延，对应于实际应用中的雷电、山火等突发情况； AF 流要求较低的丢包率、低时延、高可靠性，对应 于数据可靠性要求高的视频流等实时性要求高的业 务；对 BE 流则不保证最低信息速率和时延，对应载 流能力、外绝缘情况等周期性监测的数据业务。因此 我们将对各种业务进行如下的 QoS 归类，以对应各自 主要的 QoS 要求和配对各自所属的 DSCP 值，识别业 务与 DSCP 对应策略库的作用就在于这里。最后，相 应的业务打上对应的 QoS 要求的 DSCP 标记，到达了 业务分类的目的。 业务应用类型与 QoS 服务要求等级匹配如图 3所 示。 5.2. 基于分类业务的 QoS 流量控制 目前，该无线网络可能会出现多样化业务即使在 使用最优化路由时也会超出网络承受能力的情况，如 果不使用任何措施控制管理，在瓶颈链路的队列长度 将会增加而导致数据包延迟增大，以致可能超出最大 延迟指标。而且，随着队列的不断增加，在某些节点 Copyright © 2012 Hanspub 48  面向输电线路监测的无线自组织网络多业务支持方案研究 业务应用类 型 QoS等级 EF AF4 BF AF3 AF2 AF1 突发事件 ： 雷电 、山火 视频流 覆冰情况 实 时 业 务微气象 移动终端 周期性业务： 载流、弧垂等 Figure 3. Specific type of service application and QoS service levels 图3. 具体业务应用类型与QoS 服务要求等级匹配 上的缓存空间可能会被耗尽。这一情况发生时，到达 这些节点的那些数据包将不得不被丢弃，因而网络业 务的 QoS 将遭到很大破坏。 为了解决这一问题，网络的 QoS 流量控制应运而 生。我们提出的基于分类业务的 QoS 流量控制是指在 监测数据进入电力专网之前，对各种业务进行识别， 对识别后的业务进行 QoS 标记分类，依据业务重要性 设置优先级，控制不同业务的平均速率，保证关键业 务在出口处占有一定的网络资源，提高服务质量。本 论文讨论基于分类业务的 QoS 区分服务(DiffServ)体 系结构的流量控制。我们定义了多种服务类型，每种 对应一个流，用 IP头中的 DSCP值表示服务类型信息， 可进行流的优先级定义。QoS 区分服务控制环境下的 流量控制一般包括分类、调度和整形 3个部分[9]。分 类是指检查数据包 DSCP 字段的内容，将数据包分配 到相应流/服务类的过程。调度是指按照一定的 QoS 策略来决定等待队列中选择哪个分组以何种速率发 送，以此来使网络中所有的关键业务流能够按照预定 的策略方式共享输出链路带宽。调节整形是指对到达 的数据进行平滑处理，对数据流进行稳定传输控制。 具体的流量模型如图 4所示。 QoS 流量控制模型的流程如下： 1) 业务类型识别 对到达的业务分组进行检测，根据上一小节提出 的业务识别模型和具体业务匹配数据库进行识别处 理； 2) 业务 DSCP 标记 对识别后的业务进行分类别的标记，根据相应的 分类器 队列调度管 理整形器 实时流量监控反馈与分析 QoS流量控制模型 Figure 4. QoS flow control model 图4. QoS流量控制模型 输入 业务检测 业务DSCP 标记 流量超额 业务分类 主动队 列 1 主动队 列 2 主动队 列 n TDP策略控制 输出 具体业务匹 配数据库 业务类型与 DSCP 等级匹 配数据库 N（常规处理） Y（流量控制） ... Figure 5. Flow chart of QoS flow control model 图5. QoS 流量控制流程图 QoS 需求对业务进行 DSCP 标记； 3) 判断业务流量总量 统计业务流量的总量值，如果不超过网络资源分 配规则库中分配的大小，则直接放到转发队列中去等 待输出，反之转到步骤 4)； 4) 业务分类 根据相应的 DSCP 值把业务分到相应的主动队列 中进行管理，等待下一步的处理转发； 5) 流量控制 根据流量分组的业务类型，结合用户的状态，根 据制定好的流量控制策略，对分组进行流量控制，然 Copyright © 2012 Hanspub 49  面向输电线路监测的无线自组织网络多业务支持方案研究 Copyright © 2012 Hanspub 50 后放到转发队列中去等待输出。系统会根据一定的队 列调度算法，完成对分组的转发。 QoS 流量控制流程图，如图 5所示。 6. 结论 本文提出的面向输电线路监测的无线自组织网 络多业务接入方案及其 QoS 的保障，将多业务以无线 自组织的方式，综合接入电力信息网，在边缘位置， 以业务识别、业务分类为基础，使得多业务的优先级 得到保障，对整个网络的流量进行控制。这样的无线 自组织接入策略，无论在经济上，还是在具体实施过 程中，都具有一定的优势，较好地满足了输电线路监 测对各业务 QoS 的要求。 参考文献 (References) [1] 郭经红, 张浩等. 智能输电网线路状态监测系统通信方式研 究[C]. 信息通信网络技术委员会年会, 2011: 1511-1516. [2] 赵国宏. 电力行政执法的多点视角[J]. 中国电力企业管理, 2004, 2: 22-24 [3] 王凡, 王家琛. Ad Hoc网络中的多信道多接口技术研究[J]. 电子科技, 2008, 11: 65-67. [4] IEEE Std 802.15.4, Wireless medium access control (MAC) and physical layer (PHY): Specifications for low rate wireless per- sonal area networks (LR WPANs). New York: IEEE Press, 2003. [5] 喻洁, 夏安邦. 电力网格及其服务研究[J]. 电力信息化, 2008, 6(7): 49-52. 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