論文關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)　電磁干擾　直接序列擴(kuò)頻

  論文摘要:介紹變電站內(nèi)存在的各種干擾和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，并對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于變電站中這種高電磁干擾環(huán)境中可行性進(jìn)行論證。

   0引言

   目前，變電站系統(tǒng)自動化正成為一種不可改變的趨勢，其監(jiān)控和通信系統(tǒng)的重要性日益凸顯。變電站現(xiàn)有測控系統(tǒng)多采用有線通信方式，但是，有線通信的弊端是顯而易見的，例如傳輸線鋪設(shè)復(fù)雜、不易檢修和維護(hù)，長距離傳輸線易受電磁千擾的影響等等。而無線通信則具有運(yùn)行可靠、安裝靈活。成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在需要實(shí)時監(jiān)控變電站信息的情況下，無線通信更是具有極大的優(yōu)勢。

  現(xiàn)有無線通信方式主要有IEEE802.11b/g、藍(lán)牙、ZigBee. GPRS/GSM等。而ZigBee技術(shù)更是以安全性高、響應(yīng)時間快、占用系統(tǒng)資源低、成本低以及能耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)成為變電站實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)中首選的無線通信技術(shù)。ZigBee技術(shù)是專門針對無線傳感器開發(fā)的，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在變電站中的應(yīng)用研究尚處于起步階段，其研究重點(diǎn)主要放在配電網(wǎng)自動化以及溫度、電能在線監(jiān)測方面，然而，變電站高強(qiáng)電磁環(huán)境對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的影響的研究還相對缺失。因此本文對變電站的干擾和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的調(diào)制技術(shù)進(jìn)行研究，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在變電站中的應(yīng)用的可行性進(jìn)行論證。

  1變電站中的電盛千擾
  變電站內(nèi)部具有復(fù)雜的電磁環(huán)境，因此必須對各種典型的電磁干擾源進(jìn)行詳細(xì)的分析。變電站存在的典型的電磁干擾源有:50Hz工頻電磁場;設(shè)備出口短路引起的脈沖磁場;電暈放電;靜電放電;局部放電;空氣擊穿燃弧;SF6間隙擊穿燃弧;真空間隙擊穿燃弧等。其中工頻電磁場和脈沖磁場對無線信號基本不會產(chǎn)影響。

  1. 1靜電放電和局部放電
  兩個具有不同靜定電位的物體，由于直接接觸或靜電場感應(yīng)引起兩物體間的靜電電荷的轉(zhuǎn)移。靜電電場的能量達(dá)到一定程度后，擊穿其間介質(zhì)而進(jìn)行放電的現(xiàn)象就是靜電放電。當(dāng)外加電壓在電氣設(shè)備中產(chǎn)生的場強(qiáng)，足以使絕緣區(qū)域發(fā)生放電，但在放電區(qū)域內(nèi)未形成固定放電通道的這種放電現(xiàn)象，稱為局部放電。兩者都是小絕緣間隙、小能量放電的擊穿。

  這兩種放電產(chǎn)生輻射干擾在幾百kHz以內(nèi)，且能量低，衰減快，因此對無線通信不會造成影響。

　　1.2電暈放電和空氣擊穿放電

  電力導(dǎo)線在高壓強(qiáng)電場作用下，可能對周圍空間產(chǎn)生游離放電的電暈。導(dǎo)線表面的機(jī)械損傷、污染微粒或者導(dǎo)線附近的水滴、灰塵等，都會引起導(dǎo)線表面曲率變化，從而使得點(diǎn)位梯度達(dá)到空氣介質(zhì)的擊穿介質(zhì)。因此，在電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中電暈的產(chǎn)生幾乎是不可避免的。

  由圖1可見電暈放電的輻射信號主要集中在78MHZ和180MHZ附近的兩個包絡(luò)內(nèi)，并且最大信號強(qiáng)度僅為一40dBmW。
  由圖2可知空氣間隙擊穿產(chǎn)生的電磁場帶寬較寬，主要集中在600MHZ以下，并且干擾信號的強(qiáng)度很小，即使在580:MHZ頻率附近也只有-35dBmW。

  1.3開關(guān)操作干擾
  變電站內(nèi)斷路器、隔離開關(guān)等一次設(shè)備在投切操作或開關(guān)故障電流時，由于感性負(fù)載的存在，開關(guān)觸頭開斷時，產(chǎn)生的電弧的熄滅和重燃可能在母線或線路上引起含有多個頻率分量的衰減振蕩波，通過母線或設(shè)備間的連線將暫態(tài)電磁場的能量向周圍空間輻射，形成輻射脈沖電磁場。設(shè)備操作干擾主要有SF6間隙擊穿和真空間隙擊穿所產(chǎn)生的輻射信號。
圖3. 4可知SF6間隙擊穿放電和真空間隙擊穿放電所產(chǎn)生的干擾信號覆蓋頻段很寬，且在整個頻帶范圍內(nèi)電磁信號的強(qiáng)度比較強(qiáng)，在2. 4GHz頻段，電磁信號的強(qiáng)度約為一40dBmW。

  2無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)頻技術(shù)

  2.1 ZigBee協(xié)議
  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的ZigBee協(xié)議的框架是建立在IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)之上，IEEE802. 15. 4定義}ZigBee的物理層和媒體訪問層。IEEE802. 15. 4定義了兩個物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2. 4GHz物理層和868月I5MHz物理層。兩個物理層都基于直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)，主要完成能量檢測、鏈路質(zhì)量指示、信道選擇以及數(shù)據(jù)發(fā)送和接收等功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)輸出2.4GHzISM頻段直接序列擴(kuò)頻信號，輸出功率大于一17dBm，工作頻段2. 405^2. 480GHz 。

  2. 2直接序列擴(kuò)頻技術(shù)
  擴(kuò)頻是利用與信息無關(guān)的為隨機(jī)碼，通過調(diào)制的方法將己調(diào)制的頻譜寬度擴(kuò)展到比原調(diào)制信號的帶寬寬得多的過程。常用的擴(kuò)頻技術(shù)有調(diào)頻、混合擴(kuò)頻和直接序列擴(kuò)頻等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)。

  直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)就是用具有高碼率的偽隨機(jī)(PN)序列，在發(fā)送端擴(kuò)展信號的頻譜，在接受端用相同的PN序列對信號進(jìn)行解擴(kuò)，還原出原始信號。

  3變電站干擾對傳感器網(wǎng)絡(luò)的形晌

  變電站的電磁干擾主要分為兩部分:0~300MHz低頻部分、2. 4~2. 5GHz同頻帶寬。
  1)電暈放電和空氣擊穿所產(chǎn)生的低頻干擾的頻帶離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作頻段2. 4GHz很遠(yuǎn)，并且強(qiáng)度小于一40dBmW，可以通過低通濾波器進(jìn)行處理，因此對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信基本沒有影響。

  2) SF6間隙擊穿放電和真空間隙擊穿放電所產(chǎn)生的電磁干擾在2. 405GHz~2. 485GHz頻帶內(nèi)也有較強(qiáng)的信號存在，在間隙擊穿電壓為I5KV左右時電磁強(qiáng)度達(dá)到一40dBmV。變電站現(xiàn)場的擊穿電壓可能會更高，電磁強(qiáng)度也就更高，因此對無線通信會有一定的影響。但是同頻干擾對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的影響是很小的，這可以通過兩方面說明:

  ①無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的抗干擾能力是由于接收機(jī)將擴(kuò)頻后的信號再次與擴(kuò)頻碼相乘還原出原始信號，同時干擾信號也在接收端與擴(kuò)頻碼相乘從而將其頻帶展寬，干擾信號能量也就分散到很寬的頻帶上，這樣2. 405GHz~2. 485GHz頻帶內(nèi)只有很小部分干擾信號能量，因此同頻噪聲對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信干擾是微乎其微的。

  ②SF6間隙擊穿放電和真空間隙擊穿放電產(chǎn)生瞬態(tài)電磁千擾，這種干擾只能持續(xù)很短的時間，因此對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的干擾也是瞬間的，瞬態(tài)電磁干擾結(jié)束，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也恢復(fù)正常。

  除電磁干擾外，變電站內(nèi)還存在不可忽略的多徑干擾.由于變電站中大量的金屬設(shè)備和柱狀物容易反射射頻信號，使得接收端接收到的信號包括了多個不同傳輸路徑的折射或反射信號，從而造成多徑干擾。多徑會導(dǎo)致信號的衰落、相移和分解，這對以信號能量為判斷標(biāo)準(zhǔn)的無線系統(tǒng)必將產(chǎn)生很大的影響。但是直接序列擴(kuò)頻技術(shù)對于抗多徑干擾有很大的優(yōu)勢，其中很大程度上取決于擴(kuò)頻通信中所采用的偽隨機(jī)序列的周期相關(guān)特性，因?yàn)殡S機(jī)序列具有類似白噪聲一般的尖銳自相關(guān)性，在接收端解擴(kuò)是可以有效地抑制多徑信號的干擾，達(dá)到提高信噪比和通信質(zhì)量的目的。標(biāo)準(zhǔn)DSSS接收機(jī)通過較佳的相關(guān)器自動選擇幅度最大的波形信號，比與之鎖定同步，從而降低多徑干擾。因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)可以很好的抑制多徑干擾。

  4結(jié)論

  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)可以很好的抑制變電站中的高強(qiáng)電磁干擾，同時對變電站中可能產(chǎn)生的多徑干擾也有很好的抑制作用。因此無線傳感器在變電站自動化中的應(yīng)用是可行，也是電力系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。