智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)同步算法

曹敏,王洪亮,陳先富,李仕林,張少泉(.云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,昆明 65027；2.云南電網(wǎng)公司博士后科研工作站,昆明 65027；3.中國南方電網(wǎng)公司電能計量重點實驗室,昆明 65027)

智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)同步算法

曹敏1,3,王洪亮1,2,3,陳先富1,李仕林1,張少泉1
(1.云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,昆明 650217；2.云南電網(wǎng)公司博士后科研工作站,昆明 650217；3.中國南方電網(wǎng)公司電能計量重點實驗室,昆明 650217)

目前變電站主要采用遠程集中監(jiān)控以及有限網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù),這樣不但造成信道堵塞,使信息之間不具有互操作性以致難以共享,而且網(wǎng)絡(luò)傳輸由于不能做到有效的網(wǎng)絡(luò)同步而導(dǎo)致信息偏差,給生產(chǎn)、調(diào)度等帶來些許困難。本文首先給出了智能變電站總體框架,接著在智能變電站的基礎(chǔ)上研究了同步算法,然后對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)性能進行了分析,最后對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量進行了仿真,驗證了算法的有效性和可行性。

智能變電站；無線；mesh；同步算法

0 前言

目前變電站主要采用設(shè)備在線監(jiān)測以及遠程集中監(jiān)控等,然而采用遠程集中式監(jiān)控系統(tǒng),將所有采集數(shù)據(jù)傳至供電局層或云網(wǎng)層,這樣不但造成信道堵塞,使信息難以共享,形成信息孤島,且信息之間還不具有互操作性。而基于物聯(lián)網(wǎng)的變電站建設(shè),以 “智能感知和智能控制”為核心,通過對外界的感知,構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò),在傳感網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上建立控制與監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)系統(tǒng)智能監(jiān)測、智能判斷、智能管理、智能驗證等功能。

而智能變電站是采用先進、可靠、集成和環(huán)保的智能設(shè)備,以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標準化為基本要求,自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和檢測等基本功能,同時,具備支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策和協(xié)同互動等高級功能的變電站。基于全壽期的變電站信息平臺共享功能有兩個,一是系統(tǒng)橫向信息共享,主要表現(xiàn)為管理系統(tǒng)中各種上層應(yīng)用對信息獲得的統(tǒng)一化；二是系統(tǒng)縱向信息共享,主要表現(xiàn)為各層對其上層應(yīng)用支撐的透明化。

智能變電站系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

1 同步算法研究

精準的頻率同步能夠減小因為時鐘不一致而引起的丟包,也為網(wǎng)絡(luò)智能終端提供時鐘參考。從骨干網(wǎng)獲得時鐘經(jīng)過無線Mesh網(wǎng)絡(luò)傳遞構(gòu)成主從同步,為此具備上級時鐘的通信設(shè)備周期性地發(fā)送信標幀,如圖1所示。低等級的通信節(jié)點在接收到有效信標后,將首先更新其時間戳值,如公式 (1)所示：

其中：Tnew是更改定時器后信標幀中的時間戳值；Tstamp是信標幀中原有的時間戳；Dphy2mac是從物理層傳輸?shù)組AC層所需要的時延；Dreceive是節(jié)點完整接受一個幀所需要的時間；Trange是測距得到的節(jié)點之間傳輸時延。

隨后節(jié)點將Tnew設(shè)置為本地時間,然后將信標幀向下級節(jié)點發(fā)送過去,通過該種方式得到的定時精度可確定在 ±0.01%以內(nèi)。

圖1 同步時信標幀

2 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)性能分析

本文所設(shè)計的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)由多個獨立的“點對點”和 “點對多點”的基本服務(wù)集組成,限制了BSS中的無線接入競爭數(shù)目,從而提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。由于通信設(shè)備之間距離遠大于IEEE802.11無線局域網(wǎng)規(guī)定,因此需要分析這種通信方式的性能。

2.1 數(shù)據(jù)接入概率分析

IEEE802.11設(shè)備采用CSMA/CA接入方式,其數(shù)據(jù)接入成功概率取決于參與接入競爭的通信設(shè)備數(shù)量以及設(shè)備之間的距離。設(shè)SIFS=10 μs, Slottime=20 μs,DIFS=50μs,即符合IEEE802.11g標準定義,假設(shè)在網(wǎng)絡(luò)中存在著n個相互競爭的設(shè)備,令這些節(jié)點之間的通信距離相等D=6 km,所以在節(jié)點與節(jié)點之間的傳輸時延為：

某一個時刻能夠成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率是從其發(fā)送數(shù)據(jù)的那個時刻起的時間σ內(nèi),其他節(jié)點不能發(fā)送任何數(shù)據(jù)。設(shè)s(t)為節(jié)點處于的退避狀態(tài),b (t)表示節(jié)點退避計數(shù)器的狀態(tài),對(s (t),b(t))進行了基于二維的馬爾科夫鏈的建模。

其中,爭用窗口的最大值的取值范圍是窗口值Wi=2(3+i),其中i∈(0,5)。由于在本課題限制了BSS域內(nèi)通信設(shè)備數(shù)目,因此在爭用窗口的極限值達到最大 (255)后,各個節(jié)點發(fā)生碰撞的概率就會很小,可以假定站點在退避5次后,能夠發(fā)送成功。假設(shè)不同通信設(shè)備之間數(shù)據(jù)發(fā)送完全獨立,設(shè)某一個時刻發(fā)送數(shù)據(jù)且發(fā)生碰撞的概率p是固定的值,則有5次內(nèi)碰撞的退避計數(shù)器：

作為一種社會實踐表達方式，話語不僅反映歷史、文化、社會制度、價值觀念和思維模式，而且?guī)в絮r明的時代性。作為一門實踐性很強的學(xué)科，思想政治教育話語只有根植于實踐并通過實踐才能展現(xiàn)其生命力。然而，當前的思想政治教育話語缺少從實踐中提煉具有學(xué)科原創(chuàng)意義的話語，而過多地借鑒了其他學(xué)科的話語。因此，創(chuàng)新實踐話語，使之與理論話語形成一定的張力，這是推動思想政治教育話語發(fā)展的一條重要途徑。思想政治教育實踐話語的創(chuàng)新要結(jié)合現(xiàn)時代的實踐，體現(xiàn)出話語思維的大眾化，拓寬思想政治教育話語內(nèi)容的外延，使之向不同語境如網(wǎng)絡(luò)語境、文化語境、生活語境、和諧社會語境和國際語境延伸，以豐富和拓展思想政治教育話語內(nèi)容。

其中i∈( 0,5),k∈(0,Wi-1)

對bi,k存在以下的關(guān)系：

又因為τ與b0,0之間存在著關(guān)系

又因通信設(shè)備成功發(fā)送數(shù)據(jù)的條件是在其發(fā)送數(shù)據(jù)的前后兩個時隙均沒站點,其他n-1個節(jié)點均沒有發(fā)送數(shù)據(jù),為此,可以得到

在已知網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備數(shù)目n的情況下,通過(2)(3)方程組可以得到τ值

圖3 節(jié)點成功傳輸數(shù)據(jù)的模型

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞的模型

2.2長距離點對點傳輸?shù)臅r延

信息傳輸時延主要由通信設(shè)備處理時延和信號傳輸時延組成。前者是設(shè)計中需要考慮的主要因素。由接入控制狀態(tài)圖得到在通信設(shè)備在進行退避產(chǎn)生的時延的數(shù)學(xué)期望是：

為此,得到本次分析中,進行成功傳輸時的退避延時的期望是：

因此得到通信設(shè)備之間的平均傳輸時延=退避延時+空閑延時+傳輸延時+碰撞超時產(chǎn)生的延時,即是

通過以上的分析可以得到節(jié)點之間的傳輸距離為6 kM時,節(jié)點之間的時延和吞吐量的數(shù)學(xué)近似表達式。分析表明隨著通信距離的增加,節(jié)點之間發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞的概率也增加,從而使得時延增加,網(wǎng)絡(luò)吞吐量減小,這個結(jié)果在網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點都產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)時表現(xiàn)很明顯。

3 網(wǎng)絡(luò)仿真

仿真平臺采用opnet,組成如圖1所示的無線Mesh網(wǎng)的吞吐量和網(wǎng)絡(luò)負載進行網(wǎng)絡(luò)仿真：

圖5 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量

由以上仿真結(jié)果可知,當節(jié)點之間的距離由10 m變成5 km時,網(wǎng)絡(luò)的性能有一定程度的下降,節(jié)點的極限負載由14 Mbps下降到6 Mbps,從時延的對比也能知道,節(jié)點負載為5 Mbps時,網(wǎng)絡(luò)的時延急劇上升。當節(jié)點的負載達到6 Mbps時,網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法處理所有產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包,部分數(shù)據(jù)包已經(jīng)開始被丟棄,網(wǎng)絡(luò)的吞吐量達到極限。

對所組成的無線Mesh網(wǎng),在節(jié)點的負載為2 Mbps時,網(wǎng)絡(luò)的時延是毫秒級的,完全能夠滿足一路監(jiān)測視頻的傳輸,整個網(wǎng)絡(luò)是可靠的。

當節(jié)點的負載上升到3.5 Mbps時,網(wǎng)絡(luò)中的Mesh網(wǎng)絡(luò)部分開始達到極限,而在線狀網(wǎng)絡(luò)部分中仍未達到性能極限,因此隨著節(jié)點的負載的增加,網(wǎng)絡(luò)的整體吞吐量仍然在緩慢增加,直到節(jié)點的負載是10 M時達到性能的極限,然而在這個過程中,節(jié)點丟棄了大量的數(shù)據(jù),因此并不可靠。

從以上結(jié)果可以知道組建無線Mesh網(wǎng)絡(luò)能夠完全保證實時性和可靠性的情況下實現(xiàn)對每個節(jié)點的視頻監(jiān)測和控制。

4 結(jié)束語

本文通過智能變電站總體框架,接著在智能變電站的基礎(chǔ)上研究了同步算法,然后對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)性能進行了分析,最后對無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量進行了仿真,從仿真結(jié)果可知,當節(jié)點之間的距離由10 m變成5 km時,網(wǎng)絡(luò)的性能有一定程度的下降,節(jié)點的極限負載由14 Mbps下降到6 Mbps,驗證了算法的有效性和可行性,為后續(xù)研究提供了進一步的指導(dǎo)意義。

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曹敏,男,教授級高級工程師,現(xiàn)為云南電網(wǎng)公司首席技術(shù)科學(xué)家,享受云南省政府特殊津貼,全國電工儀器儀表標準化委員會電能測量和負載控制設(shè)備分技術(shù)委員會副主任委員,云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,主要研究計量測試技術(shù)。

王洪亮,男,博士、博士后,云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,主要研究計量測試技術(shù) (e-mail)whl010011＠163.com。

Study of Yunnan Mountain Substation Data Aggregation Technology based on Sparse Methods

CAO Min1,3,WANG Hongliang1,2,3,CHEN Xianfu1,LI Shilin1,ZHANG Shaoquan1
(1.Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217,China；2.Postdoctoral Research Workstation of Yunnan Power Grid Corporation,Kunming 650217,China；3.Key Laboratory of China Southern Power Grid Energy Metering,Kunming 650217,China)

Most of the current substation building in the mountains,plateaus complex geological conditions,harsh natural conditions on the proposed substation run a higher demand,and thus a comprehensive real-time monitoring of substation more necessary.Many substation equipment,monitoring of large amounts of data,such as information processing and aggregation of research is the focus of this article.The article first introduces the theory of sparse methods,then sparse algorithm are described,in particular,a new algorithm is proposed and introduced highlights.Finally,the method proposed substation sparse structure and simulation tests have proved the feasibility and effectiveness of the method.

sparse methods；mountain substation；geological monitoring；wireless sensor networks

TM73

B

1006-7345(2015)01-0117-03

此研究來源于中國博士后科學(xué)基金面上項目(一等)(2013M540721)以及國家高技術(shù)研究發(fā)展中心(863)的資助 (2011AA05A120).

2014-10-24