改進ZigBee路由算法在電能質量在線監測中應用

王 珂, 曲朝陽, 朱偉華

(1. 吉林電子信息職業技術學院, 吉林 吉林 132021;2. 東北電力大學 信息工程學院，吉林 吉林 132012)

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改進ZigBee路由算法在電能質量在線監測中應用

王 珂1, 曲朝陽2, 朱偉華1

(1. 吉林電子信息職業技術學院, 吉林 吉林 132021;2. 東北電力大學 信息工程學院，吉林 吉林 132012)

針對ZigBee樹型路由算法不能選出最優路徑等問題，提出了一種改進的樹型路由算法(I-TR)，該算法中考慮鄰居表進行數據的傳輸，降低了網絡的能耗，延長了網絡的生命周期。同時，將改進的路由算法應用到變電站的電能質量在線監測系統中，通過對系統的硬件和軟件設計，完成了電能質量監測系統的基本功能，并對變電站進行了實際測試，多次測試結果表明，系統穩定可靠，實時性高。

智能電網； ZigBee； 路由算法； 電能質量

0 引 言

由于大量非線性負荷和大功率整流設備相繼投入到變電站中，造成了諸如功率因數低、電壓畸變率高以及諧波電流值大等電能質量問題[1-2]。造成電能質量問題的原因很多，諸如電力生產部門、用戶干擾；對于不同的供(用)電點在不同的供(用)電時刻，電能質量指標往往是不同的，即電能質量在空間上和時間上均處于動態變化之中。其最終解決需要電力部門、設備制造廠商和電力用戶三方積極密切的合作[1]，因而電能質量問題就越來越受到國內外專家學者的高度關注。隨著智能電網的發展，運用現代通信技術來實時監測電能質量必將成為未來的發展趨勢[3]。

目前，ZigBee網絡普遍采用Cluster-tree和AODVjr相結合的路由算法(ZBR)，這種算法存在著數據包的丟失，節點能量消耗不均衡，系統開銷大，整個網絡使用周期短。而網路層主要負責建立和維護網絡，其核心是路由協議，本文針對上述問題著重對ZigBee網絡層的路由協議算法進行改進，提出對Cluster-tree樹形路由算法的改進。通過網絡模擬軟件Matlab，驗證方案的可實現性，并將改進后的算法運用在電能質量實時在線監測系統中，進一步驗證改進后路由算法的可行性和優越性。該系統監測數據的穩定傳輸，保障了電力系統高效穩定供電，對生產生活有著重要的意義。

1 ZigBee樹路由協議改進

1.1 樹型路由算法原理及缺陷

ZigBee定義兩種器件：全功能型(FFD)與簡化功能型(RFD)，FFD通常作為終端設備，可為協調器，路由器，終端設備。網路中節點采用分布式地址分配機制，通過網路建立初始時的關聯過程，加入網路的節點組成一顆邏輯樹，當網絡中節點允許一個新節點通過該節點加入網絡時，兩者之間就形成了父子關系，父節點為子節點分配網絡中唯一的16位網絡地址[4-7]。假設父節點最多可連接的子節點數為Cm，子節點中允許的最大路由節點數為Rm，網絡的最大深度為Lm，當加入的一個新網絡節點為對應于父節點的第N個子節點時，則父節點為該子節點分配的網絡地址為：

(1)

式中:Cskip為網絡深度為D的父節點為子節點分配的地址偏移量[8-12]，即：

(2)

在路由發送數據選擇下一跳的過程中，當一個地址為A，深度為D的路由節點收到目的節點地址為D的數據幀，A節點會通過式(3)判斷該目的節點是否為其后裔節點，即

(3)

如果滿足式(3)，則說明目的節點是該節點的后裔節點，則將該數據幀轉發到地址為N的下一跳子節點。根據下一跳子節點類型的不同，地址分配為：

(4)

若不滿足式(3)，則說明目的節點不是該節點的后裔節點，因而其將數據幀轉發給其父節點。

樹型的優點在于不需要任何的路由發現，接收到數據直接發送，數據傳輸路徑單一，實時性強，這個算法應用在電廠鍋爐在線監測缺點很明顯，單一的路徑無法滿足大數據的傳輸，容易產生擁堵，根據數據傳輸的特點，即使目的節點就在該節點附近，但由于不是后裔節點，而不能直接轉發數據到目的節點，不是達到最優路徑。節點能量消耗不均衡，任務量大的節點會因為過早消耗完能量而縮短網絡的生存周期。針對上述弊端因而需要對算法的改進。

1.2 樹型路由算法的改進

在原有的算法基礎上加入鄰居表，鄰居表是節點周圍一跳節點范圍內的節點信息列表，包含周圍鄰節點的地址，網絡深度，設備類型等等，它能夠將一跳把數據發給周圍節點,如圖1所示。

圖1 ZigBee樹型路由協議

當一個節點收到目的節點為D的數據幀時，依照原Cluster算法，首先判定自身是不是就是目的節點；若不是，則根據式(3)判斷D是否為其后裔節點，若是，則繼續轉發其子節點；若不是，則根據加入的鄰居表，查找其一跳范圍內的節點，判斷是否含有D節點，根據式(6)找到離目的節點D最近的該節點的鄰居節點M并轉發數據幀到該節點。

(6)

式中：Ni表示源節點一跳范圍內的節點地址；M表示Ni中到D最近的節點。

I-TR算法的流程圖如圖2所示。

1.3 仿真結果及分析

為了驗證I-TR算法的性能，本文選用Matlab軟件進行模擬仿真，對經典的ZigBee路由算法(TR)和改進的路由算法(I-TR)進行性能對比分析，獨立運行50次，分別獲得分組遞交率和跳數的平均值，100個節點隨機分布在100 m×100 m的區域內，Cm=4，Rm=4，Lm=6。仿真結果如表1所示。從表中可以看出，I-TR算法在分組遞交率和平均跳數優于TR算法，主要是本文改進的路由算法利用鄰居表進行最短路徑尋優，減少了轉發跳數，降低了網絡的能耗，提高了電能質量在線監測系統的實時性。

圖2 改進的路由算法的流程圖

表1 I-TR算法的仿真結果

2 電能質量監測系統的實現

電能質量監測系統主要有三部分組成：傳感器采集部分、無線通信部分和遠程監測中心，電能質量監測系統框架圖如圖3所示。若干個傳感器采集節點附著在待監測的開關柜上，電壓和電流傳感器分別采集開關柜的三相電壓和三相電流等數據，并且將采集到的數據經過路由器發送到ZigBee協調器中，經過ARM11處理器和高傳輸速率3G無線通信模塊傳輸到遠程監測中心，遠程監測中心界面使用Qt編寫，實時顯示監測的電能質量，并且能夠對監測電能質量性能進行仿真和對比分析，得出電能質量的各項參數指標如諧波、三相不平衡度以及有功和無功功率等，并對電能質量數據進行存儲顯示和預警。

圖3 電能質量監測系統框架圖

2.1 硬件設計

電能質量監測系統網絡拓撲結構采用Cluster-Tree網絡結構，設置最大子節點數為Cm=3,子節點中最大路由節點數Lm=3。電壓傳感器和電流傳感器分別檢測變電站的電壓和電流，ARM處理器選用ARM11，ZigBee模塊選用CC2530芯片以及外圍電路，ZigBee協調器通過串行通信UART與ARM連接。3G模塊選用華為MU509，3G模塊也是通過UART與ARM連接。

2.2 軟件設計

該系統軟件設計流程如圖4所示。ZigBee模塊分為終端節點、路由器和協調器，ZigBee模塊使用IAR Embedded Workbench進行程序的編程、編譯和使用仿真器進行下載，ZigBee協議棧采用TI ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0版本。終端節點主要是采集變電站的電壓和電流，并且將采集到的數據發送給路由器；路由器主要是進行分組轉發和建立維護路由表；協調器主要是分配地址和組網，通過串口與ARM進行通信。ZigBee協調器建立網絡之后，終端節點和路由器自動搜素加入網絡，從而完成傳感數據的無線傳輸。ARM控制和處理主要借助嵌入式Linux，進行內核移植。3G無線模塊主要是利用AT指令進行3G撥號上網。為了方便系統調試和提高系統的可視化操作，遠程監測中心的人機界面采用面向對象的Qt Creator編程實現的界面進行顯示，系統界面顯示實時曲線、歷史數據查詢、歷史曲線查詢等信息。

圖4 軟件設計流程

3 系統測試及數據分析

為了驗證改進的ZigBee路由協議I-TR應用于電力系統的變電站傳輸電能質量數據的可行性，選取某110 kV變電站6 kV母線進行電能質量實時在線監測[13-16]。該系統主要監測2～10次諧波、三相不平衡度以及閃變等參數。表2、3為檢測后的某110 kV變電站6 kV母線A相諧波電壓、諧波電流。

表2 H2～H10A相諧波電壓統計

表3 H2～H10A相諧波電流統計

4 結 語

從優化變電站電能質量在線監測的實時性出發，提出了基于鄰居表的ZigBee路由優化算法I-TR，采用Matlab仿真平臺模擬仿真，結果表明優化的算法降低了轉發跳數。通過對電力系統的變電站的實際在線監測表明，本系統在監測電壓和電流諧波時可以實時監測到關于諧波的各種沖擊變化，對所測得的數據可以準確無誤的傳輸，滿足電力系統專用通信系統對數據丟包率的要求。

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Improved ZigBee Routing Algorithm and Its Application in Power Quality Monitoring System

WANGKe1,QUZhao-yang2,ZHUWei-hua1

(1. Jilin Technology School of Electronic Information，Jilin 132021, China; 2. Department of Information Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China)

Power quality online monitoring is very important for people's lives and industrial production. Because the traditional ZigBee tree routing algorithm has not been elected optimal path and other issues, this paper presents an improved tree routing algorithm (I-TR) to improve the effect The algorithm considers to apply the neighbor table for data transmission, it can reduce energy consumption of the network, and extend the network life cycle. The improved routing algorithm is applied to power quality monitoring system for substation, system hardware and software are designed, the basic function of power quality monitoring system is realized, test results show the system is stable and reliable, and with high real-time.

smart grid; ZigBee; routing algorithm; power quality

2015-11-12

國家自然科學基金資助項目(51277023)；中國高等職業技術教育研究會資助項目(GZYLX1213185)

王 珂(1982-)，女，吉林吉林人，碩士，講師，研究方向：計算機網絡及信息安全。E-mail：14204433@qq.com

TP 393

A

1006-7167(2016)08-0127-04