基于433MHz無線傳感器網絡的電網安全態勢感知與拓撲優化

摘 要：無線傳感器網絡是智能配電系統的重要組成部分，其具有功耗低、規模大和成本低的優點。無線傳感器網絡拓撲結構和通信協議種類繁多，存在功耗大、壽命短、信號質量差和傳輸距離近等問題。針對這類問題，首先，設計配電站房、柱上變壓器和箱式變壓器3種典型應用場景中無線傳感器網絡的整體結構，針對智能配電網無線傳感器網絡壽命短的問題，根據傳感器重要等級和設備健康狀態提出簇頭節點的選取與更新策略。其次，建立基于433 MHz的星形傳感器網絡，并對其進行仿真。最后，在此基礎上，對智能配電系統的典型應用進行研究。

關鍵詞：智能配電網；無線傳感器網絡；網絡設計

中圖分類號：TP 212 " " " " " " 文獻標志碼：A

無線傳感器網絡是以分布式傳感網絡為基礎建立的網絡體系，利用節點來檢測和感知外界各種干擾因子的變化。在無線傳感器網絡中，不同傳感器節點之間通常保持無線通信，由于節點靈活性高，因此設備能夠隨著時間推移改變連接位置。在無線傳感器網絡中，匯聚節點和調度節點可以同步處理數據。匯聚節點的作用是篩選有誤的編碼和信源，并對準確的信息參數進行整合；調度節點的作用是分散存儲數據，并集成關鍵信息節點，使傳感設備能夠直接訪問和利用這些信息。在智能配電網環境中，隨著網絡覆蓋范圍不斷擴大，線路負載呈現增長過多的趨勢，如果超過一定的標準，那么電網負載與實際運行狀態截然相反。針對這個難題，已有的安全情景感知技術分別從電壓、電流和電阻3個方面尋找其在智能配電網中的分布規律，并與供電端設備相結合，研究對應的電氣信號變化特征。但是，采用這種方法無法保證在長時間內電力系統的負荷與其狀態等級相符。為了解決這個問題，本文將無線傳感網絡引入智能配電系統中，并基于該技術研究一種智能配電網安全態勢感知方法。

1 智能配電網概述

1.1 智能傳感網絡的分簇算法

分簇是按照一定的距離對WSN中的各個節點進行分組，將相鄰的節點劃分為不同的簇，并在此基礎上選擇1個簇頭。簇中的各個節點可以將探測的目標信息傳遞至簇頭，簇頭綜合處理后，再將其發送至基站。本文提出了一種基于無線傳感器網絡的節點定位方法，其流程如圖1所示。

分簇算法是以多個簇首為簇首，在非簇首節點不與其他簇首進行通信的情況下，將其所在的通信模塊全部關閉，以達到減少能耗的目的。LEACH、HEED、GAF和TEEN等是無線傳感器網絡的重要組成部分。

1.2 智能配電網無線傳感器網絡

1.2.1 無線傳感器網絡結構

無線傳感器網絡是一種融合通信、傳感和嵌入式計算等多個領域的新興多學科交叉技術，構建一個多功能的數據采集、匯總與傳遞平臺已成為國內外研究熱點。無線傳感器網絡結構如圖2所示。

1.2.2 智能配電網WSN網絡結構

智能配電終端節點既是目的節點，也是數據采集節點。對采集的數據進行簡單處理，將采集的信息傳送給配電網中的變電站、配電終端或光纜節點。在接收來自智能配網終端的配電網數據后，需要將其經過網絡節點進行整理，采用光纖傳輸等多種傳輸方式將其傳送至智能配網的主站系統，對其進行分析與評價。在此基礎上得到基于無線傳感器網絡與智能配電終端的網絡拓撲結構。智能配電網WSN網絡結構如圖3所示。

2 智能配電網WSN拓撲優化

WSN的拓撲結構對其通信協議的運作有明顯影響。同時，WSN設計的復雜性對其性能有明顯影響。因此，首要任務是明確網絡的拓撲結構。本文針對智能配電網中的典型應用場景，包括433 MHz的配電站房、柱上變壓器和箱式變壓器，構建WSN模型，優化拓撲結構。

2.1 基于433 MHz的智能配電網WSN模型搭建

2.1.1 基于433 MHz的智能配電網信息采集

在433 MHz配電站房、柱上變壓器和箱式變壓器的典型應用場景中，WSN的構建涉及3組配電站房、柱上變壓器和箱式變壓器，這些組件共同形成一個擴展的WSN。根據預設的地理位置將無線傳感器節點精確地安裝在配電站房、柱上變壓器和箱式變壓器所覆蓋的終端設備上。這些分布在不同區域的WSN節點的作用是采集和傳輸所需的關鍵信息。

本文介紹了一種分布式無線傳感器網絡架構，該網絡架構由3種關鍵節點類型組成。1）簇首。簇首的主要功能是收集子區域內普通節點的信息并將其傳送給其他節點，簇首可以對簇首進行更新，保證數據傳輸的可靠性。2）無線網絡關節點（Wireless Network）。該網絡節點的作用是對簇首節點發出、得到的信息進行處理并融合，然后將信息傳遞至上層網絡節點。3）傳感節點。感知節點分布在箱式變壓器、立柱上變壓器和變電站等設備中，采集環境溫度、濕度等環境參數和局部放電、電流等狀態參數，收集設備運行狀態的變化情況，并將其傳輸至簇首。

2.1.2 基于433 MHz的智能配電網WSN布局描述

本文以433 MHz配電站、立柱上變壓器和箱式變壓器這3種典型的無線傳感器網絡為例，提出了基于無線傳感器的智能配電網布局方法。在每個結點設置433 MHz的無線配電裝置，利用立柱式變壓器、箱式變壓器進行節點監測。智能配電網433 MHz WSN信息采集節點結構如圖4所示。

多個無線網關利用以太網向所述網絡通信控制器傳輸所獲取的數據。當設計網絡時，應考慮以下3個方面。1）網關數量。為了減少建設費用和系統的硬件費用，應該盡可能地減少系統的節點數量。2）網絡延遲。在網絡中，各個節點之間存在大量的信息傳遞，網絡中節點連接的多少直接影響網絡的傳輸速度。3）鏈路質量。由于信號在傳遞的過程中不可避免地存在鏈路損失，因此必須對其進行有效控制，以提高網絡的準確性。

2.2 基于433 MHz的智能配電網WSN拓撲優化

2.2.1 智能配電網WSN拓撲優化模型

在配電網絡的箱變裝置中有19個分簇點，每個簇頭節點旁邊都有1個可放置的網關。在此基礎上對分站站內、立柱上變壓器和箱式變壓器等20個分簇頭節點至24個候選點的信號質量進行測試，獲得更準確的鏈路損失矩陣A。在此基礎上對其進行模擬，得到相應的試驗結果，如圖5所示。

采用最小二乘法對圖5中的數據進行雙指數擬合，如公式（1）所示。

L=1.815×e-0.003 264×D-0.827 7×e-0.007 304×D " " " （1）

式中：L為數據傳輸的丟包率；D為簇頭節點至無線網關的距離。

在433 MHz的測試環境中，該擬合曲線能夠較好地反映無線網絡的質量，隨著傳輸距離變長，數據丟失率逐漸增大。

分別以433 MHz配電站、立柱上變壓器和箱式變壓器為應用場景構建智能配電網無線傳感器網絡模型，并對其進行參數化分析。建立配電站、立柱和變壓器3種典型應用場景中的 WSN優化模型，分別以最低的傳輸損失、最小的網關數目和最短的網絡時延為目標。對各指標的加權關系進行分析，得到以下結果：網絡鏈路質量占比為50%，比例最高；無線網關的數量占比為30%；網絡延遲占比為20%。配電站安裝了20個簇頭節點、20個機架節點和20個箱式變壓器，分析了25個備選節點，得到拓撲優化目標函數，如公式（2）所示。

（2）

式中：Z為拓撲優化目標函數；n為從1開始的自然數； aij為WSN中各傳感節點對各 WSN節點的信號鏈路質量；i為在網絡最優情況下每一行中每個無線網關的候選位置；j中的每一列為整個網絡中的全部無線傳感節點；Sij為0～1整數矩陣，表示每個無線網關與每個傳感器節點之間的連接關系。

以433 MHzWSN為例，對其進行分析，如公式（3）所示。

（3）

根據公式（3）可以得到以下4個結論。1）選取2個以上的簇首作為簇頭，使各簇首在不同的分簇和分變組等環境中的數據傳輸可靠性較高。2）為保障連接穩定，設定每個無線網關與首節點的連接數不超過10個。3）為滿足在配電站、立柱上以及箱式變壓器這3種特定應用環境中的無線網絡需求，提出一種基于433 MHz WSN的網關設計方案，在網絡運營期間可以選擇25個簇首。433 MHz WSNE網關是為3個不同的應用場合設計的：1個配電站，1個電桿，1個箱式變壓器，1個平均3個集流器。在網絡運行過程中選取25個無線閘道器。4）網關位置矩陣Sij是1個0與1的整數矩陣，該矩陣的主要功能是清晰地描繪在3種典型應用場景中無線網關候選位置的安裝狀態。

2.2.2 智能配電網WSN拓撲優化模型計算

以配電房、立柱變壓器和箱式變壓器為研究對象，對其進行優化建模。針對433 MHzWSN智能配電網，本文確定并計算鏈路質量矩陣，研究在不同應用場景中各簇首節點與各候選節點間的連接質量。因此提出一種基于5×8的分簇－分簇模型，并對分簇集和分簇集的關系進行分析，并給出了分簇集的算法。以3個433 MHz智能配電網為例，優化了433 MHz無線網絡拓撲的配電站、桿式變壓器和箱式變壓器。根據上文描述得到耦合質量矩陣Aij，設定相關參數，保證每個無線網關連接的簇頭節點數量不低于3個，無線網關的總數控制在25個以內。

2.2.3 智能配電網 WSN 拓撲優化分析

以433 MHzWSN為例，給出基于0～1的網絡拓撲優化算法。

433 MHz WSN的最優化拓撲和備用拓撲如圖6所示，虛線為首層與網關之間的優選方案，既能保證433 MHz智能配電網正常工作，又能解決簇首與網關間功耗大、時延高以及鏈路質量低等難題。

3 結語

隨著配電系統智能化程度不斷提升，大量數據涌入配電網絡中，對高效、靈活的通信網絡提出了更高的要求。本課題綜合應用通信、識別和嵌入式等學科的最新成果，搭建多功能智能化配電網絡信息平臺。為用戶提供更全面的配電網使用信息，更好地指導電網監管和應急規劃。本文全面研究智能配電網終端配電特點和無線傳感器網絡結構特點，提出基于智能配電網的新方法。對終端采集網絡、匯聚網和信息接入網絡的高度兼容以及可擴展的層次化體系結構進行研究，提出融合其他通信模式的智能配電網無線傳感網的組網方案，拓展無線傳感網在智能配電網中的應用。

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