電力物聯網無線傳感時間同步方法分析

[關鍵詞]電力物聯網；無線傳感器；時間同步；仿真分析

引言

隨著時代的不斷發展與進步，針對電力物聯網進行建設已成為實現電網智能升級，強化電能管理的主要發展趨勢與目標。相關技術團隊與從業者應明確電力物聯網建設過程中對于無線傳感器時間同步功能所提出的要求，同時針對現有同步算法進行進一步優化，以減少無線傳感器進行時間同步時所需的同步功耗，有效提高時間同步精度，實現電網信息、用戶信息等多源信息的高效融合與開發運用。

一、電力物聯網無線時間同步需求

在電力物聯網的運行過程當中，確保網絡內無線傳感器的時間同步，能使各電站、變電站、保護裝置和自動化控制系統的時間保持一致，從而有效抑制電網運行故障和設備異常風險給電力輸送造成的影響。準確可靠的時間信息能夠使保護系統較為直觀高效地針對故障點位進行判斷與定位，從而實現對故障的有效隔離，確保電網的安全穩定運行。具體而言，在對電力物聯網無線傳感器進行時間同步的過程中，應考慮到以下需求：

第一，應確保傳感器時間同步的精準可靠，進而實現電網數據信息的一致性。一般來說，電力物聯網無線傳感器時間同步精度應控制在1 ms以內，這樣才能滿足電網分布智能控制的需求。

第二，應針對性降低無線傳感器時間同步過程中所產生的功耗。在一些算法與同步方案的設計過程當中，受限于技術因素的影響，同步方案的功耗居高不下，這導致其長時間運行的穩定性不斷下降，在運行過程當中可能會給電力物聯網造成一定負擔。因此在系統設計時，應遵循低功耗原則與要求，使其能夠適應復雜多變的電網運行環境，全方位提升電網穩定性。

二、無線同步系統及其協議

針對現有電網無線傳感器時間同步方案進行綜合分析與研究后發現，常規同步方案主要涵蓋了參照廣播同步協議（Reference Broadcast Synchronization，RBS）和傳感器網絡定時同步協議（Timing-Sync Protocol for Sensor Network，TPSN），但上述兩種方案在同步精度及功耗控制層面難以滿足實際需求，亟待進一步優化相關算法與方案。

（一）傳感器節點模型

通過對電力物聯網無線傳感器的運行原理和運行狀態進行分析后發現，大部分傳感器裝置是通過自身晶體振蕩的方式實現對時間的統計，因此能夠較為直觀地針對傳感器網絡節點與時間統計讀數之間的關系進行明確，具體表達公式為：

式中，Ti（t）為電力物聯網傳感器網絡當中某一節點在特定時刻下的時間讀數，t為實際時間變量，t0為開始計時時的物理時刻，k為物聯網無線傳感器振蕩晶體的自身特性常量，ω（t）為傳感器晶體振蕩過程中展現的角度頻率，Ti（t0）為t0時刻下電力物聯網傳感器網絡當中節點通過晶體振蕩所展現出的時間讀數。

通過對電力物聯網無線傳感器網絡時間同步過程和信息傳輸過程進行研究與分析后發現，相關傳感器節點在運行過程當中所面臨的環境往往較為復雜，在不同封裝和不同信道當中的同步表現也會產生一定差異，這也成為同步延遲的重要誘因，而延遲長短往往也呈現出相應的不確定性特點。因此，在針對傳感器節點模型進行構建的過程中，為了進一步落實時鐘同步對于精度的要求，需要結合節點在傳感器網絡當中的實際情況和網絡運行過程中可能表現出的時延狀態進行綜合考量，在理想狀態下的傳感器節點邏輯時鐘模型表達式為：

Ci（t）=／lai·Ci（t）+lbi

式中，Ci （t）為傳感器網絡中特定節點在某時刻當中所呈現出的時間讀數，lai與lbi分別為修正系數。在時鐘模型構建與運用的過程當中，還應當考慮到電力物聯網傳感器網絡內部不同節點時鐘模型之間的信息同步情況，使不同時鐘能夠在相位、頻率等方面達成一致，進而為無線傳感器網絡節點之間的時間同步提供有效支撐。

（二）同步信號廣播模型

在無線傳感器時間同步系統的設計過程當中，可利用參照廣播同步協議（Reference Broadcast Synchronization，RBS）相關原理進行分析，明確其在時間同步層面的功耗優勢及其在精度方面存在的不足。在無線傳感器運用參照廣播同步協議的過程當中，能夠基于根節點進行同步信號廣播，由網絡當中的其他節點針對廣播信號進行接收，同時實現不同節點之間的信息交互與溝通，在此基礎上針對廣播信號到達時間進行比對，從而達成物聯網無線傳感器網絡內部的時間同步目標。

在參照廣播同步協議下同步信號廣播模型的構建過程當中，需要將傳感器網絡當中的某一特定節點選取為根節點，使其能夠成為廣播信號發布的基礎。在根節點的選擇過程當中，應考慮到該節點在無線傳感器網絡體系當中的位置與狀態，進而使其能夠成為傳感器節點時間同步過程當中的關鍵一環。在根節點廣播信號發布的過程當中，信號并不涉及到當前的時鐘信息內容，而是由傳感器網絡當中的其他節點負責對廣播信號進行接收，同時對信號到達的物理時間進行記錄，并在此基礎上將記錄信息發布至網絡當中，由其他待同步節點與上傳過后的時鐘信息進行比對，對節點時鐘進行調整過后即能夠完成整個同步過程。在參照廣播同步協議下同步信號廣播模型的運行過程當中，各待同步節點上傳時鐘信息的處理過程對于傳感器網絡內部各節點之間的時間同步過程不構成影響。

為盡可能保障同步信號廣播模型運行時無線傳感器節點之間的時間同步精度，減少時間同步方案當中可能存在的問題，需要借助偏移矩陣針對同步完成后的時鐘讀數進行調整，矩陣表達式為：

式中，i、j分別為電力物聯網傳感器網絡當中的兩個主要節點，offset[i，j]為上述節點在基于同步信號廣播模型進行時間同步時需要調整的時間差，m為傳感器網絡在進行時間同步時所發送的信息數量，n為網絡模型當中根節點數量，Tjk、Tik分別為矩陣當中目標節點獲取到同步廣播信號的時間。

（三）雙向報文交換模型

相較于廣播同步協議下的同步信號廣播模型而言，雙向報文交換模型也是現階段無線傳感器進行時間同步的一種主要方案。在某一時刻，傳感器網絡當中的節點能夠將自身時間信息向網絡內部次根節點進行傳遞，待時間信息傳輸完成過后，能夠由次根節點針對相關信息進行記錄，并將自身時間進行同步上傳與比對，進而明確特定節點與傳感器網絡內部次根節點之間的時間差值，使傳感器網絡當中的時間同步能夠具備相應依據。

分別基于不同節點接收時間信息時的偏差值、傳感器網絡信息時延等相關數據進行統計與分析，能夠較為直觀與便捷地針對目標節點與傳感器網絡內部次根節點之間在時間層面的偏差值。由偏差值與信息傳播時延兩項指標，能夠明確傳感器網絡內部其他節點與次根節點之間的時間差，使不同網絡節點對于時間信號的調整與控制有據可依，從而實現整個電力物聯網無線傳感器網絡節點之間的時鐘同步。雖然該模型下的時間同步過程具備較為突出的精度優勢，但在功耗控制層面則存在一定欠缺。

三、分級廣播下的同步模型

基于上文可知，目前常用的同步信號廣播模型與雙向報文交換模型均能夠完成傳感器網絡節點當中的時間同步要求，但在精度與功耗方面依然存在一定短板。為有效解決這一問題，實現傳感器網絡內部時間同步的持續性發展，現提出分級廣播下的同步模型，力求針對上述兩種算法方案的優勢與特點進行整合，使傳感器網絡內部時間同步過程的精度與功耗能夠得到更加有效的控制。

（一）分級廣播同步算法

在傳感器網絡時間同步模型構建之前，需要結合實際明確分級廣播同步算法，梳理系統內部傳感器時間同步過程所涉及到的節點架構，使其能夠為時鐘廣播信號的傳遞提供更加有效的支持。在本次研究過程當中，為了實現精度與功耗的綜合控制，促進無線傳感器網絡時間同步方案可行性的進一步提高，現引進根節點、次根節點與網絡常規節點的層次化結構體系。與此同時，為了突出同步信號廣播模型與雙向報文交換模型兩種同步方案的優勢與效果，在根節點與次根節點之間選取同步信號廣播模型進行時鐘信息的傳輸與同步，而在次根節點與常規節點之間選取雙向報文交換模型進行時鐘信息的傳輸與同步，力求實現時間信號傳輸過程當中精度與功耗的綜合控制，減少傳統算法方案應用過程當中存在的不足。具體結構見圖1所示。

（二）最小二乘估算法

在次根節點與常規節點之間選取雙向報文交換模型進行時間信號的同步，可能會存在信息傳遞延遲等問題，從而可能對于最終的同步精度造成一定影響，不利于同步算法方案設計目標與規劃要求的有效落實。為解決這一問題，本次研究過程中決定采用最小二乘估算法對時間信號的傳遞過程進行分析與統計，力求有效減少信號交互過程中產生的時延，使時間同步結果的精度能夠得到進一步保障。

在基于最小二乘估算法對信號傳遞過程進行分析與統計的同時，應考慮到電力物聯網無線傳感器網絡運行過程當中不同網絡節點之間所呈現出的特性差異。在理想狀態下，將傳感器節點之間的晶振頻率視為各不相同，考慮到信號傳遞過程中所產生的偏差，可基于以下表達式對信號傳輸模型進行表述：

T2=aT'2+σ

式中，T2為信號傳輸過程當中的物理時間，T'2為時間信號傳輸過程當中對應節點所展現的時間，a為信號傳輸過程中出現的時間漂移，σ為誤差系數。

基于最小二乘法針對無線傳感器網絡運行過程當中的狀況進行測算后能夠得出樣本的最優擬合結果，實現信號傳遞精度以及時間同步精度的有效控制。

四、仿真結果與試驗分析

算法設計與更新完成后，為了進一步明確其在實際場景當中的應用與推廣價值，掌握其使用過程當中存在的問題與不足，需要分別通過仿真分析以及特定場景下的試驗驗證過程對方案可行性進行研究，進而為物聯網傳感器網絡當中時間同步算法的改進與優化提供方向。

（一）模型與參數設定

在正式開展物聯網無線傳感時間同步算法仿真分析之前，需要針對其仿真環境、仿真模型以及分析參數進行設定，進而為后續研究工作的開展提供相應支持。為達成最佳分析效果，增加算法方案驗證準確性，使其能夠在電力物聯網無線傳感器網絡當中獲取到更加廣泛的應用價值，現基于OPENT Modeler軟件搭建基礎仿真平臺，仿真過程中，為了使最終分析結果的信度與效度得到保障，減少外部環境對于分析精度造成的影響，需要遵循變量控制的原則與要求，分別針對同步信號廣播模型、雙向報文交換模型及本文所述分級廣播下的同步模型三種模型算法進行同步搭建，同時針對不同算法所反饋的仿真結果進行系統分析，明確不同算法的優劣特征，進而為無線傳感器時間同步方案的構建提供參考。

（二）仿真結果分析

從OPENT Modeler仿真平臺回傳的反饋信息看，同步信號廣播模型在時間信號的同步速度以及功耗控制等方面具備一定優勢，但其同步精度往往存在一定欠缺，不符合預期要求；雙向報文交換模型對于時間信號的同步精度控制能力較為突出，但其同步速度存在一定短板，功耗控制能力較弱。本文所述分級廣播下的同步模型算法在無線傳感器網絡節點時間同步過程中的精度控制與功耗控制均具備一定優勢，因此具有一定的推廣價值。

（三）特定場景下的試驗驗證

將分級廣播下時間同步模型引入實際物聯網項目進行驗證分析后發現，該同步模型與同步算法的平均誤差較低，能夠控制在5s以內，同時能夠有效達成電力物聯網建設和無線傳感器的時間同步要求。

結語

在電力物聯網無線傳感器網絡的建設過程當中，如何保障不同網絡節點之間的時間同步已成為技術人員需要解決的關鍵性課題。相關技術人員應明確現階段常規算法與同步方式在功耗與精度方面存在的不足，基于分級原則對同步方案進行創新打造，使其能夠滿足傳感器運行目標，實現精度與功耗控制的平衡發展。