基于433MHz無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)安全態(tài)勢(shì)感知與拓?fù)鋬?yōu)化

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是智能配電系統(tǒng)的重要組成部分，其具有功耗低、規(guī)模大和成本低的優(yōu)點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信協(xié)議種類繁多，存在功耗大、壽命短、信號(hào)質(zhì)量差和傳輸距離近等問題。針對(duì)這類問題，首先，設(shè)計(jì)配電站房、柱上變壓器和箱式變壓器3種典型應(yīng)用場(chǎng)景中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)，針對(duì)智能配電網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命短的問題，根據(jù)傳感器重要等級(jí)和設(shè)備健康狀態(tài)提出簇頭節(jié)點(diǎn)的選取與更新策略。其次，建立基于433 MHz的星形傳感器網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)其進(jìn)行仿真。最后，在此基礎(chǔ)上，對(duì)智能配電系統(tǒng)的典型應(yīng)用進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：智能配電網(wǎng)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP 212 " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以分布式傳感網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)建立的網(wǎng)絡(luò)體系，利用節(jié)點(diǎn)來檢測(cè)和感知外界各種干擾因子的變化。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，不同傳感器節(jié)點(diǎn)之間通常保持無線通信，由于節(jié)點(diǎn)靈活性高，因此設(shè)備能夠隨著時(shí)間推移改變連接位置。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，匯聚節(jié)點(diǎn)和調(diào)度節(jié)點(diǎn)可以同步處理數(shù)據(jù)。匯聚節(jié)點(diǎn)的作用是篩選有誤的編碼和信源，并對(duì)準(zhǔn)確的信息參數(shù)進(jìn)行整合；調(diào)度節(jié)點(diǎn)的作用是分散存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并集成關(guān)鍵信息節(jié)點(diǎn)，使傳感設(shè)備能夠直接訪問和利用這些信息。在智能配電網(wǎng)環(huán)境中，隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不斷擴(kuò)大，線路負(fù)載呈現(xiàn)增長(zhǎng)過多的趨勢(shì)，如果超過一定的標(biāo)準(zhǔn)，那么電網(wǎng)負(fù)載與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)截然相反。針對(duì)這個(gè)難題，已有的安全情景感知技術(shù)分別從電壓、電流和電阻3個(gè)方面尋找其在智能配電網(wǎng)中的分布規(guī)律，并與供電端設(shè)備相結(jié)合，研究對(duì)應(yīng)的電氣信號(hào)變化特征。但是，采用這種方法無法保證在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)電力系統(tǒng)的負(fù)荷與其狀態(tài)等級(jí)相符。為了解決這個(gè)問題，本文將無線傳感網(wǎng)絡(luò)引入智能配電系統(tǒng)中，并基于該技術(shù)研究一種智能配電網(wǎng)安全態(tài)勢(shì)感知方法。

1 智能配電網(wǎng)概述

1.1 智能傳感網(wǎng)絡(luò)的分簇算法

分簇是按照一定的距離對(duì)WSN中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組，將相鄰的節(jié)點(diǎn)劃分為不同的簇，并在此基礎(chǔ)上選擇1個(gè)簇頭。簇中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以將探測(cè)的目標(biāo)信息傳遞至簇頭，簇頭綜合處理后，再將其發(fā)送至基站。本文提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位方法，其流程如圖1所示。

分簇算法是以多個(gè)簇首為簇首，在非簇首節(jié)點(diǎn)不與其他簇首進(jìn)行通信的情況下，將其所在的通信模塊全部關(guān)閉，以達(dá)到減少能耗的目的。LEACH、HEED、GAF和TEEN等是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。

1.2 智能配電網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1.2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種融合通信、傳感和嵌入式計(jì)算等多個(gè)領(lǐng)域的新興多學(xué)科交叉技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)多功能的數(shù)據(jù)采集、匯總與傳遞平臺(tái)已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2.2 智能配電網(wǎng)WSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

智能配電終端節(jié)點(diǎn)既是目的節(jié)點(diǎn)，也是數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，將采集的信息傳送給配電網(wǎng)中的變電站、配電終端或光纜節(jié)點(diǎn)。在接收來自智能配網(wǎng)終端的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)后，需要將其經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行整理，采用光纖傳輸?shù)榷喾N傳輸方式將其傳送至智能配網(wǎng)的主站系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。在此基礎(chǔ)上得到基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與智能配電終端的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。智能配電網(wǎng)WSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 智能配電網(wǎng)WSN拓?fù)鋬?yōu)化

WSN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)其通信協(xié)議的運(yùn)作有明顯影響。同時(shí)，WSN設(shè)計(jì)的復(fù)雜性對(duì)其性能有明顯影響。因此，首要任務(wù)是明確網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文針對(duì)智能配電網(wǎng)中的典型應(yīng)用場(chǎng)景，包括433 MHz的配電站房、柱上變壓器和箱式變壓器，構(gòu)建WSN模型，優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.1 基于433 MHz的智能配電網(wǎng)WSN模型搭建

2.1.1 基于433 MHz的智能配電網(wǎng)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(yīng)用場(chǎng)景中，WSN的構(gòu)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(gè)擴(kuò)展的WSN。根據(jù)預(yù)設(shè)的地理位置將無線傳感器節(jié)點(diǎn)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(shè)備上。這些分布在不同區(qū)域的WSN節(jié)點(diǎn)的作用是采集和傳輸所需的關(guān)鍵信息。

本文介紹了一種分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由3種關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)類型組成。1）簇首。簇首的主要功能是收集子區(qū)域內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)的信息并將其傳送給其他節(jié)點(diǎn)，簇首可以對(duì)簇首進(jìn)行更新，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?）無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)節(jié)點(diǎn)（Wireless Network）。該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的作用是對(duì)簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)出、得到的信息進(jìn)行處理并融合，然后將信息傳遞至上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。3）傳感節(jié)點(diǎn)。感知節(jié)點(diǎn)分布在箱式變壓器、立柱上變壓器和變電站等設(shè)備中，采集環(huán)境溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)和局部放電、電流等狀態(tài)參數(shù)，收集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)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(wǎng)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(wǎng)絡(luò)為例，提出了基于無線傳感器的智能配電網(wǎng)布局方法。在每個(gè)結(jié)點(diǎn)設(shè)置433 MHz的無線配電裝置，利用立柱式變壓器、箱式變壓器進(jìn)行節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)。智能配電網(wǎng)433 MHz WSN信息采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

多個(gè)無線網(wǎng)關(guān)利用以太網(wǎng)向所述網(wǎng)絡(luò)通信控制器傳輸所獲取的數(shù)據(jù)。當(dāng)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)考慮以下3個(gè)方面。1）網(wǎng)關(guān)數(shù)量。為了減少建設(shè)費(fèi)用和系統(tǒng)的硬件費(fèi)用，應(yīng)該盡可能地減少系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。2）網(wǎng)絡(luò)延遲。在網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在大量的信息傳遞，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)連接的多少直接影響網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度。3）鏈路質(zhì)量。由于信號(hào)在傳遞的過程中不可避免地存在鏈路損失，因此必須對(duì)其進(jìn)行有效控制，以提高網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性。

2.2 基于433 MHz的智能配電網(wǎng)WSN拓?fù)鋬?yōu)化

2.2.1 智能配電網(wǎng)WSN拓?fù)鋬?yōu)化模型

在配電網(wǎng)絡(luò)的箱變裝置中有19個(gè)分簇點(diǎn)，每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)旁邊都有1個(gè)可放置的網(wǎng)關(guān)。在此基礎(chǔ)上對(duì)分站站內(nèi)、立柱上變壓器和箱式變壓器等20個(gè)分簇頭節(jié)點(diǎn)至24個(gè)候選點(diǎn)的信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，獲得更準(zhǔn)確的鏈路損失矩陣A。在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行模擬，得到相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果，如圖5所示。

采用最小二乘法對(duì)圖5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行雙指數(shù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率；D為簇頭節(jié)點(diǎn)至無線網(wǎng)關(guān)的距離。

在433 MHz的測(cè)試環(huán)境中，該擬合曲線能夠較好地反映無線網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，隨著傳輸距離變長(zhǎng)，數(shù)據(jù)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(yīng)用場(chǎng)景構(gòu)建智能配電網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，并對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化分析。建立配電站、立柱和變壓器3種典型應(yīng)用場(chǎng)景中的 WSN優(yōu)化模型，分別以最低的傳輸損失、最小的網(wǎng)關(guān)數(shù)目和最短的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延為目標(biāo)。對(duì)各指標(biāo)的加權(quán)關(guān)系進(jìn)行分析，得到以下結(jié)果：網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量占比為50%，比例最高；無線網(wǎng)關(guān)的數(shù)量占比為30%；網(wǎng)絡(luò)延遲占比為20%。配電站安裝了20個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)、20個(gè)機(jī)架節(jié)點(diǎn)和20個(gè)箱式變壓器，分析了25個(gè)備選節(jié)點(diǎn)，得到拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)，如公式（2）所示。

（2）

式中：Z為拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)；n為從1開始的自然數(shù)； aij為WSN中各傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)各 WSN節(jié)點(diǎn)的信號(hào)鏈路質(zhì)量；i為在網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)情況下每一行中每個(gè)無線網(wǎng)關(guān)的候選位置；j中的每一列為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的全部無線傳感節(jié)點(diǎn)；Sij為0～1整數(shù)矩陣，表示每個(gè)無線網(wǎng)關(guān)與每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系。

以433 MHzWSN為例，對(duì)其進(jìn)行分析，如公式（3）所示。

（3）

根據(jù)公式（3）可以得到以下4個(gè)結(jié)論。1）選取2個(gè)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(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸可靠性較高。2）為保障連接穩(wěn)定，設(shè)定每個(gè)無線網(wǎng)關(guān)與首節(jié)點(diǎn)的連接數(shù)不超過10個(gè)。3）為滿足在配電站、立柱上以及箱式變壓器這3種特定應(yīng)用環(huán)境中的無線網(wǎng)絡(luò)需求，提出一種基于433 MHz WSN的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營期間可以選擇25個(gè)簇首。433 MHz WSNE網(wǎng)關(guān)是為3個(gè)不同的應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)的：1個(gè)配電站，1個(gè)電桿，1個(gè)箱式變壓器，1個(gè)平均3個(gè)集流器。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中選取25個(gè)無線閘道器。4）網(wǎng)關(guān)位置矩陣Sij是1個(gè)0與1的整數(shù)矩陣，該矩陣的主要功能是清晰地描繪在3種典型應(yīng)用場(chǎng)景中無線網(wǎng)關(guān)候選位置的安裝狀態(tài)。

2.2.2 智能配電網(wǎng)WSN拓?fù)鋬?yōu)化模型計(jì)算

以配電房、立柱變壓器和箱式變壓器為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化建模。針對(duì)433 MHzWSN智能配電網(wǎng)，本文確定并計(jì)算鏈路質(zhì)量矩陣，研究在不同應(yīng)用場(chǎng)景中各簇首節(jié)點(diǎn)與各候選節(jié)點(diǎn)間的連接質(zhì)量。因此提出一種基于5×8的分簇－分簇模型，并對(duì)分簇集和分簇集的關(guān)系進(jìn)行分析，并給出了分簇集的算法。以3個(gè)433 MHz智能配電網(wǎng)為例，優(yōu)化了433 MHz無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞呐潆娬?、桿式變壓器和箱式變壓器。根據(jù)上文描述得到耦合質(zhì)量矩陣Aij，設(shè)定相關(guān)參數(shù)，保證每個(gè)無線網(wǎng)關(guān)連接的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)量不低于3個(gè)，無線網(wǎng)關(guān)的總數(shù)控制在25個(gè)以內(nèi)。

2.2.3 智能配電網(wǎng) WSN 拓?fù)鋬?yōu)化分析

以433 MHzWSN為例，給出基于0～1的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化算法。

433 MHz WSN的最優(yōu)化拓?fù)浜蛡溆猛負(fù)淙鐖D6所示，虛線為首層與網(wǎng)關(guān)之間的優(yōu)選方案，既能保證433 MHz智能配電網(wǎng)正常工作，又能解決簇首與網(wǎng)關(guān)間功耗大、時(shí)延高以及鏈路質(zhì)量低等難題。

3 結(jié)語

隨著配電系統(tǒng)智能化程度不斷提升，大量數(shù)據(jù)涌入配電網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)高效、靈活的通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。本課題綜合應(yīng)用通信、識(shí)別和嵌入式等學(xué)科的最新成果，搭建多功能智能化配電網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)。為用戶提供更全面的配電網(wǎng)使用信息，更好地指導(dǎo)電網(wǎng)監(jiān)管和應(yīng)急規(guī)劃。本文全面研究智能配電網(wǎng)終端配電特點(diǎn)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出基于智能配電網(wǎng)的新方法。對(duì)終端采集網(wǎng)絡(luò)、匯聚網(wǎng)和信息接入網(wǎng)絡(luò)的高度兼容以及可擴(kuò)展的層次化體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，提出融合其他通信模式的智能配電網(wǎng)無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方案，拓展無線傳感網(wǎng)在智能配電網(wǎng)中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]李琮，胥明凱，潘慧超，等.基于標(biāo)準(zhǔn)化物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器的變電站狀態(tài)感知系統(tǒng)研究[J].山東電力技術(shù)，2020，47（7）：5.

[2]劉凱，宮旻，李曉峰，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能配電網(wǎng)安全態(tài)勢(shì)感知方法[J].電子設(shè)計(jì)工程，2023，31（12）：142-146.

[3]張慶平，羅海榮，黨露芝，等.智能配電網(wǎng)典型應(yīng)用場(chǎng)景無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)[J].寧夏電力，2023（1）：38-45.

[4]袁春悟.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)研究[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2023，64（增刊2）：110-112.

[5]許芯明.基于傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別與故障監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)，2023（16）：48-50.