智能变电站监控系统无线网络同步算法

曹敏,王洪亮,陈先富,李仕林,张少泉(.云南电网公司电力科学研究院,昆明 65027；2.云南电网公司博士后科研工作站,昆明 65027；3.中国南方电网公司电能计量重点实验室,昆明 65027)

智能变电站监控系统无线网络同步算法

曹敏1,3,王洪亮1,2,3,陈先富1,李仕林1,张少泉1
(1.云南电网公司电力科学研究院,昆明 650217；2.云南电网公司博士后科研工作站,昆明 650217；3.中国南方电网公司电能计量重点实验室,昆明 650217)

目前变电站主要采用远程集中监控以及有限网络传输技术,这样不但造成信道堵塞,使信息之间不具有互操作性以致难以共享,而且网络传输由于不能做到有效的网络同步而导致信息偏差,给生产、调度等带来些许困难。本文首先给出了智能变电站总体框架,接着在智能变电站的基础上研究了同步算法,然后对无线Mesh网络性能进行了分析,最后对无线Mesh网络的网络吞吐量进行了仿真,验证了算法的有效性和可行性。

智能变电站；无线；mesh；同步算法

0 前言

目前变电站主要采用设备在线监测以及远程集中监控等,然而采用远程集中式监控系统,将所有采集数据传至供电局层或云网层,这样不但造成信道堵塞,使信息难以共享,形成信息孤岛,且信息之间还不具有互操作性。而基于物联网的变电站建设,以 “智能感知和智能控制”为核心,通过对外界的感知,构建传感网络,在传感网络基础上建立控制与监测系统,实现系统智能监测、智能判断、智能管理、智能验证等功能。

而智能变电站是采用先进、可靠、集成和环保的智能设备,以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求,自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和检测等基本功能,同时,具备支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策和协同互动等高级功能的变电站。基于全寿期的变电站信息平台共享功能有两个,一是系统横向信息共享,主要表现为管理系统中各种上层应用对信息获得的统一化；二是系统纵向信息共享,主要表现为各层对其上层应用支撑的透明化。

智能变电站系统体系架构如图1所示。

图1 系统体系架构

1 同步算法研究

精准的频率同步能够减小因为时钟不一致而引起的丢包,也为网络智能终端提供时钟参考。从骨干网获得时钟经过无线Mesh网络传递构成主从同步,为此具备上级时钟的通信设备周期性地发送信标帧,如图1所示。低等级的通信节点在接收到有效信标后,将首先更新其时间戳值,如公式 (1)所示：

其中：Tnew是更改定时器后信标帧中的时间戳值；Tstamp是信标帧中原有的时间戳；Dphy2mac是从物理层传输到MAC层所需要的时延；Dreceive是节点完整接受一个帧所需要的时间；Trange是测距得到的节点之间传输时延。

随后节点将Tnew设置为本地时间,然后将信标帧向下级节点发送过去,通过该种方式得到的定时精度可确定在 ±0.01%以内。

图1 同步时信标帧

2 无线Mesh网络性能分析

本文所设计的无线Mesh网络由多个独立的“点对点”和 “点对多点”的基本服务集组成,限制了BSS中的无线接入竞争数目,从而提高了网络吞吐量。由于通信设备之间距离远大于IEEE802.11无线局域网规定,因此需要分析这种通信方式的性能。

2.1 数据接入概率分析

IEEE802.11设备采用CSMA/CA接入方式,其数据接入成功概率取决于参与接入竞争的通信设备数量以及设备之间的距离。设SIFS=10 μs, Slottime=20 μs,DIFS=50μs,即符合IEEE802.11g标准定义,假设在网络中存在着n个相互竞争的设备,令这些节点之间的通信距离相等D=6 km,所以在节点与节点之间的传输时延为：

某一个时刻能够成功发送数据的概率是从其发送数据的那个时刻起的时间σ内,其他节点不能发送任何数据。设s(t)为节点处于的退避状态,b (t)表示节点退避计数器的状态,对(s (t),b(t))进行了基于二维的马尔科夫链的建模。

其中,争用窗口的最大值的取值范围是窗口值Wi=2(3+i),其中i∈(0,5)。由于在本课题限制了BSS域内通信设备数目,因此在争用窗口的极限值达到最大 (255)后,各个节点发生碰撞的概率就会很小,可以假定站点在退避5次后,能够发送成功。假设不同通信设备之间数据发送完全独立,设某一个时刻发送数据且发生碰撞的概率p是固定的值,则有5次内碰撞的退避计数器：

作为一种社会实践表达方式，话语不仅反映历史、文化、社会制度、价值观念和思维模式，而且带有鲜明的时代性。作为一门实践性很强的学科，思想政治教育话语只有根植于实践并通过实践才能展现其生命力。然而，当前的思想政治教育话语缺少从实践中提炼具有学科原创意义的话语，而过多地借鉴了其他学科的话语。因此，创新实践话语，使之与理论话语形成一定的张力，这是推动思想政治教育话语发展的一条重要途径。思想政治教育实践话语的创新要结合现时代的实践，体现出话语思维的大众化，拓宽思想政治教育话语内容的外延，使之向不同语境如网络语境、文化语境、生活语境、和谐社会语境和国际语境延伸，以丰富和拓展思想政治教育话语内容。

其中i∈( 0,5),k∈(0,Wi-1)

对bi,k存在以下的关系：

又因为τ与b0,0之间存在着关系

又因通信设备成功发送数据的条件是在其发送数据的前后两个时隙均没站点,其他n-1个节点均没有发送数据,为此,可以得到

在已知网络通信设备数目n的情况下,通过(2)(3)方程组可以得到τ值

图3 节点成功传输数据的模型

图4 数据发生碰撞的模型

2.2长距离点对点传输的时延

信息传输时延主要由通信设备处理时延和信号传输时延组成。前者是设计中需要考虑的主要因素。由接入控制状态图得到在通信设备在进行退避产生的时延的数学期望是：

为此,得到本次分析中,进行成功传输时的退避延时的期望是：

因此得到通信设备之间的平均传输时延=退避延时+空闲延时+传输延时+碰撞超时产生的延时,即是

通过以上的分析可以得到节点之间的传输距离为6 kM时,节点之间的时延和吞吐量的数学近似表达式。分析表明随着通信距离的增加,节点之间发送数据产生碰撞的概率也增加,从而使得时延增加,网络吞吐量减小,这个结果在网络的每个节点都产生大量的数据时表现很明显。

3 网络仿真

仿真平台采用opnet,组成如图1所示的无线Mesh网的吞吐量和网络负载进行网络仿真：

图5 无线Mesh网络的网络吞吐量

由以上仿真结果可知,当节点之间的距离由10 m变成5 km时,网络的性能有一定程度的下降,节点的极限负载由14 Mbps下降到6 Mbps,从时延的对比也能知道,节点负载为5 Mbps时,网络的时延急剧上升。当节点的负载达到6 Mbps时,网络已经无法处理所有产生的数据包,部分数据包已经开始被丢弃,网络的吞吐量达到极限。

对所组成的无线Mesh网,在节点的负载为2 Mbps时,网络的时延是毫秒级的,完全能够满足一路监测视频的传输,整个网络是可靠的。

当节点的负载上升到3.5 Mbps时,网络中的Mesh网络部分开始达到极限,而在线状网络部分中仍未达到性能极限,因此随着节点的负载的增加,网络的整体吞吐量仍然在缓慢增加,直到节点的负载是10 M时达到性能的极限,然而在这个过程中,节点丢弃了大量的数据,因此并不可靠。

从以上结果可以知道组建无线Mesh网络能够完全保证实时性和可靠性的情况下实现对每个节点的视频监测和控制。

4 结束语

本文通过智能变电站总体框架,接着在智能变电站的基础上研究了同步算法,然后对无线Mesh网络性能进行了分析,最后对无线 Mesh网络的网络吞吐量进行了仿真,从仿真结果可知,当节点之间的距离由10 m变成5 km时,网络的性能有一定程度的下降,节点的极限负载由14 Mbps下降到6 Mbps,验证了算法的有效性和可行性,为后续研究提供了进一步的指导意义。

[1] Li Zhihui.Status of electric vehicle development[D].Shandong University of Technology,2013.

[2] Wang Hongliang,Dong Haobin,Jiang Guosheng.Design of EM-MWD signal detection system based on correlation and adaptive filter[J].Chinese Journal of Scientific Instrument, 2012,33(05)：1013-1018.

[3]Hongliang Wang,Haobin Dong.Study of the Distributed Ground-Tunnel Pressure Measurement and Control Method [J].Applied Mechanics and Materials,110-116(2012)：48-51.

[4] Cao Lingling.Chen Qianhong.Ren Xiaoyong,et al.Advances in high-efficiency electric vehicle wireless charging technology [J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety, 2012,8.

[5] Hongliang Wang,Haobin Dong,Study of the Distributed Ground-Tunnel Pressure Measurement and Control Method [C]//The 2010 International Conference on Mechanical and Aerospace Engineering,KL,2010：48-51.

[6] Hongliang Wang,Haobin Dong.Design and Simulation of LQR Controller with the Linear Inverted Pendulum[C].ICECE 2010,699-702.

[7] Xia Zhengpeng,Wang XingXing,Ni Hongjun,et al.Research progress on battery management system for electric vehicle[J] .Power Technology,2012,7.

[8] Wang Qianmin.Research progress on battery management system for electric vehicle[J].Electronic production, 2012,12.

曹敏,男,教授级高级工程师,现为云南电网公司首席技术科学家,享受云南省政府特殊津贴,全国电工仪器仪表标准化委员会电能测量和负载控制设备分技术委员会副主任委员,云南电网公司电力科学研究院,主要研究计量测试技术。

王洪亮,男,博士、博士后,云南电网公司电力科学研究院,主要研究计量测试技术 (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

此研究来源于中国博士后科学基金面上项目(一等)(2013M540721)以及国家高技术研究发展中心(863)的资助 (2011AA05A120).

2014-10-24