基于433MHz无线传感器网络的电网安全态势感知与拓扑优化

摘 要：无线传感器网络是智能配电系统的重要组成部分，其具有功耗低、规模大和成本低的优点。无线传感器网络拓扑结构和通信协议种类繁多，存在功耗大、寿命短、信号质量差和传输距离近等问题。针对这类问题，首先，设计配电站房、柱上变压器和箱式变压器3种典型应用场景中无线传感器网络的整体结构，针对智能配电网无线传感器网络寿命短的问题，根据传感器重要等级和设备健康状态提出簇头节点的选取与更新策略。其次，建立基于433 MHz的星形传感器网络，并对其进行仿真。最后，在此基础上，对智能配电系统的典型应用进行研究。

关键词：智能配电网；无线传感器网络；网络设计

中图分类号：TP 212 " " " " " " 文献标志码：A

无线传感器网络是以分布式传感网络为基础建立的网络体系，利用节点来检测和感知外界各种干扰因子的变化。在无线传感器网络中，不同传感器节点之间通常保持无线通信，由于节点灵活性高，因此设备能够随着时间推移改变连接位置。在无线传感器网络中，汇聚节点和调度节点可以同步处理数据。汇聚节点的作用是筛选有误的编码和信源，并对准确的信息参数进行整合；调度节点的作用是分散存储数据，并集成关键信息节点，使传感设备能够直接访问和利用这些信息。在智能配电网环境中，随着网络覆盖范围不断扩大，线路负载呈现增长过多的趋势，如果超过一定的标准，那么电网负载与实际运行状态截然相反。针对这个难题，已有的安全情景感知技术分别从电压、电流和电阻3个方面寻找其在智能配电网中的分布规律，并与供电端设备相结合，研究对应的电气信号变化特征。但是，采用这种方法无法保证在长时间内电力系统的负荷与其状态等级相符。为了解决这个问题，本文将无线传感网络引入智能配电系统中，并基于该技术研究一种智能配电网安全态势感知方法。

1 智能配电网概述

1.1 智能传感网络的分簇算法

分簇是按照一定的距离对WSN中的各个节点进行分组，将相邻的节点划分为不同的簇，并在此基础上选择1个簇头。簇中的各个节点可以将探测的目标信息传递至簇头，簇头综合处理后，再将其发送至基站。本文提出了一种基于无线传感器网络的节点定位方法，其流程如图1所示。

分簇算法是以多个簇首为簇首，在非簇首节点不与其他簇首进行通信的情况下，将其所在的通信模块全部关闭，以达到减少能耗的目的。LEACH、HEED、GAF和TEEN等是无线传感器网络的重要组成部分。

1.2 智能配电网无线传感器网络

1.2.1 无线传感器网络结构

无线传感器网络是一种融合通信、传感和嵌入式计算等多个领域的新兴多学科交叉技术，构建一个多功能的数据采集、汇总与传递平台已成为国内外研究热点。无线传感器网络结构如图2所示。

1.2.2 智能配电网WSN网络结构

智能配电终端节点既是目的节点，也是数据采集节点。对采集的数据进行简单处理，将采集的信息传送给配电网中的变电站、配电终端或光缆节点。在接收来自智能配网终端的配电网数据后，需要将其经过网络节点进行整理，采用光纤传输等多种传输方式将其传送至智能配网的主站系统，对其进行分析与评价。在此基础上得到基于无线传感器网络与智能配电终端的网络拓扑结构。智能配电网WSN网络结构如图3所示。

2 智能配电网WSN拓扑优化

WSN的拓扑结构对其通信协议的运作有明显影响。同时，WSN设计的复杂性对其性能有明显影响。因此，首要任务是明确网络的拓扑结构。本文针对智能配电网中的典型应用场景，包括433 MHz的配电站房、柱上变压器和箱式变压器，构建WSN模型，优化拓扑结构。

2.1 基于433 MHz的智能配电网WSN模型搭建

2.1.1 基于433 MHz的智能配电网信息采集

在433 MHz配电站房、柱上变压器和箱式变压器的典型应用场景中，WSN的构建涉及3组配电站房、柱上变压器和箱式变压器，这些组件共同形成一个扩展的WSN。根据预设的地理位置将无线传感器节点精确地安装在配电站房、柱上变压器和箱式变压器所覆盖的终端设备上。这些分布在不同区域的WSN节点的作用是采集和传输所需的关键信息。

本文介绍了一种分布式无线传感器网络架构，该网络架构由3种关键节点类型组成。1）簇首。簇首的主要功能是收集子区域内普通节点的信息并将其传送给其他节点，簇首可以对簇首进行更新，保证数据传输的可靠性。2）无线网络关节点（Wireless Network）。该网络节点的作用是对簇首节点发出、得到的信息进行处理并融合，然后将信息传递至上层网络节点。3）传感节点。感知节点分布在箱式变压器、立柱上变压器和变电站等设备中，采集环境温度、湿度等环境参数和局部放电、电流等状态参数，收集设备运行状态的变化情况，并将其传输至簇首。

2.1.2 基于433 MHz的智能配电网WSN布局描述

本文以433 MHz配电站、立柱上变压器和箱式变压器这3种典型的无线传感器网络为例，提出了基于无线传感器的智能配电网布局方法。在每个结点设置433 MHz的无线配电装置，利用立柱式变压器、箱式变压器进行节点监测。智能配电网433 MHz WSN信息采集节点结构如图4所示。

多个无线网关利用以太网向所述网络通信控制器传输所获取的数据。当设计网络时，应考虑以下3个方面。1）网关数量。为了减少建设费用和系统的硬件费用，应该尽可能地减少系统的节点数量。2）网络延迟。在网络中，各个节点之间存在大量的信息传递，网络中节点连接的多少直接影响网络的传输速度。3）链路质量。由于信号在传递的过程中不可避免地存在链路损失，因此必须对其进行有效控制，以提高网络的准确性。

2.2 基于433 MHz的智能配电网WSN拓扑优化

2.2.1 智能配电网WSN拓扑优化模型

在配电网络的箱变装置中有19个分簇点，每个簇头节点旁边都有1个可放置的网关。在此基础上对分站站内、立柱上变压器和箱式变压器等20个分簇头节点至24个候选点的信号质量进行测试，获得更准确的链路损失矩阵A。在此基础上对其进行模拟，得到相应的试验结果，如图5所示。

采用最小二乘法对图5中的数据进行双指数拟合，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为数据传输的丢包率；D为簇头节点至无线网关的距离。

在433 MHz的测试环境中，该拟合曲线能够较好地反映无线网络的质量，随着传输距离变长，数据丢失率逐渐增大。

分别以433 MHz配电站、立柱上变压器和箱式变压器为应用场景构建智能配电网无线传感器网络模型，并对其进行参数化分析。建立配电站、立柱和变压器3种典型应用场景中的 WSN优化模型，分别以最低的传输损失、最小的网关数目和最短的网络时延为目标。对各指标的加权关系进行分析，得到以下结果：网络链路质量占比为50%，比例最高；无线网关的数量占比为30%；网络延迟占比为20%。配电站安装了20个簇头节点、20个机架节点和20个箱式变压器，分析了25个备选节点，得到拓扑优化目标函数，如公式（2）所示。

（2）

式中：Z为拓扑优化目标函数；n为从1开始的自然数； aij为WSN中各传感节点对各 WSN节点的信号链路质量；i为在网络最优情况下每一行中每个无线网关的候选位置；j中的每一列为整个网络中的全部无线传感节点；Sij为0～1整数矩阵，表示每个无线网关与每个传感器节点之间的连接关系。

以433 MHzWSN为例，对其进行分析，如公式（3）所示。

（3）

根据公式（3）可以得到以下4个结论。1）选取2个以上的簇首作为簇头，使各簇首在不同的分簇和分变组等环境中的数据传输可靠性较高。2）为保障连接稳定，设定每个无线网关与首节点的连接数不超过10个。3）为满足在配电站、立柱上以及箱式变压器这3种特定应用环境中的无线网络需求，提出一种基于433 MHz WSN的网关设计方案，在网络运营期间可以选择25个簇首。433 MHz WSNE网关是为3个不同的应用场合设计的：1个配电站，1个电杆，1个箱式变压器，1个平均3个集流器。在网络运行过程中选取25个无线闸道器。4）网关位置矩阵Sij是1个0与1的整数矩阵，该矩阵的主要功能是清晰地描绘在3种典型应用场景中无线网关候选位置的安装状态。

2.2.2 智能配电网WSN拓扑优化模型计算

以配电房、立柱变压器和箱式变压器为研究对象，对其进行优化建模。针对433 MHzWSN智能配电网，本文确定并计算链路质量矩阵，研究在不同应用场景中各簇首节点与各候选节点间的连接质量。因此提出一种基于5×8的分簇－分簇模型，并对分簇集和分簇集的关系进行分析，并给出了分簇集的算法。以3个433 MHz智能配电网为例，优化了433 MHz无线网络拓扑的配电站、杆式变压器和箱式变压器。根据上文描述得到耦合质量矩阵Aij，设定相关参数，保证每个无线网关连接的簇头节点数量不低于3个，无线网关的总数控制在25个以内。

2.2.3 智能配电网 WSN 拓扑优化分析

以433 MHzWSN为例，给出基于0～1的网络拓扑优化算法。

433 MHz WSN的最优化拓扑和备用拓扑如图6所示，虚线为首层与网关之间的优选方案，既能保证433 MHz智能配电网正常工作，又能解决簇首与网关间功耗大、时延高以及链路质量低等难题。

3 结语

随着配电系统智能化程度不断提升，大量数据涌入配电网络中，对高效、灵活的通信网络提出了更高的要求。本课题综合应用通信、识别和嵌入式等学科的最新成果，搭建多功能智能化配电网络信息平台。为用户提供更全面的配电网使用信息，更好地指导电网监管和应急规划。本文全面研究智能配电网终端配电特点和无线传感器网络结构特点，提出基于智能配电网的新方法。对终端采集网络、汇聚网和信息接入网络的高度兼容以及可扩展的层次化体系结构进行研究，提出融合其他通信模式的智能配电网无线传感网的组网方案，拓展无线传感网在智能配电网中的应用。

参考文献

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