CN104579798A - 一种配用电力传输监控的wsn网关故障容忍模型及其工作机制 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于配用电力传输网的WSN网关故障容忍模型及其工作机制，其特征是组成包括：n个网关节点和n-1个备份节点；备份节点是设置在发送方网关节点G₁和第2个网关节点G₂之间、接收方网关节点G_n和第n-1个网关节点G_n-1之间，以及相邻两个网关节点之间，从而在配用电力传输线上形成交错排列的通讯网络结构。发明能在网关节点发生故障时，对发生故障的网关节点进行容忍，从而保证数据的顺利传输。

Description

一种配用电力传输监控的WSN网关故障容忍模型及其工作机制

技术领域

本发明涉及配用电力环境数据监测领域；具体地说是一种配用电力传输监控的WSN网关故障容忍模型及工作机制。

背景技术

目前电力配网监控中所使用的人工巡检方法不仅耗时、费力且效率低下；因此，有研究者提出了使用WSN对电力环境进行检测并实现了原型系统。但由于塔杆损毁等事件，安装在塔杆上的WSN网关依然面临着故障的危险。另一方面，由于电力系统设计中的N-1原则，不得不考虑在WSN网关中故障容忍问题。因此，构建一个有效的具有故障容忍的WSN网关故障容忍模型是十分必要的。

现有技术中，公开号为CN 102387514A的发明专利公开了一种WSN网关的备份方法，专利对主WSN在发生故障的情况下，利用备份WSN网关接替主WSN网关进行工作的机制进行了管理。但主WSN网关节点对所有备份管理的WSN节点的状态、节点信息、以及接替策略都需要进行不断实时的更新和维护。由于WSN网络拓扑结构复杂，大量的信息更新和维护造成WSN网关节点的能耗严重损耗，从而影响了该方法的实际应用效果。

公开号为CN 102196465A的专利公开了一种WSN网关配置信息备份方法，但是，WSN网关所管理的传感器网络节点众多，对所有被管节点配置信息进行实时备份显然会造成数据冗余，而且有限能耗下备份和更新数据庞大，从而影响实际使用效果。

发明内容

本发明为克服上述现有技术存在的不足之处，提供了一种适应于配用电力传输监控的WSN网关故障容忍模型及其工作机制，以期能在网关节点发生故障时，对发生故障的网关节点进行容忍，从而保证数据的顺利传输。

本发明采用的技术方案如下：

本发明一种应用于配用电力传输网的WSN网关故障容忍模型，所述配用电力传输网是由发送方变电站经过配用电力传输线进行电力传输至接收方变电站而构成的配用电网；其特点是，

在所述配用电力传输网中的配用电力传输线上设置所述WSN网关故障容忍模型，所述WSN网关故障容忍模型的组成包括：n个网关节点记为G＝{G₁,G₂,…，G_i,…,G_n}和n-1个备份节点记为B＝{B₁,B₂,…,B_j,…,B_n-1}；n≥2；G_i表示第i个网关节点；B_j表示第j个备份节点；1≤i≤n；1≤j≤n-1；

在所述发送方变电站附近设置第1个网关节点G₁作为发送方网关节点；在所述接收方变电站附近设置第n个网关节点G_n作为接收方网关节点；

所述备份节点是设置在所述发送方网关节点G₁和第2个网关节点G₂之间、所述接收方网关节点G_n和第n-1个网关节点G_n-1之间，以及相邻两个网关节点之间，从而在所述配用电力传输线上形成交错排列的通讯网络结构；

所述第i个网关节点G_i包括无线传输模块T_i和数据采集模块R_i；所述第j个备份节点B_j包括检测模块D_j、数据备份模块P_j和无线传送模块Y_j。

本发明一种应用于配用电力传输网的WSN网关故障容忍模型的工作机制，其特点是按如下步骤进行：

步骤1、初始化i＝1；令环境数据Data₀＝0；

步骤2、在所述发送方变电站利用第i个网关节点G_i的数据采集模块R_i收集周围的环境数据Data_i；并将第i-1个环境数据Data_i-1附着到自身的环境数据Data_i上，形成第i个附着数据ω_i；

步骤3、所述第i个备份节点B_i利用数据备份模块P_i对所述附着数据ω_i进行备份；

步骤4、所述第i个备份节点B_i利用自身的检测模块D_i对第i+1个网关节点G_i+1进行检测，判断第i+1个网关节点G_i+1是否发生故障，若发生故障，则所述第i个备份节点B_i利用无线传送模块Y_i将附着数据ω_i发送至第i+1个备份节点B_i+1；并执行步骤5；若没有发生故障，则所述第i个网关节点G_i利用无线传输模块T_i将附着数据ω_i发送至第i+1个网关节点G_i+1；并执行步骤6；

步骤5、将i+1的值赋值给i，执行步骤4；

步骤6、第i+1个网关节点G_i+1接收第i个网关节点G_i发送的附着数据ω_i；并利用所述数据采集模块R_i+1收集自身周围的环境数据Data_i+1；并将自身周围的环境数据Data_i+1附着到所接收到的第i个网关节点G_i发送的附着数据ω_i上，从而形成第i+1个网关节点G_i+1的附着数据ω_i+1；执行步骤7、

步骤7、将i+1的值赋给i后，判断i＝n是否成立，若成立，则所述接收方变电站的接收方网关节点G_n接收附着数据ω_i，从而完成所述发送方变电站和接收方变电站之间的环境数据传输；否则执行步骤3。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明利用无线传感器网络对部署于野外的电力配电环境不断进行监测并通过网关将监测数据进行收集和传送到变电站，从而克服了在实际配用电传输监控网络中，传统的利用人工巡检配用架空电力线耗时、费力和低效的缺点，在提高监测效率的同时降低了维护成本。

2、本发明利用WSN网络收集和传输配用电环境监测数据。由于变电站之间电力传输线基本呈现线性结构的特点，导致WSN网关拓扑也呈现出线性拓扑的特征，与传统的WSN网关数据备份方法相比，线性拓扑大大简化了网络的复杂性。

3、本发明需要在传输过程中对WSN网关数据进行备份，备份节点只需对传输方向反方向上的WSN网关节点数据进行备份。与传统的WSN网关数据对所有传感器节点配置信息相比，备份数据类型单一，数据量较小，从而节省了能耗，减少了数据冗余和数据量。

4、当WSN网络中的网关节点发生故障时或当电杆或者电塔损毁时，模型的备份节点可以通过监测模块监测到损毁节点，并通过自身传输模块以“绕过”损毁的电杆或者电塔的方式进行数据中继传输，从而达到对损毁的网关节点的故障容忍，构成具有故障容忍特征的传输模型，形成“坚强”的通信网络，有效延长网络的生命周期。

附图说明

图1为本发明WSN网关故障容忍模型示意图；

图2为本发明网关节点和备份节点组成模块示意图；

图3为本发明故障容忍的网关模型工作机制流程图；

图4为本发明模型的平均连接度和平均粘聚度随着节点增多变化示意图；

图5为本发明生存因子随着节点增多变化示意图。

具体实施方式

本实例施中，配用电力传输网是由发送方变电站经过配用电力传输线进行电力传输至接收方变电站而构成的配用电网，变电站之间往往通过位于户外，相距不远的电线杆或者电线塔上搭载的电力传输线相互连接组成配用电传输网。该模型工作机制在符合变电站间实际的线性拓扑的基础上，充分挖掘拓扑冗余和备份机制，形成两者相互补充的工作机制。该机制的形成对容忍发生故障的网关节点具有重要的意义。

为了监控和收集配用电力传输线的环境数据，如图1所示，在配用电力传输网中的配用电力传输线上设置WSN网关故障容忍模型，WSN网关故障容忍模型的组成包括：n个网关节点记为G＝{G₁,G₂,…,G_i,…,G_n}，网关节点安装在电杆或者电塔上，用来收集散落在电杆或者电塔周边的无线传感器所监测到的数据，以及n-1个备份节点记为B＝{B₁,B₂,…,B_j,…,B_n-1}；n≥2，备份节点用来实时的备份传输过程中的网关数据；G_i表示第i个网关节点；B_j表示第j个备份节点；1≤i≤n；1≤j≤n-1；备份节点的安装位置一般位于两个电杆或者电塔中间。假如备份节点的位置不在中间而靠近某一电杆或者远离某一电塔，那么发送数据的电杆和电塔上的网关节点的能耗将会导致不均匀，由于无法预测网关节点的相对能耗，那么会对更换电池的频率和周期造成困难。

在发送方变电站附近，具体实施中，是在变电站墙外20米范围内的电杆或者电塔上，设置第1个网关节点G₁作为发送方网关节点；在接收方变电站附近，具体实施中，在接收方变电站墙外20米范围内的电杆或者电塔上，设置第n个网关节点G_n作为接收方网关节点；

备份节点是设置在发送方网关节点G₁和第2个网关节点G₂之间、接收方网关节点G_n和第n-1个网关节点G_n-1之间，以及相邻两个网关节点之间，从而在配用电力传输线上形成了如图1所示的由网关节点和备份节点在位置上交错排列的通讯网络结构，在本实例中，由于高压线塔杆支架的距离从400-800m，我们将配电网塔杆支架的距离最大设为400米，备份节点到相邻网关节点之间不超过200米；采取了WiFi技术，且监控的完成通常是在户外偏远的没有障碍物的空旷地带进行的。

如图2所示，第i个网关节点G_i包括无线传输模块T_i和数据采集模块R_i，无线传输模块在相邻的网关节点之间传输数据，数据采集模块负责收集散落在电杆或者电塔周边的传感器数据；第j个备份节点B_j包括检测模块D_j，数据备份模块P_j和无线传送模块Y_j。监测模块实现监测数据传输方向上相邻网关节点的健康状态、数据备份模块的功能是备份传输方向相反方向上的网关节点数据。

如图3所示，一种应用于配用电力传输网的WSN网关故障容忍模型的工作机制是按如下步骤进行：

步骤1、初始化i＝1；令环境数据Data₀＝0；此时，由于并无网关数据往初始网关节点上传送数据，所以设置初始网关的环境数据为零；并且，一般地，数据总是由一个变电站通过逐跳传输的方式传输到另一个变电站，这么做的好处是可以周期性的不断将监测和监控数据实时的传输到目的变电站的计算机上。将源站定义为发送方变电站，目的站定义为接收方变电站。

步骤2、在发送方变电站利用第i个网关节点G_i的数据采集模块R_i收集周围的环境数据Data_i；数据采集模块通过无线的方式，采集散布在网关节点周围的传感器数据，具体实施中，传感器散布于网关节点安装杆周边5米内。并将第i-1个环境数据Data_i-1附着到自身的环境数据Data_i上，形成第i个附着数据ω_i；在环境数据后以附着的方式形成附着数据的好处是可以线性的时间复杂度在计算机上辨识异常的监测数据，从而快速的定位有问题的电杆，实现实时监控。本实施例中，环境数据设为周边温度数据；具体实施中，环境数据可以进行灵活设置，例如，可以设置为电力线的“垂度”等。

步骤3、第i个备份节点B_i利用数据备份模块P_i对附着数据ω_i进行备份；在形成附着数据后，备份节点开始对网关节点进行数据备份，以保证所备份的数据是包含了相关的网关节点的环境数据。

步骤4、第i个备份节点B_i利用自身的检测模块D_i对第i+1个网关节点G_i+1进行检测，其中监测模块中设置故障标识位FaultFlag，判断第i+1个网关节点G_i+1是否发生故障，若发生故障，将相应的故障标识位FaultFlag置1，则第i个备份节点B_i利用无线传送模块Y_i将附着数据ω_i发送至第i+1个备份节点B_i+1，这种传送数据方式“绕过”了所发生故障的网关节点，并成功的备份数据传输到相邻的下一个备份节点上；并执行步骤5；若没有发生故障，将相应的故障标识位FaultFlag置0，则第i个网关节点G_i利用无线传输模块T_i将附着数据ω_i发送至第i+1个网关节点G_i+1；并执行步骤6；

步骤5、将i+1的值赋值给i，执行步骤4；由于并不需要刻意清除备份节点所备份的数据，则备份节点的备份数据在下一次数据传播中自动被覆盖，以达到节能的目的。

步骤6、第i+1个网关节点G_i+1接收第i个网关节点G_i发送的附着数据ω_i；并利用数据采集模块R_i+1收集自身周围的环境数据Data_i+1；并将自身周围的环境数据Data_i+1附着到所接收到的第i个网关节点G_i发送的附着数据ω_i上，从而形成第i+1个网关节点G_i+1的附着数据ω_i+1；执行步骤7、

步骤7、将i+1的值赋给i后，判断i＝n是否成立，若成立，则接收方变电站的接收方网关节点G_n接收附着数据ω_i，由于该附着数据包含接收方变电站的环境数据，并且该数据不需要传输到下一个网关节点，从而完成发送方变电站和接收方变电站之间的环境数据传输；否则执行步骤3。正常的设置网关传感器的平均寿命为12个月，且平均60个月更换一次设备。在本实例中，设置所提出的模型的节点数为11个。

为了评价本发明的性能和效果，首先介绍了两组表达式来粗略得评估不同的故障容忍能力，即平均连接度和平均粘聚度。大体上，平均连接度和平均粘聚度反映了当故障发生时，网络的脆弱性。平均连接度由公式：来计算。其中n为节点的个数，其中平均粘聚度：来计算。

如图4所示，平均连接度和平均粘聚度在网络模型中随着网络节点的增多而减少，这意味着备份方法对监控电力传输网络的故障容忍是个有效方法。

另外，设置生存因子参数，参数r_ij是不直连节点(i,j)对的间的生存因子，令k是独立节点对之间的独立路径数目，而m_l是位于节点i和节点j的独立路径p_l(1≤l≤k)那么：

生存因子： $r_{\mathrm{ij}}=\left\{\begin{array}{c}0,i=j\\ \underset{l=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\underset{p=1}{\overset{m_l}{\mathrm{\Π}}}\frac{1}{n-p-l+2},i\≠j\end{array}\right.$

整个图的脆弱性：

令i＝1，则可以得到任何从源节点到损毁节点之间的生存因子。由于在备份节点和网关节点之间的距离大约是相邻两个网关节点距离的一半，因此设CH权重为1，那么自然的弧是0.5的权重。如果切断相邻的两个网关节点的最小权重为1，那么CN为0.7，由于两个相邻的备份节点并不比两个相邻的网关节点更加可靠。为了更能突显所提模型的优点，在图5中将网络的节点数目增加到50个。

如图5所示，生存因子显示了随着网络节点的增多，生存因子逐步递减。特别的，网络模型随着节点的增多仍然具有一定的生存性。由于该模型组合了拓扑冗余和备份机制，网络模型更适合远离城镇和居民区的偏远地区。

Claims (2)

1.一种应用于配用电力传输网的WSN网关故障容忍模型，所述配用电力传输网是由发送方变电站经过配用电力传输线进行电力传输至接收方变电站而构成的配用电网；其特征是，

在所述配用电力传输网中的配用电力传输线上设置所述WSN网关故障容忍模型，所述WSN网关故障容忍模型的组成包括：n个网关节点记为G＝{G₁,G₂,…,G_i,…,G_n}和n-1个备份节点记为B＝{B₁,B₂,…,B_j,…,B_n-1}；n≥2；G_i表示第i个网关节点；B_j表示第j个备份节点；1≤i≤n；1≤j≤n-1；

在所述发送方变电站附近设置第1个网关节点G₁作为发送方网关节点；在所述接收方变电站附近设置第n个网关节点G_n作为接收方网关节点；

所述备份节点是设置在所述发送方网关节点G₁和第2个网关节点G₂之间、所述接收方网关节点G_n和第n-1个网关节点G_n-1之间，以及相邻两个网关节点之间，从而在所述配用电力传输线上形成交错排列的通讯网络结构；

所述第i个网关节点G_i包括无线传输模块T_i和数据采集模块R_i；所述第j个备份节点B_j包括检测模块D_j、数据备份模块P_j和无线传送模块Y_j。

2.一种权利要求1所述的应用于配用电力传输网的WSN网关故障容忍模型的工作机制，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、初始化i＝1；令环境数据Data₀＝0；

步骤2、在所述发送方变电站利用第i个网关节点G_i的数据采集模块R_i收集周围的环境数据Data_i；并将第i-1个环境数据Data_i-1附着到自身的环境数据Data_i上，形成第i个附着数据ω_i；

步骤3、所述第i个备份节点B_i利用数据备份模块P_i对所述附着数据ω_i进行备份；

步骤4、所述第i个备份节点B_i利用自身的检测模块D_i对第i+1个网关节点G_i+1进行检测，判断第i+1个网关节点G_i+1是否发生故障，若发生故障，则所述第i个备份节点B_i利用无线传送模块Y_i将附着数据ω_i发送至第i+1个备份节点B_i+1；并执行步骤5；若没有发生故障，则所述第i个网关节点G_i利用无线传输模块T_i将附着数据ω_i发送至第i+1个网关节点G_i+1；并执行步骤6；

步骤5、将i+1的值赋值给i，执行步骤4；

步骤6、第i+1个网关节点G_i+1接收第i个网关节点G_i发送的附着数据ω_i；并利用所述数据采集模块R_i+1收集自身周围的环境数据Data_i+1；并将自身周围的环境数据Data_i+1附着到所接收到的第i个网关节点G_i发送的附着数据ω_i上，从而形成第i+1个网关节点G_i+1的附着数据ω_i+1；执行步骤7、

步骤7、将i+1的值赋给i后，判断i＝n是否成立，若成立，则所述接收方变电站的接收方网关节点G_n接收附着数据ω_i，从而完成所述发送方变电站和接收方变电站之间的环境数据传输；否则执行步骤3。2 -->