CN108512904A - 一种基于大数据和wsn技术的输电线路监测系统 - Google Patents

一种基于大数据和wsn技术的输电线路监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于大数据和WSN技术的输电线路监测系统，包括多个输电线路监测子系统和大数据处理中心，每个输电线路监测子系统皆连接至大数据处理中心，每个输电线路监测子系统用于采集一个输电线路监测区域内的多个输电线路监测节点的输电线路传感数据；大数据处理中心用于对采集的输电线路传感数据进行处理分析，实现对输电线路的实时监测。本发明基于大数据处理技术，将众多传感器节点采集的数据进行汇总并统一分析处理，可进行数据分析利用，提高对输电线路的监测能力。

Description

一种基于大数据和WSN技术的输电线路监测系统
技术领域
本发明涉及输电线路监测技术领域，具体涉及一种基于大数据和WSN技术的输电线路监测系统。
背景技术
输电线路是电网的重要组成部分，线路巡视维护是确保电网安全运行关键环节。传统的输电线路巡视基本依赖于巡线人员亲自到现场作业沿输电线检测，然后由巡检人员现场记录数据，再将数据带回录入至计算机中。然而，这种方式效率很低，且受地形、天气等方便的影响。例如，在日常的线路巡视中，油气是在大山峻岭、林区等环境中，一方面巡视道路崎岖，另一方面铁搭较高，巡视人员对一些线路元件缺陷不易发现，给输电线路的安全运行带来隐患，而且在恶劣条件下有可能对巡视人员的人生安全也带来危害。尤其是输电线路较远的输电线路，沿途节点较多，线路较长，人工运维压力大，不仅使得输电线路在建设过程中需要面临较多的难题，而且在投入使用后亦需要较多的人力和物力实现线路的维护和隐患的排除。
如何实现在较少人力和物力投入下实现输电线路的巡视和输电线路本身技术参数的反馈成为输电线路巡视需要解决的技术问题，也是智能电网建设与推广过程中需要解决的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于大数据和WSN技术的输电线路监测系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了一种基于大数据和WSN技术的输电线路监测系统，包括多个输电线路监测子系统和大数据处理中心，每个输电线路监测子系统皆连接至大数据处理中心，每个输电线路监测子系统用于采集一个输电线路监测区域内的多个输电线路监测节点的输电线路传感数据；大数据处理中心用于对采集的输电线路传感数据进行处理分析，实现对输电线路的实时监测。
优选地，每个输电线路监测子系统包括设置于各个输电线路监测节点的传感器节点，还包括基站，传感器节点用于采集所在输电线路监测节点的输电线路传感数据，基站负责传感器节点和大数据处理中心之间的双向信息交互。
本发明的有益效果为：基于大数据处理技术和无线传感器网络技术，将众多传感器节点采集的数据进行汇总并统一分析处理，可进行数据分析利用，提高对输电线路的监测能力，智能便捷，节省人力。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明一个示例性实施例的输电线路监测系统的结构示意框图；
图2是本发明一个示例性实施例的大数据处理中心的结构示意框图。
附图标记：
输电线路监测子系统1、大数据处理中心2、数据接收模块10、数据显示模块20、数据分析模块30、数据压缩模块40、数据存储模块50。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参见图1，本实施例提供的一种基于大数据和WSN技术的输电线路监测系统，包括多个输电线路监测子系统1和大数据处理中心2，每个输电线路监测子系统1皆连接至大数据处理中心2，每个输电线路监测子系统1用于采集一个输电线路监测区域内的多个输电线路监测节点的输电线路传感数据；大数据处理中心2用于对采集的输电线路传感数据进行处理分析，实现对输电线路的实时监测。
在一个实施例中，每个输电线路监测子系统1包括设置于各个输电线路监测节点的传感器节点，还包括基站，传感器节点用于采集所在输电线路监测节点的输电线路传感数据，基站负责传感器节点和大数据处理中心之间的双向信息交互。
可选地，传感器节点包括传感单元，传感单元包括风速采集传感器、温度传感器、湿度传感器或拉力传感器。
在一个实施例中，如图2所示，大数据处理中心2包括依次连接的数据接收模块10、数据显示模块20、数据分析模块30。
其中，数据接收模块10用于对接收多个输电线路监测子系统1发送的输电线路传感数据。
其中，数据显示模块20用于对数据接收模块10接收的输电线路传感数据进行显示。
其中，数据分析模块30用于对接收的输电线路传感数据进行分析处理。
在一个实施例中，大数据处理中心2还包括相连接的数据压缩模块40和数据存储模块50，数据压缩模块40与数据接收模块10连接，用于对数据接收模块10接收的多个输电线路监测子系统1发送的输电线路传感数据进行压缩处理，并将压缩处理后的输电线路传感数据发送至数据存储模块50中存储。
在一个实施例中，所述对数据接收模块10接收的多个输电线路监测子系统1发送的输电线路传感数据进行压缩处理，具体为：将一输电线路监测子系统1中的各传感器节点发送的属于同一采集周期内的输电线路传感数据作为一段输电线路传感数据，分别对各段输电线路传感数据进行压缩处理。
本发明上述实施例基于大数据处理技术和无线传感器网络技术，将众多传感器节点采集的数据进行汇总并统一分析处理，可进行数据分析利用，提高对输电线路的监测能力，智能便捷，节省人力。
在一个实施例中，各传感器节点通过分簇路由协议构建分簇拓扑结构的无线传感器网络，将分布在输电线路监测区域内的传感器节点根据节点地理位置划分为N个簇，每个簇包括一个主要簇首和一个次要簇首，主要簇首用于聚合簇内传感器节点采集的输电线路传感数据，次要簇首用于接收主要簇首发送的所聚合的输电线路传感数据，并将接收的所聚合的输电线路传感数据通过多跳路由的方式发送至基站；其中，所述的分簇路由协议包括：
(1)基站向输电线路监测区域内所有传感器节点广播信标信息，每个传感器节点i接收到信标信息后确定自身到基站的距离，并随机生成概率Γi，若概率Γi大于设定的概率阈值Γ，则该传感器节点i成为候选主要簇首；
(2)候选主要簇首确定自身的当前感知半径，并确定位于当前感知半径范围内的其余传感器节点，构建自身的邻居节点集；
(3)每个候选主要簇首向自身的邻居节点集中的传感器节点广播竞选主要簇首的消息，在设定时间内若收到另外一个优选值更大的候选主要簇首广播的消息，则放弃主要簇首的竞争，否则自己成为主要簇首，并在自身的邻居节点集中确定一个传感器节点作为次要簇首；
(4)没有当选为主要簇首或者次要簇首的传感器节点选择最近的主要簇首加入簇，成为成员节点。
无线传感器网络(WSN)中常通过节点成簇的方式进行数据的收集，成簇网络通过选举能量较大的节点担任簇首，被选中的簇首节点可以完成对簇内成员节点采集数据的收集、预处理及聚合信息向基站的前传，减少了网络中冗余数据传输对节点能量的耗费，簇首节点之间信息的中继传输为网络中采集信息向基站的汇聚提供了能量有效的路由。通过对网络中簇首选举算法的各类改进，可以减少网络中由于簇首固定，能耗过快带来的簇首死亡对网络链路中断的影响。但在采集数据的传输过程中，由于传感网络多采用“多对一”的传输模式，即网络中节点的信息都会汇聚到基站，这种传输模式导致网络中簇首节点之间能耗分布的不均匀，靠近基站的簇首由于承担的来自其余簇首的数据转发负载过重而提早死亡，造成网络链路的中断，导致网络中的覆盖在基站周围产生空洞，形成“热点”。
相对于现有技术，本实施例提出了一种新的分簇路由协议，该协议中通过选取主要簇首和次要簇首来承担输电线路传感数据的聚合和转发任务，实现能耗分散，从而能够降低完成簇内输电线路传感数据聚合的主要簇首的能耗以及主要簇首轮换的频率，进而能够延长网络的生存时间。
进一步地，优选值的计算公式为：
式中，Gj表示候选主要簇首j的优选值，Qj为候选主要簇首j的当前剩余能量，Qj0为候选主要簇首j的初始能量，yj为候选主要簇首j的当前感知半径，d(j,sink)为候选主要簇首j到基站的距离，e1、e2为设定的权重系数。
本实施例设定了优选值的计算公式，选取优选值最大的传感器节点作为主要簇首，能够使得主要簇首能够有足够的能量完成输电线路传感数据聚合的任务，并使得输电线路传感数据转发的能耗相对较低，保障主要簇首长期工作的稳定性。
在一个实施例中，当主要簇首的当前剩余能量低于设定的最低能量值时，主要簇首在其邻居节点集中选择当前剩余能量最大的成员节点作为新的主要簇首。
在一个实施例中，每个传感器节点i在接收到信标信息后还记录收到该信标信息的实际信号强度，所述信标信息包括由基站设定的各传感器节点接收信标信息的理论信号强度；候选主要簇首按照下列公式确定自身的当前感知半径：
式中，yj为候选主要簇首j的当前感知半径，d(j,sink)为候选主要簇首j到基站的距离，dm％x为所有传感器节点到基站的距离中的最大值，dmin为所有传感器节点到基站的距离中的最小值，r为定义的半径控制因子，取值在[0.4,0.8]之间，yj0为所有传感器节点初始化时的感知半径，Wj为传感器节点j收到基站信标信息的实际信号强度，为由基站设定的传感器节点j接收信标信息的理论信号强度，为设定的取值函数，当时，当时，
本实施例设定了当前感知半径的计算公式，通过控制当前感知半径，控制每个候选主要簇首的邻居节点个数，从而进一步影响候选主要簇首的竞争范围。
本实施例通过当前感知半径的控制，使得候选主要簇首的竞争范围能够根据自身到基站的距离而变化，距离基站越近的候选主要簇首的竞争范围相对越小，有利于距离基站越近的区域产生较多的主要簇首，且簇规模相对较小，从而均衡距离基站较近区域的能耗，防止距离基站较近区域中的次要簇首因过多的输电线路传感数据转发任务而较快失效。
本实施例还创造性地根据传感器节点接收基站数据包的实际信号强度与理论信号强度的差别设计了用于距离的加权系数，提高了候选主要簇首的竞争范围根据自身到基站的距离而变化的精度。
在一个实施例中，主要簇首在自身的邻居节点集中确定一个传感器节点作为次要簇首，具体包括：
(1)主要簇首计算自身的邻居节点集中每个传感器节点的选择概率；
(2)主要簇首从自身的邻居节点集中将选择概率最大的传感器节点作为次要簇首。
其中，当次要簇首的当前剩余能量低于设定的最低能量值时，次要簇首在自身的邻居节点集中重新确定一个传感器节点作为次要簇首；
其中，选择概率的计算公式为：
式中，Pb表示传感器节点b的选择概率，b∈ΦK，ΦK为主要簇首K的邻居节点集，Qb为传感器节点b的当前剩余能量，Qh为ΦK中第h个传感器节点的当前剩余能量，为ΦK中具有的传感器节点个数，d(b,K)为传感器节点b到其主要簇首K的距离，d(h,K)为ΦK中第h个传感器节点到其主要簇首K的距离，x为设定的能耗权重因子。
次要簇首是用来承担主要簇首的簇间中继能耗，本实施例根据设定的选择概率的计算公式计算邻居节点集中每个传感器节点的选择概率，并从中将选择概率最大的传感器节点作为次要簇首，有利于保障输电线路传感数据转发的可靠性，降低主要簇首向次要簇首发送输电线路传感数据的能耗，从而节约输电线路监测系统的数据采集成本。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种基于大数据和WSN技术的输电线路监测系统，其特征是，包括多个输电线路监测子系统和大数据处理中心，每个输电线路监测子系统皆连接至大数据处理中心，每个输电线路监测子系统用于采集一个输电线路监测区域内的多个输电线路监测节点的输电线路传感数据；大数据处理中心用于对采集的输电线路传感数据进行处理分析，实现对输电线路的实时监测；每个输电线路监测子系统包括设置于各个输电线路监测节点的传感器节点，还包括基站，传感器节点用于采集所在输电线路监测节点的输电线路传感数据，基站负责传感器节点和大数据处理中心之间的双向信息交互。
2.根据权利要求1所述的一种基于大数据和WSN技术的输电线路监测系统，其特征是，传感器节点包括传感器单元，传感单元内设有风速采集传感器、温度传感器、湿度传感器或拉力传感器。
3.根据权利要求1所述的一种基于大数据和WSN技术的输电线路监测系统，其特征是，大数据处理中心包括依次连接的数据接收模块、数据显示模块、数据分析模块，其中数据接收模块用于对接收多个输电线路监测子系统发送的输电线路传感数据；所述数据显示模块用于对数据接收模块接收的输电线路传感数据进行显示；所述的数据分析模块用于对接收的输电线路传感数据进行分析处理。
4.根据权利要求3所述的一种基于大数据和WSN技术的输电线路监测系统，其特征是，大数据处理中心还包括相连接的数据压缩模块和数据存储模块，数据压缩模块与数据接收模块连接，用于对数据接收模块接收的多个输电线路监测子系统发送的输电线路传感数据进行压缩处理，并将压缩处理后的输电线路传感数据发送至数据存储模块中存储。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于大数据和WSN技术的输电线路监测系统，其特征是，各传感器节点通过分簇路由协议构建分簇拓扑结构的无线传感器网络，将分布在输电线路监测区域内的传感器节点根据节点地理位置划分为N个簇，每个簇包括一个主要簇首和一个次要簇首，主要簇首用于聚合簇内传感器节点采集的输电线路传感数据，次要簇首用于接收主要簇首发送的所聚合的输电线路传感数据，并将接收的所聚合的输电线路传感数据通过多跳路由的方式发送至基站；其中，所述的分簇路由协议包括：
(1)基站向输电线路监测区域内所有传感器节点广播信标信息，每个传感器节点i接收到信标信息后确定自身到基站的距离，并随机生成概率Γi，若概率Γi大于设定的概率阈值Γ，则该传感器节点i成为候选主要簇首；
(2)候选主要簇首确定自身的当前感知半径，并确定位于当前感知半径范围内的其余传感器节点，构建自身的邻居节点集；
(3)每个候选主要簇首向自身的邻居节点集中的传感器节点广播竞选主要簇首的消息，在设定时间内若收到另外一个优选值更大的候选主要簇首广播的消息，则放弃主要簇首的竞争，否则自己成为主要簇首，并在自身的邻居节点集中确定一个传感器节点作为次要簇首。
6.根据权利要求5所述的一种基于大数据和WSN技术的输电线路监测系统，其特征是，每个传感器节点i在接收到信标信息后还记录收到该信标信息的实际信号强度，所述信标信息包括由基站设定的各传感器节点接收信标信息的理论信号强度；候选主要簇首按照下列公式确定自身的当前感知半径：
式中，yj为候选主要簇首j的当前感知半径，d(j,sink)为候选主要簇首j到基站的距离，dmax为所有传感器节点到基站的距离中的最大值，dmin为所有传感器节点到基站的距离中的最小值，r为定义的半径控制因子，取值在[0.4,0.8]之间，yj0为所有传感器节点初始化时的感知半径，Wj为传感器节点j收到基站信标信息的实际信号强度，为由基站设定的传感器节点j接收信标信息的理论信号强度，为设定的取值函数，当时，当时，
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