CN110830945A - 一种智能变电站监测系统 - Google Patents

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Abstract

一种智能变电站监测系统，包括环境感知模块、数据收集模块、云服务器和智能监测中心，所述环境感知模块利用传感器节点监测变电站环境参数，并通过无线传感器网络将监测所得的环境参数信息传输至数据收集模块，由数据收集模块将收集的环境参数监测信息传输至云服务器，云服务器对接收到的环境参数监测信息进行存储，智能监测中心从云服务器中调取所述环境参数监测信息，并根据所述环境参数监测信息对变电站的安全状态进行评估，当评估变电站存在危险时即进行预警。本发明的有益效果为：能够在不影响变电站设备正常运行的前提下实时监测变电站的运行状态，并及时发出预警信息，从而实现了变电站的有效监测。

Description

一种智能变电站监测系统
技术领域
本发明创造涉及变电站安全监测领域，具体涉及一种智能变电站监测系统。
背景技术
电力资源在现代社会中为我们的生活充当了不可替代的作用，然而，电力系统之所以能够为我们提供方便，需要通过变电站传输系统把电力资源运送到千家万户，当前变电站的在线监测技术主要采用有限的网络通信方式，我们也看到了随之而出现的很多弊端，传输线容易受到外界干扰而且维护方面也需要耗费较高的代价，为实际工作带来了很多不必要的麻烦，而无线传感器网络技术相较于传统的技术而言，有诸多优势可以随时监测电气设备中存在的缺陷并进行有效维护，保证其安全工作不仅为未来的发展提供经济环保的有力方向，同时也可以实现非常高标准的数据结果。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种智能变电站监测系统。
本发明创造的目的通过以下技术方案实现：
一种智能变电站监测系统，包括环境感知模块、数据收集模块、云服务器和智能监测中心，所述环境感知模块利用传感器节点监测变电站环境参数，并通过无线传感器网络将监测所得的环境参数信息传输至数据收集模块，由数据收集模块将收集的环境参数监测信息传输至云服务器，云服务器对接收到的环境参数监测信息进行存储，智能监测中心从云服务器中调取所述环境参数监测信息，并根据所述环境参数监测信息对变电站的安全状态进行评估，当评估变电站存在危险时即进行预警。
优选地，环境感知模块采用分簇结构的无线传感器网络将监测所得的环境参数信息传输至数据收集模块，所述无线传感器网络的运行过程包括分簇阶段和数据传输阶段，在每一轮的分簇阶段，传感器节点在其竞争半径内竞争成为簇首节点后，剩余的传感器节点选择距其最近的簇首节点加入形成簇，在簇首节点集合中选取聚合节点；在每一轮的数据传输阶段，簇首节点将收集的簇内传感器节点采集得到的环境参数监测信息传输至聚合节点，由聚合节点传输至汇聚节点。
优选地，当每一轮的分簇完成后，在簇首节点集合中选取聚合节点，设无线传感器网络划分为k个簇{C1,C2,…,Ck}，k个簇所对应的簇首节点集合为{CH1,CH2,…,CHk}，在簇首节点集合中选取当前能量值最大的簇首节点作为初始聚合节点，设簇首节点CHi为初始聚合节点
Figure BDA0002273213390000021
对聚合节点设置聚合阈值，则聚合节点
Figure BDA0002273213390000022
对应的聚合阈值
Figure BDA0002273213390000023
Figure BDA0002273213390000024
其中，M(Ci)为簇Ci中的传感器节点数，sj为簇Ci中的传感器节点j采集得到的环境参数监测数据量，N(CHi)为簇首节点CHi的当前能量值，N(CHl)为簇首节点CHl的当前能量值，H0为设置的最大聚合阈值；
当聚合节点
Figure BDA0002273213390000025
工作时长达到其对应的聚合阈值
Figure BDA0002273213390000026
后，则令聚合节点
Figure BDA0002273213390000027
变为普通的簇首节点，在剩余的簇首节点中重新选取聚合节点，对剩余的簇首节点进行筛选，当簇首节点CHj满足下列条件时，则簇首节点CHj成为聚合节点的备选簇首节点：
Figure BDA0002273213390000028
式中，
Figure BDA0002273213390000029
表示聚合节点
Figure BDA00022732133900000210
和簇首节点CHj之间的距离，r(CHi)表示簇首节点CHi的通信半径，
Figure BDA00022732133900000211
为能量决策函数，当时，f(N(CHj)-Nk＝1，当NCHj-Nk<0时，fNCHj-Nk＝0，NCHj表示簇首节点CHj的当前能量值，Nk表示簇首节点当前能量值的均值，R(CHi)表示簇首节点CHi的竞争半径，且R(CHi)＝(1-rand(0,1)·d(max)-d(CHi,h)dmax-dminRmax，其中，dmax为无线传感器网络中传感器节点到汇聚节点的最大距离，d(min)为无线传感器网络中传感器节点到汇聚节点的最小距离，d(CHi,h)表示簇首节点CHi到汇聚节点的距离，rand(0,1)表示0到1之间的随机值，Rmax为预先设定的最大竞争半径，且
Figure BDA00022732133900000213
Eelec表示电缆能耗参数，εfs表示基于自由空间模型的功放能耗系数。
优选地，在备选簇首节点中选取具有最大聚合因子值的簇首节点成为新的聚合节点，则聚合因子J的计算公式为：
Figure BDA00022732133900000214
式中，
Figure BDA0002273213390000031
表示簇首节点CHj的聚合因子，
Figure BDA0002273213390000032
表示聚合节点
Figure BDA0002273213390000033
和备选簇首节点CHj之间的距离，CHx为聚合节点的备选簇首节点，
Figure BDA0002273213390000034
为备选簇首节点数，为聚合节点和备选簇首节点CHx之间的距离，s(CHj)表示备选簇首节点CHj收集的簇内环境参数监测数据量，CHl为备选簇首节点CHj的邻居簇首节点，s(CHl)表示簇首节点CHl收集的簇内环境参数监测数据量，L(CHj)为备选簇首节点CHj的邻居簇首节点数，α和β为权重系数，且α+β＝1。
本发明创造的有益效果：提供一种基于无线传感器网络的智能变电站监测系统，能够在不影响变电站设备正常运行的前提下实时监测变电站的运行状态，并及时发出预警信息，从而实现了变电站的有效监测；在无线传感器网络中，当每一轮的分簇完成后，在簇首节点集合中选取聚合节点，网络中各簇首节点将收集到的环境参数监测信息传输至聚合节点，由聚合节点转发至汇聚节点，缓解了靠近汇聚节点的簇首节点的能量消耗，从而平衡了网络中簇首节点间的能量；本优选实时例对选取的聚合节点设置聚合阈值，当聚合节点工作时长达到聚合阈值时令聚合节点变为普通的簇首节点，并在剩余簇首节点集合中选取新的聚合节点进行数据聚合，设置的聚合阈值根据当前聚合节点所在簇首节点的特性进行设置，通过该簇首节点收集到的环境参数监测数据量以及该簇首节点的当前能量值对聚合阈值进行自适应调整，使得选取的聚合节点可以在设置的聚合阈值内改善簇首节点之间的数据传输平衡，并保证了聚合节点的能量消耗，确保聚合节点不会因能量耗尽而死亡，此外，避免了聚合节点频繁更换带来的能量消耗；本优选实施例在进行聚合节点选取时，对簇首节点进行条件限制，选取满足条件的簇首节点作为聚合节点的备选簇首节点，使得选取的备选簇首节点具有较高的能量值的同时，作为聚合节点工作时，可以覆盖足够多的簇首节点，提高簇首节点和聚合节点之间数据传输的效率；本优选实施例对候选簇首节点定义聚合因子，选取具有最大聚合因子值的簇首节点作为聚合节点，在聚合因子中通过引入备选簇首节点的邻居簇首节点数，使得选取的聚合节点具有较高的簇首节点密度，即提高了聚合节点和簇首节点之间数据传输的效率，减小了聚合节点和簇首节点之间数据传输的能耗；在聚合因子中引入上一个聚合节点和备选簇首节点之间的距离，使得选取的新的聚合节点距离上一个聚合节点距离相对较远，确保网络中其他簇首节点与聚合节点之间通信的可能性，避免环境参数监测数据的丢失；在聚合因子中引入备选簇首节点收集的簇内环境监测数据量，节省了聚合节点收集簇首节点中的环境监测数据量。
附图说明
利用附图对发明创造作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明创造的任何限制，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是本发明结构示意图。
附图标记：
环境感知模块1；数据收集模块2；云服务器3；智能监测中心4。
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，本实施例的一种智能变电站监测系统，包括环境感知模块1、数据收集模块2、云服务器3和智能监测中心4，所述环境感知模块1利用传感器节点监测变电站环境参数，并通过无线传感器网络将监测所得的环境参数信息传输至数据收集模块2，由数据收集模块2将收集的环境参数监测信息传输至云服务器3，云服务器3对接收到的环境参数监测信息进行存储，智能监测中心4从云服务器中调取所述环境参数监测信息，并根据所述环境参数监测信息对变电站的安全状态进行评估，当评估变电站存在危险时即进行预警。
优选地，所述环境参数包括变电站周围环境的温度、湿度、SF6气体浓度和电缆沟水位的高度。
优选地，所述基站通过GPRS通信方式将接收到的环境参数监测信息传输至云服务器2。、
本优选实施例提供一种基于无线传感器网络的智能变电站监测系统，能够在不影响变电站设备正常运行的前提下实时监测变电站的运行状态，并及时发出预警信息，从而实现了变电站的有效监测。
优选地，环境感知模块1采用分簇结构的无线传感器网络将监测所得的环境参数信息传输至数据收集模块2，所述无线传感器网络的运行过程包括分簇阶段和数据传输阶段，在每一轮的分簇阶段，传感器节点在其竞争半径内竞争成为簇首节点后，剩余的传感器节点选择距其最近的簇首节点加入形成簇，在簇首节点集合中选取聚合节点；在每一轮的数据传输阶段，簇首节点将收集的簇内传感器节点采集得到的环境参数监测信息传输至聚合节点，由聚合节点传输至汇聚节点。
优选地，当每一轮的分簇完成后，在簇首节点集合中选取聚合节点，设无线传感器网络划分为k个簇{C1,C2,…,Ck}，k个簇所对应的簇首节点集合为{CH1,CH2,…,CHk}，在簇首节点集合中选取当前能量值最大的簇首节点作为初始聚合节点，设簇首节点CHi为初始聚合节点
Figure BDA0002273213390000051
对聚合节点设置聚合阈值，则聚合节点对应的聚合阈值
Figure BDA0002273213390000053
Figure BDA0002273213390000054
其中，M(Ci)为簇Ci中的传感器节点数，sj为簇Ci中的传感器节点j采集得到的环境参数监测数据量，M(CHi)为簇首节点CHi的当前能量值，N(CHl)为簇首节点CHl的当前能量值，H0为设置的最大聚合阈值；
当聚合节点
Figure BDA0002273213390000055
工作时长达到其对应的聚合阈值
Figure BDA0002273213390000056
后，则令聚合节点
Figure BDA0002273213390000057
变为普通的簇首节点，在剩余的簇首节点中重新选取聚合节点，对剩余的簇首节点进行筛选，当簇首节点CHj满足下列条件时，则簇首节点CHj成为聚合节点的备选簇首节点：
Figure BDA0002273213390000058
式中，
Figure BDA0002273213390000059
表示聚合节点
Figure BDA00022732133900000510
和簇首节点CHj之间的距离，r(CHi)表示簇首节点CHi的通信半径，
Figure BDA00022732133900000511
为能量决策函数，当
Figure BDA00022732133900000512
时，f(N(CHj)-Nk＝1，当NCHj-Nk<0时，fNCHj-Nk＝0，NCHj表示簇首节点CHj的当前能量值，Nk表示簇首节点当前能量值的均值，R(CHi)表示簇头节点CHi的竞争半径，且R(CHi)＝(1-rand(0,1)d(max)-d(CHi,h)dmax-dminRmax，其中，dmax为无线传感器网络中传感器节点到汇聚节点的最大距离，d(min)为无线传感器网络中传感器节点到汇聚节点的最小距离，d(CHi,h)表示簇头节点CHi到汇聚节点的距离，rand(0,1)表示0到1之间的随机值，Rmax为预先设定的最大竞争半径，且
Figure BDA00022732133900000513
Eelec表示电缆能耗参数，εfs表示基于自由空间模型的功放能耗系数。
本优选实施例在簇首节点集合中选取聚合节点，网络中各簇首节点将收集到的环境参数监测信息传输至聚合节点，由聚合节点转发至汇聚节点，缓解了靠近汇聚节点的簇首节点的能量消耗，从而平衡了网络中簇首节点间的能量；本优选实时例对选取的聚合节点设置聚合阈值，当聚合节点工作时长达到聚合阈值时即令聚合节点变为普通的簇首节点，并在剩余簇首节点集合中选取新的聚合节点进行数据聚合，设置的聚合阈值根据当前聚合节点所在的簇首节点的特性进行设置，通过该簇首节点收集到的环境参数监测数据量以及该簇首节点的当前能量值对聚合阈值进行自适应调整，使得选取的聚合节点可以在设置的聚合阈值内改善簇首节点之间的数据传输平衡，并保证了聚合节点的能量消耗，确保聚合节点不会因能量耗尽而死亡，此外，避免了聚合节点频繁更换带来的能量消耗；本优选实施例在进行聚合节点选取时，对簇首节点进行条件限制，选取满足条件的簇首节点作为聚合节点的备选簇首节点，使得选取的备选簇首节点具有较高的能量值的同时，作为聚合节点工作时，可以覆盖足够多的簇首节点，提高簇首节点和聚合节点之间数据传输的效率。
优选地，在备选簇首节点中选取具有最大聚合因子值的簇首节点成为新的聚合节点，则聚合因子J的计算公式为：
Figure BDA0002273213390000061
式中，
Figure BDA0002273213390000062
表示簇首节点CHj的聚合因子，
Figure BDA0002273213390000063
表示聚合节点
Figure BDA0002273213390000064
和备选簇首节点CHj之间的距离，CHx为聚合节点的备选簇首节点，为备选簇首节点数，
Figure BDA0002273213390000066
为聚合节点和备选簇首节点CHx之间的距离，s(CHj)表示备选簇首节点CHj收集的簇内环境参数监测数据量，CHl为备选簇首节点CHj的邻居簇首节点，s(CHl)表示簇首节点CHl收集的簇内环境参数监测数据量，L(CHj)为备选簇首节点CHj的邻居簇首节点数，α和β为权重系数，且α+β＝1。
本优选实施例对候选簇首节点定义聚合因子，选取具有最大聚合因子值的簇首节点作为聚合节点，在聚合因子中通过引入备选簇首节点的邻居簇首节点数，使得选取的聚合节点具有较高的簇首节点密度，即提高了聚合节点和簇首节点之间数据传输的效率，减小了聚合节点和簇首节点之间数据传输的能耗；在聚合因子中引入上一个聚合节点和备选簇首节点之间的距离，使得选取的新的聚合节点距离上一个聚合节点距离相对较远，确保网络中其他簇首节点与聚合节点之间通信的可能性，避免环境参数监测数据的丢失；在聚合因子中引入备选簇首节点收集的簇内环境监测数据量，节省了聚合节点收集簇首节点中的环境监测数据量。
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 (4)

1.一种智能变电站监测系统，其特征是，包括环境感知模块、数据收集模块、云服务器和智能监测中心，所述环境感知模块利用传感器节点监测变电站环境参数，并通过无线传感器网络将监测所得的环境参数信息传输至数据收集模块，由数据收集模块将收集的环境参数监测信息传输至云服务器，云服务器对接收到的环境参数监测信息进行存储，智能监测中心从云服务器中调取所述环境参数监测信息，并根据所述环境参数监测信息对变电站的安全状态进行评估，当评估变电站存在危险时即进行预警。
2.根据权利要求1所述的一种智能变电站监测系统，其特征是，所述环境感知模块采用分簇结构的无线传感器网络将监测所得的环境参数信息传输至数据收集模块，所述无线传感器网络的运行过程包括分簇阶段和数据传输阶段，在每一轮的分簇阶段，传感器节点在其竞争半径内竞争成为簇首节点后，剩余的传感器节点选择距其最近的簇首节点加入形成簇，在簇首节点集合中选取聚合节点；在每一轮的数据传输阶段，簇首节点将收集的簇内传感器节点采集得到的环境参数监测信息传输至聚合节点，由聚合节点传输至汇聚节点。
3.根据权利要求2所述的一种智能变电站监测系统，其特征是，当每一轮的分簇完成后，在簇首节点集合中选取聚合节点，设无线传感器网络划分为k个簇{C1,C2,…,Ck}，k个簇所对应的簇首节点集合为{CH1,CH2,…,CHk}，在簇首节点集合中选取当前能量值最大的簇首节点作为初始聚合节点，设簇首节点CHi为初始聚合节点
Figure RE-FDA0002294810410000011
对聚合节点设置聚合阈值，则聚合节点
Figure RE-FDA0002294810410000012
对应的聚合阈值
Figure RE-FDA0002294810410000013
其中，M(Ci)为簇Ci中的传感器节点数，sj为簇Ci中的传感器节点j采集得到的环境参数监测数据量，N(CHi)为簇首节点CHi的当前能量值，N(CHl)为簇首节点CHl的当前能量值，H0为设置的最大聚合阈值；
当聚合节点
Figure RE-FDA0002294810410000014
工作时长达到其对应的聚合阈值
Figure RE-FDA0002294810410000015
后，则令聚合节点
Figure RE-FDA0002294810410000016
变为普通的簇首节点，在剩余的簇首节点中重新选取聚合节点，对剩余的簇首节点进行筛选，当簇首节点CHj满足下列条件时，则簇首节点CHj成为聚合节点的备选簇首节点：
Figure RE-FDA0002294810410000017
式中，
Figure RE-FDA0002294810410000018
表示聚合节点和簇首节点CHj之间的距离，r(CHi)表示簇首节点CHi的通信半径，
Figure RE-FDA0002294810410000021
为能量决策函数，当
Figure RE-FDA0002294810410000022
时，
Figure RE-FDA0002294810410000023
Figure RE-FDA0002294810410000024
当
Figure RE-FDA0002294810410000025
时，
Figure RE-FDA0002294810410000026
N(CHj)表示簇首节点CHj的当前能量值，
Figure RE-FDA0002294810410000027
表示簇首节点当前能量值的均值，R(CHi)表示簇首节点CHi的竞争半径，且
Figure RE-FDA0002294810410000028
其中，d(max)为无线传感器网络中传感器节点到汇聚节点的最大距离，d(min)为无线传感器网络中传感器节点到汇聚节点的最小距离，d(CHi,h)表示簇首节点CHi到汇聚节点的距离，rand(0,1)表示0到1之间的随机值，Rmax为预先设定的最大竞争半径，且
Figure RE-FDA0002294810410000029
Eelec表示电缆能耗参数，εfs表示基于自由空间模型的功放能耗系数。
4.根据权利要求3所述的一种智能变电站监测系统，其特征是，在备选簇首节点中选取具有最大聚合因子值的簇首节点成为新的聚合节点，则聚合因子J的计算公式为：
Figure RE-FDA00022948104100000210
式中，表示簇首节点CHj的聚合因子，
Figure RE-FDA00022948104100000212
表示聚合节点
Figure RE-FDA00022948104100000213
和备选簇首节点CHj之间的距离，CHx为聚合节点的备选簇首节点，
Figure RE-FDA00022948104100000214
为备选簇首节点数，
Figure RE-FDA00022948104100000215
为聚合节点
Figure RE-FDA00022948104100000216
和备选簇首节点CHx之间的距离，s(CHj)表示备选簇首节点CHj收集的簇内环境参数监测数据量，CHl为备选簇首节点CHj的邻居簇首节点，s(CHl)表示备选簇首节点CHl收集的簇内环境参数监测数据量，L(CHj)为备选簇首节点CHj的邻居簇首节点数，α和β为权重系数，且α+β＝1。
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