CN112383892A - 一种变电站电能质量监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种变电站电能质量监测系统及方法，所述方案基于无线传感器网络构建传感器节点、中转节点以及电能质量监测平台间的网络拓扑结构，同时构建所述网络拓扑结构的路由能耗模型，基于数据中转传输的无线传感器路径优化方法对所述能耗模型进行优化，获得每个传感器节点的最优路由路径；根据所述最优路由路径，将各传感器节点采集的数据发送到所述电能质量监测平台，实现变电站电能质量的监测；有效解决了不合理的数据传输路由路径，导致中转节点能量过渡消耗的问题，大幅提高了整个无线传感器网络的生存周期，进而提高了变电站电能质量监测系统的稳定性。

Description

一种变电站电能质量监测系统及方法
技术领域
本公开涉及变电站监测技术领域，尤其涉及一种变电站电能质量监测系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
变电站电能质量不仅关系到电网企业的安全运行，也影响到用户的安全运行和产品质量。电网企业通常利用电能质量监测系统利用安装在电网侧或用户侧的电能质量监测终端，通过网络将监测数据传回监测中心，实现对多个位置的同时监测，并发布电能质量相关信息，是电能质量监测和评估的有效手段。
传统的变电站中电能质量的采集与监控设备一般采用RS-432、RS-485或者CAN现场总线进行变电站电能质量监测系统的组网，而随着电力负荷的不断增大，所需求的采集与监控设备的种类和数量越来越多，单纯依靠有限传输存在着布线困难、组网灵活度低、安装维护困难以及不易扩展升级的问题，因此，随着无线传感器网络(Wireless SensorNetwork，WSN)的兴起，研究人员逐步将其应用于变电站电能质量监测系统中，但是，发明人发现，通过传感器网络的无线传输在具有组网灵活、易于扩展的优点情况下，仍然存在以下缺陷：无线传感器网络受到电量和计算能力等约束条件的限制，特别是传感器节点在数据传输过程中由于选择不合理的转发路径，导致中转节点能量的不合理消耗，造成中转节点由于能量耗完停止工作，极易造成变电站中某些设备数据无法有效获取，导致设备故障无法有效监测；因此如何合理的安排传感器节点的数据路由路径是现有技术有待解决的技术问题。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提供一种变电站电能质量监测系统及方法，所述方案针对现有变电站电能质量监测系统中无线传感器网络中传感器节点数据传输路由路径不合理，导致中转节点能量过渡消耗的问题，通过数据中转传输的路径优化算法，在保证传感器节点数据传输的实时性的同时，有效降低了网络数据传输中的能量消耗，极大的延长了变电站无线传感器网络的生存周期。
根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种变电站电能质量监测方法，包括：
基于无线传感器网络构建传感器节点、中转节点以及电能质量监测平台间的网络拓扑结构；所述传感器节点通过中转节点的多级转发将采集到的数据发送到所述电能质量监测平台；
构建所述网络拓扑结构的路由能耗模型；
基于所述路由能耗模型，通过数据中转传输的无线传感器路径优化方法求解每个传感器节点的最优路由路径；
根据所述最优路由路径，将各传感器节点采集的数据发送到所述电能质量监测平台，实现变电站电能质量的监测。
进一步的，所述传感器节点，用于监测终端设备的各项电能指标；所述中转节点，用于对监测终端的各项电能指标进行接收、存储及上传；所述电能质量监测平台，用于控制监测系统的运行以及对变电站电能质量指标进行分析处理。
进一步的，基于变电站电能质量监测对数据时效性要求以及整个无线传感器网络的能量和成本的考虑，所述无线传感器网络拓扑结构的路由能耗模型如下所示：
Figure BDA0002728888290000021
其中，dp,q表示传感器节点p与其相邻的中转节点q之间的距离，E(dp,q)表示节点间距离为d时传感器节点发送数据过程的功耗，ξ为与变电站通信参数相关的系数，α为节点传输过程中能耗损失系数，c表示除发送过程功耗外的其它功耗。
进一步的，所述基于数据中转传输的无线传感器路径优化方法的具体步骤如下：
(1)根据接收天线接收到的信号强度计算传感器节点到预设范围内所有中转节点的距离，选择其中的最小距离记作d1；
(2)计算所述传感器节点到所述电能质量监测平台间的距离记作d2，若d1不小于d2，则所述传感器节点直传到所述电能质量监测平台，该传感器节点传输路径优化结束；
(3)若d1小于d2，则选择距离为d1的中转节点P进行转发；计算中转节点P到预设范围内所有中转节点的距离，选择其中最小距离记作d3；若d3不小于d2，则所述中转节点直传到所述电能质量监测平台，该传感器节点传输路径优化结束；若d3小于d2，则选择距离为d3的中转节点Q进行转发；循环执行步骤(3)直至优化结束。
进一步的，为了避免中转次数过多造成网络延时过长，采用最少跳数路径来确定中转节点的位置，具体的，针对每个传感器节点以广播路由的方式进行数据发送，从所述传感器节点到所述电能质量监测平台之间的所有路由路径中，选择中转次数最少的路径，并将此路径上的节点作为中转节点。
进一步的，在判断是否选择邻近中转节点进行数据转发时，需要保证选择邻近中转节点转发数据所消耗的能量要小于直接转发所消耗的能量。
根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种变电站电能质量监测系统，其采用上述的一种变电站电能质量监测方法，所述系统包括：
传感器节点，用于监测终端设备的各项电能指标；
中转节点，用于对监测终端的各项电能指标进行接收、存储及上传；
电能质量监测平台，用于控制监测系统的运行以及对变电站电能质量指标进行分析处理。
根据本公开实施例的第三个方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的一种变电站电能质量监测方法。
根据本公开实施例的第四个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的一种变电站电能质量监测方法。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
(1)本公开所述方案通过利用数据中转传输的无线传感器路径优化方法对每个传感器节点的数据传输的路由路径进行了合理优化，有效解决了不合理的数据传输路由路径，导致中转节点能量过渡消耗的问题，大幅提高了整个无线传感器网络的生存周期，进而提高了变电站电能质量监测系统的稳定性。
(2)本公开充分考虑到实际变电站中存在大量设备，传感器节点与中转节点之间存在大范围遮挡，单纯利用信号强度测距精确度较低的问题，基于此，本公开通过研究变电站中障碍物对无线信号的衰减程度，对信号强度测距方法进行了优化处理，有效提高了节点间的测距精度，为传感器节点的数据传输路径优化的准确度提供了保证。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例一中所述的变电站无线传感器网络拓扑结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一：
本实施例的目的是提供一种变电站电能质量监测方法。
一种变电站电能质量监测方法，包括：
基于无线传感器网络构建传感器节点、中转节点以及电能质量监测平台间的网络拓扑结构；所述传感器节点通过中转节点的多级转发将采集到的数据发送到所述电能质量监测平台；
构建所述网络拓扑结构的路由能耗模型；
基于所述路由能耗模型，通过数据中转传输的无线传感器路径优化方法求解每个传感器节点的最优路由路径；
根据所述最优路由路径，将各传感器节点采集的数据发送到所述电能质量监测平台，实现变电站电能质量的监测。
在变电站中无线传感器节点的位置一般是固定的，传感器节点一般分区化，即每个设备对应若干个传感器节点和一个中转节点(也叫路由器节点)，所述传感器节点负责采集变电站设备的状态数据，而中转节点则负责将传感器节点采集的数据进行整合以及转发，这里的转发过程可能是通过一个中转节点进行转发，直接传递到电能质量监测平台，也可能是通过多个中转节点经过多跳的方式进行传输，如图1所示展示了本公开采用的无线传感器网络拓扑结构，变电站中的每台待监测设备上的传感器节点将采集到的设备数据汇聚到设备上的中转节点，所述中转节点通过多跳的方式传输到变电站电能质量监测平台，所述监测平台根据数据的分析汇总实现对变电站的电能质量监测。
现有的变电站传感器网络主要采用Cluster-tree型的路由方式，这种树形路由方式虽然结构简单，但是位于靠近监测平台的中转节点会因为频繁的转发数据而造成大量的能量消耗，当该中转节点的电量耗完，则该路由节点失效，会影响其所关联的传感器节点采集信息的传输，造成该被检测设备无法有效被检测。
本公开基于变电站电能质量监测对数据时效性要求以及整个无线传感器网络的能量和成本的考虑，设置无线传感器网络拓扑结构的路由能耗模型如下所示：
Figure BDA0002728888290000061
其中，dp,q表示传感器节点p与其相邻的中转节点q之间的距离，E(dp,q)表示节点间距离为d时传感器节点发送数据过程的功耗，ξ为与变电站通信参数相关的系数，α为节点传输过程中能耗损失系数，c表示除发送过程功耗外的其它功耗；
根据上述模型假定无线传感器网络中每个节点的位置都是确定的，结合REDM无线传输能量消耗模型，可以得出：
当
Figure BDA0002728888290000062
时，直接发送数据包，否则寻找中转节点进行转发；
很明显，此处需要涉及节点间距离和中转节点选择的问题，这是本公所述方案的主要步骤；其中，节点间距离的计算采用信号强度测距法，所述信号强度测距法以没有障碍物的自然空间区域为前提，根据接收天线接收到的信号强度来进行计算，具体公式如下：
Prd＝PtGtGrλ2/(4π)2d2L
其中，Prd表示距离为d处的接收机功率，Pt为发射机功率，Gt、Gr分别是发射机天线和接收机天线的增益,L为损耗因子，是除传播外的系统损耗，λ是波长；很明显，上述公式的参数都是可以测量确定的，通过上述公式可以计算出节点间的距离d。
进一步的，本公开考虑到实际的变电站环境中存在大量设备，传感器节点与中转节点之间存在大范围的遮挡，因此，单纯以上述公式进行节点间的距离计算显然是不合理的，基于此，本公开通过研究变电站中障碍物对无线信号的衰减程度，对上述公式进行了优化，得出最终的节点间距离的优化结果：
Figure BDA0002728888290000071
suc(d)＝4πL(prd+PL(d0)+10NClog(d/df)+20log(df/d0)+∑DL)
其中，Nc表示衡量数据转发路由的能耗损失指数，DL表示网络空间中障碍物对无线信号的衰减，df为发射天线所处的网络中等效的理想环境边界。
进一步的，所述数据中转传输的无线传感器路径优化方法具体步骤如下：
(1)根据接收天线接收到的信号强度计算传感器节点到预设范围内所有中转节点的距离，选择其中的最小距离记作d1；
(2)计算所述传感器节点到所述电能质量监测平台间的距离记作d2，若d1不小于d2，则所述传感器节点直传到所述电能质量监测平台，该传感器节点传输路径优化结束；
(3)若d1小于d2，则选择距离为d1的中转节点P进行转发；计算中转节点P到预设范围内所有中转节点的距离，选择其中最小距离记作d3；若d3不小于d2，则所述中转节点直传到所述电能质量监测平台，该传感器节点传输路径优化结束；若d3小于d2，则选择距离为d3的中转节点Q进行转发；循环执行步骤(3)直至优化结束。
进一步的，为了避免中转次数过多造成网络延时过长，采用最少跳数路径来确定中转节点的位置，具体的，针对每个传感器节点以广播路由的方式进行数据发送，从所述传感器节点到所述电能质量监测平台之间的所有路由路径中，选择中转次数最少的路径，并将此路径上的节点作为中转节点。
进一步的，在判断是否选择邻近中转节点进行数据转发时，需要保证选择邻近中转节点转发数据所消耗的能量要小于直接转发所消耗的能量。
实施例二：
本实施例的目的是提供一种变电站电能质量监测系统。
一种变电站电能质量监测系统，其采用上述的一种变电站电能质量监测方法，所述系统包括：
传感器节点，用于监测终端设备的各项电能指标；
中转节点，用于对监测终端的各项电能指标进行接收、存储及上传；
电能质量监测平台，用于控制监测系统的运行以及对变电站电能质量指标进行分析处理。
实施例三：
本实施例的目的是提供一种电子设备。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的一种变电站电能质量监测方法，包括：
基于无线传感器网络构建传感器节点、中转节点以及电能质量监测平台间的网络拓扑结构；所述传感器节点通过中转节点的多级转发将采集到的数据发送到所述电能质量监测平台；
构建所述网络拓扑结构的路由能耗模型；
基于所述路由能耗模型，通过数据中转传输的无线传感器路径优化方法求解每个传感器节点的最优路由路径；
根据所述最优路由路径，将各传感器节点采集的数据发送到所述电能质量监测平台，实现变电站电能质量的监测。
实施例四：
本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的一种变电站电能质量监测方法，包括：
基于无线传感器网络构建传感器节点、中转节点以及电能质量监测平台间的网络拓扑结构；所述传感器节点通过中转节点的多级转发将采集到的数据发送到所述电能质量监测平台；
构建所述网络拓扑结构的路由能耗模型；
基于所述路由能耗模型，通过数据中转传输的无线传感器路径优化方法求解每个传感器节点的最优路由路径；
根据所述最优路由路径，将各传感器节点采集的数据发送到所述电能质量监测平台，实现变电站电能质量的监测。
上述实施例提供的一种变电站电能质量监测系统及方法完全可以实现，具有广阔的应用前景。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种变电站电能质量监测方法，其特征在于，包括：
基于无线传感器网络构建传感器节点、中转节点以及电能质量监测平台间的网络拓扑结构；所述传感器节点通过中转节点的多级转发将采集到的数据发送到所述电能质量监测平台；
构建所述网络拓扑结构的路由能耗模型；
基于所述路由能耗模型，通过数据中转传输的无线传感器路径优化方法求解每个传感器节点的最优路由路径；
根据所述最优路由路径，将各传感器节点采集的数据发送到所述电能质量监测平台，实现变电站电能质量的监测。
2.如权利要求1所述的一种变电站电能质量监测方法，其特征在于，所述传感器节点，用于监测终端设备的各项电能指标；所述中转节点，用于对监测终端的各项电能指标进行接收、存储及上传；所述电能质量监测平台，用于控制监测系统的运行以及对变电站电能质量指标进行分析处理。
3.如权利要求1所述的一种变电站电能质量监测方法，其特征在于，基于变电站电能质量监测对数据时效性要求以及整个无线传感器网络的能量和成本的考虑，所述无线传感器网络拓扑结构的路由能耗模型如下所示：
Figure FDA0002728888280000011
其中，dp,q表示传感器节点p与其相邻的中转节点q之间的距离，E(dp,q)表示节点间距离为d时传感器节点发送数据过程的功耗，ξ为与变电站通信参数相关的系数，α为节点传输过程中能耗损失系数，c表示除发送过程功耗外的其它功耗。
4.如权利要求1所述的一种变电站电能质量监测方法，其特征在于，所述基于数据中转传输的无线传感器路径优化方法的具体步骤如下：
(1)根据接收天线接收到的信号强度计算传感器节点到预设范围内所有中转节点的距离，选择其中的最小距离记作d1；
(2)计算所述传感器节点到所述电能质量监测平台间的距离记作d2，若d1不小于d2，则所述传感器节点直传到所述电能质量监测平台，该传感器节点传输路径优化结束；
(3)若d1小于d2，则选择距离为d1的中转节点P进行转发；计算中转节点P到预设范围内所有中转节点的距离，选择其中最小距离记作d3；若d3不小于d2，则所述中转节点直传到所述电能质量监测平台，该传感器节点传输路径优化结束；若d3小于d2，则选择距离为d3的中转节点Q进行转发；循环执行步骤(3)直至优化结束。
5.如权利要求4所述的一种变电站电能质量监测方法，其特征在于，所述路由路径包括传感器节点到中转节点的路径、中转节点到下一级中转节点的路径。
6.如权利要求4所述的一种变电站电能质量监测方法，其特征在于，为了避免中转次数过多造成网络延时过长，采用最少跳数路径来确定中转节点的位置，具体的，针对每个传感器节点以广播路由的方式进行数据发送，从所述传感器节点到所述电能质量监测平台之间的所有路由路径中，选择中转次数最少的路径，并将此路径上的节点作为中转节点。
7.如权利要求1所述的一种变电站电能质量监测方法，其特征在于，在判断是否选择邻近节点进行数据转发时，需要判断选择邻近节点转发数据所消耗的能量要小于直接转发所消耗的能量。
8.一种变电站电能质量监测系统，其特征在于，其采用如权利要求1-7任一项所述的一种变电站电能质量监测方法，所述系统包括：
传感器节点，用于监测终端设备的各项电能指标；
中转节点，用于对监测终端的各项电能指标进行接收、存储及上传；
电能质量监测平台，用于控制监测系统的运行以及对变电站电能质量指标进行分析处理。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任一项所述的一种变电站电能质量监测方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的一种变电站电能质量监测方法。
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