CN116828560A - 一种基于无线传感器网络的变电站抗震状态监测系统 - Google Patents

一种基于无线传感器网络的变电站抗震状态监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于监测领域，公开了一种基于无线传感器网络的变电站抗震状态监测系统，包括无线传感器网络模块和监测中心模块；无线传感器网络模块包括无线传感器节点和网关设备；网关设备用于根据地震状态综合系数对无线传感器节点进行分簇，得到包含各个无线传感器节点的身份信息的分簇通知消息；无线传感器节点用于根据身份信息获取被监测物体的监测数据，并将监测数据发送至网关设备；网关设备用于将监测数据发送至监测中心模块；监测中心模块用于基于监测数据对变电站中的设备进行控制。与现有的无线传感器网络相比，本发明平衡了对变电站进行抗震监测时的节能和传输效率之间的关系。

Description

一种基于无线传感器网络的变电站抗震状态监测系统
技术领域
本发明涉及监测领域，尤其涉及一种基于无线传感器网络的变电站抗震状态监测系统。
背景技术
抗震状态监测指的是在地震的过程中获取被监测对象的监测数据，从而能够直观地了解到被监测对象的状态变化，便于作出相应的动作措施。
在对变电站进行抗震监测的过程中，现有技术一般是使用无线传感器网络来获取变电站中的各个监测位置的监测数据，但是，现有的无线传感器网络，其在分簇时，分簇算法都是保持不变的，但是，变电站的地理状态是会变化的，若在分簇时以传输效率为优先考虑的目标，那么，在没有发生地震时，无线传感器网络的能量消耗比较快，导致更换电池的频率增加，从而增加工作人员的工作量，而若在分簇时以节能为优先考虑的目标，那么，传输效率便会受到影响，在发生地震时和发生地震之后的余震阶段，无法及时对监测数据进行传输。因此，现有的无线传感器网络不能够适用于对变电站的抗震状态进行监测。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明的目的在于公开一种基于无线传感器网络的变电站抗震状态监测系统，解决如何在对变电站进行抗震状态监测时，平衡节能和传输效率之间的关系的问题。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于无线传感器网络的变电站抗震状态监测系统，包括无线传感器网络模块和监测中心模块；
无线传感器网络模块包括无线传感器节点和网关设备；
网关设备用于对无线传感器节点进行分簇，得到包含各个无线传感器节点的身份信息的分簇通知消息，以及用于将分簇通知消息发送至每个无线传感器节点；
无线传感器节点用于根据身份信息获取被监测物体的监测数据，并将监测数据发送至网关设备；
网关设备用于将监测数据发送至监测中心模块；
监测中心模块用于基于监测数据对变电站中的设备进行控制；
其中，对无线传感器节点进行分簇，得到包含各个无线传感器节点的身份信息的分簇通知消息，包括：
计算地震状态综合系数；
若地震状态综合系数大于设定的状态阈值，则使用预设的第一分簇算法对无线传感器节点进行分簇处理，得到包含各个无线传感器节点的身份信息的分簇通知消息；
若地震状态综合系数小于等于设定的状态阈值，则使用预设的第二分簇算法对无线传感器节点进行分簇处理，得到包含各个无线传感器节点的身份信息的分簇通知消息。
优选的，无线传感器节点的身份信息包括身份类型和分簇信息；
身份类型为簇头节点或非簇头节点；
分簇信息为非簇头节点所对应的簇的簇头节点的位置和编号。
优选的，根据身份信息获取被监测物体的监测数据，并将监测数据发送至网关设备，包括：
根据身份信息获取自身的身份类型；
若身份类型为非簇头节点，则无线传感器节点获取被监测物体的监测数据，并将监测数据发送至无线传感器节点所对应的簇的簇头节点；
若身份类型为簇头节点，则无线传感器节点获取被监测物体的监测数据，以及接收来自身份类型为非簇头节点的无线传感器节点发送的监测数据，并将自身获取的监测数据以及接收到的监测数据发送至监测中心模块。
优选的，将分簇通知消息发送至每个无线传感器节点，包括：
采用洪泛法作为路由算法，将分簇通知消息发送至每个无线传感器节点。
优选的，监测数据包括被监测物体的加速度、振幅和位移。
优选的，基于监测数据对变电站中的设备进行控制，包括：
基于监测数据的类型获取对应的判断区间；
若监测数据的数值不处于判断区间之内，则表示停止变电站中的设备的运行；
若监测数据的数值处于判断区间之内，则不改变变电站中的设备的运行状态。
优选的，计算地震状态综合系数，包括：
采用固定的时间周期来计算地震状态综合系数。
优选的，计算地震状态综合系数，包括：
获取距离计算时刻Q最近的且获取时刻相同的每种类型的监测数据的集合；
通过如下函数计算地震状态综合系数：
其中，/>表示地震状态综合系数，N表示监测数据的类型的总数，/>表示第n种类型的监测数据的权重值，/>表示第n种类型的监测数据的数据值，
其中，/>为求和系数，/>，/>为第n种类型的监测数据中，数值大于对应的数值阈值的监测数据的数量，/>表示第n种类型的监测数据所处的集合中的元素的个数，/>为预设的第n种类型的监测数据的均值的标准值，/>表示第n种类型的监测数据所处的集合中的第m个监测数据的数值。
优选的，使用预设的第一分簇算法对无线传感器节点进行分簇处理，包括：
将无线传感器网络模块的监测区域分为多个大小相同的子区域，相邻的两个子区域中的任意两个无线传感器节点之间能够互相进行通信；
将每个子区域中距离网关设备最近的无线传感器节点作为该子区域的簇头节点，其余的无线传感器节点作为非簇头节点。
优选的，使用预设的第二分簇算法对无线传感器节点进行分簇处理，包括：
计算子区域的面积S；
基于面积S将无线传感器网络模块的监测区域分为P个子区域；
分别计算每个子区域中的每个无线传感器节点的性能参数；
将性能参数最大的无线传感器节点作为该子区域的簇头节点，其余的无线传感器节点作为非簇头节点。
与现有的无线传感器网络相比，本发明的无线传感器网络能够根据地震状态综合系数来切换分簇算法，从而能够在地震状态综合系数大于设定的状态阈值，即地震时间段和地震状态综合系数小于等于设定的状态阈值，即非地震时间段分别采用不同的分簇算法来进行分簇，从而平衡了节能和传输效率之间的关系。
附图说明
图1为本发明一种基于无线传感器网络的变电站抗震状态监测系统的一种示意图。
图2为本发明使用预设的第二分簇算法对无线传感器节点进行分簇处理的一种示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示的一种实施例，本发明提供了一种基于无线传感器网络的变电站抗震状态监测系统，包括无线传感器网络模块和监测中心模块；
无线传感器网络模块包括无线传感器节点和网关设备；
网关设备用于对无线传感器节点进行分簇，得到包含各个无线传感器节点的身份信息的分簇通知消息，以及用于将分簇通知消息发送至每个无线传感器节点；
无线传感器节点用于根据身份信息获取被监测物体的监测数据，并将监测数据发送至网关设备；
网关设备用于将监测数据发送至监测中心模块；
监测中心模块用于基于监测数据对变电站中的设备进行控制；
其中，对无线传感器节点进行分簇，得到包含各个无线传感器节点的身份信息的分簇通知消息，包括：
计算地震状态综合系数；
若地震状态综合系数大于设定的状态阈值，则使用预设的第一分簇算法对无线传感器节点进行分簇处理，得到包含各个无线传感器节点的身份信息的分簇通知消息；
若地震状态综合系数小于等于设定的状态阈值，则使用预设的第二分簇算法对无线传感器节点进行分簇处理，得到包含各个无线传感器节点的身份信息的分簇通知消息。
与现有的无线传感器网络相比，本发明的无线传感器网络能够根据地震状态综合系数来切换分簇算法，从而能够在地震状态综合系数大于设定的状态阈值，即地震时间段和地震状态综合系数小于等于设定的状态阈值，即非地震时间段分别采用不同的分簇算法来进行分簇，从而平衡了节能和传输效率之间的关系。
优选的，无线传感器节点的身份信息包括身份类型和分簇信息；
身份类型为簇头节点或非簇头节点；
分簇信息为非簇头节点所对应的簇的簇头节点的位置和编号。
网关设备在分簇的过程中会为每个无线传感器节点进行编号，然后在得到簇头节点和非簇头节点后，便能够根据编号将无线传感器节点分到不同的簇中。
优选的，根据身份信息获取被监测物体的监测数据，并将监测数据发送至网关设备，包括：
根据身份信息获取自身的身份类型；
若身份类型为非簇头节点，则无线传感器节点获取被监测物体的监测数据，并将监测数据发送至无线传感器节点所对应的簇的簇头节点；
若身份类型为簇头节点，则无线传感器节点获取被监测物体的监测数据，以及接收来自身份类型为非簇头节点的无线传感器节点发送的监测数据，并将自身获取的监测数据以及接收到的监测数据发送至监测中心模块。
具体的，被监测物体可以是变电站中的任何一种设备，还可以是变电站的某一处的地面、变电站中的建筑等。
优选的，将分簇通知消息发送至每个无线传感器节点，包括：
采用洪泛法作为路由算法，将分簇通知消息发送至每个无线传感器节点。
洪泛法是一种简单的路由算法，无线传感器节点将收到的分簇通知消息，往所有的可能连结路径上递送。
优选的，监测数据包括被监测物体的加速度、振幅和位移。
监测数据主要是用来反映被监测物体在地震时和非地震时的状态的变化，若加速度突然从0变化到非常大，而振幅也变得很大，位移也变得很大，那么，被监测物体受到的影响也就越大。
优选的，基于监测数据对变电站中的设备进行控制，包括：
基于监测数据的类型获取对应的判断区间；
若监测数据的数值不处于判断区间之内，则表示停止变电站中的设备的运行；
若监测数据的数值处于判断区间之内，则不改变变电站中的设备的运行状态。
例如，可以对变压器、开关柜母线、高压柜、低压柜等进行控制，让它们停止运行。
优选的，监测中心模块还用于基于监测数据对变电站的受损程度进行评估。
通过对比监测数据前后变化量以及获得的监测数据的数量来评估受损程度。若传回来的监测数据的数量非常少，地震前后的监测数据的变化量非常大，那么，受损程度就越严重。
优选的，计算地震状态综合系数，包括：
采用固定的时间周期来计算地震状态综合系数。
时间周期可以由工作人员实现进行确定，计算完地震状态综合系数后，便重新对无线传感器节点进行分簇。
无线传感器节点在固定的时间周期结束时，便将自身的与分簇相关的信息发送至网关设备，例如剩余能量，邻居节点表等分簇相关的信息。
固定的时间周期结束后，便开始计算地震状态综合参数。
优选的，计算地震状态综合系数，包括：
获取距离计算时刻Q最近的且获取时刻相同的每种类型的监测数据的集合；
通过如下函数计算地震状态综合系数：
其中，/>表示地震状态综合系数，N表示监测数据的类型的总数，/>表示第n种类型的监测数据的权重值，/>表示第n种类型的监测数据的数据值，
其中，/>为求和系数，/>，/>为第n种类型的监测数据中，数值大于对应的数值阈值的监测数据的数量，/>表示第n种类型的监测数据所处的集合中的元素的个数，/>为预设的第n种类型的监测数据的均值的标准值，/>表示第n种类型的监测数据所处的集合中的第m个监测数据的数值。
地震状态综合系数从多种类型的监测数据进行综合计算得到，为每种类型的监测数据设置了不同的权重，有效地提高判断是否发生地震的准确率。例如，对于振幅而言，部分位置较高的被监测物体可能会受到风的影响从而产生振幅的变化，那么为了提高对地震的监测的准确率，就可以设置这种类型的监测数据的权重小于位移的权重，从而避免大风导致错误地识别出地震。而每种类型的监测数据的数据值则是从大于数值阈值的监测数据的数量以及监测数据的数值的平均值这两个角度进行综合求和得到，使得地震状态综合系数更能准确地表示是否发生地震。
优选的，使用预设的第一分簇算法对无线传感器节点进行分簇处理，包括：
将无线传感器网络模块的监测区域分为多个大小相同的子区域，相邻的两个子区域中的任意两个无线传感器节点之间能够互相进行通信；
将每个子区域中距离网关设备最近的无线传感器节点作为该子区域的簇头节点，其余的无线传感器节点作为非簇头节点。
在使用第一分簇算法进行分簇时，变电站处于地震的时间段，此时以及时传输监测数据为目的，因此，本发明直接选择距离网关设备最近的无线传感器节点作为子区域中的簇头节点，从而实现最高的传输效率。
在一种实施方式中，子区域的数量不进行限制，只需要相邻的两个子区域中的任意两个无线传感器节点之间能够互相进行通信即可。
在另一种实施方式中，对子区域的最小面积进行限制，划分得到的子区域满足最小面积的限制且满足任意两个无线传感器节点之间能够互相进行通信。
优选的，如图2所示，使用预设的第二分簇算法对无线传感器节点进行分簇处理，包括：
计算子区域的面积S；
基于面积S将无线传感器网络模块的监测区域分为P个子区域；
分别计算每个子区域中的每个无线传感器节点的性能参数；
将性能参数最大的无线传感器节点作为该子区域的簇头节点，其余的无线传感器节点作为非簇头节点。
在使用第二分簇算法进行分簇时，变电站处于非地震的时间段，此时则是以节约能量为主，不再简单地以与网关设备之间的距离来作为簇头选择的标准，而是通过性能参数来进行计算分簇，从而有效地节约了无线传感器节点的能量消耗。
优选的，计算子区域的面积S，包括：
获取无线传感器节点在固定的时间周期结束时的剩余能量；
基于剩余能量计算子区域的面积S：
其中，/>表示无线传感器网络模块的监测区域的大小，D表示无线传感器节点的总数，/>表示信号放大倍数，/>表示发送预设大小的数据所需要的能量，/>为无线传感器节点与网关设备之间的最大距离，/>表示无线传感器节点在固定的时间周期结束时的剩余能量的方差，/>表示预设的方差常数，/>表示预设的数量常数。
在使用第二分簇算法进行分簇时，面积不再是随意计算得到的，而是通过监测区域的大小，无线传感器节点的总数、信号放大倍数、发送预设大小的数据所需要的能量、与网关设备之间的最大距离、剩余能量的方差等参数综合计算得到。使得面积S的大小能够随着剩余能量的变化而变化，剩余能量的方差越大，则表示无线传感器节点之间的剩余能量的差异越大，此时面积S的数值便越小，反之，面积S的数值便越大，这样使得计算得到的面积更为合理，更有利于平衡无线传感器节点的能量消耗，从而降低无线传感器节点的整体的能量消耗速度。
在一些实施方式中，预设大小的数据为B个字节的数据。
优选的，无线传感器节点的性能参数的计算过程包括：
获取性能参数的计算参数的权重值；
计算性能参数：
其中，/>为性能参数，/>为无线传感器节点与网关设备之间的最大距离，/>为计算性能参数的无线传感器节点与网关设备之间的距离，/>为计算参数/>的权重值，/>为计算性能参数的无线传感器节点的剩余能量，/>为无线传感器节点的所能携带的能量的最大值，/>为计算参数/>的权重值，/>为计算性能参数的无线传感器节点的邻居节点的总数，/>为所有的无线传感器节点的邻居节点的总数的最大值，k为从无线传感器节点开始运行的时刻开始，经过的固定的时间周期的数量，/>为计算参数/>的权重值。
性能参数从距离，剩余能量和邻域节点的数量进行加权计算得到，通过性能参数的计算，选出的是综合能量消耗最低的簇头节点，而不是传输效率最高的簇头节点，有利于节约能量。
本发明与现有的设置固定的权重值的方式不同，采用的是可变的权重值，从而使得不同类型的计算参数的权重值能够随着地震状态综合系数的变化而变化，从而实现在节约能量消耗的同时，使得地震状态综合系数变大时，监测数据的传输效率也变高，有利于在地震状态综合系数变大时，更快地得到监测数据，更快地对变电站中的设备进行相应的控制，降低地震造成的损失。而在地震状态综合系数便小时，监测数据的传输效率变低，进一步节约能量消耗。
优选的，获取计算参数的权重值，包括：
当k小于等于2时：
各个计算参数的权重值均为预设的数值；
当k大于2时：
对于计算参数，其权重值/>的计算函数为：
对于计算参数/>和，其权重值的计算方式如下：
其中，/>和/>分别为经过k个固定的时间周期和经过k-1个固定的时间周期后，计算参数/>的权重值，/>和/>分别表示经过k-1个和k-2个固定的时间周期后的地震状态综合系数，/>表示获取/>之间的较大值，/>为设定的单位权重。
在本发明中，计算参数的权重值能够随着地震状态综合系数的变化而变化，当地震状态综合系数变大时，表示进入地震时间段的概率在增加，此时，本发明会增加计算参数的权重值，降低另外两个计算参数的权重值，从而在多个方面综合计算性能参数的同时，实现更快的数据传输效率。而/>的变化量与/>和/>的差值有关，差值越大，则变化量越大，从而实现计算参数/>的权重值的更为精准的跟随变化，有利于及时地将监测数据传输至监测中心模块。
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其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无线传感器网络的变电站抗震状态监测系统，其特征在于，包括无线传感器网络模块和监测中心模块；
无线传感器网络模块包括无线传感器节点和网关设备；
网关设备用于对无线传感器节点进行分簇，得到包含各个无线传感器节点的身份信息的分簇通知消息，以及用于将分簇通知消息发送至每个无线传感器节点；
无线传感器节点用于根据身份信息获取被监测物体的监测数据，并将监测数据发送至网关设备；
网关设备用于将监测数据发送至监测中心模块；
监测中心模块用于基于监测数据对变电站中的设备进行控制；
其中，对无线传感器节点进行分簇，得到包含各个无线传感器节点的身份信息的分簇通知消息，包括：
计算地震状态综合系数；
若地震状态综合系数大于设定的状态阈值，则使用预设的第一分簇算法对无线传感器节点进行分簇处理，得到包含各个无线传感器节点的身份信息的分簇通知消息；
若地震状态综合系数小于等于设定的状态阈值，则使用预设的第二分簇算法对无线传感器节点进行分簇处理，得到包含各个无线传感器节点的身份信息的分簇通知消息。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的变电站抗震状态监测系统，其特征在于，无线传感器节点的身份信息包括身份类型和分簇信息；
身份类型为簇头节点或非簇头节点；
分簇信息为非簇头节点所对应的簇的簇头节点的位置和编号。
3.根据权利要求2所述的一种基于无线传感器网络的变电站抗震状态监测系统，其特征在于，根据身份信息获取被监测物体的监测数据，并将监测数据发送至网关设备，包括：
根据身份信息获取自身的身份类型；
若身份类型为非簇头节点，则无线传感器节点获取被监测物体的监测数据，并将监测数据发送至无线传感器节点所对应的簇的簇头节点；
若身份类型为簇头节点，则无线传感器节点获取被监测物体的监测数据，以及接收来自身份类型为非簇头节点的无线传感器节点发送的监测数据，并将自身获取的监测数据以及接收到的监测数据发送至监测中心模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的变电站抗震状态监测系统，其特征在于，将分簇通知消息发送至每个无线传感器节点，包括：
采用洪泛法作为路由算法，将分簇通知消息发送至每个无线传感器节点。
5.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的变电站抗震状态监测系统，其特征在于，监测数据包括被监测物体的加速度、振幅和位移。
6.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的变电站抗震状态监测系统，其特征在于，基于监测数据对变电站中的设备进行控制，包括：
基于监测数据的类型获取对应的判断区间；
若监测数据的数值不处于判断区间之内，则表示停止变电站中的设备的运行；
若监测数据的数值处于判断区间之内，则不改变变电站中的设备的运行状态。
7.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的变电站抗震状态监测系统，其特征在于，计算地震状态综合系数，包括：
采用固定的时间周期来计算地震状态综合系数。
8.根据权利要求7所述的一种基于无线传感器网络的变电站抗震状态监测系统，其特征在于，计算地震状态综合系数，包括：
获取距离计算时刻Q最近的且获取时刻相同的每种类型的监测数据的集合；
通过如下函数计算地震状态综合系数：，其中，/>表示地震状态综合系数，N表示监测数据的类型的总数，/>表示第n种类型的监测数据的权重值，/>表示第n种类型的监测数据的数据值，，其中，/>为求和系数，/>，/>为第n种类型的监测数据中，数值大于对应的数值阈值的监测数据的数量，/>表示第n种类型的监测数据所处的集合中的元素的个数，/>为预设的第n种类型的监测数据的均值的标准值，/>表示第n种类型的监测数据所处的集合中的第m个监测数据的数值。
9.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的变电站抗震状态监测系统，其特征在于，使用预设的第一分簇算法对无线传感器节点进行分簇处理，包括：
将无线传感器网络模块的监测区域分为多个大小相同的子区域，相邻的两个子区域中的任意两个无线传感器节点之间能够互相进行通信；
将每个子区域中距离网关设备最近的无线传感器节点作为该子区域的簇头节点，其余的无线传感器节点作为非簇头节点。
10.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的变电站抗震状态监测系统，其特征在于，使用预设的第二分簇算法对无线传感器节点进行分簇处理，包括：
计算子区域的面积S；
基于面积S将无线传感器网络模块的监测区域分为P个子区域；
分别计算每个子区域中的每个无线传感器节点的性能参数；
将性能参数最大的无线传感器节点作为该子区域的簇头节点，其余的无线传感器节点作为非簇头节点。
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