CN117042008B - 一种基于无线传感器网络的电力设备控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力设备控制领域，公开了一种基于无线传感器网络的电力设备控制系统，包括无线传感器节点和管理设备；管理设备用于对无线传感器节点的工作区域进行分区，得到多个大小一致的子区域；得到每个子区域的簇头节点；对获得的子区域进行优化处理，得到多个分簇集合；将分簇集合发送至无线传感器节点；无线传感器节点用于根据分簇集合判断自身是簇头节点还是成员节点。本发明降低了数据的被中转的次数，从而提高了通信效率。

Description

一种基于无线传感器网络的电力设备控制系统

技术领域

本发明涉及电力设备控制领域，尤其涉及一种基于无线传感器网络的电力设备控制系统。

背景技术

无线传感器网络是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

为了方便用使用场景中的电力设备的拓展与移动，现有技术中出现了利用无线传感器网络作为电力设备与控制中心之间的通信媒介的技术。利用无线传感器网络对变电站中的电力设备进行控制时，一般需要先进行分簇，基于分簇结果建立无线传感器网络，由无线传感器网络来实现电力设备与控制中心之间的通信。传统的分簇协议，例如低功耗自适应集簇分层型协议，其在选取簇头时是通过产生随机数来实现的，这就容易簇头节点的分布并不合理。而为了提高簇头节点的分布的合理程度，出现了先对无线传感器节点的工作区域进行分区，将节点分为多个大小相同的区域，然后分别在每个区域中选出簇头节点的技术。

但是，这种簇头节点的选择方式依然存在着如下缺点：部分区域中的成员节点数量过少，从而导致与控制中心之间的通信效率受到了影响。因为这样的区域中，需要先将数据发送至自身所在的区域的簇头节点，然后再由簇头节点进行转发，在成员节点能够直接与相邻的区域的簇头节点通信时，与将数据发送至自身所在区域的簇头节点相比，直接发送至相邻的区域的簇头节点能够减少数据被中转的次数，获得更高的通信效率。

发明内容

本发明的目的在于公开一种基于无线传感器网络的电力设备控制系统，解决在通过无线传感器网络对电力设备进行控制时，如何提高成员节点与控制中心之间的通信效率的问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种基于无线传感器网络的电力设备控制系统，包括无线传感器节点和管理设备；

管理设备用于进行如下计算：

对无线传感器节点的工作区域进行分区，得到多个大小一致的子区域；

分别对每个子区域中的无线传感器节点进行分簇，得到每个子区域的簇头节点；

对获得的子区域进行优化处理，得到多个分簇集合：

分别计算每个子区域的优化概率参数；

对于子区域sublk，若其优化概率参数大于设定的参数阈值，则将sublk中的无线传感器节点分配到设定范围内的其它子区域；否则，不对sublk进行处理；

将获得的簇头节点以及簇头节点所对应的成员节点保存到分簇集合；

将分簇集合发送至无线传感器节点；

无线传感器节点用于根据分簇集合判断自身是簇头节点还是成员节点。

优选地，成员节点用于与电力设备进行通信，获取电力设备的运行信息，并将电力设备的运行信息发送至簇头节点；

簇头节点用于与电力设备进行通信，获取电力设备的运行信息；

簇头节点还用于将运行信息发送至管理设备。

优选地，还包括控制设备；

管理设备用于将运行信息发送至控制设备。

优选地，控制设备用于对运行信息进行显示；用于控制人员输入对电力设备进行控制的控制指令；以及用于将控制指令发送至管理设备。

优选地，控制指令包括接收者和控制内容，接收者为成员节点或簇头节点。

优选地，管理设备用于将控制指令发送至接收者；

接收者用于将控制指令传输至电力设备的控制器。

优选地，对无线传感器节点的工作区域进行分区，得到多个大小一致的子区域，包括：

将无线传感器节点的工作区域表示为区域A：

mihx和mahx分别表示无线传感器节点的横坐标的最小值和最大值；mihy和mahy分别表示无线传感器节点的纵坐标的最小值和最大值，x和y分别表示横坐标和纵坐标；

计算子区域的数量：

numfir表示子区域的数量，areaA表示区域A的面积，R表示无线传感器节点的最大通信半径，δ表示调节参数，δ∈(1.1,1.3)；

将区域A分为numfir个大小一致的子区域，将得到的子区域存入集合subset；

将不包含无线传感器节点的子区域从subset中删除，得到集合asubset；

将asubset中的元素作为最终得到的子区域。

优选地，分别对每个子区域中的无线传感器节点进行分簇，得到每个子区域的簇头节点，包括：

分别计算子区域中的每个无线传感器节点的性能系数；

将性能系数最大的无线传感器节点作为子区域中的簇头节点，将子区域中除了簇头节点之外的无线传感器节点作为成员节点。

优选地，优化概率参数的计算函数为：

optipro表示优化概率参数，α、η、λ分别表示设定的第一权重、第二权重、第三权重、第四权重；numctnei表示处于内的子区域的成员节点中，能够与除了自身所在的子区域中的簇头节点B之外的其他簇头节点进行通信的成员节点的数量，numbk表示子区域中的成员节点的数量，nummx表示子区域中的成员节点的数量的最大值；hedclutbs表示子区域中的簇头节点与管理设备之间的距离，mxtbs表示簇头节点与管理设备之间的距离的最大值，nodeu表示子区域的成员节点的集合，dist_i,1表示成员节点i与其所在的子区域中的簇头节点B之间的距离，dist_i,2表示成员节点i与除了簇头节点B之外的其它簇头节点之间的距离的最小值。

优选地，将sublk中的无线传感器节点分配到设定范围内的其它子区域，包括：

获取与sublk相邻的子区域的集合neiblku；neiblku为设定范围内的其它子区域的集合；

对于sublk中的无线传感器节点C，分别计算无线传感器节点C与neiblku中的每个子区域之间的距离；

将无线传感器节点C分配到neiblku中距离无线传感器节点C最近的子区域，作为该子区域的成员节点。

与现有技术相比，本发明在对无线传感器节点的工作区域进行分区，获得每个子区域中的簇头节点和成员节点之后，还通过计算优化概率参数来对得到的子区域进行优化处理，能够将优化概率参数大于参数阈值的子区域中的无线传感器节点分配到其它子区域中，从而避免了成员节点数量过少的子区域中的成员节点将数据传输到自身所在的子区域中的簇头节点，降低了数据的被中转的次数，从而提高了通信效率。

附图说明

从下文给出的详细描述和附图中将更充分地理解本公开，附图仅以说明的方式给出，因此不限制本公开，并且其中：

图1为本发明一种基于无线传感器网络的电力设备控制系统的一种示意图。

图2为本发明一种基于无线传感器网络的电力设备控制系统的另一种示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

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电力设备控制系统，包括：

包括无线传感器节点和管理设备；

管理设备用于进行如下计算：

对无线传感器节点的工作区域进行分区，得到多个大小一致的子区域；

分别对每个子区域中的无线传感器节点进行分簇，得到每个子区域的簇头节点；

对获得的子区域进行优化处理，得到多个分簇集合：

分别计算每个子区域的优化概率参数；

对于子区域sublk，若其优化概率参数大于设定的参数阈值，则将sublk中的无线传感器节点分配到设定范围内的其它子区域；否则，不对sublk进行处理；

将获得的簇头节点以及簇头节点所对应的成员节点保存到分簇集合；

将分簇集合发送至无线传感器节点；

无线传感器节点用于根据分簇集合判断自身是簇头节点还是成员节点。

与现有技术相比，本发明在对无线传感器节点的工作区域进行分区，获得每个子区域中的簇头节点和成员节点之后，还通过计算优化概率参数来对得到的子区域进行优化处理，能够将优化概率参数大于参数阈值的子区域中的无线传感器节点分配到其它子区域中，从而避免了成员节点数量过少的子区域中的成员节点将数据传输到自身所在的子区域中的簇头节点，降低了数据的被中转的次数，从而提高了通信效率。

具体的，无线传感器节点的数量为多个，每个无线传感器节点与一个电力设备的控制器连接。

电力设备分散放置在使用场景中。通过无线传感器节点作为通信媒介，与控制中心之间进行通信。

例如，当使用场景为厂房时，多种用于生产的电力设备分散在厂房中，包括切割设备、起重设备、温度控制设备等。

当使用场景为变电站时，多种用于进行电力控制的设备分散在变电站中，包括空调设备，拍摄设备，开关柜，高压柜，低压柜等。

优选地，成员节点用于与电力设备进行通信，获取电力设备的运行信息，并将电力设备的运行信息发送至簇头节点；

簇头节点用于与电力设备进行通信，获取电力设备的运行信息；

簇头节点还用于将运行信息发送至管理设备。

具体的，电力设备的运行信息包括电流、电压等数据。

优选地，将运行信息发送至管理设备之前，簇头节点还需要对获得的运行信息进行如下判断：

计算运行信息的第一比较值和第二比较值；

计算判断参数：

其中，kudids表示判断参数，cmparo和cmpart分别表示第一比较值和第二比较值，stdcmp表示运行信息；

若kudids大于设定的参数阈值，则表示运行信息为误差数据，不对运行信息进行传输；若kudids小于等于设定参数阈值，则表示需要运行信息进行传输。

具体的，由于在簇头节点处便对获得的运行信息进行了判断，从而能够有效地降低了误差数据被进行传输的概率，有利于节约信道资源，保证非误差数据的传输效率，提高通信的有效率。

在进行比较的过程中，本发明分别计算了第一比较值和第二比较值，利用了两种不同的比较值来进行综合比较，从而能够有效地降低误判断的概率。传统的误差判断方式一般都是直接将获得的数值与设定的阈值进行比较，但是，这种方式存在着一定的缺点，因为在不同的时间段内，运行信息的数值差异会比较大，因此，很难设置出一个固定的阈值来适应不同的时间段的判断。而本发明利用的是计算判断参数的方式来进行判断，判断参数为一个比值，而比值并不涉及具体的数值，从而能够更加方便地设置参数阈值，只需要一个参数阈值便能够满足不同的时间段。

优选地，第一比较值为采用低通滤波算法对运行信息进行滤波计算所得到的的数值。

优选地，第二比较值的计算过程为：

计算用于进行参考的运行信息的数量refnum：

S表示最新获得的运行信息的编号，nbr表示预设的正整数，calue_i表示编号为i的运行信息，spdcalue表示预设的运行信息的方差，Q表示预设的第一数量；

将编号处于区间[S-refnum,S]范围内的运行信息存入集合cslu；将cslu中的元素作为用于参考的运行信息；

采用如下函数计算第二比较值：

其中，cmpart表示第二比较值，w_j,1和w_j,2分别表示编号权重和数值权重，calue_S表示编号为S的运行信息，calue_j表示编号为j的运行信息。

第二比较值在进行计算之前，会分别为不同的情况下的运行信息计算出相应的用于进行参考的运行信息的数量。这样计算的好处是，在运行信息的变化较为小时，refnum的值也会随之减小，提高获得第二比较值的速度。因为运行信息的变化越小，则越容易判断出最新获得的运行信息是否为误差数据，若是误差数据，那么其与前面所获得的运行信息之间的数值差异会非常显著。而在运行信息的变化较为大时，refnum的值也会随之增大，获得更多的运行信息来作为获得第二比较值的参考数据，从而能够使得获得的第二比较值更为准确。

第二比较值在进行计算时，通过编号权重和数值权重来综合对cslu中的数据进行加权，从而获得了对最新获得的运行信息的推理值，通过推理值与真实获得的数值进行比较，便能够知道真实获得的数值是否为误差数据。

如图2所示，优选地，还包括控制设备；

管理设备用于将运行信息发送至控制设备。

具体的，管理设备设置在使用场景的边缘，采用有线通信或无线通信的方式与控制设备进行通信。而控制设备则设置在监控室内，由控制人员进行操作。

优选地，控制设备用于对运行信息进行显示；用于控制人员输入对电力设备进行控制的控制指令；以及用于将控制指令发送至管理设备。

具体的，控制设备包括显示装置、输入装置和通信装置；显示装置用于显示运行信息；输入装置用于控制人员输入对电力设备进行控制的控制指令；通信装置用于与管理设备进行通信，将控制指令发送至管理设备。

优选地，控制指令包括接收者和控制内容，接收者为成员节点或簇头节点。

具体的，不同的电力设备的控制内容不同，控制内容可以包括转速、电流、电压等参数的具体数值。

优选地，管理设备用于将控制指令发送至接收者；

接收者用于将控制指令传输至电力设备的控制器。

在一种实施例中，将控制指令发送至接收者，包括：

获取接收者所在的子区域；

从路由表中获取管理设备与接收者之间的通信路径；

根据通信路径选择控制指令的发送对象；

将控制指令发送至发送对象。

具体的，路由表中记录了管理设备与成员节点或簇头节点之间的通信路径，根据通信路径便能够知道发送对象。

发送对象为管理设备的通信范围内的其中一个无线传感器节点。

另一个无线传感器节点继续重复差路由表的操作，从而实现将控制信息传输至接收者。

在另一种实施例中，将控制指令发送至接收者，包括：

采用洪泛通信的方式将控制指定发送至管理设备的通信范围内的所有无线传感器节点。

优选地，对无线传感器节点的工作区域进行分区，得到多个大小一致的子区域，包括：

将无线传感器节点的工作区域表示为区域A：

mihx和mahx分别表示无线传感器节点的横坐标的最小值和最大值；mihy和mahy分别表示无线传感器节点的纵坐标的最小值和最大值，x和y分别表示横坐标和纵坐标；

计算子区域的数量：

numfir表示子区域的数量，areaA表示区域A的面积，R表示无线传感器节点的最大通信半径，δ表示调节参数，δ∈(1.1,1.3)；

将区域A分为numfir个大小一致的子区域，将得到的子区域存入集合subset；

将不包含无线传感器节点的子区域从subset中删除，得到集合asubset；

将asubset中的元素作为最终得到的子区域。

具体的，本发明的子区域的数量并不是预先设定的，从而有效地提高了本发明的适应性。能够使用在工作区域不同的应用场景中。因为如果设定固定的数量，那么，当工作区域非常大时，获得的子区域的面积也会非常大，而由于本发明是从子区域中选出簇头节点的，这就会导致簇头节点的转发量过大，提前退出工作，影响簇头节点所负责的电力设备与控制设备之间的通信。因此，本发明根据工作区域来得到区域A，基于区域A的面积和无线传感器节点的最大通信半径来综合计算得到了子区域的数量，从而避免了工作区域的大小对本发明的正常运行的影响。

优选地，分别对每个子区域中的无线传感器节点进行分簇，得到每个子区域的簇头节点，包括：

分别计算子区域中的每个无线传感器节点的性能系数；

将性能系数最大的无线传感器节点作为子区域中的簇头节点，将子区域中除了簇头节点之外的无线传感器节点作为成员节点。

具体的，性能系数用于表示子区域中的无线传感器节点的转发能力，转发能力越大，则性能系数越大。

具体的，性能系数的计算函数为：

其中，perf表示性能系数，Ω为设定的比例值，Ω∈(0.1,0.6)，dtsb表示无线传感器节点与管理设备之间的最小通信跳数，dtsbmx表示无线传感器节点与管理设备之间的最大通信跳数，numbyR表示无线传感器节点的邻居节点的数量，numRmx表示预设的第二数量。

具体的，dtsb越小，numbyR越大，则性能系数越大，从而能够选出与管理设备之间的最小通信跳数尽可能小，邻居节点的数量尽可能大的无线传感器节点作为簇头节点。提高通信效率的同时平衡子区域中的无线传感器节点的能量消耗。

优选地，优化概率参数的计算函数为：

optipro表示优化概率参数，α、η、λ分别表示设定的第一权重、第二权重、第三权重、第四权重；numctnei表示处于内的子区域的成员节点中，能够与除了自身所在的子区域中的簇头节点B之外的其他簇头节点进行通信的成员节点的数量，numbk表示子区域中的成员节点的数量，nummx表示子区域中的成员节点的数量的最大值；hedclutbs表示子区域中的簇头节点与管理设备之间的距离，mxtbs表示簇头节点与管理设备之间的距离的最大值，nodeu表示子区域的成员节点的集合，dist_i,1表示成员节点i与其所在的子区域中的簇头节点B之间的距离，dist_i,2表示成员节点i与除了簇头节点B之外的其它簇头节点之间的距离的最小值。

具体的，当一个子区域中的成员节点的数量越少，能够与其它的簇的簇头节点进行通信的成员节点的数量越多，簇头节点与管理设备之间的距离越大，与其它的簇的簇头节点之间的平均距离越小，则优化概率参数越大。优化概率参数是从多个方面进行综合计算得到的，能够使得其充分表示子区域中的成员节点的数据传输效率，优化概率参数的数值越小，数据传输效率越低。从而能够将优化概率参数大的子区域进行拆分，降低其中的成员节点的所获得的数据的转发次数，提高通信效率。

优选地，将sublk中的无线传感器节点分配到设定范围内的其它子区域，包括：

获取与sublk相邻的子区域的集合neiblku；neiblku为设定范围内的其它子区域的集合；

对于sublk中的无线传感器节点C，分别计算无线传感器节点C与neiblku中的每个子区域之间的距离；

将无线传感器节点C分配到neiblku中距离无线传感器节点C最近的子区域，作为该子区域的成员节点。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于无线传感器网络的电力设备控制系统，其特征在于，包括无线传感器节点和管理设备；

管理设备用于进行如下计算：

对无线传感器节点的工作区域进行分区，得到多个大小一致的子区域；

分别对每个子区域中的无线传感器节点进行分簇，得到每个子区域的簇头节点；

对获得的子区域进行优化处理，得到多个分簇集合：

分别计算每个子区域的优化概率参数；

对于子区域sublk，若其优化概率参数大于设定的参数阈值，则将sublk中的无线传感器节点分配到设定范围内的其它子区域；否则，不对sublk进行处理；

将获得的簇头节点以及簇头节点所对应的成员节点保存到分簇集合；

将分簇集合发送至无线传感器节点；

无线传感器节点用于根据分簇集合判断自身是簇头节点还是成员节点；

优化概率参数的计算函数为：

optipro表示优化概率参数，α、η、λ分别表示设定的第一权重、第二权重、第三权重、第四权重；numctnei表示处于内的子区域的成员节点中，能够与除了自身所在的子区域中的簇头节点B之外的其他簇头节点进行通信的成员节点的数量，numbk表示子区域中的成员节点的数量，nummx表示子区域中的成员节点的数量的最大值；hedclutbs表示子区域中的簇头节点与管理设备之间的距离，mxtbs表示簇头节点与管理设备之间的距离的最大值，nodeu表示子区域的成员节点的集合，dist_i,1表示成员节点i与其所在的子区域中的簇头节点B之间的距离，dist_i,2表示成员节点i与除了簇头节点B之外的其它簇头节点之间的距离的最小值。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的电力设备控制系统，其特征在于，成员节点用于与电力设备进行通信，获取电力设备的运行信息，并将电力设备的运行信息发送至簇头节点；

簇头节点用于与电力设备进行通信，获取电力设备的运行信息；

簇头节点还用于将运行信息发送至管理设备。

3.根据权利要求2所述的一种基于无线传感器网络的电力设备控制系统，其特征在于，还包括控制设备；

管理设备用于将运行信息发送至控制设备。

4.根据权利要求3所述的一种基于无线传感器网络的电力设备控制系统，其特征在于，控制设备用于对运行信息进行显示；用于控制人员输入对电力设备进行控制的控制指令；以及用于将控制指令发送至管理设备。

5.根据权利要求4所述的一种基于无线传感器网络的电力设备控制系统，其特征在于，控制指令包括接收者和控制内容，接收者为成员节点或簇头节点。

6.根据权利要求5所述的一种基于无线传感器网络的电力设备控制系统，其特征在于，管理设备用于将控制指令发送至接收者；

接收者用于将控制指令传输至电力设备的控制器。

7.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的电力设备控制系统，其特征在于，对无线传感器节点的工作区域进行分区，得到多个大小一致的子区域，包括：

将无线传感器节点的工作区域表示为区域A：

mihx和mahx分别表示无线传感器节点的横坐标的最小值和最大值；mihy和mahy分别表示无线传感器节点的纵坐标的最小值和最大值，x和y分别表示横坐标和纵坐标；

计算子区域的数量：

numfir表示子区域的数量，areaA表示区域A的面积，R表示无线传感器节点的最大通信半径，δ表示调节参数，δ∈(1.1,1.3)；

将区域A分为numfir个大小一致的子区域，将得到的子区域存入集合subset；

将不包含无线传感器节点的子区域从subset中删除，得到集合asubset；

将asubset中的元素作为最终得到的子区域。

8.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的电力设备控制系统，其特征在于，分别对每个子区域中的无线传感器节点进行分簇，得到每个子区域的簇头节点，包括：

分别计算子区域中的每个无线传感器节点的性能系数；

将性能系数最大的无线传感器节点作为子区域中的簇头节点，将子区域中除了簇头节点之外的无线传感器节点作为成员节点。

9.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的电力设备控制系统，其特征在于，将sublk中的无线传感器节点分配到设定范围内的其它子区域，包括：

获取与sublk相邻的子区域的集合neiblku；neiblku为设定范围内的其它子区域的集合；

对于sublk中的无线传感器节点C，分别计算无线传感器节点C与neiblku中的每个子区域之间的距离；

将无线传感器节点C分配到neiblku中距离无线传感器节点C最近的子区域，作为该子区域的成员节点。