一種應用于輸電線路在線監測的wsn時延優化方法
【專利摘要】本發明公開了一種應用于輸電線路在線監測的WSN時延優化方法，該方法包括基于局部搜索思想的網絡優化部署方法和多層次組網方法。網絡優化部署方法是在傳統長鏈型監測網絡結構的基礎上，通過引入遠傳節點，形成能夠直接與數據中心通信的無線鏈路，從而優化網絡時延。多層次組網方法在此基礎上，進一步考慮實際中可能出現的同一區域內連續多個桿塔的數據量均很大，僅利用網絡優化部署無法有效分散該類區域桿塔數據量的情況，借鑒隱式分簇理論的基本思想，提出多層次組網方法優化網絡時延。所述方法能夠有效解決傳統長鏈型網絡中存在的傳輸路徑長、網絡時延大以及匯聚節點的瓶頸效應，提高輸電線路監測網絡的通信能力。
【專利說明】-種應用于輸電線路在線監測的WSN時延優化方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及輸電線路狀態在線監測領域，特別是一種應用于輸電線路在線監測的 WSN時延優化方法。
【背景技術】
[0002] 輸電線路是輸送電能的主要通道。我國輸電線路分布廣、跨度大，部分工作地區 氣候條件惡劣，自然災害多發，這些因素都嚴重影響著輸電線路的安全穩定運行，對輸電線 路的工作環境、運行狀態進行在線監測意義重大。隨著WSN在工業監控中的廣泛應用和智 能電網發展的迫切需要，將WSN應用于輸電線路狀態監測成為研究熱點。目前應用于輸電 線路在線監測的WSN主要是以IEEE802. 15. 4標準為基礎的Zigbee無線傳感器網絡，它是 一種近距離、低功耗、低成本的網絡技術，已廣泛應用于環境監測、醫療保健、家居、軍事、商 業、工業等其它眾多領域。
[0003] 在線監測要求實時性數據，研究表明，正常運行的SCADA系統接收到的監測數據 延時如果超過50ms就會導致錯誤的控制策略。因此對網絡時延進行優化，不僅可以保證 輸電線路的穩定運行，還可以提高監測系統的決策化水平。而輸電線路在線監測的WSN由 于受輸電線路結構的影響而呈長鏈型，這種長鏈型網絡存在傳輸路徑長、網絡時延大的問 題，具體而言，由于長鏈型網絡中匯聚節點位于線路兩端，處于線路中間部分的傳感器節點 要沿著較長的傳輸路徑進行多跳將數據傳輸至匯聚節點，較多的跳數會增加信道沖突的幾 率，并且匯聚節點成為整個網絡的瓶頸，容易造成數據擁塞，嚴重影響數據傳輸的實時性、 可靠性。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題是，針對上述現有技術的不足，提供一種應用于輸電 線路在線監測的WSN時延優化方法。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：一種應用于輸電線路在線監 測的WSN時延優化方法，采用輸電線路異構型監測網絡，所述輸電線路異構型監測網絡包 括位于輸電線路兩端的變電站、多個桿塔，每個桿塔附近均布設有多個傳感器節點，每個桿 塔頂端布設一個中繼節點或遠傳節點，傳感器節點采樣數據包單跳匯集至該傳感器節點所 在桿塔的中繼節點或遠傳節點，遠傳節點利用GSM鏈路將傳感器節點采樣數據包傳輸至公 網基站，距離變電站較近的中繼節點采用無線接力傳輸傳感器節點采樣數據包，即相鄰的 中繼節點經過多跳將傳感器節點采樣數據包傳輸至變電站；距離變電站較遠的中繼節點采 用混合傳輸方式，首先將接收的傳感器節點采樣數據包通過無線接力傳輸至附近的遠傳節 點，該遠傳節點再通過GSM鏈路將傳感器節點采樣數據包發送至公網基站，包括以下步驟：
[0006] 1)構建異構型監測網絡全局網絡時延模型Dmax:D max= max {D ⑴，DKe (2)， DLG(l)，...DLG(g)};其中，DKG(1)，D KG(2)為靠近變壓器兩端的兩個中繼網段的最大時 延，DJ1)，...Mg)為各遠傳網段的最大時延，g為遠傳節點的數量；所述中繼網段 是指通過無線接力傳輸方式傳輸傳感器節點采樣數據包的節點群；所述遠傳網段是指 通過混合傳輸方式傳輸傳感器節點采樣數據包的節點群；中繼網段的最大時延DKe包 括DmdhD%(2)，根據中繼網段的數據傳輸方式知，中繼網段最大時延在網段末端節 點b處，因此
【權利要求】
1. 一種應用于輸電線路在線監測的WSN時延優化方法，采用輸電線路異構型監測網 絡，所述輸電線路異構型監測網絡包括位于輸電線路兩端的變電站、多個桿塔，每個桿塔附 近均布設有多個傳感器節點，每個桿塔頂端布設一個中繼節點或遠傳節點，傳感器節點采 樣數據包單跳匯集至該傳感器節點所在桿塔的中繼節點或遠傳節點，遠傳節點利用GSM鏈 路將傳感器節點采樣數據包傳輸至公網基站，距離變電站較近的中繼節點采用無線接力傳 輸傳感器節點采樣數據包，即相鄰的中繼節點經過多跳將傳感器節點采樣數據包傳輸至變 電站；距離變電站較遠的中繼節點采用混合傳輸方式，首先將接收的傳感器節點采樣數據 包通過無線接力傳輸至附近的遠傳節點，該遠傳節點再通過GSM鏈路將傳感器節點采樣數 據包發送至公網基站，其特征在于，包括以下步驟： 1) 構建異構型監測網絡全局網絡時延模型Dmax:Dmax=HiaxUlhDffi⑵，M 1)，...Du^gM;其中，0^(1),0^(2)為靠近變壓器兩端的兩個中繼網段的最大時延， Dlg(I), ...D^g)為各遠傳網段的最大時延，g為遠傳節點的數量；所述中繼網段是 指通過無線接力傳輸方式傳輸傳感器節點采樣數據包的節點群；所述遠傳網段是指 通過混合傳輸方式傳輸傳感器節點采樣數據包的節點群；中繼網段的最大時延Dffi包 括Dffi(I),Dffi(2)，根據中繼網段的數據傳輸方式知，中繼網段最大時延在網段末端節 b g 點b處，因此Dkg=Db，Dft=C'x//(/)) +Z~^x//(./·)，c=dtrans+dpMC，dtrans為j節 j-=fO 點傳輸的傳感器節點采樣數據包Sj的傳輸時間，dproc為j節點傳輸的傳感器節點采 樣數據包Sj的處理時間；H(b)為中繼網段末端節點b的數據包到目標節點的總路由跳 數；H(j)為j節點傳輸的傳感器節點采樣數據包Sj到目標節點的總路由跳數；f，b分別 為中繼網段的首末端點；R。為無線通信速率；遠傳網段的最大時延Du;包括Du;(i)，i= 1,2......，g，根據遠傳網段的數據傳輸方式知，遠傳網段最大時延在網段的兩個末端節 點 1，r處，因此Dlg=max(DDr)，=C...x("(/) - 1) +Σ~^·χ(//(./_)-I) +Xf， yj=1 rigΛrg 化=Γχ(//(Γ)-ι)+Σ +Σ^k為遠傳節點的位置編號；心為公網傳 j=k+iIvK〇 J Kd ， 輸速率，H(r)為遠傳網段的右末端節點r的采樣數據包到目標節點的總路由跳數；H(I)為 遠傳網段的左末端節點1的采樣數據包到目標節點的總路由跳數； 2) 利用下式求解上述全局網絡時延模型Dmax的最優解； minDmax=max{DEG (I),Deg (2),Dlg (I),. . .Dlg(g)} s.t0<1 (i) <1 (i+1)<ni=I, 2......,g-1 0<r(i)<r(i+1)<n I(i)<k(i)<r(i) r(i) =I(i+l)-l； 其中n為中繼節點和遠傳節點總數，i為遠傳網段編號，LG為遠傳網段，RG為中繼網 段，I(i)為第i個遠傳網段的左邊界位置編號，r(i)為第i個遠傳網段的右邊界位置編號， k(i)為第i個遠傳網段中的遠傳節點所在的位置編號； 3)根據上述最優解確定各個中繼網段和遠傳所包含的具體桿塔，以及遠傳網段中遠傳 節點所在桿塔的具體位置，在遠傳節點所在桿塔上安裝無線公網通信模塊，即完成異構型 監測網絡的初步搭建，利用初步搭建的異構型監測網絡完成WSN時延優化。
2. 根據權利要求1所述的應用于輸電線路在線監測的WSN時延優化方法，其特征在于， 利用下述方法優化所述初步搭建的異構型監測網絡后，再利用優化后的異構型監測網絡完 成WSN時延優化： 1) 確定異構型監測網絡將要劃分的層次z，設定不同層次對應的基礎跳數為1，2···，z， 變電站一側的匯聚節點以一個桿塔檔距的通信距離d向全網廣播分層信息幀，幀內包含不 同層次對應的基礎跳數以及使用的信道頻段，并記錄信息幀傳輸跳數，初始值為1 ; 2) 中繼節點或遠傳節點在收到組網信息幀后，保存基礎跳數與記錄的信息幀傳輸跳數 成倍數關系的層次所對應的信道頻段，將記錄的信息幀傳輸跳數加1并按通信距離d轉發 信息幀，然后將信道調整到記錄的信道頻段，增大發射功率使通信距離為z*d; 3) 對側變電站匯聚節點接收到信息幀后，確認分層完成，任務管理節點向匯聚節點和 遠傳節點發送網段成員和頻段信息，匯聚節點和遠傳節點廣播組網消息，組網消息包含網 段成員和對應頻段，中繼節點接收到消息后加入對應的網段，完成多層次組網，即得到優化 后的異構型監測網絡。
3. 根據權利要求1或2的應用于輸電線路在線監測的WSN時延優化方法，其特征在于， 時延模型Dmax的最優解求解過程如下： 1) 隨機生成可行解xQ; 2) 執行"遠傳節點最佳位置搜索"，計算Xtl中每一個遠傳網段的最大時延，對于每一個 遠傳網段，判斷網段的最大值是在左末端節點或者右末端節點取得，若最大值在左/右末 端節點處取得，則將遠傳節點的位置編號k的值減/加一，即遠傳節點向左/右移動一個位 置，重新計算此時各個網段的最大時延；如果該最大時延比初始解Xtl中計算的時延大，則初 始解Xtl中遠傳節點的位置即是遠傳節點的最佳位置；如果該最大時延比初始解X。計算的時 延小，則遠傳節點繼續向左/右移動一個位置，直到計算的最大時延比初始解^計算出的 時延大，此時遠傳節點的位置即是其最佳位置；保持Xtl中每個網段的邊界位置不變，遠傳節 點的位置為找到的最佳位置，即形成新解x1; 3) 執行"網段劃分"，根據Dmax求解范圍知，在形成的所有網段中，存在一個時延上界最 大的網段m。若m為遠傳網段，要使該遠傳網段時延減小，則遠傳網段m的左末端節點1向 右移動一個位置或者右末端節點r向左移動一個位置，即減小遠傳網段m的節點規模以減 小其時延，并相應改變相鄰網段的節點位置；若m為中繼網段，同樣的中繼網段的邊界節點 向使中繼網段節點規模減小的方向移動，并相應改變相鄰網段的節點位置。利用"遠傳節點 最佳位置搜索"和減小網段節點規模的方法保證其他網段的時延均比網段m的時延小，在此 前提下，更新各網段的邊界位置及遠傳節點的位置生成新解x2; 4) 根據新解X2重新計算Dmax，若Dmax減小，則令X1= X2，返回3)繼續搜索，否則輸出X1 為最優解。
【文檔編號】G08C17/02GK104469823SQ201410788601
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月17日 優先權日:2014年12月17日
【發明者】黃小慶, 肖娟霞, 白純, 張開達, 薛武, 曹敏, 高尚飛 申請人:湖南大學, 云南電網有限責任公司