摘要：在當(dāng)今時(shí)代，電力事業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)建設(shè)中不可或缺的能源，而隨著經(jīng)濟(jì)水平以及人們生活水平的提升，不論是經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，還是生活所需，都對(duì)供電可靠性以及安全性提出了更高的要求。在這種大背景下，智能配電網(wǎng)已經(jīng)成為電力行業(yè)研究的主要方向之一，我國(guó)已經(jīng)根據(jù)配電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)備分布、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等建立起了一種基于WSN（無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)）的配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。本文就針對(duì)智能配電網(wǎng)通信無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS建模思路展開(kāi)了研究。

關(guān)鍵字：智能配電網(wǎng)；通信；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；QoS；建模思路

智能配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，它涉及到現(xiàn)今的電氣控制技術(shù)、通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等。通過(guò)高效、實(shí)時(shí)、可靠的通信技術(shù)，將發(fā)電、配電、輸電網(wǎng)絡(luò)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，確保信息流、電力流能夠?qū)崿F(xiàn)從發(fā)電端到配電端的雙向流動(dòng)?，F(xiàn)今WSN技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)智能配電網(wǎng)主要研究的技術(shù)之一，對(duì)配電網(wǎng)故障檢測(cè)、工作效率的提升和改進(jìn)等都有著不可取代的作用。國(guó)內(nèi)對(duì)于WSN的研究很多都只是停留在變電站自動(dòng)化、配電自動(dòng)化等方面，還未深入涉及到WSN數(shù)據(jù)傳輸性能的QoS（服務(wù)質(zhì)量）方面。在智能配電網(wǎng)中，不同數(shù)據(jù)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的QoS有著不同的要求，為了進(jìn)一步改善供電質(zhì)量，將WSN技術(shù)應(yīng)用于智能配電網(wǎng)是當(dāng)前供電事業(yè)發(fā)展的必然需求。本文首先對(duì)智能配電網(wǎng)通信無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS-MAC的建模進(jìn)行了闡述，然后再分析了智能配電網(wǎng)通信無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能分析的數(shù)據(jù)模型。

一、智能配電網(wǎng)通信無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS-MAC的建模

配電網(wǎng)是電力建設(shè)的關(guān)鍵性工作之一，其主要作用是將電能分配到各個(gè)用電客戶手中?？傮w而言，配電網(wǎng)的分布以及其設(shè)備位置有以下兩個(gè)方面的特點(diǎn)：其一，配電系統(tǒng)分布廣、分布不均勻、整體架構(gòu)較為分散；其二，配用電區(qū)域內(nèi)集中分布著大量的用電客戶以及配電設(shè)備。本文主要是根據(jù)智能配電系統(tǒng)的分布特點(diǎn)，提出了利用通信無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS建模加強(qiáng)對(duì)智能配電網(wǎng)的管理。

一般來(lái)說(shuō)，QoS-MAC的建模都是采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠有效的避免多跳路由對(duì)相鄰的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)間MAC層傳輸實(shí)時(shí)性的影響。在星型網(wǎng)絡(luò)內(nèi)主要有一個(gè)協(xié)調(diào)器有線節(jié)點(diǎn)以及多個(gè)路由器/終端無(wú)線節(jié)點(diǎn)。

（一）數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)內(nèi)緩沖隊(duì)列狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型

通過(guò)對(duì)智能配電網(wǎng)WSN通信需求的分析可知，需建立非實(shí)時(shí)、實(shí)時(shí)兩種數(shù)據(jù)的存放緩沖隊(duì)列。圖1所示為通過(guò)馬兒可夫鏈建立起來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)緩沖隊(duì)列模型。其中，狀態(tài)（k0，k1）所表示的是在數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列中有k0個(gè)數(shù)據(jù)包，在非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列中有k1個(gè)數(shù)據(jù)包。其中緩沖隊(duì)列k0的長(zhǎng)度是m0，而緩沖隊(duì)列k1的長(zhǎng)度是m1。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列的產(chǎn)生率為λ0，而非實(shí)時(shí)的產(chǎn)生率為λ1。另外，μ1為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列的發(fā)送率，μ1為非實(shí)時(shí)的發(fā)送率。 表示的是緩沖隊(duì)列狀態(tài)處于（k0，k1）時(shí)候的概率。

圖1數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)緩沖隊(duì)列模型

圖2 馬爾可夫鏈模型

通過(guò)對(duì)圖2分析可以對(duì)各個(gè)配電網(wǎng)WSN數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)概率進(jìn)行計(jì)算，其方程組如下所示：

（二）QoS-MAC信道訪問(wèn)機(jī)制的數(shù)學(xué)模型

為了保證通訊數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)操作能夠?qū)崿F(xiàn)支持QoS，可以在IEEE802.15.4中添設(shè)實(shí)時(shí)以及非實(shí)時(shí)兩種數(shù)據(jù)的不同退避時(shí)間 、 ，不同最大退避次數(shù)K0、K1。與此同時(shí)，為了避免應(yīng)答數(shù)據(jù)包被新數(shù)據(jù)的傳輸打斷，應(yīng)該將空閑信道的持續(xù)時(shí)間從以前的1symbol改成20symbol。

為了充分考慮前一時(shí)刻與當(dāng)前時(shí)刻兩個(gè)連續(xù)時(shí)間中的智能配電網(wǎng)WSN的信道狀態(tài)，可將當(dāng)前信道的空閑狀態(tài)的概率用 進(jìn)行表示，其中 主要是代表前一時(shí)刻信道的狀態(tài)（空閑/繁忙）時(shí)，當(dāng)前信道的空閑條件的概率。信道從忙到閑的轉(zhuǎn)換概率為 ，其中 表示數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間的平均值。對(duì)于發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，其檢測(cè)當(dāng)前信道空閑狀態(tài)的概率可用 進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于發(fā)送非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，其檢測(cè)當(dāng)前信道空閑狀態(tài)的概率可用 進(jìn)行計(jì)算。

在兩個(gè)連續(xù)時(shí)間單位內(nèi)，信道都是空閑狀態(tài)的概率的計(jì)算公式：

其中， ，代表發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)時(shí)的概率； 代表發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，檢測(cè)信道的概率； 代表“非實(shí)時(shí)”時(shí)檢測(cè)信道的概率。以此類(lèi)推，當(dāng)有n1個(gè)發(fā)送非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，沒(méi)有檢測(cè)信道的概率可以通過(guò)以下的式子進(jìn)行計(jì)算：

二、智能配電網(wǎng)通信無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能分析的數(shù)據(jù)模型

對(duì)于智能配電網(wǎng)通信無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能分析而言，可以建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)模型以及非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)模型、傳輸節(jié)點(diǎn)CSMA/CA信道的沖突率模型以及數(shù)據(jù)的有效吞吐率模型進(jìn)行分析。

對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)模型來(lái)說(shuō)，其數(shù)據(jù)傳輸延時(shí) 主要包含數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間、隊(duì)列等待時(shí)間兩類(lèi)，數(shù)學(xué)模型表示如下：

對(duì)于非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)模型來(lái)說(shuō)，其數(shù)據(jù)傳輸延時(shí) 主要包含該節(jié)點(diǎn)內(nèi)的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸隊(duì)列的等待時(shí)間、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸隊(duì)列的等待時(shí)間、傳輸數(shù)據(jù)包所用時(shí)間以及在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，新產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間等。數(shù)學(xué)模型如下所示：

對(duì)于數(shù)據(jù)的有效吞吐率模型來(lái)說(shuō)，其含義是指數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行掏铝颗c數(shù)據(jù)產(chǎn)生量之間的比值。有效吞吐率的高低反映出了智能配電網(wǎng)通信無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。若要?jì)算數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行掏侣?，可以將?shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸分開(kāi)進(jìn)行。首先，對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行掏侣蕘?lái)說(shuō)，其數(shù)學(xué)計(jì)算模型如下：

對(duì)于非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行掏侣蕘?lái)說(shuō)，其數(shù)學(xué)計(jì)算模型如下：

另外，在智能配電網(wǎng)通信無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中，還必須要重視一個(gè)問(wèn)題，即數(shù)據(jù)包傳輸?shù)氖「怕?。如果?shù)據(jù)傳輸?shù)氖「怕蔬^(guò)大，就會(huì)嚴(yán)重影響到智能配電網(wǎng)通信無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性以及網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。而在智能配電網(wǎng)WSN中，造成數(shù)據(jù)傳輸失敗率增大的因素主是信道沖撞。信道沖撞的涵義是指在數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程中，因多節(jié)點(diǎn)搶占信道，故而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸失敗率與非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖÷视胁煌挠?jì)算模型，其中， 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸失敗率的計(jì)算模型如下所示：

非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖÷实挠?jì)算模型如下所示：

三、結(jié)束語(yǔ)

總而言之，隨著電力事業(yè)的發(fā)展，智能變電站已經(jīng)成為我國(guó)電力行業(yè)技術(shù)研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一。而將WSN（通信無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)）應(yīng)用于智能配電網(wǎng)是一項(xiàng)重大的突破，為了保證這一技術(shù)的可靠性，相關(guān)研究人員引入了QoS（服務(wù)質(zhì)量）這一理念，這對(duì)改進(jìn)智能配電網(wǎng)通信無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有著重要的作用?？傮w來(lái)說(shuō)，在智能配電網(wǎng)WSN數(shù)據(jù)傳輸中，關(guān)鍵是要處理好實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸兩方面的內(nèi)容，本文通過(guò)馬爾可夫鏈而建立起來(lái)的狀態(tài)模型，能夠較為清楚的描述出數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)所處的狀態(tài)。再以此為基礎(chǔ)建立起QoS-MAC的CSMA/CA的數(shù)學(xué)模型，可以實(shí)現(xiàn)MAC層對(duì)QoS的支持。

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