羅 杰， 黃小慶， 何 杰， 張開達(dá)

(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,湖南 長沙 410082)

輸電線路在線監(jiān)測(cè)WSNs優(yōu)化部署研究*

羅 杰， 黃小慶， 何 杰， 張開達(dá)

(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,湖南 長沙 410082)

應(yīng)用于輸電線路在線監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)通常呈長鏈型，存在跳數(shù)多、時(shí)延大的問題。引入具備無線公網(wǎng)通信模塊的異構(gòu)節(jié)點(diǎn)能夠優(yōu)化WSNs時(shí)延性能?？紤]網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)分布不均勻引起的數(shù)據(jù)分布不均勻這一普遍現(xiàn)象及其對(duì)時(shí)延的影響，建立了異構(gòu)WSNs的最大時(shí)延模型；同時(shí)考慮網(wǎng)段劃分和異構(gòu)節(jié)點(diǎn)部署對(duì)時(shí)延的影響，提出了一種基于局部搜索思想的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署方法來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。仿真結(jié)果表明：上述方法能有效降低網(wǎng)絡(luò)最大時(shí)延，提高網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 輸電線路在線監(jiān)測(cè)； 時(shí)延； 網(wǎng)絡(luò)部署

0 引 言

輸電線路是電能傳輸?shù)闹饕ǖ?對(duì)輸電線路進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握其運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理故障對(duì)確保電能的安全穩(wěn)定傳輸有著重要的意義。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)作為一種低功耗、低復(fù)雜度、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)在工業(yè)監(jiān)控等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1，2]。如何將其應(yīng)用于輸電線路來實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、可靠傳輸已成為研究熱點(diǎn)[3，4]。

目前已有較多的文獻(xiàn)研究了如何構(gòu)建可靠、實(shí)時(shí)的輸電線路WSNs。李麗芬等人[5]提出了一種長鏈型輸電線路WSNs，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過節(jié)點(diǎn)間的無線接力傳輸至變電站。Leon R A[6],Yi Yang等人[7]將輸電線路WSNs分為2層，底層單跳實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯集，上層通過無線接力傳輸匯集數(shù)據(jù)至變電站。但上述2種網(wǎng)絡(luò)單純采用無線接力傳輸，路徑長、跳數(shù)多，可能引起網(wǎng)絡(luò)時(shí)延過大問題。為提高網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，Hung K S等人在分層網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，引入具備無線公網(wǎng)通信能力的異構(gòu)節(jié)點(diǎn)，提出一種異構(gòu)WSNs[8]。Chen J等人分析了該異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和異構(gòu)節(jié)點(diǎn)部署對(duì)時(shí)延的影響，并以最小化時(shí)延為目標(biāo)提出一種異構(gòu)WSNs的優(yōu)化部署方法[9]。Fateh B等人以時(shí)延為約束，以組網(wǎng)成本最小為目標(biāo)，采用線性規(guī)劃的方法對(duì)異構(gòu)WSNs進(jìn)行了優(yōu)化部署[10]。

在現(xiàn)有對(duì)該異構(gòu)WSNs的研究中，大多數(shù)文獻(xiàn)都假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)分布是均勻的。但實(shí)際上輸電線路上的傳感器節(jié)點(diǎn)分布并不均勻，而這種不均勻性會(huì)對(duì)時(shí)延分析產(chǎn)生較大影響?；诖?，本文分析了傳感器節(jié)點(diǎn)分布不均勻情況下異構(gòu)WSNs的時(shí)延，并提出一種新的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署方法來優(yōu)化時(shí)延。

1 基于異構(gòu)WSNs的輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 輸電線路異構(gòu)WSNs模型

輸電線路異構(gòu)WSNs按具體的功能分為2層：接入層與匯集層。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輸電線路異構(gòu)WSNs網(wǎng)絡(luò)模型Fig 1 Network model of transmission line heterogeneous WSNs

1)接入層：接入層由傳感器節(jié)點(diǎn)(sensor node,SN)組成。SN負(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)量，一般部署在桿塔周圍，以桿塔為中心形成多個(gè)子網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集。由于監(jiān)測(cè)需求不同，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的SN數(shù)量與監(jiān)測(cè)量更多，SN分布不均勻。

2)匯集層：匯集層由中繼節(jié)點(diǎn)(relay node，RN)與遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)(long range communication node，LN)組成。RN通常安裝在桿塔上，作為SN子網(wǎng)簇頭匯集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)上游RN的數(shù)據(jù)。為減少能耗，降低信道競(jìng)爭(zhēng)，RN通信距離控制在能與左右2個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)通信的大小。LN為異構(gòu)節(jié)點(diǎn)，除了起到與RN相同的作用外，它還能將數(shù)據(jù)通過無線公網(wǎng)直接遠(yuǎn)傳至變電站。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸方式

SN采樣數(shù)據(jù)單跳匯集至RN(LN)后，被RN(LN)合并為單個(gè)數(shù)據(jù)包，沿輸電線路傳輸至變電站。距變電站近的RN通過無線接力方式傳輸數(shù)據(jù)；距變電站遠(yuǎn)的RN采用混合傳輸方式，先將數(shù)據(jù)通過無線接力傳輸至LN，再由LN通過無線公網(wǎng)傳輸至變電站。

數(shù)據(jù)傳輸方式與方向不同使整個(gè)WSNs匯集層被劃分為多個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)段，如圖2所示。遠(yuǎn)傳網(wǎng)段(long range communication group,LG)指以混合傳輸方式傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)群，每個(gè)LG中包含一個(gè)LN。中繼網(wǎng)段(relay group,RG)為以無線接力方式傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)群，RG中不含LN，位于線路兩端靠近變電站的區(qū)域。為方便之后的研究，按圖3對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)段進(jìn)行編號(hào)。

2 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分析

2.1 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延模型

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)j數(shù)據(jù)包Sj經(jīng)多跳傳輸?shù)亩说蕉藭r(shí)延模型可以表示為

(1)

其中,H(j)為Sj路由跳數(shù)，dtrans(j,i)為Sj第i跳傳輸時(shí)延，與鏈路帶寬和Sj大小有關(guān)。dproc(j,i)為Sj第i跳處理時(shí)延，由節(jié)點(diǎn)處理能力決定。dqueue(j,i)為Sj第i跳等待發(fā)送的時(shí)延，由隊(duì)列中的排隊(duì)時(shí)間和信道競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間組成。

2.2 網(wǎng)絡(luò)最大時(shí)延

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延具有隨機(jī)性，因此,可采用網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)的最大時(shí)延評(píng)估網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性。由于RG與LG的數(shù)據(jù)傳輸方式不同，因此,分別進(jìn)行分析。為簡(jiǎn)化分析，按實(shí)際情況做出如下假設(shè)：1)RN(LN)每隔周期T發(fā)送一個(gè)合并的數(shù)據(jù)包，包大小與子網(wǎng)中SN多少相關(guān)；2)周期T足夠大以確保網(wǎng)絡(luò)能在T內(nèi)傳輸完所有數(shù)據(jù)包；3)MAC協(xié)議已解決“隱藏終端”與“暴露終端”問題；4)FIFO緩存隊(duì)列足夠大，鏈路可靠。

首先分析RG，由于路由跳數(shù)越多，時(shí)延越大，因此,RG的最大時(shí)延由末端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包產(chǎn)生。設(shè)RG末端節(jié)點(diǎn)b數(shù)據(jù)包為Sb，Sb單跳時(shí)延中dproc(b,i)與dtrans(b,i)一般不變，dqueue(b,i)為變量，因此,Sb的經(jīng)H(b)跳的時(shí)延D(Sb)可表示為

D(Sb)=Ab×H(b)+Bb.

(2)

RG末端數(shù)據(jù)包經(jīng)2跳和3跳傳輸至變電站時(shí)可能產(chǎn)生的時(shí)延如圖3。2跳時(shí)，D(S2)=2(S2/Ro)+2C+(S1/Ro)，其中,Bb=S1/Ro。3跳時(shí)，D(S3)=3(S3/Ro)+3C+2(S2/Ro)+(S1/Ro)，其中Bb=2(S2/Ro)+(S1/Ro)。

圖3 RG末端節(jié)點(diǎn)2跳和3跳的時(shí)延分析Fig 3 Analysis on delay of 2 hops and 3 hops of the end node of RG

2跳時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包除S2外，只有S1。第1跳時(shí)節(jié)點(diǎn)2隊(duì)列中只有S2。若dqueue(2,1)≠0，說明此時(shí)S2與S1競(jìng)爭(zhēng)信道，且競(jìng)爭(zhēng)失敗，max(dqueue(2,1))=S1/Ro。S1只需1跳傳輸，故S2第2跳時(shí)，dqueue(2,2)=0。若第1跳時(shí)dqueue(2,1)=0，說明S1未參與信道競(jìng)爭(zhēng)或競(jìng)爭(zhēng)失敗，但第2跳時(shí)，隊(duì)列中S2可能需等待前端的S1發(fā)送，因此,max(dqueue(2,2))=S1/Ro。綜上可知，S2經(jīng)2跳傳輸時(shí)，max(Bb)=S1/Ro，圖3(b)所示2跳情況的D(S2)為D(S2)最大值。

按2跳時(shí)同樣的方式分析，可得3跳時(shí)max(Bb)=(2S2+S1)/Ro，圖3(a)所示3跳情況的D(S3)亦為D(S3)最大值。

推廣到一般情況，可得D(Sb)的最大值為

(3)

其中,f為RG首端節(jié)點(diǎn)號(hào)。對(duì)于任意RG，其最大時(shí)延DRG即為其中Sb時(shí)延最大值

DRG=max(D(Sb)).

(4)

圖4 LG中末端節(jié)點(diǎn)時(shí)延最大情況Fig 4 Situation of the maximum delay of the end node of LG

再分析LG，與RG相同，LG的最大時(shí)延由末端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包產(chǎn)生，但LG存在2個(gè)末端節(jié)點(diǎn)l和r。分析Sl，無線接力時(shí)Sl最大時(shí)延的情況與Sb類似，但max(Bl)應(yīng)增加最后一跳信道競(jìng)爭(zhēng)失敗后等待LN接收對(duì)側(cè)數(shù)據(jù)包的時(shí)間，具體情況如圖4所示。此外，D(Sl)還需要增加無線公網(wǎng)傳輸時(shí)延。因此,D(Sl)的最大值為

(5)

其中,Rd為公網(wǎng)傳輸速率，k為LN位置。

對(duì)于任意LG，其最大時(shí)延DLG即為Sl與Sr時(shí)延最大值中的最大值

DLG=max(max(D(Sl),max(D(Sr))).

(6)

2.3 時(shí)延影響因素分析

由式(3)、式(4)可知，DRG受網(wǎng)段劃分的影響，劃入RG中的節(jié)點(diǎn)越多，H(b)，H(j)越大，DRG越大。同時(shí)DRG還受路由路徑上各節(jié)點(diǎn)Sj大小的影響，Sj越大，DRG越大。由式(5)、式(6)可知DLG同樣受網(wǎng)段劃分和路由路徑上各節(jié)點(diǎn)Sj大小的影響，但其大小還與k有關(guān)。當(dāng)l和r確定時(shí)，k離r更近會(huì)增大H(l)，H(j)，從而增大DLG。

綜上，網(wǎng)段最大時(shí)延受網(wǎng)段劃分、網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包Sj分布及LG中LN位置k的影響。

3 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署

定義全局網(wǎng)絡(luò)時(shí)延Dmax為全部數(shù)據(jù)包到達(dá)變電站的最大時(shí)延，即Dmax=max{DRG(RG(1)), DRG(RG(2)),…,DLG(LG(g))}。當(dāng)LN數(shù)量一定時(shí)，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化部署，合理劃分網(wǎng)段并確定LN最佳位置能有效降低Dmax。

由圖3可知，當(dāng)各LG末端節(jié)點(diǎn)l和r確定時(shí)，RG末端節(jié)點(diǎn)b與網(wǎng)段劃分隨之確定。g個(gè)LG的l，r和k可構(gòu)成組合x=(l(1),r(1),k(1),…,l(g),r(g),k(g))。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署問題可描述為關(guān)于x的組合優(yōu)化問題，如下式

minDmax=max{DRG(RG(1)),…,DLG(LG(g))},

s.t0

0

l(t)

r(t)=l(t+1)-1.

(7)

其中,n為匯集層節(jié)點(diǎn)數(shù)。本文借鑒局部搜索法的思想，提出一種快速尋優(yōu)方法，總體思路為：從一個(gè)可行解出發(fā)，按特定的搜索方向構(gòu)造新解，如果新解能夠產(chǎn)生更小的Dmax，便繼續(xù)循環(huán)；否則，終止搜索輸出最優(yōu)解。具體步驟如下：

1)按式(7)的約束隨機(jī)生成可行解x0。

2)保持x0中l(wèi),r不變，執(zhí)行“LN最佳位置搜索”，更新x0中的k，使任意LG(j)的DLG(j)等于l(j),r(j)確定時(shí)LG(j)的最小時(shí)延DL min(j)，形成新解x1。

“LN最佳位置搜索”步驟如圖5,基本思想為：將LG中的k向l和r中最大時(shí)延更大的一側(cè)靠近，以減小DLG，直至DLG達(dá)到最小為止。

圖5 “LN的最佳位置搜索”步驟Fig 5 Procedure of “best location searching of LN”

3)執(zhí)行“網(wǎng)段劃分”，生成新解x2。

“網(wǎng)段劃分”的基本思想為：找到按x1部署時(shí)最大時(shí)延等于Dmax網(wǎng)段m。將l(m)或r(m)向靠近k的方向改變(若m為RG,則改變相鄰LG的l或r)，減少m中的節(jié)點(diǎn)數(shù)，同時(shí)重新劃分其他網(wǎng)段，若能保證其他網(wǎng)段的DL min(j)

4)根據(jù)新解x2重新計(jì)算Dmax，若Dmax減小,則令x1=x2，返回步驟(3)繼續(xù)搜索;否則,輸出x1為最優(yōu)解。

4 仿真與驗(yàn)證

采用Matlab進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以云南電網(wǎng)220 kV大鎮(zhèn)線為監(jiān)測(cè)對(duì)象構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，線路全長為104.132 km，桿塔281基，平均桿塔檔距370 m。線路環(huán)境特征如表1所示。

表1 220 kV大鎮(zhèn)線環(huán)境特征Tab 1 Environment features of 220 kV transmission line Dazhen

每基桿塔部署一個(gè)RN/LN，其數(shù)據(jù)包大小按以下方案模擬：基本運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)包大小Sj=2 kbytes，若RN/LN屬于表1中的n個(gè)環(huán)境特征區(qū)，增加2 kbytes·n的合并數(shù)據(jù)包長度。無線接力通信速率取Ro=31.25 kbytes/s，無線公網(wǎng)通信速率取Rd=8 kbytes/s，節(jié)點(diǎn)處理時(shí)延dproc=16 ms。

取LG數(shù)量g=8，將文獻(xiàn)[10]的一般部署(normal place，NP)方法與本文的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署(optimize place，OP)方法對(duì)比，結(jié)果如表2。采用OP方法時(shí)Dmax=34.010 s，而

表2 g=8時(shí)采用2種部署方法的網(wǎng)段時(shí)延比較Tab 2 Comparison of network segment delay between two methods when g=8

采用NP方法時(shí)Dmax=63.220 s。這表明本文OP方法能夠有效降低Dmax，而降低Dmax的方法為均衡各網(wǎng)段的最大時(shí)延。

圖6為LN數(shù)量變化時(shí)，采用NP方法與本文OP方法進(jìn)行部署后網(wǎng)絡(luò)時(shí)延情況。隨著LN數(shù)量的增加，Dmax逐漸減小，但趨勢(shì)逐漸平緩，說明LN增加到一定數(shù)量后，時(shí)延優(yōu)化效果逐漸減弱。而當(dāng)LN數(shù)量一定時(shí)，采用OP方法部署的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延明顯更小，網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性更優(yōu)。

圖6 LN數(shù)量變化時(shí)2種優(yōu)化方法下的DmaxFig 6 Dmax under 2 different optimizing methods when the number of LN changes

SCADA系統(tǒng)向變電站采樣數(shù)據(jù)的周期為4～8 s，以8 s為時(shí)延限制，計(jì)算不同優(yōu)化部署方法下保證時(shí)延滿足采樣間隔的最少LN節(jié)點(diǎn)數(shù)，結(jié)果如表3。結(jié)果表明:OP方法比NP方法少用26個(gè)LN即滿足了時(shí)延需求。

表3 滿足SCADA采樣周期的最少LN數(shù)Tab 3 Minimal amount of LN that can satisfy the SCADA sampling cycle

5 結(jié) 論

將WSNs應(yīng)用于輸電線路在線監(jiān)測(cè)具有諸多優(yōu)勢(shì)，但特殊的應(yīng)用環(huán)境為網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建帶來了許多困難。本文對(duì)輸電線路在線監(jiān)測(cè)異構(gòu)WSNs的實(shí)時(shí)性問題進(jìn)行了研究，考慮傳感器節(jié)點(diǎn)分布不均勻的實(shí)際情況，建立了最大時(shí)延模型；然后以網(wǎng)絡(luò)最大時(shí)延最小為目標(biāo)，提出了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署方法。仿真結(jié)果表明:所提出的方法能有效降低網(wǎng)絡(luò)最大時(shí)延，提高網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性。

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Optimized deployment research of WSNs used in transmission line online monitoring*

LUO Jie, HUANG Xiao-qing, HE Jie, ZHANG Kai-da

(College of Electrical & Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)

Long-chain wireless sensor networks(WSNs)used in transmission line online monitoring presents some problems such as many hop counts and large delay.To optimize delay performance of WSNs,heterogeneous nodes that can communicate through wireless public network are brought in.Considering the uneven distribution of data caused by uneven deployment of sensor nodes,and effect on delay build the maximum delay model of heterogeneous WSNs;then considering that the network segments partition and effect of heterogeneous nodes deployment on delay,network optimization deployment method based on local search idea is proposed to optimize network delay.Simulation results indicate that the proposed method can effectively decrease the maximum network delay and improve the real-time of WSNs.

wireless sensor networks(WSNs); transmission line online monitoring; delay; network deployment

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0052—04

2014—01—13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51137003)；國家“863”計(jì)劃智能電網(wǎng)重大專項(xiàng)課題資助項(xiàng)目21(2011AA05A120)；國家青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61104090)

TM 732

A

1000—9787(2014)08—0052—04

羅 杰(1990-)，男，江西萍鄉(xiāng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用。