王 珂, 曲朝陽, 朱偉華

(1. 吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學院, 吉林 吉林 132021;2. 東北電力大學 信息工程學院，吉林 吉林 132012)

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改進ZigBee路由算法在電能質(zhì)量在線監(jiān)測中應(yīng)用

王 珂1, 曲朝陽2, 朱偉華1

(1. 吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學院, 吉林 吉林 132021;2. 東北電力大學 信息工程學院，吉林 吉林 132012)

針對ZigBee樹型路由算法不能選出最優(yōu)路徑等問題，提出了一種改進的樹型路由算法(I-TR)，該算法中考慮鄰居表進行數(shù)據(jù)的傳輸，降低了網(wǎng)絡(luò)的能耗，延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。同時，將改進的路由算法應(yīng)用到變電站的電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)中，通過對系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，完成了電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的基本功能，并對變電站進行了實際測試，多次測試結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實時性高。

智能電網(wǎng)； ZigBee； 路由算法； 電能質(zhì)量

0 引 言

由于大量非線性負荷和大功率整流設(shè)備相繼投入到變電站中，造成了諸如功率因數(shù)低、電壓畸變率高以及諧波電流值大等電能質(zhì)量問題[1-2]。造成電能質(zhì)量問題的原因很多，諸如電力生產(chǎn)部門、用戶干擾；對于不同的供(用)電點在不同的供(用)電時刻，電能質(zhì)量指標往往是不同的，即電能質(zhì)量在空間上和時間上均處于動態(tài)變化之中。其最終解決需要電力部門、設(shè)備制造廠商和電力用戶三方積極密切的合作[1]，因而電能質(zhì)量問題就越來越受到國內(nèi)外專家學者的高度關(guān)注。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，運用現(xiàn)代通信技術(shù)來實時監(jiān)測電能質(zhì)量必將成為未來的發(fā)展趨勢[3]。

目前，ZigBee網(wǎng)絡(luò)普遍采用Cluster-tree和AODVjr相結(jié)合的路由算法(ZBR)，這種算法存在著數(shù)據(jù)包的丟失，節(jié)點能量消耗不均衡，系統(tǒng)開銷大，整個網(wǎng)絡(luò)使用周期短。而網(wǎng)路層主要負責建立和維護網(wǎng)絡(luò)，其核心是路由協(xié)議，本文針對上述問題著重對ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議算法進行改進，提出對Cluster-tree樹形路由算法的改進。通過網(wǎng)絡(luò)模擬軟件Matlab，驗證方案的可實現(xiàn)性，并將改進后的算法運用在電能質(zhì)量實時在線監(jiān)測系統(tǒng)中，進一步驗證改進后路由算法的可行性和優(yōu)越性。該系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，保障了電力系統(tǒng)高效穩(wěn)定供電，對生產(chǎn)生活有著重要的意義。

1 ZigBee樹路由協(xié)議改進

1.1 樹型路由算法原理及缺陷

ZigBee定義兩種器件：全功能型(FFD)與簡化功能型(RFD)，F(xiàn)FD通常作為終端設(shè)備，可為協(xié)調(diào)器，路由器，終端設(shè)備。網(wǎng)路中節(jié)點采用分布式地址分配機制，通過網(wǎng)路建立初始時的關(guān)聯(lián)過程，加入網(wǎng)路的節(jié)點組成一顆邏輯樹，當網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點允許一個新節(jié)點通過該節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，兩者之間就形成了父子關(guān)系，父節(jié)點為子節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)中唯一的16位網(wǎng)絡(luò)地址[4-7]。假設(shè)父節(jié)點最多可連接的子節(jié)點數(shù)為Cm，子節(jié)點中允許的最大路由節(jié)點數(shù)為Rm，網(wǎng)絡(luò)的最大深度為Lm，當加入的一個新網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為對應(yīng)于父節(jié)點的第N個子節(jié)點時，則父節(jié)點為該子節(jié)點分配的網(wǎng)絡(luò)地址為：

(1)

式中:Cskip為網(wǎng)絡(luò)深度為D的父節(jié)點為子節(jié)點分配的地址偏移量[8-12]，即：

(2)

在路由發(fā)送數(shù)據(jù)選擇下一跳的過程中，當一個地址為A，深度為D的路由節(jié)點收到目的節(jié)點地址為D的數(shù)據(jù)幀，A節(jié)點會通過式(3)判斷該目的節(jié)點是否為其后裔節(jié)點，即

(3)

如果滿足式(3)，則說明目的節(jié)點是該節(jié)點的后裔節(jié)點，則將該數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)到地址為N的下一跳子節(jié)點。根據(jù)下一跳子節(jié)點類型的不同，地址分配為：

(4)

若不滿足式(3)，則說明目的節(jié)點不是該節(jié)點的后裔節(jié)點，因而其將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給其父節(jié)點。

樹型的優(yōu)點在于不需要任何的路由發(fā)現(xiàn)，接收到數(shù)據(jù)直接發(fā)送，數(shù)據(jù)傳輸路徑單一，實時性強，這個算法應(yīng)用在電廠鍋爐在線監(jiān)測缺點很明顯，單一的路徑無法滿足大數(shù)據(jù)的傳輸，容易產(chǎn)生擁堵，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，即使目的節(jié)點就在該節(jié)點附近，但由于不是后裔節(jié)點，而不能直接轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到目的節(jié)點，不是達到最優(yōu)路徑。節(jié)點能量消耗不均衡，任務(wù)量大的節(jié)點會因為過早消耗完能量而縮短網(wǎng)絡(luò)的生存周期。針對上述弊端因而需要對算法的改進。

1.2 樹型路由算法的改進

在原有的算法基礎(chǔ)上加入鄰居表，鄰居表是節(jié)點周圍一跳節(jié)點范圍內(nèi)的節(jié)點信息列表，包含周圍鄰節(jié)點的地址，網(wǎng)絡(luò)深度，設(shè)備類型等等，它能夠?qū)⒁惶褦?shù)據(jù)發(fā)給周圍節(jié)點,如圖1所示。

圖1 ZigBee樹型路由協(xié)議

當一個節(jié)點收到目的節(jié)點為D的數(shù)據(jù)幀時，依照原Cluster算法，首先判定自身是不是就是目的節(jié)點；若不是，則根據(jù)式(3)判斷D是否為其后裔節(jié)點，若是，則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)其子節(jié)點；若不是，則根據(jù)加入的鄰居表，查找其一跳范圍內(nèi)的節(jié)點，判斷是否含有D節(jié)點，根據(jù)式(6)找到離目的節(jié)點D最近的該節(jié)點的鄰居節(jié)點M并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀到該節(jié)點。

(6)

式中：Ni表示源節(jié)點一跳范圍內(nèi)的節(jié)點地址；M表示Ni中到D最近的節(jié)點。

I-TR算法的流程圖如圖2所示。

1.3 仿真結(jié)果及分析

為了驗證I-TR算法的性能，本文選用Matlab軟件進行模擬仿真，對經(jīng)典的ZigBee路由算法(TR)和改進的路由算法(I-TR)進行性能對比分析，獨立運行50次，分別獲得分組遞交率和跳數(shù)的平均值，100個節(jié)點隨機分布在100 m×100 m的區(qū)域內(nèi)，Cm=4，Rm=4，Lm=6。仿真結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，I-TR算法在分組遞交率和平均跳數(shù)優(yōu)于TR算法，主要是本文改進的路由算法利用鄰居表進行最短路徑尋優(yōu)，減少了轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)，降低了網(wǎng)絡(luò)的能耗，提高了電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)的實時性。

圖2 改進的路由算法的流程圖

表1 I-TR算法的仿真結(jié)果

2 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)主要有三部分組成：傳感器采集部分、無線通信部分和遠程監(jiān)測中心，電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)框架圖如圖3所示。若干個傳感器采集節(jié)點附著在待監(jiān)測的開關(guān)柜上，電壓和電流傳感器分別采集開關(guān)柜的三相電壓和三相電流等數(shù)據(jù)，并且將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過路由器發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器中，經(jīng)過ARM11處理器和高傳輸速率3G無線通信模塊傳輸?shù)竭h程監(jiān)測中心，遠程監(jiān)測中心界面使用Qt編寫，實時顯示監(jiān)測的電能質(zhì)量，并且能夠?qū)ΡO(jiān)測電能質(zhì)量性能進行仿真和對比分析，得出電能質(zhì)量的各項參數(shù)指標如諧波、三相不平衡度以及有功和無功功率等，并對電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進行存儲顯示和預(yù)警。

圖3 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)框架圖

2.1 硬件設(shè)計

電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)采用Cluster-Tree網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)置最大子節(jié)點數(shù)為Cm=3,子節(jié)點中最大路由節(jié)點數(shù)Lm=3。電壓傳感器和電流傳感器分別檢測變電站的電壓和電流，ARM處理器選用ARM11，ZigBee模塊選用CC2530芯片以及外圍電路，ZigBee協(xié)調(diào)器通過串行通信UART與ARM連接。3G模塊選用華為MU509，3G模塊也是通過UART與ARM連接。

2.2 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖4所示。ZigBee模塊分為終端節(jié)點、路由器和協(xié)調(diào)器，ZigBee模塊使用IAR Embedded Workbench進行程序的編程、編譯和使用仿真器進行下載，ZigBee協(xié)議棧采用TI ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0版本。終端節(jié)點主要是采集變電站的電壓和電流，并且將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給路由器；路由器主要是進行分組轉(zhuǎn)發(fā)和建立維護路由表；協(xié)調(diào)器主要是分配地址和組網(wǎng)，通過串口與ARM進行通信。ZigBee協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)之后，終端節(jié)點和路由器自動搜素加入網(wǎng)絡(luò)，從而完成傳感數(shù)據(jù)的無線傳輸。ARM控制和處理主要借助嵌入式Linux，進行內(nèi)核移植。3G無線模塊主要是利用AT指令進行3G撥號上網(wǎng)。為了方便系統(tǒng)調(diào)試和提高系統(tǒng)的可視化操作，遠程監(jiān)測中心的人機界面采用面向?qū)ο蟮腝t Creator編程實現(xiàn)的界面進行顯示，系統(tǒng)界面顯示實時曲線、歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史曲線查詢等信息。

圖4 軟件設(shè)計流程

3 系統(tǒng)測試及數(shù)據(jù)分析

為了驗證改進的ZigBee路由協(xié)議I-TR應(yīng)用于電力系統(tǒng)的變電站傳輸電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的可行性，選取某110 kV變電站6 kV母線進行電能質(zhì)量實時在線監(jiān)測[13-16]。該系統(tǒng)主要監(jiān)測2～10次諧波、三相不平衡度以及閃變等參數(shù)。表2、3為檢測后的某110 kV變電站6 kV母線A相諧波電壓、諧波電流。

表2 H2～H10A相諧波電壓統(tǒng)計

表3 H2～H10A相諧波電流統(tǒng)計

4 結(jié) 語

從優(yōu)化變電站電能質(zhì)量在線監(jiān)測的實時性出發(fā)，提出了基于鄰居表的ZigBee路由優(yōu)化算法I-TR，采用Matlab仿真平臺模擬仿真，結(jié)果表明優(yōu)化的算法降低了轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)。通過對電力系統(tǒng)的變電站的實際在線監(jiān)測表明，本系統(tǒng)在監(jiān)測電壓和電流諧波時可以實時監(jiān)測到關(guān)于諧波的各種沖擊變化，對所測得的數(shù)據(jù)可以準確無誤的傳輸，滿足電力系統(tǒng)專用通信系統(tǒng)對數(shù)據(jù)丟包率的要求。

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Improved ZigBee Routing Algorithm and Its Application in Power Quality Monitoring System

WANGKe1,QUZhao-yang2,ZHUWei-hua1

(1. Jilin Technology School of Electronic Information，Jilin 132021, China; 2. Department of Information Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China)

Power quality online monitoring is very important for people's lives and industrial production. Because the traditional ZigBee tree routing algorithm has not been elected optimal path and other issues, this paper presents an improved tree routing algorithm (I-TR) to improve the effect The algorithm considers to apply the neighbor table for data transmission, it can reduce energy consumption of the network, and extend the network life cycle. The improved routing algorithm is applied to power quality monitoring system for substation, system hardware and software are designed, the basic function of power quality monitoring system is realized, test results show the system is stable and reliable, and with high real-time.

smart grid; ZigBee; routing algorithm; power quality

2015-11-12

國家自然科學基金資助項目(51277023)；中國高等職業(yè)技術(shù)教育研究會資助項目(GZYLX1213185)

王 珂(1982-)，女，吉林吉林人，碩士，講師，研究方向：計算機網(wǎng)絡(luò)及信息安全。E-mail：14204433@qq.com

TP 393

A

1006-7167(2016)08-0127-04