无线监测网络拓扑论文范文

1设备无线监测网络数据流建模

1.1数据流分析为了解决变电站设备状态监测标准问题，IEC61850已开始制定相关标准。虽然IEC61850－90－3对输变电一次设备的输变电一次设备状态监测诊断与分析［13］进行了详细描述和分析，并给出了具体数据建模方案，但对设备在线监测数据流上还未进行规定和规范。在IEC61850－5中，变电站自动化通信系统的报文类型分为7类：快速报文、中速报文、低速报文、原始数据报文、文件传输报文、时间同步报文和访问控制命令。为了避免冗余，这7类报文又归为3大类：周期性数据、随机性数据和突发性数据。因此在对智能变电站设备监测网络数据流分析中参考以上分类方法，具体分为以下4种类型：周期性采样信息CT1、故障信息CT2、设备运行信息CT3、维护信息CT4。在智能变电站设备监测网络中，CT1包括监测传感器向簇头节点传输周期实时设备电气、物理、化学等状态采样值；CT2主要包括设备故障发生时，监测传感器向簇头节点传输的状态改变信息；设备自诊断、事件记录、读或改变整定值等信息属于CT3类设备运行信息；而簇头节点和Sink节点之间的大型记录数据属于CT4类维护信息，如文件传输、配置文件、设备诊断信息等。EC61850标准中，根据国际标准化组织（In－ternationalOrganizationforStandardization，ISO）的开放系统互联（opensysteminterconnec－tion，OSI）7层参考模型，分别定义了3层模型和7层模型结构，因此在分析以上4种信息流特性时，参考IEC61850网络模型定义规范。CT1类信息主要是传输监测传感器采集的周期性测量值，通信量大，CT2类信息是设备出故障时，监测传感器采集的测量值变化所产生信息，具有突发性，目前变电设备状态监测信息的传输延时没有特别定义，也没有严格要求，但比较以上4种信息流类型，CT1和CT2类信息相比其他两种重要，因此为了提高CT1和CT2类信息传输的速度和性能，避免通信栈延时，此两类信息传输采用3层模型，采用－订阅机制，并通过组播方式实现；CT3类信息为设备状态记录信息，具有突发性，通常采用7层无连接模型（基于UDP／IP协议的客户–服务器模型），采取主动上送的策略；CT4类信息为大型记录数据，具有随机性，通信量大，通常采用7层连接模型（基于TCP／IP协议的客户–服务器模型）。

1.2数据流建模设备无线传感监测网络中采用Zigbee协议，整个协议栈由物理层、MAC层、网络层和应用层组成，每一层都有特定的帧结构，应用层序需要发送数据时，它将数据实体发送请求到应用支持子层（applicationsupportsublayer，APS），在之后的每一层都会为数据加上相应帧头，组成发送帧信息，通信帧格式如图2所示。智能变电站采用IEC61850实现无缝通信，在对数据流建模时，需要遵循IEC61850对变电站通信网络和系统的规定，主要是IEC61850标准建议的通信模式和标准中定义的ASDU和APDU。IEC61850－9－1中规定的典型电子式传感器ASDU长度为60字节，假定监测传感器采用和电子式传感器相同ASDU长度，则可推算出CT1类信息最大报文长度为109字节。IEC61850－7－2定义的GOOSE报文帧格式如图3所示，在对CT2类信息分析时，把GOOSE报文帧中的APDU引入到CT2类信息帧格式中，因为GOOSE报文是直接从应用层映射到数据链路层，因此去掉Zigbee帧格式中的网络层帧报头，则CT2类信息报文长度为39＋n字节，其中n是GOOSEPDU长度。CT3类信息为主动上传设备运行状态记录信息，运行状态监视信息ASDU为32字节，因此信息报文长度为81字节；CT4类信息采用多帧传送，最大ASDU为249字节，则信息报文长度最大为298字节。

2设备无线监测网络QoS仿真建模

2.1QoS指标本文是对变电站的无线传感监测网络性能进行定量分析，因此需要定义一些适当的性能指标，目前研究学者对无线传感器网络的QoS指标主要从三个方面来进行定义：一是从节点感知的角度，主要包括节点功率控制、节点休眠机制和时间同步；二是从用户感知的角度，主要包括网络生存周期、感知精度、感知时延和吞吐率；三是从网络感知的角度，主要包括网络覆盖率和连通性、能量开销、传输可靠性、处理时延和传输时延［16］。在此基础上，结合Opnet对无线传感器网络的性能统计，定义设备无线监测网络QoS主要指标。

2.1.1用户感知QoS端到端时延（end－to－enddelay）：指数据包从源节点产生到目的节点接收之间的总时延，包括节点采样时延、处理时延和传输时延等。

2.1.2网络QoSMAC层时延（MACdelay）：指目的节点的MAC层从源节点接收所有数据包并上传至网络层的端到端时延。MAC层吞吐率（MACthroughput）：衡量每单位时间MAC层成功接收并发送至网络层的数据包数量，它是网络传输数据能力的最终体现。MAC层丢包率（MACdatadropped）：统计因MAC层没有接收到确认信号ACKs，网络层数据包每单位时间内丢失的数据包数量，是网络传输可靠性的重要衡量指标。

2.1.3节点QoS数据碰撞（collision）：指节点接收机通道中数据包的碰撞情况。丢包率（packetlossratio）：是指节点丢失数据包数量占所接收数据包的比率。比特误码率（biterrorrate）：衡量节点中数据在规定时间内数据传输的精确性。信噪比（signal／noiseratio）：是指节点接收机接收数据包片段的平均功率和所有干扰噪声源平均功率的比值。接收功率（receivedpower）：指节点接收机接收一个数据包所消耗的平均功率。

2.2仿真模型以输变电设备物联网示范工程中220kV下关变电站为例，变电站占地35220m2，包括主变压器、220kV和110kV电压等级的所有断路器、电流互感器、电磁式电压互感器、电容式电压互感器、耦合电容器、隔离开关（含接地刀闸）、避雷器、高压母线和10kV开关柜。根据变电站一次设备所有监测对象和状态参数和一次设备实际布置情况，部署70个传感器，建立的仿真模型如图4所示，仿真模型中监测传感器（sensor）节点采用zigbee＿end＿device模型，簇头节点（路由节点）采用zigbee＿router模型，Sink节点（协调节点）采用zigbee＿coordinator模型。

2.3网络结构Opnet提供的Zigbee网络仿真模型包括星形拓扑、树状拓扑和Mesh拓扑三种网络结构，因为星形拓扑要求所有传感器节点和簇头节点直接和协调节点通信，不适合应用于变电站设备监测网络实际部署中，因此仿真将只针对树状拓扑、Mesh拓扑，以及本文提出的簇状拓扑结构进行性能分析，三种结构如图5所示，其中簇状拓扑中簇头节点（router）和簇内传感器节点（end＿device）通信，每个簇的簇头节点直接和Sink节点（coordinator）通信。

3仿真分析

3.1参数设置仿真模型中的sensor节点、router节点和co－ordinator节点物理层采用IEEE802．15．4定义的2．4GHz无线信道，具体参数设置见表2。根据2．2节中的4种数据流模型，以及3．2节的仿真模型，各节点通信行为如下，具体参数设置见表3。a）每个子网络中sensor节点以采样间隔为周期持续向子网络中的router节点发送数据报文，信息类型为CT1，数据长度固定为109字节，在本文仿真研究中，为了体现同步采样，设定各sensor节点报文的起始时间和到达时间间隔都相同。b）子网络中sensor节点在某一时刻向子网络中的router节点发送CT2类数据报文，数据长度固定为128字节。c）CT3类信息由router节点向coordinator节点发送，数据为突发性数据，长度固定为81字节，同样设定不从零时刻开始。CT4类信息由外部事件触发，由router节点向coordinator节点发送，数据为随机数据，固定长度为298字节。

3.2仿真分析设备无线监测网络正常运行时，网络数据流包括CT1和CT3类数据，设定网络中所有sensor节点从仿真开始时刻开始周期发送数据长度为872bits的CT1类数据，周期为2min，持续至仿真结束；所有router节点发送数据长度为648bits的CT3类数据，仿真时间内发送一次数据，开始时间随机取为U（30min，43min），其他仿真参数设置依照表2所设。图6至图9分别表示3种拓扑的MAC层平均丢包率、平均吞吐量、平均时延和应用层端到端平均时延统计曲线。可以看出，相比于其他两种拓扑，簇状拓扑在MAC层的平均丢包率、平均吞吐量和平均时延都是最优的，而树状拓扑和Mesh拓扑在应用层端到端平均时延要优于簇状拓扑，具体比较结果见表4。簇状拓扑平均丢包率为33．3bps，但和网络最小流量62784B相比，丢包率对实际的通信影响很小；树状拓扑和Mesh拓扑吞吐量在数据开始传输到网络稳定时，浮动比较大，本文所设计的簇状拓扑网络更稳定；虽然在应用层的端到端时延，簇状拓扑相比于其他两种拓扑时延波动和数值都比较大，但数据从MAC层发送出去时，时延的大小和稳定性明显优于其他两种拓扑。进行节点QoS指标分析时，选取变压器监测间隔中的router节点和sensor节点，对它们的数据碰撞、丢包率、比特误码率、信噪比和发送一个数据包的平均功率进行仿真。其中，数据碰撞曲线反应的是接收机通道中的数据包碰撞情况，结果通过时间平均法来统计；功率曲线是指接收机信道接收一个数据包所需平均功率，结果同样需要通过时间平均法来统计。仿真结果见表5，当网络稳定后，簇状拓扑的router节点和sensor节点虽然信噪比指标上不如树状拓扑和Mesh拓扑，但在数据碰撞、丢包率、比特误码率三个指标上都是最优的。根据表4和5中网络QoS指标和节点QoS指标的比较，仿真结果表明簇状拓扑网络总体性能要优于其他两种拓扑。

4结束语

随着通信技术的进步，智能变电站作为输变电设备物联网的载体之一，需要考虑合理利用新的无线通信技术辅助可靠运行。以此为背景，本文设计了基于WSN的变电站设备无线监测网络，结合Opnet仿真功能和无线传感器网络QoS体系，提出了包括端到端时延、MAC层时延、MAC层吞吐率、MAC层丢包率、数据碰撞、丢包率、比特误码率、信噪比和接收功率的QoS指标，并对树状、Mesh状和本文所设计的簇状网络进行了性能仿真，仿真结果表明变电站设备无线监测网络采用簇状拓扑时具有更好的网络性能，为无线传感器网络应用于实际智能变电站建设提供了理论参考。

作者：何杰杨漾马凯欧阳璐璐单位：广东省智能电网新技术企业重点实验室湖南省湘潭市电业局湖南省长沙市电业局