基于无线传感器网络的配用电信息路由技术研究

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发展智能配用电网离不开配用电信息传输网络。受限于经济和技术条件,配用电网中的通信系统所受关注少,发展较慢,亟待建设。配用电网总规模很大,但网络接入点多,分布范围广,接入的节点数目变化较快,且分布在不同区域的配用电网规模大小不一。这使得具有成本低、布置方便、拓扑灵活特点的无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)十分适合构建配用电信息传输网络。路由技术是WSN的关键技术之一,由于使用电池供电的传感节点能量有限,因此提高能量效率、延长网络生命周期是WSN路由算法的重要目标。本文研究基于WSN的配用电信息路由技术,此时信息传输可分为两个过程:一是WSN中各节点将监测信息传输至汇集节点的过程,针对该过程,本文结合配用电网中的典型应用场景分别提出了适用于线状、小规模平面和大范围平面WSN的路由算法;二是收集的数据从汇集节点被传输至数据管理中心的过程,针对该过程,减少传输量的数据压缩算法被研究。论文的主要工作有:(1)将WSN应用在配网绝缘子泄漏电流监测系统的构建中,根据配网输电线的特点建立了线状WSN模型,结合配网中节点间距离较大的特点分析得出采用逐点传输方式的最小传输能耗算法(Minimum Transmission Energy,MTE)在该应用中的能量效率更高,通过最大化利用汇集节点通信范围内的节点能量,提出了MTE的改进算法(Improved MTE,IMTE)。仿真结果表明IMTE算法能够有效延长网络生命周期,且在网络规模较小时,延长效果更佳。(2)将WSN应用在规模较小的用电网中,为便于网络管理,该网络采用分簇路由算法。针对LEACH中存在的分簇不合理、簇间距不均匀问题,一种分层聚类算法首先被提出,该算法在WSN节点聚类中的适用性通过仿真被验证;以该聚类算法为基础,同时考虑簇内节点剩余能量,基于分层聚类的路由算法然后被提出,仿真结果表明该算法在能量效率和生命周期方面明显优于LEACH。(3)将WSN应用在规模较大的用电网中,考虑到节点通信范围有限,针对规模较大的智能用电信息采集系统建立了树形结构的网络模型。在该模型基础上,首先提出了基于节点剩余能量和传输能耗的初始路径规划方法;然后针对初始算法中仍然存在的热点问题,提出了基于保护弱节点的优化算法,优化算法通过综合考虑节点能耗和整个网络能耗定义节点判别函数和网络特征值,通过对初始路径不断变更得到优化路径;最后通过仿真验证本文算法性能。结果表明,本文优化方法显著提升了网络能耗均衡性,同时延长了网络生命周期。(4)针对将汇集节点信息传输至后台数据管理中心的过程中的数据传输量总量大,成本高问题,基于压缩感知的配用电信息数据压缩算法在本文被提出。本文以绝缘子泄漏电流数据和用电信息数据为例分别通过阈值判断和时间差分的方法将原始数据稀疏化使其能够采用压缩感知理论并通过生成随机稀疏数据方式对数据压缩效果进行仿真。仿真结果表明,该算法可有效压缩汇集节点的数据传输量。
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