配电线路状态监测的无线传感器网络数据传输方法与流程

本发明具体涉及一种配电线路状态监测的无线传感器网络数据传输方法。

背景技术：

随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为人们日常生产和生活中最重要的二次能源。因此，稳定可靠是电力系统日常运行最重要的目标之一。

配电线路是电力系统网络的重要组成部分，线路状态监测是保证配电网线路正常运行的重要技术措施，因此需要搭建有效的配电线路状态的数据传输通信网络。当前的配电线路状态监测系统的数据传输通信组网技术可以采用无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)技术，因其通信节点具有无线自组织性与灵活部署性而适合配电线路的状态监测应用需要。一个典型的WSN配电线路状态监测数据传输系统如图1所示：在配电线路带状区域内部署WSN传输节点，并在10kV线路杆塔端部署WSN接收节点；然后在状态监测数据节点WSN采集节点、线路上的WSN传输节点和WSN接收节点间建立一条数据传输路由路径，实现状态监测数据的传输。目前，上述的WSN配电线路状态监测数据传输方法中，配电线路状态数据传输主要采用单网关单方向数据传输方法，存在因节点失效或通信干扰，导致传输数据可靠性低以及传输效率不理想等问题；而且，由于WSN传输节点的可靠性对数据传输的可靠性的影响明显，目前的方法并未考虑该类影响，因此难以达到线路状态监测数据准确传输的通信业务要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种综合考虑WSN传输节点传输可靠性和稳定性、而且能够优化数据传输过程、保证数据传输稳定可靠的配电线路状态监测的无线传感器网络数据传输方法。

本发明提供的这种配电线路状态监测的无线传感器网络数据传输方法，包括如下步骤：

S1.在配电线路上安装WSN采集节点用于对配电线路进行状态监测，在配电线路的两侧杆塔分别安装一个WSN接收节点用于接收WSN采集节点发送的配电线路状态监测数据；并在WSN采集节点和WSN接收节点之间设置N个WSN传输节点，N个WSN传输节点组成集合，作为WSN接收节点和WSN采集节点间的数据通信中继节点；N为自然数；

S2.根据WSN传输节点的历史运行数据计算所有WSN传输节点的可信度；所述WSN传输节点的可信度用于表征WSN传输节点对于接收到的数据进行成功转发的能力；

S3.定义在WSN传输节点i发射半径内的其他WSN传输节点为WSN传输节点i的邻节点；根据WSN传输节点的剩余能量和其邻节点的剩余能量判定WSN传输节点的有效邻节点；同时得到所有WSN传输节点的邻节点的最大邻节点数目；

S4.根据步骤S3得到的WSN传输节点的有效邻节点和最大邻节点数目计算WSN传输节点的可靠度；所述的WSN传输节点的可靠度用于表征WSN传输节点对于接收的数据是否能够找到下一个WSN传输节点进行转发的能力；

S5.根据步骤S2得到的WSN传输节点的可信度和步骤S4得到的WSN传输节点的可靠度，计算得到WSN传输节点的可靠可信值；选取可靠可信值大于事先设定的可靠可信阈值的WSN传输节点构成可信可靠节点集合；

S6.在步骤S5得到的可信可靠节点集合中选取WSN传输节点构成WSN采集节点分别向两个WSN接收节点发送数据的两条候选传输路径；

S7.根据WSN传输节点的历史运行数据，分别计算步骤S6得到的两条候选路径中的所有WSN传输节点的无差错转发率，定义无差错转发率大于事先设定的无差错转发度阈值的WSN传输节点为路径活跃节点；

S8.根据步骤S7得到的路径活跃节点，计算两条候选路径的可信度；所述的路径的可信度用于表征候选路径对于数据的无差错转发能力；

S9.统计步骤S6得到的两条候选路径的数据传输总数和数据传输过程中发生的断传总数，计算得到两条候选路径的可靠度；所述的路径的可靠度用于表征候选路径对于数据传输的稳定性能力；

S10.根据步骤S8得到的路径的可信度和步骤S9得到的路径的可靠度，计算两条候选路径的可靠可信度，并选取可靠可信度较大的一条候选路径作为数据传输路径，完成配电线路状态监测的无线传感器网络数据。

步骤S2所述的计算WSN传输节点的可信度，为采用如下算式进行计算：

$C_j\left(k\right)=\frac{1}{k}\underset{j=0}{\overset{k-1}{\Σ}}{S}_j(k-j)$

式中为WSN传输节点在第k个周期的可信度；S_j(k)为第k个周期内WSN传输节点成功转发的数据包与接收到的数据包的比值。

步骤S3所述的有效邻节点的判断为：设WSN传输节点j在第k周期的剩余能量为E_j(k)，其所有邻节点的剩余能量为E_i(k)，则有效邻节点为E_i(k)＞a·E_j(k)的邻节点，式中a为有效能量系数，取值为0～1之间。

步骤S4所述的计算WSN传输节点的可靠度，具体为采用如下算式进行计算：

$R_j\left(k\right)=\frac{P_j\left(k\right)}{N_{\max }\left(k\right)}$

式中R_j(k)为WSN传输节点的可靠度；P_j(k)为有效邻节点的数；N_max(k)为最大邻节点数。

步骤S5所述的计算WSN传输节点的可靠可信值，为根据WSN传输节点的可信度和WSN传输节点的可靠度，采用加权法计算得到。

所述的加权法计算得到WSN传输节点的可靠可信值，具体为采用如下算式计算得到：

V_j(k)＝α·C_j(k)+(1-α)·R_j(k)

式中V_j(k)为WSN传输节点的可靠可信值；C_j(k)为WSN传输节点的可信度；R_j(k)为WSN传输节点的可靠度；α为加权系数，取值为0～1之间。

步骤S6所述的选取WSN传输节点构成候选传输路径，为采用最短中心距离收束原则和路由能量最优策略选取WSN传输节点候选传输路径。

所述的最短中心距离收束原则为选择与WSN接收节点和WSN采集节点连成的直线所成夹角最小的节点作为路径节点。

所述的能量最优策略为选取剩余能量最多的邻节点作为路径节点。

步骤S7所述的WSN传输节点的无差错转发率为WSN传输节点无差错数据包转发的数目与接收到的待转发数据包的数目的比值。

步骤S8所述的计算路径的可信度，为采用如下算式计算路径的可信度：

${\mathrm{LC}}_p\left(k\right)=\frac{N_p^{act}\left(k\right)}{N_p^{total}\left(k\right)}$

式中LC_p(k)为路径p的可信度；为路径p的活跃节点总数；为路径p的节点总数。

步骤S9所述的计算路径的可靠度，为采用如下算式计算路径的可靠度：

${\mathrm{LR}}_p\left(k\right)=\frac{N_p^{off}\left(k\right)}{N_p^T\left(k\right)}$

式中LR_p(k)为路径p的可靠度；为路径p的数据总断传数；为路径p的数据传输总数。

步骤S10所述的计算路径的可靠可信度，为根据路径的可信度和路径的可靠度，采用加权法计算得到。

所述的加权法计算路径的可靠可信度，才采用如下算式计算路径的可靠可信度：

LV_p(k)＝β·LC_p(k)+(1-β)·LR_p(k)

式中LV_p(k)为路径p的可靠可信值；LC_p(k)为路径p的可信度；LR_p(k)为p的可靠度；β为加权系数，取值为0～1之间。

本发明提供的这种配电线路状态监测的无线传感器网络数据传输方法，针对现行的配电线路数据传输方法中单网关单方向数据传输方法中缺乏节点传输可信度评价以及传输可靠性低问题，采用双网关双方向数据传输架构，通过节点可信可靠评价策略和路径可信可靠评价策略，构建双方向可信可靠数据传输路径，实现有效线路状态监测数据传输；本发明方法通过可信可靠节点评价策略计及距离信任值与剩余能量值，路径评价策略计及剩余能量值与路径节点总数，实现最佳可信可靠传输路径选择，方法具备提高线路状态数据的传输可靠性以及传输效率性能的特点。

附图说明

图1为现有技术的WSN配电线路状态监测数据传输系统示意图。

图2为本发明的WSN配电线路状态监测数据传输系统示意图。

图3为本发明的方法流程图。

图4为本发明的配电线路WSN传输节点设置示意图。

图5为本发明的配电线路的可信可靠节点选择示意图。

图6为本发明的配电线路的有效邻节点选择示意图。

图7为本发明的候选路径的数据传输示意图。

具体实施方式

如图2所示为本发明的WSN配电线路状态监测数据传输系统示意图：本发明采用的WSN配电线路状态监测数据传输系统，在配电线路的两侧杆塔分别安装一个WSN接收节点用于接收WSN采集节点发送的配电线路状态监测数据；并在WSN采集节点(WSN采集节点可以有多个)和WSN接收节点之间根据需要设置N个WSN传输节点，N个WSN传输节点组成集合，作为WSN接收节点和WSN采集节点间的数据通信中继节点。WSN采集节点可以通过WSN传输节点向任意一个WSN接收节点传输数据，本发明方法解决的问题即为：

a.WSN采集节点如何选取相应的WSN传输节点构成数据传输路径传输到WSN接收节点；

b.如何从a中选取的两条数据传输路径中选定最优的一条数据传输路径进行数据传输。

如图3所示即为本发明的方法流程图：本发明提供的这种配电线路状态监测的无线传感器网络数据传输方法，包括如下步骤：

S1.在配电线路上安装WSN采集节点用于对配电线路进行状态监测，在配电线路的两侧杆塔分别安装一个WSN接收节点用于接收WSN采集节点发送的配电线路状态监测数据；并在WSN采集节点和WSN接收节点之间根据需要设置N个WSN传输节点，N个WSN传输节点组成集合，作为WSN接收节点和WSN采集节点间的数据通信中继节点；N为自然数；

如图4所示即为本发明的配电线路WSN传输节点设置示意图，在WSN采集节点2和WSN接收节点3之间根据需要设置N个WSN传输节点；

S2.根据WSN传输节点的历史运行数据计算所有WSN传输节点的可信度；所述WSN传输节点的可信度用于表征WSN传输节点对于接收到的数据进行成功转发的能力；

计算WSN传输节点的可信度，为采用如下算式进行计算：

$C_j\left(k\right)=\frac{1}{k}\underset{j=0}{\overset{k-1}{\Σ}}{S}_j(k-j)$

式中为WSN传输节点在第k个周期的可信度；S_j(k)为第k个周期内WSN传输节点成功转发的数据包与接收到的数据包的比值；

S3.定义在WSN传输节点j发射半径内的其他WSN传输节点为WSN传输节点j的邻节点；根据WSN传输节点的剩余能量和其邻节点的剩余能量判定WSN传输节点的有效邻节点；同时得到所有WSN传输节点的邻节点的最大邻节点数目；

设WSN传输节点j在第k周期的剩余能量为E_j(k)，其所有邻节点的剩余能量为E_i(k)，则有效邻节点为E_i(k)＞a·E_j(k)的邻节点，式中a为有效能量系数，取值为0～1之间；

如图5所示为本发明的配电线路的可信可靠节点选择示意图：图中在WSN采集节点2和WSN接收节点3之间，两边各包括两个节点区域201，对于WSN传输节点W2，WSN传输节点21即为WSN传输节点W2的有效邻节点；

S4.根据步骤S3得到的WSN传输节点的有效邻节点和最大邻节点数目计算WSN传输节点的可靠度；所述的WSN传输节点的可靠度用于表征WSN传输节点对于接收的数据是否能够找到下一个WSN传输节点进行转发的能力或可能性；

计算WSN传输节点的可靠度，具体为采用如下算式进行计算：

$R_j\left(k\right)=\frac{P_j\left(k\right)}{N_{\max }\left(k\right)}$

式中R_j(k)为WSN传输节点j在第k个周期的可靠度；P_j(k)为WSN传输节点j在第k个周期的有效邻节点的数；N_max(k)为第k周期内的最大邻节点数；

S5.根据步骤S2得到的WSN传输节点的可信度和步骤S4得到的WSN传输节点的可靠度，计算得到WSN传输节点的可靠可信值；选取可靠可信值大于事先设定的可靠可信阈值的WSN传输节点构成可信可靠节点集合；

计算WSN传输节点的可靠可信值，为根据WSN传输节点的可信度和WSN传输节点的可靠度，采用加权法计算得到；具体为采用如下算式计算得到：

V_j(k)＝α·C_j(k)+(1-α)·R_j(k)

式中V_j(k)为WSN传输节点j在第k个周期的可靠可信值；C_j(k)为WSN传输节点j在第k个周期的可信度；R_j(k)为WSN传输节点j在第k个周期的可靠度；α为加权系数，取值为0～1之间；

如图6所示为本发明的配电线路的有效邻节点选择示意图：图中在WSN采集节点2和WSN接收节点3之间，两边各包括两个节点区域201，对于WSN传输节点W2，WSN传输节点21即为WSN传输节点W2的有效邻节点；在有效邻节点中，选取WSN传输节点W1的可信可靠节点为WSN传输节点22；

S6.在步骤S5得到的可信可靠节点集合中，采用最短中心距离收束原则和路由能量最优策略选取WSN传输节点构成WSN采集节点分别向两个WSN接收节点发送数据的两条候选传输路径；

所述的最短中心距离收束原则为选择与WSN接收节点和WSN采集节点连成的直线所成夹角最小的节点作为路径节点；

所述的能量最优策略为选取剩余能量最多的邻节点作为路径节点；

如图7所示为本发明的候选路径的数据传输示意图：根据步骤S1～S6的计算结果，选取WSN采集节点2与WSN接收节点3之间的两条数据传输路径如图7所示。

S7.根据WSN传输节点的历史运行数据，分别计算步骤S6得到的两条候选路径中的所有WSN传输节点的无差错转发率，无差错转发率为WSN传输节点无差错数据包转发的数目与接收到的待转发数据包的数目的比值；同时定义无差错转发率大于事先设定的无差错转发度阈值的WSN传输节点为路径活跃节点；

S8.根据步骤S7得到的路径活跃节点，计算两条候选路径的可信度；所述的路径的可信度用于表征候选路径对于数据的无差错转发能力；

所述的计算路径的可信度，为采用如下算式计算路径的可信度：

${\mathrm{LC}}_p\left(k\right)=\frac{N_p^{act}\left(k\right)}{N_p^{total}\left(k\right)}$

式中LC_p(k)为路径p在第k个周期的可信度；为路径p在第k个周期的活跃节点总数；为路径p在第k个周期的节点总数；

S9.统计步骤S6得到的两条候选路径的数据传输总数和数据传输过程中发生的断传总数，计算得到两条候选路径的可靠度；所述的路径的可靠度用于表征候选路径对于数据传输的稳定性能力；

所述的计算路径的可靠度，为采用如下算式计算路径的可靠度：

${\mathrm{LR}}_p\left(k\right)=\frac{N_p^{off}\left(k\right)}{N_p^T\left(k\right)}$

式中LR_p(k)为路径p在第k个周期的可靠度；为路径p的数据总断传数；为路径p的数据传输总数；

所述的数据总断传数和数据传输总数均由所在路径的WSN接收节点按照历史数据进行统计：路径的可靠度即体现的是WSN采集节点与第一WSN接收节点之间的路径可靠性更高还是WSN采集节点与第二WSN接收节点之间的路径可靠性更高；

S10.根据步骤S8得到的路径的可信度和步骤S9得到的路径的可靠度，计算两条候选路径的可靠可信度，并选取可靠可信度较大的一条候选路径作为数据传输路径，完成配电线路状态监测的无线传感器网络数据。

所述的计算路径的可靠可信度，为根据路径的可信度和路径的可靠度，采用加权法计算得到，具体为采用如下算式计算路径的可靠可信度：

LV_p(k)＝β·LC_p(k)+(1-β)·LR_p(k)

式中LV_p(k)为路径p在第k个周期的可靠可信值；LC_p(k)为路径p的可信度；LR_p(k)为p的可靠度；β为加权系数，取值为0～1之间。