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1設備無線監測網絡數據流建模

1.1數據流分析為了解決變電站設備狀態監測標準問題，IEC61850已開始制定相關標準。雖然IEC61850－90－3對輸變電一次設備的輸變電一次設備狀態監測診斷與分析［13］進行了詳細描述和分析，并給出了具體數據建模方案，但對設備在線監測數據流上還未進行規定和規范。在IEC61850－5中，變電站自動化通信系統的報文類型分為7類：快速報文、中速報文、低速報文、原始數據報文、文件傳輸報文、時間同步報文和訪問控制命令。為了避免冗余，這7類報文又歸為3大類：周期性數據、隨機性數據和突發性數據。因此在對智能變電站設備監測網絡數據流分析中參考以上分類方法，具體分為以下4種類型：周期性采樣信息CT1、故障信息CT2、設備運行信息CT3、維護信息CT4。在智能變電站設備監測網絡中，CT1包括監測傳感器向簇頭節點傳輸周期實時設備電氣、物理、化學等狀態采樣值；CT2主要包括設備故障發生時，監測傳感器向簇頭節點傳輸的狀態改變信息；設備自診斷、事件記錄、讀或改變整定值等信息屬于CT3類設備運行信息；而簇頭節點和Sink節點之間的大型記錄數據屬于CT4類維護信息，如文件傳輸、配置文件、設備診斷信息等。EC61850標準中，根據國際標準化組織（In－ternationalOrganizationforStandardization，ISO）的開放系統互聯（opensysteminterconnec－tion，OSI）7層參考模型，分別定義了3層模型和7層模型結構，因此在分析以上4種信息流特性時，參考IEC61850網絡模型定義規范。CT1類信息主要是傳輸監測傳感器采集的周期性測量值，通信量大，CT2類信息是設備出故障時，監測傳感器采集的測量值變化所產生信息，具有突發性，目前變電設備狀態監測信息的傳輸延時沒有特別定義，也沒有嚴格要求，但比較以上4種信息流類型，CT1和CT2類信息相比其他兩種重要，因此為了提高CT1和CT2類信息傳輸的速度和性能，避免通信棧延時，此兩類信息傳輸采用3層模型，采用－訂閱機制，并通過組播方式實現；CT3類信息為設備狀態記錄信息，具有突發性，通常采用7層無連接模型（基于UDP／IP協議的客戶–服務器模型），采取主動上送的策略；CT4類信息為大型記錄數據，具有隨機性，通信量大，通常采用7層連接模型（基于TCP／IP協議的客戶–服務器模型）。

1.2數據流建模設備無線傳感監測網絡中采用Zigbee協議，整個協議棧由物理層、MAC層、網絡層和應用層組成，每一層都有特定的幀結構，應用層序需要發送數據時，它將數據實體發送請求到應用支持子層（applicationsupportsublayer，APS），在之后的每一層都會為數據加上相應幀頭，組成發送幀信息，通信幀格式如圖2所示。智能變電站采用IEC61850實現無縫通信，在對數據流建模時，需要遵循IEC61850對變電站通信網絡和系統的規定，主要是IEC61850標準建議的通信模式和標準中定義的ASDU和APDU。IEC61850－9－1中規定的典型電子式傳感器ASDU長度為60字節，假定監測傳感器采用和電子式傳感器相同ASDU長度，則可推算出CT1類信息最大報文長度為109字節。IEC61850－7－2定義的GOOSE報文幀格式如圖3所示，在對CT2類信息分析時，把GOOSE報文幀中的APDU引入到CT2類信息幀格式中，因為GOOSE報文是直接從應用層映射到數據鏈路層，因此去掉Zigbee幀格式中的網絡層幀報頭，則CT2類信息報文長度為39＋n字節，其中n是GOOSEPDU長度。CT3類信息為主動上傳設備運行狀態記錄信息，運行狀態監視信息ASDU為32字節，因此信息報文長度為81字節；CT4類信息采用多幀傳送，最大ASDU為249字節，則信息報文長度最大為298字節。

2設備無線監測網絡QoS仿真建模

2.1QoS指標本文是對變電站的無線傳感監測網絡性能進行定量分析，因此需要定義一些適當的性能指標，目前研究學者對無線傳感器網絡的QoS指標主要從三個方面來進行定義：一是從節點感知的角度，主要包括節點功率控制、節點休眠機制和時間同步；二是從用戶感知的角度，主要包括網絡生存周期、感知精度、感知時延和吞吐率；三是從網絡感知的角度，主要包括網絡覆蓋率和連通性、能量開銷、傳輸可靠性、處理時延和傳輸時延［16］。在此基礎上，結合Opnet對無線傳感器網絡的性能統計，定義設備無線監測網絡QoS主要指標。

2.1.1用戶感知QoS端到端時延（end－to－enddelay）：指數據包從源節點產生到目的節點接收之間的總時延，包括節點采樣時延、處理時延和傳輸時延等。

2.1.2網絡QoSMAC層時延（MACdelay）：指目的節點的MAC層從源節點接收所有數據包并上傳至網絡層的端到端時延。MAC層吞吐率（MACthroughput）：衡量每單位時間MAC層成功接收并發送至網絡層的數據包數量，它是網絡傳輸數據能力的最終體現。MAC層丟包率（MACdatadropped）：統計因MAC層沒有接收到確認信號ACKs，網絡層數據包每單位時間內丟失的數據包數量，是網絡傳輸可靠性的重要衡量指標。

2.1.3節點QoS數據碰撞（collision）：指節點接收機通道中數據包的碰撞情況。丟包率（packetlossratio）：是指節點丟失數據包數量占所接收數據包的比率。比特誤碼率（biterrorrate）：衡量節點中數據在規定時間內數據傳輸的精確性。信噪比（signal／noiseratio）：是指節點接收機接收數據包片段的平均功率和所有干擾噪聲源平均功率的比值。接收功率（receivedpower）：指節點接收機接收一個數據包所消耗的平均功率。

2.2仿真模型以輸變電設備物聯網示范工程中220kV下關變電站為例，變電站占地35220m2，包括主變壓器、220kV和110kV電壓等級的所有斷路器、電流互感器、電磁式電壓互感器、電容式電壓互感器、耦合電容器、隔離開關（含接地刀閘）、避雷器、高壓母線和10kV開關柜。根據變電站一次設備所有監測對象和狀態參數和一次設備實際布置情況，部署70個傳感器，建立的仿真模型如圖4所示，仿真模型中監測傳感器（sensor）節點采用zigbee＿end＿device模型，簇頭節點（路由節點）采用zigbee＿router模型，Sink節點（協調節點）采用zigbee＿coordinator模型。

2.3網絡結構Opnet提供的Zigbee網絡仿真模型包括星形拓撲、樹狀拓撲和Mesh拓撲三種網絡結構，因為星形拓撲要求所有傳感器節點和簇頭節點直接和協調節點通信，不適合應用于變電站設備監測網絡實際部署中，因此仿真將只針對樹狀拓撲、Mesh拓撲，以及本文提出的簇狀拓撲結構進行性能分析，三種結構如圖5所示，其中簇狀拓撲中簇頭節點（router）和簇內傳感器節點（end＿device）通信，每個簇的簇頭節點直接和Sink節點（coordinator）通信。

3仿真分析

3.1參數設置仿真模型中的sensor節點、router節點和co－ordinator節點物理層采用IEEE802．15．4定義的2．4GHz無線信道，具體參數設置見表2。根據2．2節中的4種數據流模型，以及3．2節的仿真模型，各節點通信行為如下，具體參數設置見表3。a）每個子網絡中sensor節點以采樣間隔為周期持續向子網絡中的router節點發送數據報文，信息類型為CT1，數據長度固定為109字節，在本文仿真研究中，為了體現同步采樣，設定各sensor節點報文的起始時間和到達時間間隔都相同。b）子網絡中sensor節點在某一時刻向子網絡中的router節點發送CT2類數據報文，數據長度固定為128字節。c）CT3類信息由router節點向coordinator節點發送，數據為突發性數據，長度固定為81字節，同樣設定不從零時刻開始。CT4類信息由外部事件觸發，由router節點向coordinator節點發送，數據為隨機數據，固定長度為298字節。

3.2仿真分析設備無線監測網絡正常運行時，網絡數據流包括CT1和CT3類數據，設定網絡中所有sensor節點從仿真開始時刻開始周期發送數據長度為872bits的CT1類數據，周期為2min，持續至仿真結束；所有router節點發送數據長度為648bits的CT3類數據，仿真時間內發送一次數據，開始時間隨機取為U（30min，43min），其他仿真參數設置依照表2所設。圖6至圖9分別表示3種拓撲的MAC層平均丟包率、平均吞吐量、平均時延和應用層端到端平均時延統計曲線。可以看出，相比于其他兩種拓撲，簇狀拓撲在MAC層的平均丟包率、平均吞吐量和平均時延都是最優的，而樹狀拓撲和Mesh拓撲在應用層端到端平均時延要優于簇狀拓撲，具體比較結果見表4。簇狀拓撲平均丟包率為33．3bps，但和網絡最小流量62784B相比，丟包率對實際的通信影響很小；樹狀拓撲和Mesh拓撲吞吐量在數據開始傳輸到網絡穩定時，浮動比較大，本文所設計的簇狀拓撲網絡更穩定；雖然在應用層的端到端時延，簇狀拓撲相比于其他兩種拓撲時延波動和數值都比較大，但數據從MAC層發送出去時，時延的大小和穩定性明顯優于其他兩種拓撲。進行節點QoS指標分析時，選取變壓器監測間隔中的router節點和sensor節點，對它們的數據碰撞、丟包率、比特誤碼率、信噪比和發送一個數據包的平均功率進行仿真。其中，數據碰撞曲線反應的是接收機通道中的數據包碰撞情況，結果通過時間平均法來統計；功率曲線是指接收機信道接收一個數據包所需平均功率，結果同樣需要通過時間平均法來統計。仿真結果見表5，當網絡穩定后，簇狀拓撲的router節點和sensor節點雖然信噪比指標上不如樹狀拓撲和Mesh拓撲，但在數據碰撞、丟包率、比特誤碼率三個指標上都是最優的。根據表4和5中網絡QoS指標和節點QoS指標的比較，仿真結果表明簇狀拓撲網絡總體性能要優于其他兩種拓撲。

4結束語

隨著通信技術的進步，智能變電站作為輸變電設備物聯網的載體之一，需要考慮合理利用新的無線通信技術輔助可靠運行。以此為背景，本文設計了基于WSN的變電站設備無線監測網絡，結合Opnet仿真功能和無線傳感器網絡QoS體系，提出了包括端到端時延、MAC層時延、MAC層吞吐率、MAC層丟包率、數據碰撞、丟包率、比特誤碼率、信噪比和接收功率的QoS指標，并對樹狀、Mesh狀和本文所設計的簇狀網絡進行了性能仿真，仿真結果表明變電站設備無線監測網絡采用簇狀拓撲時具有更好的網絡性能，為無線傳感器網絡應用于實際智能變電站建設提供了理論參考。

作者：何杰楊漾馬凱歐陽璐璐單位：廣東省智能電網新技術企業重點實驗室湖南省湘潭市電業局湖南省長沙市電業局