基于QoS的智能配電網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模型的研究.pdf

1、智能電網(wǎng)是通過先進(jìn)的通信技術(shù)、高性能計算機(jī)技術(shù)以及智能化電氣控制技術(shù)把各種電力設(shè)備集為一體復(fù)雜的電力網(wǎng)絡(luò)。通過使用可靠、高效、安全和實時的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實現(xiàn)發(fā)電單元、輸變電網(wǎng)以及配電網(wǎng)三者之間的無縫對接，是保證智能電網(wǎng)電力流和信息流雙線傳輸?shù)谋匾侄沃弧?011年美國公布的“智能電網(wǎng)發(fā)展框架與路線圖”明確將WSNs列為推薦的區(qū)域電網(wǎng)通信技術(shù)之一。2012年IEEE特別發(fā)布了專用于智能配電網(wǎng)的WSNs技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4g。

2、近年來，無線傳感網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用得到了中國國家自然科學(xué)基金、美國國家自然科學(xué)基金以及歐盟第七框架計劃的大力支持。研究WSNs在智能配電網(wǎng)中的應(yīng)用一直是關(guān)注的熱點。
　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于滿足電力工業(yè)通信規(guī)范保證性指標(biāo)的智能配電網(wǎng)高性能通信，其應(yīng)用基礎(chǔ)研究可歸結(jié)為一類具有不確定性過程和有上確界保證性QoS指標(biāo)要求的多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化難題。研究該類問題核心是建立具有上確界保證性QoS支持的層內(nèi)優(yōu)化與跨層協(xié)作質(zhì)量控制協(xié)議棧模型。在網(wǎng)絡(luò)

3、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對固定條件下，實現(xiàn)對具有實時性和可靠性上確界保證性QoS指標(biāo)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信協(xié)調(diào)優(yōu)化。所提出的研究方法能夠提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信性能以及為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)中應(yīng)用提供理論支撐和實際應(yīng)用依據(jù)。
　　本文的主要研究工作如下:
　　(1)提出一種滿足電力數(shù)據(jù)優(yōu)先級需求的MAC層內(nèi)數(shù)據(jù)隊列調(diào)度與不公平競爭信道訪問機(jī)制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC-QoS協(xié)議算法，建立了智能配電網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層性能分

4、析的數(shù)學(xué)模型。該算法針對電力工業(yè)通信規(guī)范對不同類型電力數(shù)據(jù)具有不同實時性和可靠性的需求，以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點內(nèi)電力數(shù)據(jù)隊列一步鏈變化，建立了高優(yōu)先級、中等優(yōu)先級和低優(yōu)先級數(shù)據(jù)不公平競爭的馬爾科夫鏈緩沖隊列的數(shù)學(xué)模型與鄰近節(jié)點間信道競爭的數(shù)學(xué)模型。構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)MAC層性能分析的延時時間、信道沖撞率、有效吞吐率模型。仿真實驗結(jié)果表明:該算法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)欠飽和狀態(tài)，所有類型電力數(shù)據(jù)的實時性和可靠性均能夠得到保證;在網(wǎng)絡(luò)飽和狀態(tài)或過飽和狀態(tài)，高優(yōu)先級電

5、力數(shù)據(jù)的實時性和可靠性優(yōu)先得到保證;能在不增加任何網(wǎng)絡(luò)開銷的前提下，實現(xiàn)對不同類型的電力數(shù)據(jù)提供滿足電力工業(yè)通信規(guī)范要求的服務(wù)質(zhì)量。
　　(2)提出了一種以智能配電網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最小流為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)路徑選擇算法。該算法以電力工業(yè)通信規(guī)范對電力數(shù)據(jù)通信的實時性和可靠性需求的上確界作為約束條件，建立起節(jié)點內(nèi)流量守恒作為邊界條件的智能配電網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最小流的數(shù)據(jù)傳輸最優(yōu)路徑選擇的目標(biāo)函數(shù)。從極值存在的必要條件出發(fā)，構(gòu)建出目標(biāo)函數(shù)

6、系數(shù)最優(yōu)解的求取方法。通過對比所獲得目標(biāo)函數(shù)系數(shù)的最優(yōu)解與當(dāng)前節(jié)點到目標(biāo)節(jié)點鏈路上的阻抗之間的大小，作為判斷當(dāng)前無線傳感器節(jié)點是否位于數(shù)據(jù)傳送的最優(yōu)路徑上的依據(jù)。仿真實驗結(jié)果表明:所提出的智能配電網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最小流目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)路徑選擇算法，實現(xiàn)對智能配電網(wǎng)中電力數(shù)據(jù)的有效傳輸，保證實時性和可靠性指標(biāo)滿足電力工業(yè)通信規(guī)約。
　　(3)提出了一種基于鄰近節(jié)點效應(yīng)的智能配電網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的擁塞控制算法。該算法在當(dāng)前節(jié)點出

7、現(xiàn)擁塞時，以鄰近節(jié)點傳輸效能為評價量，以該節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)窗口尺寸為調(diào)節(jié)量，控制網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生的概率，在不降低網(wǎng)絡(luò)有效吞吐量的前提下，有效保證電力工業(yè)通信規(guī)范對電力數(shù)據(jù)通信的實時性和可靠性需求。為彌補(bǔ)由于擁塞引起的數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)傳輸時間的增加，所提出的擁塞控制算法進(jìn)一步增加了快重傳和快恢復(fù)功能。以有線傳輸?shù)耐ㄐ拍Ｐ蜑槌霭l(fā)點，構(gòu)建了衡量智能配電網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的擁塞控制算法的性能分析的擁塞窗口和隊列長度變化率的數(shù)學(xué)模型。在智能配電網(wǎng)無線

8、傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中嵌入了H2/H∞混合控制器來有效保證通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。仿真實驗結(jié)果表明:所提出的基于鄰近節(jié)點效應(yīng)的智能配電網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的擁塞控制算法能夠有效降低系統(tǒng)發(fā)生擁塞的概率，提升智能配電網(wǎng)中電力數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性使其滿足電力工業(yè)通信規(guī)范。
　　(4)建立了智能配電網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?？鐚訁f(xié)作服務(wù)質(zhì)量控制模型。該模型依據(jù)IEEE802.15.4協(xié)議棧模型結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一協(xié)調(diào)各層資源，協(xié)同調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧各個協(xié)議

9、層參數(shù)之間的配合，整體上提升協(xié)議棧服務(wù)質(zhì)量性能，以保證電力數(shù)據(jù)的實時性和可靠性滿足電力工業(yè)通信規(guī)范需求。建立了智能配電網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的單節(jié)點模糊認(rèn)知圖模型以及對應(yīng)的關(guān)聯(lián)矩陣，通過T-S方法建立多個無線傳感器節(jié)點之間的聯(lián)系。以數(shù)據(jù)隊列長度對應(yīng)的概念節(jié)點作為被控變量和其余概念節(jié)點作為控制變量，建立了智能配電網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)。仿真實驗結(jié)果表明:所提出的智能配電網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧跨層協(xié)作服務(wù)質(zhì)量控制模型能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)議棧內(nèi)多

10、個協(xié)議層之間的信息共享以及協(xié)議?？鐚訁f(xié)作，在通信網(wǎng)絡(luò)處于不飽和狀態(tài)時，所有類型電力數(shù)據(jù)實時性和可靠性均得到保證;在通信網(wǎng)絡(luò)處于飽和狀態(tài)時，優(yōu)先保證級別較高的電力數(shù)據(jù)實時性和可靠性滿足電力工業(yè)通信規(guī)范需求。
　　(5)實例應(yīng)用。設(shè)計了黃山市智能配電網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浼軜?gòu)。充分考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多單元、多形式、多層次設(shè)計理念與智能配電網(wǎng)所處地理環(huán)境、配電網(wǎng)終端設(shè)備的布局結(jié)構(gòu)、各個區(qū)域離智能配電網(wǎng)信息管理中心的遠(yuǎn)近和配電網(wǎng)信息管理中

11、心自身的需求相適應(yīng)。在所設(shè)計的智能配電網(wǎng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中同時嵌入了滿足電力數(shù)據(jù)優(yōu)先級需求的MAC層內(nèi)數(shù)據(jù)隊列調(diào)度與不公平競爭機(jī)制的MAC-QoS協(xié)議算法，以智能配電網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最小流為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)路徑選擇算法，基于鄰近節(jié)點效應(yīng)的擁塞控制算法和協(xié)議?？鐚訁f(xié)作服務(wù)質(zhì)量控制算法。并根據(jù)智能配電網(wǎng)信息管理的需求設(shè)計了相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)管理軟件。對該實例應(yīng)用中不同優(yōu)先級別數(shù)據(jù)的實時性和可靠性進(jìn)行測試。結(jié)果表明:本文所做的基礎(chǔ)理論研究以及相關(guān)的模型算法