無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其在電力系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)研究.pdf

1、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)和現(xiàn)代無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，推動(dòng)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一種新的感知世界、信息處理的平臺。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量的集成數(shù)據(jù)采集、處理，并且能夠自組織的進(jìn)行協(xié)調(diào)和通信的節(jié)點(diǎn)組成，提供了一種全新的數(shù)據(jù)獲取和處理的方法，廣泛應(yīng)用于軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、搶險(xiǎn)救災(zāi)、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制、生產(chǎn)制造等諸多領(lǐng)域。本文結(jié)合國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(基金號：50677024)，以當(dāng)

2、代電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、信息化技術(shù)高速發(fā)展的現(xiàn)狀為前提，開展較大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的相關(guān)理論和基礎(chǔ)研究。 本文在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究，為電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)提供另一種可靠、優(yōu)質(zhì)的通信平臺打下前期的理論基礎(chǔ)： （1）基于對QoS（可靠性、延時(shí)等）的需求，用于電力系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能必須得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。到目前為止，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的驗(yàn)證都是通過仿真軟件來實(shí)現(xiàn)，比如說NS、OPNeT等等。通過仿真軟件來驗(yàn)證，有許多

3、實(shí)際的因?yàn)闊o法得到考慮，例如：障礙物、電磁干擾對性能的影響等等。本文首先應(yīng)用NDIS（Network Driver Interface Specification）技術(shù)和Passthru框架，構(gòu)建了一個(gè)無線自組網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺，給出了平臺的特征和應(yīng)用前景。通過該平臺，可以利用PC、移動(dòng)PC構(gòu)建一個(gè)無線自組網(wǎng)絡(luò)，在現(xiàn)場環(huán)境下實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的性能。 （2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂瓶刂频闹?/p>

4、要目標(biāo)是降低網(wǎng)絡(luò)的能量損耗，增加網(wǎng)絡(luò)的生存周期，減少節(jié)點(diǎn)間的通信干擾，為路由提供基礎(chǔ)。本文提出了一種基于局部信息的離散分布式拓?fù)淇刂扑惴ǎˋ Localized Discrete Distribution Topology－control Algorithm，LDDTA）。LDDTA可以大大地減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的冗余鏈接。其基本思想是：首先，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)離散成許多分離網(wǎng)絡(luò)子單元，稱為孤立網(wǎng)絡(luò)單元（Isolated Network I

5、sland，ISI）。這些ISI都具有有限節(jié)點(diǎn)度，且具有最佳的連接質(zhì)量。然后，通過優(yōu)化算法將各個(gè)ISI連接起來，形成一個(gè)完成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果顯示，該算法具有良好的性能。 （3）能量約束是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。實(shí)際應(yīng)用中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電有兩種方式：電池供電或者從周圍環(huán)境中取得能量。通過光電池、振動(dòng)或者磁感應(yīng)線圈等裝置可以從環(huán)境中取得能量。無論是電池供電還是從環(huán)境中取得供應(yīng)能量，由于無線傳感器節(jié)

6、點(diǎn)尺寸的限制，節(jié)點(diǎn)的平均供應(yīng)功率是十分有限的。通過分析用于電力系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)的工作模式，建立了一種無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量耗費(fèi)模型，基于一種混合式遺傳算法，對節(jié)點(diǎn)能量耗費(fèi)進(jìn)行了優(yōu)化，從而為應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作模式提供了一種有效的參考。同時(shí)分析了基于GA的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)化能量任務(wù)分配。 （4）在電力系統(tǒng)故障檢測和定位方面，給出了一種用于電力系統(tǒng)故障檢測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、安裝和配置方案。分析了基于無線傳

7、感器網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)故障檢測機(jī)制、定位方法和節(jié)點(diǎn)的采樣機(jī)制，研究分析了用于電力系統(tǒng)故障檢測和定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性。提出了一種面向事務(wù)的可靠性機(jī)制。 （5）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，時(shí)間同步是分布式系統(tǒng)協(xié)同工作的重要基礎(chǔ)。本文基于應(yīng)用于電力系統(tǒng)故障檢測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，給出一種新的時(shí)間同步方案。當(dāng)電力系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)，在線路上會(huì)產(chǎn)生向線路兩端傳播的行波。利用故障時(shí)的行波信號，設(shè)計(jì)了一種新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方