无线传感器网络及其在智能电网中应用的相关技术研究

传感网是继PC、互联网、无线通信技术之后第四次信息技术革命,有重大的科学意义和应用价值。无线传感器技术作为传感网技术的典型代表,在军事国防、环境监测、生物医疗、抢险救灾、智能能源以及智能交通等领域具有广阔的应用前景。无线传感器网络中往往包含大量的节点,以数据为中心,中间节点能够对感知的数据进行融合转发。同时无线传感器网络又是资源受限应用型网络,节点的能量、存储容量以及计算能力有限,现有应用于传统无线网的成熟网络协议不适用于无线传感器网络,因此针对具体的应用需要设计资源高效(特别是能量高效)的无线传感器网络协议。本论文重点研究了无线传感器网络的支撑技术及其在电力系统应用等四个方面的问题：基于分簇的层次型路由、时间同步、无线差动保护以及智能变电站通信,提出了相应的模型和算法,并进行了仿真验证与分析。 本文的主要贡献和创新点如下： 1.针对现有分簇算法的簇头负载不均匀、簇头数量的不稳定以及定义第一个节点死亡时间为网络存活时间的不合理性,提出了可变簇半径的负荷均衡的分簇拓扑算法,同时统计节点担任簇头时的能耗作为节点竞选簇头的可适合性指标,避免了簇头节点的提早死亡,从而有效均衡节点的能量消耗,保持了簇的稳定性,延长了网络生存时间。 2.针对层次型时间同步的同步误差与跳数成正比增长、同步开销大的问题,结合参考广播同步和层次同步机制,提出了基于层次结构的能量自适应时间同步算法。首先,建立层次结构及子节点表；然后,在每个同步周期,父节点(上层节点)综合考虑子节点的能量和节点度来动态选择参考子节点进行比对同步,其他子节点通过侦听同步报文同步到父节点,从而大大减少了同步分组传输,节省了节点能量,延长了全网寿命,同时也能保证同步精度。 3.无线传感器网络中每个传感器节点采用晶体振荡器来维持本地时钟,由于晶体振荡器的频率存在偏差,以及外界环境影响,在运行一段时间后,传感器网络往往会产生时间漂移和时间偏移,要实现节点间同步就必须周期地进行时间偏移和时间漂移的补偿。本文首次提出了将带遗忘因子的序贯加权最小二乘(SWLS)应用于无线传感器网络时间同步优化,根据当前同步时刻的同步时标实时地对前一同步时刻时钟漂移的估计值进行更新调整,对节点时间偏移进行补偿。这样提高了同步精度,延长了同步周期,从而减少了同步开销,延长了网络寿命。 4.结合基于罗氏线圈的无线电流传感器,提出了无线电流差动保护,分析了无线差动保护的时间同步和实时性,论证了无线保护的同步精度和延迟能满足电流差动保护的要求。然后,针对传统比率制动差动保护中安全性和灵敏度的矛盾,提出了一种特性参数根据系统运行方式和故障状态的变化而自适应调整的差动保护判据,通过动模试验验证了新判据能可靠区分区内和区外故障,并且比传统的故障分量差动保护具有更高的灵敏度和安全性。 5.智能变电站是坚强智能电网的重要基础和支撑,也是传感网应用的重要领域。根据智能变电站分层分布式通信体系结构特点,提出构建应用于智能变电站的无线传感网络,分析了利用无线扩频技术传送电参量的可行性,设计了无线节点供能方案以及基于Zigbee的无线传感网与以太网的接入方案,最后分析了无线传感网的安全性。 论文最后对全文的研究结果进行总结,提出了进一步研究的方向。