本發(fā)明具體涉及一種配電線路狀態(tài)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，電能已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活中最重要的二次能源。因此，穩(wěn)定可靠是電力系統(tǒng)日常運行最重要的目標之一。

配電線路是電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，線路狀態(tài)監(jiān)測是保證配電網(wǎng)線路正常運行的重要技術(shù)措施，因此需要搭建有效的配電線路狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸通信網(wǎng)絡(luò)。當前的配電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通信組網(wǎng)技術(shù)可以采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，Wireless Sensor Network)技術(shù)，因其通信節(jié)點具有無線自組織性與靈活部署性而適合配電線路的狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用需要。一個典型的WSN配電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)如圖1所示：在配電線路帶狀區(qū)域內(nèi)部署WSN傳輸節(jié)點，并在10kV線路桿塔端部署WSN接收節(jié)點；然后在狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)節(jié)點WSN采集節(jié)點、線路上的WSN傳輸節(jié)點和WSN接收節(jié)點間建立一條數(shù)據(jù)傳輸路由路徑，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸。目前，上述的WSN配電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方法中，配電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸主要采用單網(wǎng)關(guān)單方向數(shù)據(jù)傳輸方法，存在因節(jié)點失效或通信干擾，導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)可靠性低以及傳輸效率不理想等問題；而且，由于WSN傳輸節(jié)點的可靠性對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘挠绊懨黠@，目前的方法并未考慮該類影響，因此難以達到線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)準確傳輸?shù)耐ㄐ艠I(yè)務(wù)要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種綜合考慮WSN傳輸節(jié)點傳輸可靠性和穩(wěn)定性、而且能夠優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸過程、保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠的配電線路狀態(tài)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法。

本發(fā)明提供的這種配電線路狀態(tài)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，包括如下步驟：

S1.在配電線路上安裝WSN采集節(jié)點用于對配電線路進行狀態(tài)監(jiān)測，在配電線路的兩側(cè)桿塔分別安裝一個WSN接收節(jié)點用于接收WSN采集節(jié)點發(fā)送的配電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)；并在WSN采集節(jié)點和WSN接收節(jié)點之間設(shè)置N個WSN傳輸節(jié)點，N個WSN傳輸節(jié)點組成集合，作為WSN接收節(jié)點和WSN采集節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信中繼節(jié)點；N為自然數(shù)；

S2.根據(jù)WSN傳輸節(jié)點的歷史運行數(shù)據(jù)計算所有WSN傳輸節(jié)點的可信度；所述WSN傳輸節(jié)點的可信度用于表征WSN傳輸節(jié)點對于接收到的數(shù)據(jù)進行成功轉(zhuǎn)發(fā)的能力；

S3.定義在WSN傳輸節(jié)點i發(fā)射半徑內(nèi)的其他WSN傳輸節(jié)點為WSN傳輸節(jié)點i的鄰節(jié)點；根據(jù)WSN傳輸節(jié)點的剩余能量和其鄰節(jié)點的剩余能量判定WSN傳輸節(jié)點的有效鄰節(jié)點；同時得到所有WSN傳輸節(jié)點的鄰節(jié)點的最大鄰節(jié)點數(shù)目；

S4.根據(jù)步驟S3得到的WSN傳輸節(jié)點的有效鄰節(jié)點和最大鄰節(jié)點數(shù)目計算WSN傳輸節(jié)點的可靠度；所述的WSN傳輸節(jié)點的可靠度用于表征WSN傳輸節(jié)點對于接收的數(shù)據(jù)是否能夠找到下一個WSN傳輸節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)的能力；

S5.根據(jù)步驟S2得到的WSN傳輸節(jié)點的可信度和步驟S4得到的WSN傳輸節(jié)點的可靠度，計算得到WSN傳輸節(jié)點的可靠可信值；選取可靠可信值大于事先設(shè)定的可靠可信閾值的WSN傳輸節(jié)點構(gòu)成可信可靠節(jié)點集合；

S6.在步驟S5得到的可信可靠節(jié)點集合中選取WSN傳輸節(jié)點構(gòu)成WSN采集節(jié)點分別向兩個WSN接收節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的兩條候選傳輸路徑；

S7.根據(jù)WSN傳輸節(jié)點的歷史運行數(shù)據(jù)，分別計算步驟S6得到的兩條候選路徑中的所有WSN傳輸節(jié)點的無差錯轉(zhuǎn)發(fā)率，定義無差錯轉(zhuǎn)發(fā)率大于事先設(shè)定的無差錯轉(zhuǎn)發(fā)度閾值的WSN傳輸節(jié)點為路徑活躍節(jié)點；

S8.根據(jù)步驟S7得到的路徑活躍節(jié)點，計算兩條候選路徑的可信度；所述的路徑的可信度用于表征候選路徑對于數(shù)據(jù)的無差錯轉(zhuǎn)發(fā)能力；

S9.統(tǒng)計步驟S6得到的兩條候選路徑的數(shù)據(jù)傳輸總數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生的斷傳總數(shù)，計算得到兩條候選路徑的可靠度；所述的路徑的可靠度用于表征候選路徑對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性能力；

S10.根據(jù)步驟S8得到的路徑的可信度和步驟S9得到的路徑的可靠度，計算兩條候選路徑的可靠可信度，并選取可靠可信度較大的一條候選路徑作為數(shù)據(jù)傳輸路徑，完成配電線路狀態(tài)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

步驟S2所述的計算WSN傳輸節(jié)點的可信度，為采用如下算式進行計算：

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

式中為WSN傳輸節(jié)點在第k個周期的可信度；S_j(k)為第k個周期內(nèi)WSN傳輸節(jié)點成功轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包與接收到的數(shù)據(jù)包的比值。

步驟S3所述的有效鄰節(jié)點的判斷為：設(shè)WSN傳輸節(jié)點j在第k周期的剩余能量為E_j(k)，其所有鄰節(jié)點的剩余能量為E_i(k)，則有效鄰節(jié)點為E_i(k)＞a·E_j(k)的鄰節(jié)點，式中a為有效能量系數(shù)，取值為0～1之間。

步驟S4所述的計算WSN傳輸節(jié)點的可靠度，具體為采用如下算式進行計算：

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

式中R_j(k)為WSN傳輸節(jié)點的可靠度；P_j(k)為有效鄰節(jié)點的數(shù)；N_max(k)為最大鄰節(jié)點數(shù)。

步驟S5所述的計算WSN傳輸節(jié)點的可靠可信值，為根據(jù)WSN傳輸節(jié)點的可信度和WSN傳輸節(jié)點的可靠度，采用加權(quán)法計算得到。

所述的加權(quán)法計算得到WSN傳輸節(jié)點的可靠可信值，具體為采用如下算式計算得到：

V_j(k)＝α·C_j(k)+(1-α)·R_j(k)

式中V_j(k)為WSN傳輸節(jié)點的可靠可信值；C_j(k)為WSN傳輸節(jié)點的可信度；R_j(k)為WSN傳輸節(jié)點的可靠度；α為加權(quán)系數(shù)，取值為0～1之間。

步驟S6所述的選取WSN傳輸節(jié)點構(gòu)成候選傳輸路徑，為采用最短中心距離收束原則和路由能量最優(yōu)策略選取WSN傳輸節(jié)點候選傳輸路徑。

所述的最短中心距離收束原則為選擇與WSN接收節(jié)點和WSN采集節(jié)點連成的直線所成夾角最小的節(jié)點作為路徑節(jié)點。

所述的能量最優(yōu)策略為選取剩余能量最多的鄰節(jié)點作為路徑節(jié)點。

步驟S7所述的WSN傳輸節(jié)點的無差錯轉(zhuǎn)發(fā)率為WSN傳輸節(jié)點無差錯數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)目與接收到的待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的數(shù)目的比值。

步驟S8所述的計算路徑的可信度，為采用如下算式計算路徑的可信度：

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

式中LC_p(k)為路徑p的可信度；為路徑p的活躍節(jié)點總數(shù)；為路徑p的節(jié)點總數(shù)。

步驟S9所述的計算路徑的可靠度，為采用如下算式計算路徑的可靠度：

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

式中LR_p(k)為路徑p的可靠度；為路徑p的數(shù)據(jù)總斷傳數(shù)；為路徑p的數(shù)據(jù)傳輸總數(shù)。

步驟S10所述的計算路徑的可靠可信度，為根據(jù)路徑的可信度和路徑的可靠度，采用加權(quán)法計算得到。

所述的加權(quán)法計算路徑的可靠可信度，才采用如下算式計算路徑的可靠可信度：

LV_p(k)＝β·LC_p(k)+(1-β)·LR_p(k)

式中LV_p(k)為路徑p的可靠可信值；LC_p(k)為路徑p的可信度；LR_p(k)為p的可靠度；β為加權(quán)系數(shù)，取值為0～1之間。

本發(fā)明提供的這種配電線路狀態(tài)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，針對現(xiàn)行的配電線路數(shù)據(jù)傳輸方法中單網(wǎng)關(guān)單方向數(shù)據(jù)傳輸方法中缺乏節(jié)點傳輸可信度評價以及傳輸可靠性低問題，采用雙網(wǎng)關(guān)雙方向數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)，通過節(jié)點可信可靠評價策略和路徑可信可靠評價策略，構(gòu)建雙方向可信可靠數(shù)據(jù)傳輸路徑，實現(xiàn)有效線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸；本發(fā)明方法通過可信可靠節(jié)點評價策略計及距離信任值與剩余能量值，路徑評價策略計及剩余能量值與路徑節(jié)點總數(shù)，實現(xiàn)最佳可信可靠傳輸路徑選擇，方法具備提高線路狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸可靠性以及傳輸效率性能的特點。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)的WSN配電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)示意圖。

圖2為本發(fā)明的WSN配電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)示意圖。

圖3為本發(fā)明的方法流程圖。

圖4為本發(fā)明的配電線路WSN傳輸節(jié)點設(shè)置示意圖。

圖5為本發(fā)明的配電線路的可信可靠節(jié)點選擇示意圖。

圖6為本發(fā)明的配電線路的有效鄰節(jié)點選擇示意圖。

圖7為本發(fā)明的候選路徑的數(shù)據(jù)傳輸示意圖。

具體實施方式

如圖2所示為本發(fā)明的WSN配電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)示意圖：本發(fā)明采用的WSN配電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，在配電線路的兩側(cè)桿塔分別安裝一個WSN接收節(jié)點用于接收WSN采集節(jié)點發(fā)送的配電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)；并在WSN采集節(jié)點(WSN采集節(jié)點可以有多個)和WSN接收節(jié)點之間根據(jù)需要設(shè)置N個WSN傳輸節(jié)點，N個WSN傳輸節(jié)點組成集合，作為WSN接收節(jié)點和WSN采集節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信中繼節(jié)點。WSN采集節(jié)點可以通過WSN傳輸節(jié)點向任意一個WSN接收節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，本發(fā)明方法解決的問題即為：

a.WSN采集節(jié)點如何選取相應(yīng)的WSN傳輸節(jié)點構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸路徑傳輸?shù)絎SN接收節(jié)點；

b.如何從a中選取的兩條數(shù)據(jù)傳輸路徑中選定最優(yōu)的一條數(shù)據(jù)傳輸路徑進行數(shù)據(jù)傳輸。

如圖3所示即為本發(fā)明的方法流程圖：本發(fā)明提供的這種配電線路狀態(tài)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，包括如下步驟：

S1.在配電線路上安裝WSN采集節(jié)點用于對配電線路進行狀態(tài)監(jiān)測，在配電線路的兩側(cè)桿塔分別安裝一個WSN接收節(jié)點用于接收WSN采集節(jié)點發(fā)送的配電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)；并在WSN采集節(jié)點和WSN接收節(jié)點之間根據(jù)需要設(shè)置N個WSN傳輸節(jié)點，N個WSN傳輸節(jié)點組成集合，作為WSN接收節(jié)點和WSN采集節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信中繼節(jié)點；N為自然數(shù)；

如圖4所示即為本發(fā)明的配電線路WSN傳輸節(jié)點設(shè)置示意圖，在WSN采集節(jié)點2和WSN接收節(jié)點3之間根據(jù)需要設(shè)置N個WSN傳輸節(jié)點；

S2.根據(jù)WSN傳輸節(jié)點的歷史運行數(shù)據(jù)計算所有WSN傳輸節(jié)點的可信度；所述WSN傳輸節(jié)點的可信度用于表征WSN傳輸節(jié)點對于接收到的數(shù)據(jù)進行成功轉(zhuǎn)發(fā)的能力；

計算WSN傳輸節(jié)點的可信度，為采用如下算式進行計算：

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

式中為WSN傳輸節(jié)點在第k個周期的可信度；S_j(k)為第k個周期內(nèi)WSN傳輸節(jié)點成功轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包與接收到的數(shù)據(jù)包的比值；

S3.定義在WSN傳輸節(jié)點j發(fā)射半徑內(nèi)的其他WSN傳輸節(jié)點為WSN傳輸節(jié)點j的鄰節(jié)點；根據(jù)WSN傳輸節(jié)點的剩余能量和其鄰節(jié)點的剩余能量判定WSN傳輸節(jié)點的有效鄰節(jié)點；同時得到所有WSN傳輸節(jié)點的鄰節(jié)點的最大鄰節(jié)點數(shù)目；

設(shè)WSN傳輸節(jié)點j在第k周期的剩余能量為E_j(k)，其所有鄰節(jié)點的剩余能量為E_i(k)，則有效鄰節(jié)點為E_i(k)＞a·E_j(k)的鄰節(jié)點，式中a為有效能量系數(shù)，取值為0～1之間；

如圖5所示為本發(fā)明的配電線路的可信可靠節(jié)點選擇示意圖：圖中在WSN采集節(jié)點2和WSN接收節(jié)點3之間，兩邊各包括兩個節(jié)點區(qū)域201，對于WSN傳輸節(jié)點W2，WSN傳輸節(jié)點21即為WSN傳輸節(jié)點W2的有效鄰節(jié)點；

S4.根據(jù)步驟S3得到的WSN傳輸節(jié)點的有效鄰節(jié)點和最大鄰節(jié)點數(shù)目計算WSN傳輸節(jié)點的可靠度；所述的WSN傳輸節(jié)點的可靠度用于表征WSN傳輸節(jié)點對于接收的數(shù)據(jù)是否能夠找到下一個WSN傳輸節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)的能力或可能性；

計算WSN傳輸節(jié)點的可靠度，具體為采用如下算式進行計算：

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

式中R_j(k)為WSN傳輸節(jié)點j在第k個周期的可靠度；P_j(k)為WSN傳輸節(jié)點j在第k個周期的有效鄰節(jié)點的數(shù)；N_max(k)為第k周期內(nèi)的最大鄰節(jié)點數(shù)；

S5.根據(jù)步驟S2得到的WSN傳輸節(jié)點的可信度和步驟S4得到的WSN傳輸節(jié)點的可靠度，計算得到WSN傳輸節(jié)點的可靠可信值；選取可靠可信值大于事先設(shè)定的可靠可信閾值的WSN傳輸節(jié)點構(gòu)成可信可靠節(jié)點集合；

計算WSN傳輸節(jié)點的可靠可信值，為根據(jù)WSN傳輸節(jié)點的可信度和WSN傳輸節(jié)點的可靠度，采用加權(quán)法計算得到；具體為采用如下算式計算得到：

V_j(k)＝α·C_j(k)+(1-α)·R_j(k)

式中V_j(k)為WSN傳輸節(jié)點j在第k個周期的可靠可信值；C_j(k)為WSN傳輸節(jié)點j在第k個周期的可信度；R_j(k)為WSN傳輸節(jié)點j在第k個周期的可靠度；α為加權(quán)系數(shù)，取值為0～1之間；

如圖6所示為本發(fā)明的配電線路的有效鄰節(jié)點選擇示意圖：圖中在WSN采集節(jié)點2和WSN接收節(jié)點3之間，兩邊各包括兩個節(jié)點區(qū)域201，對于WSN傳輸節(jié)點W2，WSN傳輸節(jié)點21即為WSN傳輸節(jié)點W2的有效鄰節(jié)點；在有效鄰節(jié)點中，選取WSN傳輸節(jié)點W1的可信可靠節(jié)點為WSN傳輸節(jié)點22；

S6.在步驟S5得到的可信可靠節(jié)點集合中，采用最短中心距離收束原則和路由能量最優(yōu)策略選取WSN傳輸節(jié)點構(gòu)成WSN采集節(jié)點分別向兩個WSN接收節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的兩條候選傳輸路徑；

所述的最短中心距離收束原則為選擇與WSN接收節(jié)點和WSN采集節(jié)點連成的直線所成夾角最小的節(jié)點作為路徑節(jié)點；

所述的能量最優(yōu)策略為選取剩余能量最多的鄰節(jié)點作為路徑節(jié)點；

如圖7所示為本發(fā)明的候選路徑的數(shù)據(jù)傳輸示意圖：根據(jù)步驟S1～S6的計算結(jié)果，選取WSN采集節(jié)點2與WSN接收節(jié)點3之間的兩條數(shù)據(jù)傳輸路徑如圖7所示。

S7.根據(jù)WSN傳輸節(jié)點的歷史運行數(shù)據(jù)，分別計算步驟S6得到的兩條候選路徑中的所有WSN傳輸節(jié)點的無差錯轉(zhuǎn)發(fā)率，無差錯轉(zhuǎn)發(fā)率為WSN傳輸節(jié)點無差錯數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)目與接收到的待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的數(shù)目的比值；同時定義無差錯轉(zhuǎn)發(fā)率大于事先設(shè)定的無差錯轉(zhuǎn)發(fā)度閾值的WSN傳輸節(jié)點為路徑活躍節(jié)點；

S8.根據(jù)步驟S7得到的路徑活躍節(jié)點，計算兩條候選路徑的可信度；所述的路徑的可信度用于表征候選路徑對于數(shù)據(jù)的無差錯轉(zhuǎn)發(fā)能力；

所述的計算路徑的可信度，為采用如下算式計算路徑的可信度：

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

式中LC_p(k)為路徑p在第k個周期的可信度；為路徑p在第k個周期的活躍節(jié)點總數(shù)；為路徑p在第k個周期的節(jié)點總數(shù)；

S9.統(tǒng)計步驟S6得到的兩條候選路徑的數(shù)據(jù)傳輸總數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生的斷傳總數(shù)，計算得到兩條候選路徑的可靠度；所述的路徑的可靠度用于表征候選路徑對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性能力；

所述的計算路徑的可靠度，為采用如下算式計算路徑的可靠度：

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

式中LR_p(k)為路徑p在第k個周期的可靠度；為路徑p的數(shù)據(jù)總斷傳數(shù)；為路徑p的數(shù)據(jù)傳輸總數(shù)；

所述的數(shù)據(jù)總斷傳數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸總數(shù)均由所在路徑的WSN接收節(jié)點按照歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計：路徑的可靠度即體現(xiàn)的是WSN采集節(jié)點與第一WSN接收節(jié)點之間的路徑可靠性更高還是WSN采集節(jié)點與第二WSN接收節(jié)點之間的路徑可靠性更高；

S10.根據(jù)步驟S8得到的路徑的可信度和步驟S9得到的路徑的可靠度，計算兩條候選路徑的可靠可信度，并選取可靠可信度較大的一條候選路徑作為數(shù)據(jù)傳輸路徑，完成配電線路狀態(tài)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

所述的計算路徑的可靠可信度，為根據(jù)路徑的可信度和路徑的可靠度，采用加權(quán)法計算得到，具體為采用如下算式計算路徑的可靠可信度：

LV_p(k)＝β·LC_p(k)+(1-β)·LR_p(k)

式中LV_p(k)為路徑p在第k個周期的可靠可信值；LC_p(k)為路徑p的可信度；LR_p(k)為p的可靠度；β為加權(quán)系數(shù)，取值為0～1之間。