一种改进的DV-Hop定位算法在配电线路故障定位中的应用*

吴亚联，　雷天齐，　龚　能，　龙　辉，　康灿平

(湘潭大学 信息工程学院,湖南 湘潭 411100)



一种改进的DV-Hop定位算法在配电线路故障定位中的应用*

吴亚联*，雷天齐，龚能，龙辉，康灿平

(湘潭大学 信息工程学院,湖南 湘潭 411100)

基于WSN技术提出一种改进的DV-Hop算法解决配电线路故障定位不准确的问题.阐述了配电线路WSN故障定位原理，针对配电线路的实际特性，建立无线传感器节点拓扑模型.分析了传统DV-Hop算法应用到配电网中的缺陷，同时对其进行改进.MATLAB仿真结果表明，改进的DV-Hop算法应用于配电线路故障定位的误差率明显低于传统定位算法，此外，误差曲线也更加稳定，能够达到更高的定位精度，更加适合配电线路上的故障位置节点定位.

无线传感器网络；配电线路；故障定位；定位算法；DV-Hop

配电网由于接近用户,易受电磁干扰影响，基于测距的定位算法因电磁干扰影响定位精度[1]，与测距无关的矢量跳距DV-Hop算法基于网络连通性，受干扰影响小，因而可以将其应用到配电网中.由于配电线路无线传感器节点拓扑结构的特殊性，同时DV-Hop算法与网络拓扑结构密切相关，传统DV-Hop算法并不能直接利用，需要因地制宜加以改进.[2]基于WSN线性模型将各节点的跳段距离设为定值，而实际电网中节点间的水平和垂直跳段距离并非同等，使用确切的跳段距离会导致定位失准.[3]考虑加入最末跳距参与定位，但该算法在除最末跳距外仍使用传统平均跳距，并未根本改善平均跳距与实际值间的累加误差.[4]对所有锚节点的跳段距离进行加权处理，获得更优平均跳距，该算法基于WSN随机模型，并没有提出线性模型下的有效改进方法.因此，本文针对以上问题，基于WSN线性模型改进DV-Hop算法，并通过实验进行验证.

1　配电线路WSN故障定位原理

如图1所示为配电网WSN在线监测系统，当配电线路发生故障时，传感器节点受故障行波触发开始工作，采集故障电流，经多跳路由后传送至网关，最后故障信息被转发至监控中心，监控中心根据一定的故障检测方法对数据信息进行分析，完成故障类型判断及故障选线任务.对于在线监测系统而言，不知道传感器节点位置而获取的数据是毫无意义的，因而必须对传回故障信号的传感器节点进行定位，这也是本文改进算法的主要工作.未知节点根据合适的定位算法确定自身位置，监控中心通过分析未知节点坐标确定发生故障的准确位置，从而完成整个线路故障定位过程.

2　配电线路无线传感器节点拓扑模型

根据配电线路无线传感器节点“线性”分布的特征，建立节点拓扑模型如图2所示.

上述模型中各相线路上的节点集合为NM={n1,n2,…,nN},M={A,B,C},n={a,b,c}，并且任何节点都不能越过其邻节点与第三个节点直接通信，节点间的关系表示如下：

Distance(ai,ai+1)=Distance(ai+1,ai+2)=l,Distance(ai,bi)=Distance(bi,ci)=w

以任意节点b3为例，b3表示B相线上的第三个节点，虚线圆表示b3的最大通信范围，与b3直接通讯的一跳节点集合为Nb3={a2,a3,a4,b2,b4,c2,c3,c4}，其他节点均不能与b3直接通讯，必须建立该节点与b3邻节点之间的通信链路.

3　基于改进DV-Hop算法的配电线路故障定位

3.1DV-Hop算法的改进

3.2基于改进DV-Hop算法的故障定位流程

基于改进DV-Hop算法的故障定位流程图如图3所示，故障位置节点的定位步骤如下：(1) 网络初始化：设置配电网监测区域的范围、网络节点总数、锚节点个数等；(2) 锚节点向相邻节点广播信息.(3) 未知节点和其他锚节点接收广播信息，各节点计算最小跳数.(4) 计算每个锚节点的平均跳距.(5) 计算改进的加权平均跳距，同时将此加权平均跳距向全网广播.(6) 计算未知节点到各锚节点的欧式距离，并判断其计算值大小，结合估计距离的判断计算公式得到未知节点到各锚节点的估计距离.(7) 考虑三边测距法因锚节点共线引起测距算法中部分关键定位方程失效，因而采用双曲线算法计算未知节点位置坐标，监控中心通过分析坐标即可确定故障的准确位置.

4　实验及分析

针对架空配电线路的实际特性，在MATLAB仿真平台建立实验环境如下：在1 200 m×25 m的配电线路监测区域内设置多个规格相同的传感器节点，节点之间的路由采取泛洪方式.配电线路上相邻节点间的水平距离l=10 m，垂直距离w=6 m.

为了验证改进DV-Hop算法的性能，分别从锚节点比例和总节点个数对定位误差的影响进行仿真.基于100次仿真统计结果的平均相对误差作为评价指标来衡量算法的定位精度，并与传统DV-Hop算法和[2]提出的DV-same-hop算法进行比较.

(1) 不同锚节点比例的影响：在实验环境中设置180个节点，通信半径均为15 m，对锚节点比例分别为5%、10%、15%、20%、25%、30%时进行仿真，得出3种算法的平均定位误差曲线,如图4所示.由图4可知，3种定位算法的平均相对误差随锚节点数目的增多而减小，且逐渐趋于稳定，这是因为锚节点比例越大，未知节点可参考的信息越多，使得精度变高.当锚节点比例增加到25%时，定位误差有上升的趋势，这种误差主要源于对跳步数的估计.在相同锚节点比例下，本文改进算法相较传统DV-Hop算法，平均相对误差整体平均降低10.73%，相较DV-same-hop算法降低8.4%.

(2) 不同总节点个数的影响：在实验环境中设置多个传感器节点，其中锚节点的比例为10%，通信半径为15 m，对节点总数分别为120、150、180、210、240、270、300、330时进行仿真，得出3种算法的平均定位误差曲线，如图5所示.

由图5的实验结果可知，3种定位算法的平均相对误差随节点总数的增多而增大，精度相应减小，这是因为节点总数越多，对应配电线路的可监测范围也会增大，跳步数的估计误差决定了定位总体误差.在相同节点总数下，本文改进的算法相较传统DV-Hop算法，平均相对误差整体降低11.91%，相较DV-same-hop算法降低8.32%.

本文针对配电线路故障定位问题，基于WSN技术，改进并应用DV-Hop算法进行线路故障位置节点定位.仿真结果表明，改进的DV-Hop算法与传统算法和DV-same-hop算法相比，能更有效地抑制位误差，具有较高的精确性与稳定性，并且改进的DV-Hop算法基于网络连通性，算法相对简单，无需额外的硬件支持，符合配电网智能化的发展方向.

[1]范瑞娟，王倩，罗强.改进DV-HOP输电线路上的WSN 节点定位[J].计算机仿真，2013，30(9)：131-134.

[2]DU J G，YAN X.An improved DV-HOP algorithm used to failure localization on power grid cables[C]//9th International Symposium on Distributed Computing and Applications to Business，Engineering and Science，Hong Kong，2010.USA：IEEE Computer Society，2010.

[3]戴莹,王建平,张崇巍.无线传感器网络节点定位算法的研究与改进[J].传感技术学报，2010，23(4)：567-570.

[4]邱奉美，李怀忠.无线传感器网络DV-Hop定位算法的改进[J].计算机工程，2014，40(8)：15-26.

责任编辑：龙顺潮

Application of an Improved DV-Hop Localization Algorithmin Fault Location on Distribution Line

WUYa-lian*，LEITian-qi，GONGNeng，LONGHui，KANGCan-ping

(College of Information and Engineering，Xiangtan University，Xiangtan 411100 China)

Based on the technology of WSN, an improved DV-Hop algorithm has been proposed to solve the deficiencies of fault location on distribution line.This paper discussed the principle of WSN fault location on distribution line.Aiming at the actual characteristics of distribution line, the topological structure of wireless sensor nodes has been established.This paper also and analyzed the defects when the traditional DV-Hop algorithm applied to distribution network, and improved the work at the same moment. Simulation studies using MATLAB show that the error rate of the improved DV-Hop algorithm is obviously lower than that of the traditional localization algorithm when they are used in fault location on distribution line. In addition, the error curve is relatively more steadily. The improved algorithm can achieve higher localization accuracy,so it is more suitable for fault location on distribution line.

wireless sensor networks; distribution line; fault location; localization algorithm; DV-Hop

2015-12-10

国家自然科学基金项目(61573299)

吴亚联(1973-)，女，湖南 株洲人，副教授. E-mail:yalian_wu@163.com

TM734; TP393

A

1000-5900(2016)01-0082-04