改进ZigBee路由算法在电能质量在线监测中应用

王 珂, 曲朝阳, 朱伟华

(1. 吉林电子信息职业技术学院, 吉林 吉林 132021;2. 东北电力大学 信息工程学院，吉林 吉林 132012)



改进ZigBee路由算法在电能质量在线监测中应用

王 珂1, 曲朝阳2, 朱伟华1

(1. 吉林电子信息职业技术学院, 吉林 吉林 132021;2. 东北电力大学 信息工程学院，吉林 吉林 132012)

针对ZigBee树型路由算法不能选出最优路径等问题，提出了一种改进的树型路由算法(I-TR)，该算法中考虑邻居表进行数据的传输，降低了网络的能耗，延长了网络的生命周期。同时，将改进的路由算法应用到变电站的电能质量在线监测系统中，通过对系统的硬件和软件设计，完成了电能质量监测系统的基本功能，并对变电站进行了实际测试，多次测试结果表明，系统稳定可靠，实时性高。

智能电网； ZigBee； 路由算法； 电能质量

0 引 言

由于大量非线性负荷和大功率整流设备相继投入到变电站中，造成了诸如功率因数低、电压畸变率高以及谐波电流值大等电能质量问题[1-2]。造成电能质量问题的原因很多，诸如电力生产部门、用户干扰；对于不同的供(用)电点在不同的供(用)电时刻，电能质量指标往往是不同的，即电能质量在空间上和时间上均处于动态变化之中。其最终解决需要电力部门、设备制造厂商和电力用户三方积极密切的合作[1]，因而电能质量问题就越来越受到国内外专家学者的高度关注。随着智能电网的发展，运用现代通信技术来实时监测电能质量必将成为未来的发展趋势[3]。

目前，ZigBee网络普遍采用Cluster-tree和AODVjr相结合的路由算法(ZBR)，这种算法存在着数据包的丢失，节点能量消耗不均衡，系统开销大，整个网络使用周期短。而网路层主要负责建立和维护网络，其核心是路由协议，本文针对上述问题着重对ZigBee网络层的路由协议算法进行改进，提出对Cluster-tree树形路由算法的改进。通过网络模拟软件Matlab，验证方案的可实现性，并将改进后的算法运用在电能质量实时在线监测系统中，进一步验证改进后路由算法的可行性和优越性。该系统监测数据的稳定传输，保障了电力系统高效稳定供电，对生产生活有着重要的意义。

1 ZigBee树路由协议改进

1.1 树型路由算法原理及缺陷

ZigBee定义两种器件：全功能型(FFD)与简化功能型(RFD)，FFD通常作为终端设备，可为协调器，路由器，终端设备。网路中节点采用分布式地址分配机制，通过网路建立初始时的关联过程，加入网路的节点组成一颗逻辑树，当网络中节点允许一个新节点通过该节点加入网络时，两者之间就形成了父子关系，父节点为子节点分配网络中唯一的16位网络地址[4-7]。假设父节点最多可连接的子节点数为Cm，子节点中允许的最大路由节点数为Rm，网络的最大深度为Lm，当加入的一个新网络节点为对应于父节点的第N个子节点时，则父节点为该子节点分配的网络地址为：

(1)

式中:Cskip为网络深度为D的父节点为子节点分配的地址偏移量[8-12]，即：

(2)

在路由发送数据选择下一跳的过程中，当一个地址为A，深度为D的路由节点收到目的节点地址为D的数据帧，A节点会通过式(3)判断该目的节点是否为其后裔节点，即

(3)

如果满足式(3)，则说明目的节点是该节点的后裔节点，则将该数据帧转发到地址为N的下一跳子节点。根据下一跳子节点类型的不同，地址分配为：

(4)

若不满足式(3)，则说明目的节点不是该节点的后裔节点，因而其将数据帧转发给其父节点。

树型的优点在于不需要任何的路由发现，接收到数据直接发送，数据传输路径单一，实时性强，这个算法应用在电厂锅炉在线监测缺点很明显，单一的路径无法满足大数据的传输，容易产生拥堵，根据数据传输的特点，即使目的节点就在该节点附近，但由于不是后裔节点，而不能直接转发数据到目的节点，不是达到最优路径。节点能量消耗不均衡，任务量大的节点会因为过早消耗完能量而缩短网络的生存周期。针对上述弊端因而需要对算法的改进。

1.2 树型路由算法的改进

在原有的算法基础上加入邻居表，邻居表是节点周围一跳节点范围内的节点信息列表，包含周围邻节点的地址，网络深度，设备类型等等，它能够将一跳把数据发给周围节点,如图1所示。

图1 ZigBee树型路由协议

当一个节点收到目的节点为D的数据帧时，依照原Cluster算法，首先判定自身是不是就是目的节点；若不是，则根据式(3)判断D是否为其后裔节点，若是，则继续转发其子节点；若不是，则根据加入的邻居表，查找其一跳范围内的节点，判断是否含有D节点，根据式(6)找到离目的节点D最近的该节点的邻居节点M并转发数据帧到该节点。

(6)

式中：Ni表示源节点一跳范围内的节点地址；M表示Ni中到D最近的节点。

I-TR算法的流程图如图2所示。

1.3 仿真结果及分析

为了验证I-TR算法的性能，本文选用Matlab软件进行模拟仿真，对经典的ZigBee路由算法(TR)和改进的路由算法(I-TR)进行性能对比分析，独立运行50次，分别获得分组递交率和跳数的平均值，100个节点随机分布在100 m×100 m的区域内，Cm=4，Rm=4，Lm=6。仿真结果如表1所示。从表中可以看出，I-TR算法在分组递交率和平均跳数优于TR算法，主要是本文改进的路由算法利用邻居表进行最短路径寻优，减少了转发跳数，降低了网络的能耗，提高了电能质量在线监测系统的实时性。

图2 改进的路由算法的流程图

表1 I-TR算法的仿真结果

2 电能质量监测系统的实现

电能质量监测系统主要有三部分组成：传感器采集部分、无线通信部分和远程监测中心，电能质量监测系统框架图如图3所示。若干个传感器采集节点附着在待监测的开关柜上，电压和电流传感器分别采集开关柜的三相电压和三相电流等数据，并且将采集到的数据经过路由器发送到ZigBee协调器中，经过ARM11处理器和高传输速率3G无线通信模块传输到远程监测中心，远程监测中心界面使用Qt编写，实时显示监测的电能质量，并且能够对监测电能质量性能进行仿真和对比分析，得出电能质量的各项参数指标如谐波、三相不平衡度以及有功和无功功率等，并对电能质量数据进行存储显示和预警。

图3 电能质量监测系统框架图

2.1 硬件设计

电能质量监测系统网络拓扑结构采用Cluster-Tree网络结构，设置最大子节点数为Cm=3,子节点中最大路由节点数Lm=3。电压传感器和电流传感器分别检测变电站的电压和电流，ARM处理器选用ARM11，ZigBee模块选用CC2530芯片以及外围电路，ZigBee协调器通过串行通信UART与ARM连接。3G模块选用华为MU509，3G模块也是通过UART与ARM连接。

2.2 软件设计

该系统软件设计流程如图4所示。ZigBee模块分为终端节点、路由器和协调器，ZigBee模块使用IAR Embedded Workbench进行程序的编程、编译和使用仿真器进行下载，ZigBee协议栈采用TI ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0版本。终端节点主要是采集变电站的电压和电流，并且将采集到的数据发送给路由器；路由器主要是进行分组转发和建立维护路由表；协调器主要是分配地址和组网，通过串口与ARM进行通信。ZigBee协调器建立网络之后，终端节点和路由器自动搜素加入网络，从而完成传感数据的无线传输。ARM控制和处理主要借助嵌入式Linux，进行内核移植。3G无线模块主要是利用AT指令进行3G拨号上网。为了方便系统调试和提高系统的可视化操作，远程监测中心的人机界面采用面向对象的Qt Creator编程实现的界面进行显示，系统界面显示实时曲线、历史数据查询、历史曲线查询等信息。

图4 软件设计流程

3 系统测试及数据分析

为了验证改进的ZigBee路由协议I-TR应用于电力系统的变电站传输电能质量数据的可行性，选取某110 kV变电站6 kV母线进行电能质量实时在线监测[13-16]。该系统主要监测2～10次谐波、三相不平衡度以及闪变等参数。表2、3为检测后的某110 kV变电站6 kV母线A相谐波电压、谐波电流。

表2 H2～H10A相谐波电压统计

表3 H2～H10A相谐波电流统计

4 结 语

从优化变电站电能质量在线监测的实时性出发，提出了基于邻居表的ZigBee路由优化算法I-TR，采用Matlab仿真平台模拟仿真，结果表明优化的算法降低了转发跳数。通过对电力系统的变电站的实际在线监测表明，本系统在监测电压和电流谐波时可以实时监测到关于谐波的各种冲击变化，对所测得的数据可以准确无误的传输，满足电力系统专用通信系统对数据丢包率的要求。

[1] ATALIK T, ÇADIRCI I, DEMIRCI T,etal. Multipurpose platform for power system monitoring and analysis with sample grid applications[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2014, 63(3): 566-582.

[2] Cemal Keles, Abdulkerim Karabibe. A smart building power management concept: Smart socket applications with DC distribution[J]. Electrical Power and Energy Systems ,2015(64): 679-688.

[3] Farihah Shariff,Nasrudin Abd Rahima,Hew Wooi Pinga.Zigbee based data acquisition system for online monitoring of grid connected photovoltaic system[J]. Expert Systems with Applications,2015(42): 1730-1742.

[4] Chen S. A Reliable Transmission Protocol for ZigBee-Based Wireless Patient Monitoring[J].IEEE Trans Information Technology in Biomedicine, 2012,16(1) :6-16.

[5] Taehong Kim,Seong Hoon Kim.Neighbor Table Based Shortcut Tree Routing in ZigBee Wireless Networks[J].IEEE Computer Society.2014,25(3):706-715.

[6] Huang Y. Distributed Throughput Optimization for ZigBee Cluster-Tree Networks[J].IEEE Trans. Parallel and Distributed Systems,2012,23(3):513-520.

[7] 钱志鸿，朱 爽，王 雪.基于分簇机制的ZigBee混合路由能量优化算法研究[J].计算机学报，2013，36(3)：485-493.

[8] Atefeh Khatiri, Ghasem Mirjalily. Energy-Efficient Shortcut Tree Routing in ZigBee Networks[C]∥Communication Systems and Networks, 2012 Fourth International Conference on Computational Intelligence, 2012:117-122.

[9] 朱伟华，索大翔，谭 微.4G技术应用于电能质量监测的分析研究[J].电测与仪表，2015，52(6):44-47.

[10] 沈 伟，谢栓勤.基于DSP的电能质量监测系统设计[J].计算机测量与控制，2008,16(9)：1240-1242,1261.

[11] 欧阳森，宋政湘．新型电能质量监测系统设计[J]．电工电能新技术，2003，22(1)， 43-47．

[12] 李文仲，殷朝玉．ZigBee2006 无线网络与无线定位实战[M]． 北京： 北京航空航天出版社，2008．

[13] 陈 旭,方康铃，李晓卉．基于CC2430的 Zigbee 数据采集系统设计[J]．湖南工业大学学报,2008,22( 6) ：59-61．

[14] 高庆敏，和 欢，石瑞杰. 基于 ZigBee 无线传感网络在变电站监测系统中的应用[J].华北水利水电学报,2010,2(1) :53-56．

[15] 张总华.电能质量监测系统设计[J].工矿自动化，2013，39(2)：111-114.

[16] 李 林，曲延滨.基于DSP的新型多功能电能质量监测仪表的设计[J].电子技术应用，2009(11)：82-85.

Improved ZigBee Routing Algorithm and Its Application in Power Quality Monitoring System

WANGKe1,QUZhao-yang2,ZHUWei-hua1

(1. Jilin Technology School of Electronic Information，Jilin 132021, China; 2. Department of Information Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China)

Power quality online monitoring is very important for people's lives and industrial production. Because the traditional ZigBee tree routing algorithm has not been elected optimal path and other issues, this paper presents an improved tree routing algorithm (I-TR) to improve the effect The algorithm considers to apply the neighbor table for data transmission, it can reduce energy consumption of the network, and extend the network life cycle. The improved routing algorithm is applied to power quality monitoring system for substation, system hardware and software are designed, the basic function of power quality monitoring system is realized, test results show the system is stable and reliable, and with high real-time.

smart grid; ZigBee; routing algorithm; power quality

2015-11-12

国家自然科学基金资助项目(51277023)；中国高等职业技术教育研究会资助项目(GZYLX1213185)

王 珂(1982-)，女，吉林吉林人，硕士，讲师，研究方向：计算机网络及信息安全。E-mail：14204433@qq.com

TP 393

A

1006-7167(2016)08-0127-04