基于改进ZigBee路由算法的高压开关柜温度在线监测系统

田 军, 刘 爽, 朱伟华

(吉林电子信息职业技术学院 电气工程学院, 吉林 吉林 132021)

基于改进ZigBee路由算法的高压开关柜温度在线监测系统

田 军, 刘 爽, 朱伟华

(吉林电子信息职业技术学院 电气工程学院, 吉林 吉林 132021)

针对高压开关柜内部布线繁琐等问题，设计一种基于ZigBee技术的高压开关柜温度在线监测方案,为了改善高压开关柜监测实时性不高问题，提出一种适用于高压开关柜温度在线监测系统的ZigBee路由优化算法。多次仿真结果表明，改进算法在节点跳数、端到端的延时及可靠性方面均有一定程度的改善。目前该系统已成功用在某变电站高压开关柜，运行良好。

高压开关柜； 温度监测; ZigBee； 路由

高压开关柜在我国电力系统的电压、电流等电气量实时数据监测、关合电力线路等方面扮演着重要角色[1-3]。高压开关柜长期使用会导致其关键部件(诸如母线接头及室外刀闸开关等)温度过高[4]，可能会引起火灾事故，甚至会导致大面积停电，给人们的生活和工业生产带来不便[5-7]。为了尽可能减少上述情况的发生，电力部门需要对高压开关柜的刀闸开关和母线接头进行实时监测[8-10]。对高压开关柜进行监测的方式有若干种，如现场实时人工监测和有线自动监测等。但上述方法要么存在抗干扰性不好、功耗很大；要么存在成本高、铺设困难等缺点，越来越不能满足人们的需求。

ZigBee技术具有体积小、安全性高等优点。ZigBee应用于电力系统时，电气设备的工作区域内大多数都是强电设备，其具有大量的储能元件，例如电感、电容等。若电压或是电流出现强烈的变化，就会产生频谱很宽、危害巨大的瞬变噪声干扰[11-12]。当ZigBee设备嵌入到电力系统中，由于其辐射功率在mW级，影响不到强电回路；良好的接地系统使得电磁兼容性完全满足《无线通信设备电磁兼容性通用要求》的标准。因此，ZigBee技术非常适合应用于高压开关柜温度的监测。

由于当前ZigBee路由传统算法在数据传输时，未考虑邻居节点或者通过向整个ZigBee网络广播数据包，数据传输的路径不是最优，消耗大量能量。目前，国内外专家学者主要是对LEACH算法进行优化，很少对ZigBee树型路由算法进行优化。鉴于此，本文提出了一种适用于高压开关柜温度在线监测系统的ZigBee路由优化算法，通过降低节点的转发跳数，来延长网络的使用寿命，提高网络的实时性。

1 系统的总体设计方案

基于改进ZigBee路由算法的高压开关柜温度实时在线监测系统解决了现有设备智能化程度低、信号不稳定及监测系统延时较长的问题，它包括高压开关柜监测终端、3G无线通信模块和远程监测中心3部分，系统框图如图1所示。监测终端附着于高压开关柜的关键部件(如刀闸开关和母线接头)连接DS18B20温度传感器，用来采集开关柜的温度信息，将这些温度数据通过终端采集节点传输到协调器，若传输距离较远时，借助ZigBee路由节点。3G无线通信模块使监测终端联网，获取全球唯一的IP地址，通过TCP可靠性传输协议将采集的温度信息打包传输至远程监测中心。监测中心对开关柜的温度信息进行数据存储、显示、统计报表，并结合开关柜参数进行分析，完成温度和湿度等多参数预警功能。

由于目前ZigBee节点采用干电池进行供电，频繁更换电池需要消耗大量的人力和物力，并影响系统的正常运行。因此ZigBee节点的能耗问题是系统设计时必须考虑的关键技术。为了尽可能降低节点消耗的能量和提高数据传输速率，本文主要采取优化ZigBee路由算法，降低节点转发跳数，不但可降低网络的能耗，也可以提高高压开关柜监测系统的实时性。

图1 系统总设计框图

2 系统关键技术设计及实现

2.1 监测终端的硬件设计

监测终端主要由ARM处理器、采集节点模块、供电模块、3G模块及相应的外围电路组成，ZigBee协调器和3G模块通过串口连接在ARM处理器上。结构框图如图2所示。CC2430芯片与传感器通过串口UART连接，如图3所示。

图2 结构框图

图3 CC2430芯片与传感器的连接电路

2.2 硬件抗干扰措施

高压开关柜一般处于高压环境下，因此硬件可能受到电磁干扰。无线高压开关柜系统设计的监测终端采用模块化设计，每个模块都使用1 mm厚度的镀锌铁板材料制作屏蔽罩，屏蔽罩上只开一个很小的长方形孔，用于通过模块之间的信号线和电源线。本设计能够减小电磁场对监测装置的干扰。

2.3 传感器节点软件设计

无线传感器网络节点的主要功能是高压开关柜温度数据的采集和传输。本系统不但采用优化的ZigBee路由算法，同时在程序设计时采用中断唤醒的方式来接收环境数据，尽可能地降低ZigBee节点的功耗，延长节点的使用寿命，提高高压开关柜在线监测系统的实时性。其流程图如图4所示。

3 ZigBee路由算法及优化

3.1 树型路由算法原理及缺陷

在ZigBee传统的树型路由算法(ZBR算法)中，当目的节点是后裔节点时，每个源节点或中继节点将数据包传递给子节点，否则传递给父节点。这样形成的树型结构，会造成转发跳数的增加，消耗网络中的能量[13-15]。ZigBee经典路由算法见图5，从图中可看出，源节点向目的节点发送数据，通过特定选择下一跳节点，并严格按照树型结构进行数据传递，远增加了转发跳数。

图4 传感器节点软件设计流程图

图5 ZigBee经典路由算法

3.2 ZigBee路由算法的改进

针对上述问题，本文结合机会路由算法，提出基于机会路由能量优化的树型路由(opportunisti energy zigBee tree routing，OEZTR)算法。该算法并不特定选择下一跳节点，而是根据一跳范围内邻居节点到目的节点的剩余跳数这一优先权，来限制剩余跳数较多的邻居节点作为被选节点，这样可以避免单一路径之间进行数据传输。另外，在路径选择时，有可能遇到多个节点到目的节点的剩余跳数相同的情况，通过设置延时间隔(t∈[(RH(u，d)-1)·δ，(RH(u，d))·δ])来避免冲突，其中δ为数据可靠传输的最小时间间隔。OEZTR算法不但继承了ZigBee树型路由协议没有任何路由开销的优点，还为网络提供了可靠的数据包的传输。

本课题提出的OEZTR算法的伪代码见表1。该算法设计的核心思想是利用IEEE802.15.4协议标准的一跳范围内的邻居表，邻居表中的邻居节点到目的节点最小的剩余跳数，把剩余跳数作为选择优先转发节点的条件，来限制被选节点的区域，或限制下一跳节点到目的节点传递的方向，尽可能减少无效数据包的传输，以延长网络的生命周期。若A、B、C、D节点均是某中继节点的一跳范围内的邻居节点，根据延时间隔t来确定节点的优先权，若C节点的延时间隔小，到目的节点的剩余跳数最少，该节点首先接收数据包，并转发该数据包，其余节点取消数据传递。

表1 OEZTR算法的伪代码

OEZTR算法数据通信路径如图6所示。图中小圆代表一跳范围内的邻居表，虚线框代表OEZTR算法转发数据的方向，直线代表节点之间的关系。

图6 OEZTR算法

以图6为例说明OEZTR算法选择路径的过程:源节点S向目的节点D发送数据，首先，一跳范围内的邻居表中的邻居节点A、B、C及L节点接收源节点S广播的数据包，按照ZigBee树型结构计算上述4个节点到目的节点的最小剩余跳数，RH(A，D)=4，RH(B，D)=4，RH(C，D)=3，RH(L，D)=3，tA∈[3·δ,4·δ]，tB∈[3·δ,4·δ]，tC∈[2·δ,3·δ]，tD∈[2·δ,3·δ]，根据剩余跳数，C和L节点具有优先权，而A和B节点取消数据包的传递，如果不把最小剩余跳数这一条件作为选择转发节点的优先权，C节点和L节点由于到目的节点的剩余跳数最少，因此最先接收到数据包，而B节点由于不知道C和L节点已经转发数据包，当t超过预设的值时，B节点再次重新广播数据包，这样会造成传递不必要的数据包；其次，C和L节点开始转发数据包，G和H节点因到目的节点的最小剩余跳数少，获得优先权；最后，通过G和H节点将数据包转发给目的节点D。从OEZTR算法的过程中可看出，上述数据的转发由两条路径同时进行，而ZBR算法只有一条路径，而它们到目的节点的剩余跳数是相同的。因此，OEZTR算法在没有增加任何路由开销的情况下，采用多条路径或者一条路径有多个候选节点进行数据传输，避免只有一条路径的特定节点而有可能遇到传输中断的问题，大大地增加了数据分组递交率。

3.3 仿真结果及分析

为了验证OEZTR算法的性能，本文采用开源的NS2软件进行仿真，对经典的ZigBee路由算法算法和本文优化的ZigBee路由算法(OEZTR算法)进行性能对比分析，实验独立运行80次，分别获得路由算法的平均分组递交率和平均跳数，10～100个节点随机分布在100 m×100 m的区域内，仿真参数:Cm=4，Rm=4，Lm=6。当节点数为100时，本文提出的改进算法仿真动画如图7所示。

图7 OEZTR仿真动画

算法仿真结果见图8—图10。从图中可以看出，OEZTR算法在平均跳数和节点端到端的时延方面优于ZigBee经典的路由算法，主要是本文改进的路由算法并不特定选择下一跳节点，而是根据一跳范围内邻居节点到目的节点的剩余跳数这一优先权，来限制剩余跳数较多的邻居节点作为被选节点，减少了节点的转发跳数，降低了ZigBee网络的总能耗，从而提高了高压开关柜远程在线监测系统的实时性，切实保障电力系统变电站的安全运行。

图8 平均节点跳数对比图

图9 平均节点时延对比图

图10 剩余能量对比图

4 系统测试及分析

为了验证本文提出的ZigBee路由优化算法的可行性，将改进的路由算法应用到高压开关柜温度在线监测系统中。ZigBee节点的组网方式采用树型网络，由于ZigBee是一种多跳技术，最大可连64 000个节点，可任意增加或减少终端节点数和路由节点数。高压开关柜远程监测中心上位机软件利用Qt开发环境编写，设定温度阈值来实时地评价高压开关柜的运行状态。系统的测试界面见图11。多次对高压开关柜测温系统进行测试，其测量误差低于±1 ℃。

系统各个ZigBee节点(终端节点、路由节点及协调器节点)均采用电池供电，系统分别采用经典路由算法与OEZTR算法进行路由选择，测试表明，节点的电池寿命在同等条件下OEZTR算法可延长2 d左右，系统运行稳定，丢包率在0.12%左右。

图11 远程监测中心上位机显示界面

5 结语

为了实现高压开关柜监测的信息化和智能化，本文设计了一种适用于高压开关柜温度实时监测系统，利用改进的ZigBee路由协议，实现了对高压开关柜温度实时监控。下一阶段的工作是尽可能地优化ZigBee路由协议，以便更好地满足高压开关柜温度远程监测系统对实时性要求高的特点。

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Online monitoring system for high-voltage switchgear temperature based on improved ZigBee routing algorithm

Tian Jun, Liu Shuang, Zhu Weihua

(Department of Electrical Engineering, Jilin Technology College of Electronic Information， Jilin 132021, China)

In view of the problem of the complicated wiring in the high-voltage switchgear, an online monitoring scheme for the high-voltage switchgear temperature is designed based on ZigBee technology. In order to improve the real-time monitoring of the high-voltage switchgear, a ZigBee routing optimization algorithm is proposed for such monitoring system. The simulation results show that the improved algorithm has certain improvement in node hops, end-to-end delay and reliability. At present, the system has been successfully used in a substation high-voltage switchgear, and runs well.

high-voltage switchgear; temperature monitoring; ZigBee; routing

TM591

A

1002-4956(2017)10-0082-06

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.022

2017-04-04

2016吉林省教育厅“十三五”科技项目(吉教科合字【2016】第107号)；吉林市科技发展计划资助项目(2015334004)

田军(1982—),男，黑龙江虎林，硕士，讲师，研究方向为电力系统的稳定与控制.