[關(guān)鍵詞]電力物聯(lián)網(wǎng)；無線傳感器；時(shí)間同步；仿真分析

引言

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展與進(jìn)步，針對電力物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行建設(shè)已成為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能升級，強(qiáng)化電能管理的主要發(fā)展趨勢與目標(biāo)。相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)與從業(yè)者應(yīng)明確電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)過程中對于無線傳感器時(shí)間同步功能所提出的要求，同時(shí)針對現(xiàn)有同步算法進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以減少無線傳感器進(jìn)行時(shí)間同步時(shí)所需的同步功耗，有效提高時(shí)間同步精度，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)信息、用戶信息等多源信息的高效融合與開發(fā)運(yùn)用。

一、電力物聯(lián)網(wǎng)無線時(shí)間同步需求

在電力物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行過程當(dāng)中，確保網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無線傳感器的時(shí)間同步，能使各電站、變電站、保護(hù)裝置和自動化控制系統(tǒng)的時(shí)間保持一致，從而有效抑制電網(wǎng)運(yùn)行故障和設(shè)備異常風(fēng)險(xiǎn)給電力輸送造成的影響。準(zhǔn)確可靠的時(shí)間信息能夠使保護(hù)系統(tǒng)較為直觀高效地針對故障點(diǎn)位進(jìn)行判斷與定位，從而實(shí)現(xiàn)對故障的有效隔離，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。具體而言，在對電力物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器進(jìn)行時(shí)間同步的過程中，應(yīng)考慮到以下需求：

第一，應(yīng)確保傳感器時(shí)間同步的精準(zhǔn)可靠，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的一致性。一般來說，電力物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器時(shí)間同步精度應(yīng)控制在1 ms以內(nèi)，這樣才能滿足電網(wǎng)分布智能控制的需求。

第二，應(yīng)針對性降低無線傳感器時(shí)間同步過程中所產(chǎn)生的功耗。在一些算法與同步方案的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，受限于技術(shù)因素的影響，同步方案的功耗居高不下，這導(dǎo)致其長時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性不斷下降，在運(yùn)行過程當(dāng)中可能會給電力物聯(lián)網(wǎng)造成一定負(fù)擔(dān)。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循低功耗原則與要求，使其能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境，全方位提升電網(wǎng)穩(wěn)定性。

二、無線同步系統(tǒng)及其協(xié)議

針對現(xiàn)有電網(wǎng)無線傳感器時(shí)間同步方案進(jìn)行綜合分析與研究后發(fā)現(xiàn)，常規(guī)同步方案主要涵蓋了參照廣播同步協(xié)議（Reference Broadcast Synchronization，RBS）和傳感器網(wǎng)絡(luò)定時(shí)同步協(xié)議（Timing-Sync Protocol for Sensor Network，TPSN），但上述兩種方案在同步精度及功耗控制層面難以滿足實(shí)際需求，亟待進(jìn)一步優(yōu)化相關(guān)算法與方案。

（一）傳感器節(jié)點(diǎn)模型

通過對電力物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器的運(yùn)行原理和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，大部分傳感器裝置是通過自身晶體振蕩的方式實(shí)現(xiàn)對時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，因此能夠較為直觀地針對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與時(shí)間統(tǒng)計(jì)讀數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行明確，具體表達(dá)公式為：

式中，Ti（t）為電力物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中某一節(jié)點(diǎn)在特定時(shí)刻下的時(shí)間讀數(shù)，t為實(shí)際時(shí)間變量，t0為開始計(jì)時(shí)時(shí)的物理時(shí)刻，k為物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器振蕩晶體的自身特性常量，ω（t）為傳感器晶體振蕩過程中展現(xiàn)的角度頻率，Ti（t0）為t0時(shí)刻下電力物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中節(jié)點(diǎn)通過晶體振蕩所展現(xiàn)出的時(shí)間讀數(shù)。

通過對電力物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步過程和信息傳輸過程進(jìn)行研究與分析后發(fā)現(xiàn)，相關(guān)傳感器節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行過程當(dāng)中所面臨的環(huán)境往往較為復(fù)雜，在不同封裝和不同信道當(dāng)中的同步表現(xiàn)也會產(chǎn)生一定差異，這也成為同步延遲的重要誘因，而延遲長短往往也呈現(xiàn)出相應(yīng)的不確定性特點(diǎn)。因此，在針對傳感器節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行構(gòu)建的過程中，為了進(jìn)一步落實(shí)時(shí)鐘同步對于精度的要求，需要結(jié)合節(jié)點(diǎn)在傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的實(shí)際情況和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中可能表現(xiàn)出的時(shí)延狀態(tài)進(jìn)行綜合考量，在理想狀態(tài)下的傳感器節(jié)點(diǎn)邏輯時(shí)鐘模型表達(dá)式為：

Ci（t）=／lai·Ci（t）+lbi

式中，Ci （t）為傳感器網(wǎng)絡(luò)中特定節(jié)點(diǎn)在某時(shí)刻當(dāng)中所呈現(xiàn)出的時(shí)間讀數(shù)，lai與lbi分別為修正系數(shù)。在時(shí)鐘模型構(gòu)建與運(yùn)用的過程當(dāng)中，還應(yīng)當(dāng)考慮到電力物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部不同節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘模型之間的信息同步情況，使不同時(shí)鐘能夠在相位、頻率等方面達(dá)成一致，進(jìn)而為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步提供有效支撐。

（二）同步信號廣播模型

在無線傳感器時(shí)間同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，可利用參照廣播同步協(xié)議（Reference Broadcast Synchronization，RBS）相關(guān)原理進(jìn)行分析，明確其在時(shí)間同步層面的功耗優(yōu)勢及其在精度方面存在的不足。在無線傳感器運(yùn)用參照廣播同步協(xié)議的過程當(dāng)中，能夠基于根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步信號廣播，由網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的其他節(jié)點(diǎn)針對廣播信號進(jìn)行接收，同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)之間的信息交互與溝通，在此基礎(chǔ)上針對廣播信號到達(dá)時(shí)間進(jìn)行比對，從而達(dá)成物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的時(shí)間同步目標(biāo)。

在參照廣播同步協(xié)議下同步信號廣播模型的構(gòu)建過程當(dāng)中，需要將傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的某一特定節(jié)點(diǎn)選取為根節(jié)點(diǎn)，使其能夠成為廣播信號發(fā)布的基礎(chǔ)。在根節(jié)點(diǎn)的選擇過程當(dāng)中，應(yīng)考慮到該節(jié)點(diǎn)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系當(dāng)中的位置與狀態(tài)，進(jìn)而使其能夠成為傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步過程當(dāng)中的關(guān)鍵一環(huán)。在根節(jié)點(diǎn)廣播信號發(fā)布的過程當(dāng)中，信號并不涉及到當(dāng)前的時(shí)鐘信息內(nèi)容，而是由傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的其他節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對廣播信號進(jìn)行接收，同時(shí)對信號到達(dá)的物理時(shí)間進(jìn)行記錄，并在此基礎(chǔ)上將記錄信息發(fā)布至網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，由其他待同步節(jié)點(diǎn)與上傳過后的時(shí)鐘信息進(jìn)行比對，對節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整過后即能夠完成整個(gè)同步過程。在參照廣播同步協(xié)議下同步信號廣播模型的運(yùn)行過程當(dāng)中，各待同步節(jié)點(diǎn)上傳時(shí)鐘信息的處理過程對于傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步過程不構(gòu)成影響。

為盡可能保障同步信號廣播模型運(yùn)行時(shí)無線傳感器節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步精度，減少時(shí)間同步方案當(dāng)中可能存在的問題，需要借助偏移矩陣針對同步完成后的時(shí)鐘讀數(shù)進(jìn)行調(diào)整，矩陣表達(dá)式為：

式中，i、j分別為電力物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的兩個(gè)主要節(jié)點(diǎn)，offset[i，j]為上述節(jié)點(diǎn)在基于同步信號廣播模型進(jìn)行時(shí)間同步時(shí)需要調(diào)整的時(shí)間差，m為傳感器網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行時(shí)間同步時(shí)所發(fā)送的信息數(shù)量，n為網(wǎng)絡(luò)模型當(dāng)中根節(jié)點(diǎn)數(shù)量，Tjk、Tik分別為矩陣當(dāng)中目標(biāo)節(jié)點(diǎn)獲取到同步廣播信號的時(shí)間。

（三）雙向報(bào)文交換模型

相較于廣播同步協(xié)議下的同步信號廣播模型而言，雙向報(bào)文交換模型也是現(xiàn)階段無線傳感器進(jìn)行時(shí)間同步的一種主要方案。在某一時(shí)刻，傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的節(jié)點(diǎn)能夠?qū)⒆陨頃r(shí)間信息向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部次根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳遞，待時(shí)間信息傳輸完成過后，能夠由次根節(jié)點(diǎn)針對相關(guān)信息進(jìn)行記錄，并將自身時(shí)間進(jìn)行同步上傳與比對，進(jìn)而明確特定節(jié)點(diǎn)與傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部次根節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間差值，使傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的時(shí)間同步能夠具備相應(yīng)依據(jù)。

分別基于不同節(jié)點(diǎn)接收時(shí)間信息時(shí)的偏差值、傳感器網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)延等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，能夠較為直觀與便捷地針對目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部次根節(jié)點(diǎn)之間在時(shí)間層面的偏差值。由偏差值與信息傳播時(shí)延兩項(xiàng)指標(biāo)，能夠明確傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部其他節(jié)點(diǎn)與次根節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間差，使不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對于時(shí)間信號的調(diào)整與控制有據(jù)可依，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)電力物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘同步。雖然該模型下的時(shí)間同步過程具備較為突出的精度優(yōu)勢，但在功耗控制層面則存在一定欠缺。

三、分級廣播下的同步模型

基于上文可知，目前常用的同步信號廣播模型與雙向報(bào)文交換模型均能夠完成傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)當(dāng)中的時(shí)間同步要求，但在精度與功耗方面依然存在一定短板。為有效解決這一問題，實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部時(shí)間同步的持續(xù)性發(fā)展，現(xiàn)提出分級廣播下的同步模型，力求針對上述兩種算法方案的優(yōu)勢與特點(diǎn)進(jìn)行整合，使傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部時(shí)間同步過程的精度與功耗能夠得到更加有效的控制。

（一）分級廣播同步算法

在傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步模型構(gòu)建之前，需要結(jié)合實(shí)際明確分級廣播同步算法，梳理系統(tǒng)內(nèi)部傳感器時(shí)間同步過程所涉及到的節(jié)點(diǎn)架構(gòu)，使其能夠?yàn)闀r(shí)鐘廣播信號的傳遞提供更加有效的支持。在本次研究過程當(dāng)中，為了實(shí)現(xiàn)精度與功耗的綜合控制，促進(jìn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方案可行性的進(jìn)一步提高，現(xiàn)引進(jìn)根節(jié)點(diǎn)、次根節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)常規(guī)節(jié)點(diǎn)的層次化結(jié)構(gòu)體系。與此同時(shí)，為了突出同步信號廣播模型與雙向報(bào)文交換模型兩種同步方案的優(yōu)勢與效果，在根節(jié)點(diǎn)與次根節(jié)點(diǎn)之間選取同步信號廣播模型進(jìn)行時(shí)鐘信息的傳輸與同步，而在次根節(jié)點(diǎn)與常規(guī)節(jié)點(diǎn)之間選取雙向報(bào)文交換模型進(jìn)行時(shí)鐘信息的傳輸與同步，力求實(shí)現(xiàn)時(shí)間信號傳輸過程當(dāng)中精度與功耗的綜合控制，減少傳統(tǒng)算法方案應(yīng)用過程當(dāng)中存在的不足。具體結(jié)構(gòu)見圖1所示。

（二）最小二乘估算法

在次根節(jié)點(diǎn)與常規(guī)節(jié)點(diǎn)之間選取雙向報(bào)文交換模型進(jìn)行時(shí)間信號的同步，可能會存在信息傳遞延遲等問題，從而可能對于最終的同步精度造成一定影響，不利于同步算法方案設(shè)計(jì)目標(biāo)與規(guī)劃要求的有效落實(shí)。為解決這一問題，本次研究過程中決定采用最小二乘估算法對時(shí)間信號的傳遞過程進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)，力求有效減少信號交互過程中產(chǎn)生的時(shí)延，使時(shí)間同步結(jié)果的精度能夠得到進(jìn)一步保障。

在基于最小二乘估算法對信號傳遞過程進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)的同時(shí)，應(yīng)考慮到電力物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程當(dāng)中不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間所呈現(xiàn)出的特性差異。在理想狀態(tài)下，將傳感器節(jié)點(diǎn)之間的晶振頻率視為各不相同，考慮到信號傳遞過程中所產(chǎn)生的偏差，可基于以下表達(dá)式對信號傳輸模型進(jìn)行表述：

T2=aT'2+σ

式中，T2為信號傳輸過程當(dāng)中的物理時(shí)間，T'2為時(shí)間信號傳輸過程當(dāng)中對應(yīng)節(jié)點(diǎn)所展現(xiàn)的時(shí)間，a為信號傳輸過程中出現(xiàn)的時(shí)間漂移，σ為誤差系數(shù)。

基于最小二乘法針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程當(dāng)中的狀況進(jìn)行測算后能夠得出樣本的最優(yōu)擬合結(jié)果，實(shí)現(xiàn)信號傳遞精度以及時(shí)間同步精度的有效控制。

四、仿真結(jié)果與試驗(yàn)分析

算法設(shè)計(jì)與更新完成后，為了進(jìn)一步明確其在實(shí)際場景當(dāng)中的應(yīng)用與推廣價(jià)值，掌握其使用過程當(dāng)中存在的問題與不足，需要分別通過仿真分析以及特定場景下的試驗(yàn)驗(yàn)證過程對方案可行性進(jìn)行研究，進(jìn)而為物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中時(shí)間同步算法的改進(jìn)與優(yōu)化提供方向。

（一）模型與參數(shù)設(shè)定

在正式開展物聯(lián)網(wǎng)無線傳感時(shí)間同步算法仿真分析之前，需要針對其仿真環(huán)境、仿真模型以及分析參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，進(jìn)而為后續(xù)研究工作的開展提供相應(yīng)支持。為達(dá)成最佳分析效果，增加算法方案驗(yàn)證準(zhǔn)確性，使其能夠在電力物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中獲取到更加廣泛的應(yīng)用價(jià)值，現(xiàn)基于OPENT Modeler軟件搭建基礎(chǔ)仿真平臺，仿真過程中，為了使最終分析結(jié)果的信度與效度得到保障，減少外部環(huán)境對于分析精度造成的影響，需要遵循變量控制的原則與要求，分別針對同步信號廣播模型、雙向報(bào)文交換模型及本文所述分級廣播下的同步模型三種模型算法進(jìn)行同步搭建，同時(shí)針對不同算法所反饋的仿真結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)分析，明確不同算法的優(yōu)劣特征，進(jìn)而為無線傳感器時(shí)間同步方案的構(gòu)建提供參考。

（二）仿真結(jié)果分析

從OPENT Modeler仿真平臺回傳的反饋信息看，同步信號廣播模型在時(shí)間信號的同步速度以及功耗控制等方面具備一定優(yōu)勢，但其同步精度往往存在一定欠缺，不符合預(yù)期要求；雙向報(bào)文交換模型對于時(shí)間信號的同步精度控制能力較為突出，但其同步速度存在一定短板，功耗控制能力較弱。本文所述分級廣播下的同步模型算法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步過程中的精度控制與功耗控制均具備一定優(yōu)勢，因此具有一定的推廣價(jià)值。

（三）特定場景下的試驗(yàn)驗(yàn)證

將分級廣播下時(shí)間同步模型引入實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)證分析后發(fā)現(xiàn)，該同步模型與同步算法的平均誤差較低，能夠控制在5s以內(nèi)，同時(shí)能夠有效達(dá)成電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和無線傳感器的時(shí)間同步要求。

結(jié)語

在電力物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)過程當(dāng)中，如何保障不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步已成為技術(shù)人員需要解決的關(guān)鍵性課題。相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)明確現(xiàn)階段常規(guī)算法與同步方式在功耗與精度方面存在的不足，基于分級原則對同步方案進(jìn)行創(chuàng)新打造，使其能夠滿足傳感器運(yùn)行目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)精度與功耗控制的平衡發(fā)展。