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基于ZigBee技术的电力信息可视化通信传输系统设计

2024-12-03 57 上传者：管理员

摘要：随着智能电网建设进度的加快，电力信息通信传输量呈现出暴增的趋势。为实现对电力信息通信传输过程的精准控制与管理，设计基于ZigBee技术的电力信息可视化通信传输系统。基于ZigBee技术搭建可视化传输网络，在获取网络节点状态信息后，利用证据理论选择最优的传输路径。采用频域降噪算法去除电力信息中的噪声信息，通过显示线程与路径转化手段，实现对电力信息及其通信传输路径的可视化管理。实验数据显示，应用该系统后，通信传输最优路径选择结果与实际结果保持一致，电力信息传输丢包率的最小值为0.98%，说明该系统的应用性能较好。

关键词：
ZigBee
可视化传输
电力信息
电力能源
网络覆盖
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随着全球经济一体化步伐的不断加快，社会生产与人民生活对电力能源的需求也呈现逐渐增加的趋势，促使大量分布式能源并入大电网中。这种形式虽然提升了电力能源的供给能力，但也给智能电网调控工作带来了较大的难度与挑战。与此同时，由于智能电网覆盖范围也在不断地扩大，使得电力信息数量呈现指数级别暴涨，电力信息通信传输需求与难度也随之增加。这种态势提高了电力信息传输的压力，也成为了现今制约智能电网后续发展的关键所在。因此，保障电力信息的有效通信传输，是现今电力领域亟待解决的问题之一。

就现有研究成果来看，使用较为广泛的通信传输系统为基于5G及IEC61850的韧性配网信息传输系统[1]与基于编码拆分的通信系统[2]。前者在5G网络与IEC61850协议的支持下，实现了对配网故障信息的通信与传输。虽然该系统能满足故障信息的通信传输需求，但依然存在着故障信息丢失、篡改等现象；后者对通信信息进行编码拆分，以此来简化通信传输的过程，并支持信息的跨网通信传输。但是，通信信息的编码差分、重构过程的添加，导致该系统的整体通信传输效率较低。

面对电力信息通信传输的高需求，在众多通信传输路径中寻找到最优路径，并保障电力信息的有效传输是智能电网目前最大的难题之一。通信传输是一个隐性过程，难以直接观察到，这也是造成电力信息传输失败的关键因素。依据上述描述可知，文献[1]与文献[2]所示的通信传输系统均难以有效满足电力信息通信传输的需求。

可视化是一种以图像、图形为载体表征数据、信息等的技术，能帮助用户理解难懂的知识。因此，基于ZigBee技术设计了一种新的电力信息可视化通信传输系统。

1、电力信息可视化通信传输设计

1.1搭建可视化通信传输网络

为了满足海量电力信息的通信传输需求，基于ZigBee技术搭建可视化通信传输网络，并通过PC机与Sniffer网络分析仪显示可视化通信传输网络各个节点的相关信息，包括运行状态、传输信息情况等，保障可视化通信传输网络的稳定运行。

基于ZigBee技术搭建的可视化通信传输网络结构如图1所示。图1中，PC机主通过串口与ZigBee模块相连接，承担着发送信息及其接收信息的任务，再加之网关、服务平台与Sniffer网络分析仪的应用，共同形成可视化通信传输网络结构。同时，Sniffer网络分析仪能够实时监测网络各个节点的运行信息，自动查找、维护可视化通信传输网络节点，最大限度地保障网络节点运行的安全性[3-4]。Sniffer网络分析仪还可以接收可视化通信传输网络中的全部数据包，并且其获取的节点运行状态结果（在线状态与掉线状态）会实时显示在PC机上，从而简化了设计系统的开发程序[5]。

图1可视化通信传输网络结构示意图

可视化通信传输网络节点的组织步骤如下：

步骤1：通过事件唤醒节点，使其从休眠模式转变为运行模式。需要注意的是，苏醒节点会自动搜寻网络；

步骤2:ZigBee协调器主动进行能量检测与信道扫描，寻找未被占用的空闲信道，确定节点的标识符（唯一的）；

步骤3：确定信道之后，对其相关参数进行适当的配置，父节点（ZigBee协调器）可以对入网请求进行接收与处理；

步骤4：若网络空间允许节点的加入，父节点（ZigBee协调器）会反馈相关信息给子节点，根据反馈信息中的网络地址添加子节点；

步骤5：若网络空间不允许子节点的加入，父节点（ZigBee协调器）依然会反馈相关信息给子节点，子节点选择另外一个父节点（ZigBee协调器），直至成功加入网络为止[6-7]。

1.2选择电力信息通信传输最优路径

为了保障电力信息通信传输的有效性，在搭建可视化通信传输网络的基础上，基于证据理论选择电力信息通信传输最优路径，为最终通信传输路径可视化实现提供支撑。

选取典型的高斯隶属度函数[8]设计电力信息通信传输路径的决策函数，表达式为：

式中，M(Li)表示电力信息通信传输路径Li的决策函数；γmn(αm(Li))表示通信传输路径Li的证据属性αm对于评价等级An的隶属程度，其计算公式为：

式中，β表示评价等级隶属区间的平均值；σ表示高斯函数的宽度，需要根据实际研究情况进行设置[9]。

根据D-S证据理论合成法则，对式（2）进行融合处理，利用融合结果反映网络链路对于通信传输路径的支持程度，表达式为：

式中，χi表示网络链路对于通信传输路径Li的支持程度；M与N表示证据属性种类总数量与评价等级总量。

以上述式（3）计算结果为基础，制定电力信息通信传输最优路径选择规则，具体如下式所示：

式中，max(χi)表示网络链路对于通信传输路径支持程度的最大值。

上述过程完成了电力信息通信传输最优路径的选择，为通信传输路径可视化实现提供支撑[10]。

1.3电力信息通信传输路径可视化

可视化主要体现在两个方面，一方面是电力信息可视化，另一方面是通信传输路径可视化。其中，电力信息可视化主要是通过数据帧接收线程与显示线程来实现[11]。需要注意的是，数据帧接收线程保持着实时开启的状态，防止电力信息接收失败现象的发生，其收到电力信息后，对其进行降噪处理，以此来保障电力信息可视化的精度[12]。

根据可视化通信传输网络的特性，采用频域降噪算法对电力信息进行去噪处理，原始电力信息傅里叶变换表达式为：

式中，xi与X(ω)分别表示傅里叶变换前、后的电力信息；ω表示电力信息频率；t表示当前时刻。

依据电力信息中心频点与带宽对主要电力信息进行截取，具体规则如下式所示：

式中，X′(ω)表示截取处理后的电力信息；f0表示电力信息中心频点；W表示电力信息频域带宽[13]。

将式（6）结果进行反傅里叶变换处理，即可获得去噪后的电力信息，表达式为：

式中，xi′表示去噪后的电力信息。将式（7）的计算结果发送给显示线程，通过PC机窗口显示通信传输电力信息。

通信传输路径可视化是在电力信息通信传输最优路径选择基础之上进行的，但是，与电力信息可视化不同的是，路径可视化需要关注网络节点的位置[14]，将其表示为折线Y={Y1→⋯→Yj→⋯→Yq}的形式。其中，Yj表示第j个通信传输网络节点的编号[15-16]。依据上述规则将全部电力信息通信传输最优路径求解出来，并转化为折线形式，展示在二维平面图上，即可实现通信传输路径的可视化（由于研究篇幅有限，不对可视化效果进行展示）。

综上所述，文中以ZigBee技术为基础，实现了电力信息与通信传输最优路径的可视化，为电力信息有效地通信传输提供助力。

2、实验与结果分析

2.1实验准备阶段

为了方便后续设计系统应用性能测试，基于ZigBee技术搭建可视化通信传输网络，为后续电力信息可视化通信传输对比实验的进行提供便利。

依据实验的需求，设置可视化通信传输网络基本参数，具体如下：可视化通信传输网络覆盖面积为500 m×500 m；网络节点数量为16个；网路节点半径半径为10 m；网络节点通信半径为20 m；协调器位于可视化通信传输网络中心；路由节点数量为3个。

依据上述设置的基本参数，搭建简洁的可视化通信传输网络，具体如图2所示。

图2中搭建的可视化通信传输网络存在很多条可供电力信息通信传输的路径，符合设计系统应用性能测试需求。

2.2实验结果分析

以可视化通信传输网络为基础，以基于5G及IEC61850的韧性配网故障信息智能传输系统与基于编码拆分的跨网通信系统作为对比系统1与对比系统2，进行电力信息可视化通信传输对比实验，通过通信传输最优路径选择结果与电力信息通信传输丢包率显示设计系统的应用效果。

图2可视化通信传输网络示意图

2.2.1通信传输最优路径选择结果分析

通信传输最优路径选择结果正确与否直接关系着可视化效果的精度，故将其作为应用性能测试的第一评价指标。设置网络中存在故障节点3、8与11，电力信息传输初始节点为1，终止节点为16。在上述实验工况背景下，获得通信传输最优路径选择结果如图3所示。

图3通信传输最优路径选择结果示意图

如图3所示，应用基于ZigBee技术设计的系统后，获得的通信传输最优路径选择结果与实际结果保持一致，而对比系统1与对比系统2获得的最优路径选择结果与实际结果存在着较大的差距，并且还会经过故障节点，存在着电力信息传输失效的风险。由此可见，基于ZigBee技术设计的系统的通信传输最优，路径选择性能更强。

2.2.2电力信息通信传输丢包率分析

电力信息通信传输丢包率是检验设计系统功能实现的主要指标。通过实验获得的电力信息通信传输丢包率如表1所示。

表1电力信息通信传输丢包率数据表

表1表明，在8种实验工况背景下，基于ZigBee技术设计的系统的传输丢包率远低于对比系统1与对比系统2，并且在第2种实验工况背景下获得丢包率最小值0.98%。这主要是因为可视化的处理方式能够及时对路径进行及时调整与修改，使得电力信息传输更加有保障，从而最大限度地抑制丢包现象的发生。

3、结束语

随着智能电网建设力度的加强，电力供给范围得到了大幅度地扩张，电力信息通信传输需求也呈现飞速增长趋势，为通信传输系统带来了极大的挑战，因此，提出基于ZigBee技术的电力信息可视化通信传输系统。该系统提升了通信传输最优路径选择的精度，降低了电力信息通信传输丢包率，为电力信息通信传输提供更有效的系统支撑。

参考文献:

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基金资助:秦皇岛市科学技术研究与发展计划(202003B015);

文章来源:张文霞,张浩彤,赵瑞,等.基于ZigBee技术的电力信息可视化通信传输系统设计[J].电子设计工程,2024,32(23):159-163.

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期刊名称：电子设计工程

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国内刊号：61-1477/TN

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创刊时间：1994年

发行周期：半月刊

期刊开本：大16开

见刊时间：10-12个月

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