電力物聯(lián)網(wǎng)無線傳感時間同步方法分析

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

引言

隨著時代的不斷發(fā)展與進步，針對電力物聯(lián)網(wǎng)進行建設(shè)已成為實現(xiàn)電網(wǎng)智能升級，強化電能管理的主要發(fā)展趨勢與目標。相關(guān)技術(shù)團隊與從業(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間同步功能所提出的要求，同時針對現(xiàn)有同步算法進行進一步優(yōu)化，以減少無線傳感器進行時間同步時所需的同步功耗，有效提高時間同步精度，實現(xiàn)電網(wǎng)信息、用戶信息等多源信息的高效融合與開發(fā)運用。

一、電力物聯(lián)網(wǎng)無線時間同步需求

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

第一，應(yīng)確保傳感器時間同步的精準可靠，進而實現(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)計過程當中，受限于技術(shù)因素的影響，同步方案的功耗居高不下，這導致其長時間運行的穩(wěn)定性不斷下降，在運行過程當中可能會給電力物聯(lián)網(wǎng)造成一定負擔。因此在系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)遵循低功耗原則與要求，使其能夠適應(yīng)復雜多變的電網(wǎng)運行環(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)無線傳感器時間同步方案進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際需求，亟待進一步優(yōu)化相關(guān)算法與方案。

（一）傳感器節(jié)點模型

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

式中，Ti（t）為電力物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)當中某一節(jié)點在特定時刻下的時間讀數(shù)，t為實際時間變量，t0為開始計時時的物理時刻，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時刻下電力物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)當中節(jié)點通過晶體振蕩所展現(xiàn)出的時間讀數(shù)。

通過對電力物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步過程和信息傳輸過程進行研究與分析后發(fā)現(xiàn)，相關(guān)傳感器節(jié)點在運行過程當中所面臨的環(huán)境往往較為復雜，在不同封裝和不同信道當中的同步表現(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。因此，在針對傳感器節(jié)點模型進行構(gòu)建的過程中，為了進一步落實時鐘同步對于精度的要求，需要結(jié)合節(jié)點在傳感器網(wǎng)絡(luò)當中的實際情況和網(wǎng)絡(luò)運行過程中可能表現(xiàn)出的時延狀態(tài)進行綜合考量，在理想狀態(tài)下的傳感器節(jié)點邏輯時鐘模型表達式為：

Ci（t）=／lai·Ci（t）+lbi

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

（二）同步信號廣播模型

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

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

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

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

（三）雙向報文交換模型

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

分別基于不同節(jié)點接收時間信息時的偏差值、傳感器網(wǎng)絡(luò)信息時延等相關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析，能夠較為直觀與便捷地針對目標節(jié)點與傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部次根節(jié)點之間在時間層面的偏差值。由偏差值與信息傳播時延兩項指標，能夠明確傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部其他節(jié)點與次根節(jié)點之間的時間差，使不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對于時間信號的調(diào)整與控制有據(jù)可依，從而實現(xiàn)整個電力物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的時鐘同步。雖然該模型下的時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文交換模型均能夠完成傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點當中的時間同步要求，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，實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部時間同步的持續(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)勢與特點進行整合，使傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部時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)時間同步模型構(gòu)建之前，需要結(jié)合實際明確分級廣播同步算法，梳理系統(tǒng)內(nèi)部傳感器時間同步過程所涉及到的節(jié)點架構(gòu)，使其能夠為時鐘廣播信號的傳遞提供更加有效的支持。在本次研究過程當中，為了實現(xiàn)精度與功耗的綜合控制，促進無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方案可行性的進一步提高，現(xiàn)引進根節(jié)點、次根節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)常規(guī)節(jié)點的層次化結(jié)構(gòu)體系。與此同時，為了突出同步信號廣播模型與雙向報文交換模型兩種同步方案的優(yōu)勢與效果，在根節(jié)點與次根節(jié)點之間選取同步信號廣播模型進行時鐘信息的傳輸與同步，而在次根節(jié)點與常規(guī)節(jié)點之間選取雙向報文交換模型進行時鐘信息的傳輸與同步，力求實現(xiàn)時間信號傳輸過程當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)點與常規(guī)節(jié)點之間選取雙向報文交換模型進行時間信號的同步，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)計目標與規(guī)劃要求的有效落實。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間信號的傳遞過程進行分析與統(tǒng)計，力求有效減少信號交互過程中產(chǎn)生的時延，使時間同步結(jié)果的精度能夠得到進一步保障。

在基于最小二乘估算法對信號傳遞過程進行分析與統(tǒng)計的同時，應(yīng)考慮到電力物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運行過程當中不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間所呈現(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，可基于以下表達式對信號傳輸模型進行表述：

T2=aT'2+σ

式中，T2為信號傳輸過程當中的物理時間，T'2為時間信號傳輸過程當中對應(yīng)節(jié)點所展現(xiàn)的時間，a為信號傳輸過程中出現(xiàn)的時間漂移，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)運行過程當中的狀況進行測算后能夠得出樣本的最優(yōu)擬合結(jié)果，實現(xiàn)信號傳遞精度以及時間同步精度的有效控制。

四、仿真結(jié)果與試驗分析

算法設(shè)計與更新完成后，為了進一步明確其在實際場景當中的應(yīng)用與推廣價值，掌握其使用過程當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驗證過程對方案可行性進行研究，進而為物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)當中時間同步算法的改進與優(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)進行設(shè)定，進而為后續(xù)研究工作的開展提供相應(yīng)支持。為達成最佳分析效果，增加算法方案驗證準確性，使其能夠在電力物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當中獲取到更加廣泛的應(yīng)用價值，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行同步搭建，同時針對不同算法所反饋的仿真結(jié)果進行系統(tǒng)分析，明確不同算法的優(yōu)劣特征，進而為無線傳感器時間同步方案的構(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，不符合預期要求；雙向報文交換模型對于時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)點時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值。

（三）特定場景下的試驗驗證

將分級廣播下時間同步模型引入實際物聯(lián)網(wǎng)項目進行驗證分析后發(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)，同時能夠有效達成電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和無線傳感器的時間同步要求。

結(jié)語

在電力物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)過程當中，如何保障不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的時間同步已成為技術(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行創(chuàng)新打造，使其能夠滿足傳感器運行目標，實現(xiàn)精度與功耗控制的平衡發(fā)展。