一种风电机组无线监控系统的构建方法技术方案

本发明专利技术公开一种风电机组无线监控系统的构建方法，从节点部署和路由协议两个方面对风电机组无线监控系统进行构建。考虑到风电机组典型故障的分布具有一定的空间性，提出了一种空间正四面体节点部署方案。该节点部署方案是将正四面体理论运用至监控系统的节点部署中，着重对机舱的齿轮箱、发电机与传动轴进行监控部署；为了更好地提高无线监控系统的路由协议性能，提出了基于改进簇头选取的LEACH算法。该算法考虑到节点剩余能量和节点几何距离，将其作为簇头选取阈值计算公式的参数，用以提高监控系统的性能。该算法能有效均衡监控系统节点的能耗，延长系统的最佳运行时间。

Method for constructing radio monitoring system of wind turbine

The invention discloses a method for constructing a radio monitoring system of a wind power unit, and constructs a radio monitoring system of a wind turbine from two aspects of node deployment and routing protocol. Considering the space distribution of typical faults of wind turbines, a scheme of space tetrahedron node deployment is proposed. This node is a node deployment scheme of tetrahedron theory to the monitoring system deployment, focusing on gear box, transmission shaft and generator of engine room monitor deployment; in order to improve the performance of routing protocol of wireless monitoring system, and proposes an improved LEACH algorithm based on cluster head selection. The algorithm takes the residual energy of nodes and the geometric distance of nodes into consideration, and uses it as the cluster head to select the threshold to calculate the parameters of the formula, so as to improve the performance of the monitoring system. The algorithm can effectively balance the energy consumption of the monitoring system nodes and prolong the optimal running time of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种风电机组无线监控系统的构建方法
本专利技术涉及一种风电机组无线监控系统的构建方法，构建空间节点部署方案，使节点部署更加吻合实际机组的模型。同时，对LEACH协议的簇头选举方法进行改进，使得监控系统的覆盖度在实际应用时得到提高。
技术介绍
风力发电作为一种发电利用小时数高、清洁环保的发电形式，得到了政府和发电企业的大力推广。然而，风电机组多处于环境恶劣地区，容易发生故障，可进入性差、人工维护困难，大大增加了风电机组的运维成本，降低了经济效益。风电机组装机容量的迅猛增长给风电机组的运行维护带来了巨大挑战。因此，十分有必要对风电机组运行状态进行实时监控。基于无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)技术的无线监控系统具有实时不间断监控、动态性能强、设施安装简易等优势。利用无线传感器网络的独特优势实时监控风电机组，在提高监控系统效率的同时还可以大大缩减运营成本。因此，WSN技术在风电机组运行状态的监控中具有良好的应用前景。但是无线监控系统存在一些不足，例如传感器节点能耗过快而失效。节点的失效直接反映为监控系统覆盖度的降低，导致系统监控范围缩小，监控准确度下降，甚至使系统瘫痪。因此，构建性能可靠的风电机组监控系统十分必要。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种风电机组无线监控系统的构建方法。尝试将节点部署方案突破平面，构建空间节点部署方案，使节点部署更加吻合实际机组的模型。同时，对LEACH协议的簇头选举方法进行改进，使得监控系统的覆盖度在实际应用时得到提高。技术方案：一种风电机组无线监控系统的构建方法，从节点部署和路由协议两个方面对风电机组无线监控系统进行构建。考虑到风电机组典型故障的分布具有一定的空间性，尝试将节点部署方案突破平面，构建空间节点部署方案，使节点部署更加吻合实际机组的模型。提出了一种空间正四面体节点部署方案。该节点部署方案是将正四面体理论运用至监控系统的节点部署中，着重对机舱的齿轮箱、发电机与传动轴进行监控部署；基于所提出的空间节点部署方案，为了更好地提高无线监控系统的路由协议性能，本专利技术结合风电机组的实际应用场合，通过对现有典型LEACH路由协议的改进来实现监控系统性能的优化。提出了基于改进簇头选取的LEACH算法。该算法考虑到节点剩余能量和节点几何距离，将其作为簇头选取阈值计算公式的参数，使得监控系统的覆盖度在实际应用时得到提高。将平面的结论延拓至空间层面，节点感知半径与相邻节点距离需满足下式的条件：其中R是节点感知半径，r是相邻节点距离。当满足该式的条件时即可保证监控系统覆盖度达到100％，具体证明如下：命题：在正四面体ABCD中，棱长AB＝r，AE为正四面的一条高，正四面体中心O在高AE上，证明下式：证明：O是正四面体ABCD的中心，连接OA、OB、OC、OD，由于O是中心，所以正四面体ABCD被分为四个全等的小三棱锥O-ABC、O-ABD、O-ACD、O-BCD，其中OA＝OB＝OC＝OD。见图1。所以：即AE＝4OE。根据正四面体的性质，顶点A在底面三角形BCD上的投影必定是三角形BCD的中心。连接BE并延长交CD与F。由正三角形性质，可知∠CFB＝90°，F为线段CD中点，即根据勾股定理得，依据正三角形性质，即在三角形ABE中，依据勾股定理得，此前已证AE＝4OE，所以本专利技术提出基于改进簇头选取的LEACH算法，主要设计构思包括以下几个方面：1)就LEACH协议中簇头选举时未曾考虑相应节点剩余能量的情况，本专利技术尝试将节点剩余能量的多少这一限制条件添加到选举算法中，让剩余能量较多的节点成为簇头的概率更大，让能量较少节点成为簇头的概率减小，防止节点能量分布进一步两极分化。2)针对LEACH协议簇头选举时未曾考虑选举节点到sink点几何距离这一问题，本专利技术尝试将节点至sink点几何距离这一条件充分考虑到选举算法中，让距离sink点较远的节点成为簇头的几率更小。对于上述两点，本专利技术拟从阈值T(n)进行相应的改进，针对如上情况提出了新的T(n)计算公式：式中，p是簇头节点数目占总节点数目的百分比值，称为簇头期望值，G是最近1/p轮中未被选为簇头的节点集合，Ke是与当前节点剩余能量相关的能量参数，同样，Kd是与当前节点到sink点的几何距离相关的距离参数，此外，a，b是Ke和Kd的权重系数，并且满足这样的关系：a+b＝1。确定Ke和Kd的方法如下，式(2)中的Ke是与能量相关的参数。简单来说，当节点剩余能量相对较少时，Ke值也应较小，使得T(n)较小，使此节点当选为簇头的几率更小，避免节点能量过早消耗完，以此避免系统能耗不均衡的情况出现。简言之，Ke的值与节点剩余能量呈正相关。用Er表示节点剩余能量，E0表示节点初始能量，首先很容易想到一种方案，令其中k是一个调节比例系数，这样很容易让能量参数Ke与节点剩余能量呈正相关。但是，在网络运行过程中节点相继失效，当存活节点剩余能量均不是很充足时，Ke均会过于偏小，体现在新阈值上就是阈值过于偏小，就会导致选出的簇头节点数目低于预期值的情况出现，甚至一个都选不出来的特殊情况。考虑到所有能量统一都呈逐渐减少的趋势这一点，故此想到另一种方案：Nalive表示存活节点的个数，令Ke成为剩余能量和所有存活节点均剩余能量的比值，具体见式(3)。由式(3)可以看出，在任何一轮中，各节点Ke分母的值均相同，Ke与剩余能量直接呈正相关，此表达式可以满足所需要的Ke变化趋势要求。理由相同，式(2)中的Kd是与能量相关的参数。用DtoBS表示各节点到sink点的几何距离，假定Kd为所有存活节点至sink点几何距离的平均值与该节点到sink点几何距离的比值。具体见式(4)：从式(4)可以看出，在任何一轮中，分子的值均相同，Kd与剩余能量直接呈负相关，此表达式可以满足所需要的Kd变化趋势要求。有益效果：相对于现有技术，本专利技术从监控系统节点部署与路由协议两方面对风电机组无线监控系统进行构建。提出了一种空间正四面体节点部署方案，该方案的思想是将正四面体理论与实际风电机组部件的错落分布情况结合，构造出该空间模型。随后在该部署方案的基础上提出改进的LEACH路由传输协议，仿真结果表明，该协议对均衡系统整体能耗，降低系统失效节点数以及提高监控系统覆盖度有显著改善。本专利技术的研究成果为风电机组无线监控系统节点模型的构建提供了一种新思路。附图说明图1为平面三角形部署图；图2为机舱俯视示意图；图3为三角形部署方案图；图4为不同感知半径覆盖对比图；其中(a)为无监控盲区，(b)为有监控盲区；图5为四面体结构图；图6为空间四面体节点部署图；图7为覆盖度变化图；图8为权重对比图；图9为剩余能量前后差值图；图10为失效节点差值图；图11为覆盖度差值图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。1、风电机组无线监控系统一般地，基于WSN的风电机组无线监控系统由三大部分构成，分别是：状态信息获取系统、信息中转站和中控系统。状态信息获取系统通过部署在风电机组各个部位的传感器节点采集本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风电机组无线监控系统的构建方法，其特征在于：从节点部署和路由协议两个方面对风电机组无线监控系统进行构建；提出了一种空间正四面体节点部署方案；该节点部署方案是将正四面体理论运用至监控系统的节点部署中，着重对机舱的齿轮箱、发电机与传动轴进行监控部署；基于所提出的空间节点部署方案，提出了基于改进簇头选取的LEACH算法；该算法考虑到节点剩余能量和节点几何距离，将其作为簇头选取阈值计算公式的参数，使得监控系统的覆盖度在实际应用时得到提高。

【技术特征摘要】
1.一种风电机组无线监控系统的构建方法，其特征在于：从节点部署和路由协议两个方面对风电机组无线监控系统进行构建；提出了一种空间正四面体节点部署方案；该节点部署方案是将正四面体理论运用至监控系统的节点部署中，着重对机舱的齿轮箱、发电机与传动轴进行监控部署；基于所提出的空间节点部署方案，提出了基于改进簇头选取的LEACH算法；该算法考虑到节点剩余能量和节点几何距离，将其作为簇头选取阈值计算公式的参数，使得监控系统的覆盖度在实际应用时得到提高。2.如权利要求1所述的风电机组无线监控系统的构建方法，其特征在于：将平面的结论延拓至空间层面，节点感知半径与相邻节点距离需满足下式的条件：其中R是节点感知半径，r是相邻节点距离。3.如权利要求1所述的风电机组无线监控系统的构建方法，其特征在于：基于改进簇头选取的LEACH算法，主要包括以下几个方面：1)就LEACH协议中簇头选举时未曾考虑相应节点剩余能量的情况，将节点剩余能量的多少这一限制条件添加到选举算法中，让剩余能量较多的节点成为簇头的概率更大，让能量较少节点成为簇头的概率减小，防止节点能量分布进一步两极分化；2)将节点至sink点几何距离这一条件充分考虑到选举算法中，让距离sink点较远的节点成为簇头的几率更小；对于上述两点，从阈值T(n)进行改进，提出了新的T(n)计算公式：

【专利技术属性】
技术研发人员：傅质馨，骆阳，袁越，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32