韓偉,吳春紅,孔圣立,高利明,高輝
(1.國網河南省電力公司電力科學研究院,河南鄭州 450052;2.南京郵電大學自動化學院,江蘇南京 210000)
智能變電站無線異構網絡資源共享策略
韓偉1,吳春紅1,孔圣立1,高利明1,高輝2
(1.國網河南省電力公司電力科學研究院,河南鄭州 450052;2.南京郵電大學自動化學院,江蘇南京 210000)
提出一種面向智能變電站的、由基站與無線拉遠單元互補構成的層次化網絡結構,實現變電站內/外無線信號覆蓋;并通過允許智能變電站內終端直接通信方式實現站內通信,從而為站內通信終端與站外通信終端共享物理資源研究一種合理的頻段與功率分配算法,以緩解智能電網無線頻率資源緊張的難題。仿真結果表明,該網路結構及資源共享算法能夠很好的支撐智能電網業(yè)務接入,同時提供了較高的本地通信頻率復用增益,從而整體提升了網絡業(yè)務承載能力。
機器類通信;智能電氣終端;智能變電站;無線異構網絡;資源共享策略
信息通信基礎設施是實現智能電網信息流雙向的關鍵。傳統(tǒng)的基于變電站的通信方式是依賴于有線通信與電力線載波,實現變電站內部測控裝置之間、一次設備狀態(tài)信息監(jiān)測等業(yè)務承載,該通信網絡部署施工難度較大,且管理維護成本較高[1]。隨著智能變電站的發(fā)展,產生了對變電站內部移動巡檢、設備狀態(tài)信息監(jiān)測、電力基建視頻、應急通信等移動性、寬帶化的需求,這就對通信網絡的覆蓋提出了較高的要求[2]。構建廣覆蓋、靈活接入、寬帶化的智能變電站無線通信網絡可以很好地解決這些難題[3-4]。
特別的,無線通信技術由于其靈活的接入能力和良好的移動性,不受制于地理條件,可以實現對于大規(guī)模智能電網終端提供可靠通信的快速部署[5-8]。因此,針對智能電網無線專網研究,正成為熱點問題。
本文將智能變電站業(yè)務需求按照地域劃分為本地業(yè)務和廣域業(yè)務2大類[9-13]。本地業(yè)務是指發(fā)生在智能變電站內部的通信需求,如移動巡檢、變電站內部視頻監(jiān)控和設備狀態(tài)信息監(jiān)測等;廣域業(yè)務主要包含配用電通信業(yè)務,如用電信息采集、配電自動化和電動汽車充電樁(站)等。并在此基礎之上,提出一種如圖1所示面向智能電網應用的智能變電站層次化的無線異構通信網絡結構[14-17]。該結構包含了建設與智能變電站內部的基站與向外延伸的無線拉遠單元,其中無線拉遠單元可以有效補充覆蓋盲區(qū),實現覆蓋范圍的擴大[18-20]。
本文基于無線異構網絡結構,在考慮突出覆蓋面積的同時,充分挖掘無線網絡容量潛能,最大可能滿足變電站內部本地業(yè)務和廣域業(yè)務的通信需求。針對層次化智能變電站無線異構網絡開展本地通信直連終端復用上行通信鏈路資源算法研究,可以有效抑制資源復用帶來的同頻干擾。同時,最大可能地提供本地通信速率并保障上行采集類業(yè)務的可靠性與有效性。
圖1 智能變電站典型的層次化無線專網模型Fig.1 Model of a typical wireless special network with hierarchical structure in a smart substation
本文考慮智能變電站無線專網系統(tǒng),在變電站內部建設基站鐵塔;基站基帶處理單元BBU(baseband unit)放置在智能變電站內通信機房且通過回傳網上聯(lián)至地市公司核心網;通過在智能配用電業(yè)務密集地區(qū)建設無線拉遠單元RRU(remote radio unit)的方式擴展無線專網小區(qū)覆蓋范圍,拉遠單元RRU通過光纖鏈接到智能變電站內BBU;拉遠單元RRU可以改善附近無線信號覆蓋質量,達到信號盲區(qū)消除的目的,因此極大擴展了小區(qū)覆蓋范圍,降低了投資。由BBU與鐵塔構成的宏基站單元和無線RRU共存的網絡結構構成了智能變電站層次化的無線專網系統(tǒng)。
采用拉遠單元RRU擴展小區(qū)覆蓋范圍是一種數據集中策略,類似于用電信息采集的集中器,或者數據集中單元DAU(data aggregation unit)。這種數據“集中”后再上傳/廣播的思想將廣泛適用于智能電網信息通信建設,可以有效降低由于終端分布點多面廣帶來的通信網絡建設難度。
智能變電站內部及外部所有處于小區(qū)覆蓋范圍內的智能配電用電終端可以通過拉遠單元RRU或者直接與基站建立連接,完成數據的上下行傳輸。假設單個基站承載了智能變電站內部、外部所有類型業(yè)務,覆蓋范圍內可接入終端N個,智能變電站內部采用設備間直接通信方式通信設備對有D對。本文將采用“終端”嚴格定義傳統(tǒng)的與基站或者RRU相連的無線通信終端,而將智能變電站內部具有本地通信需求且直接通信的無線終端定義為“設備對”;針對該定義,本文采用下標n=1,2,…,N和d= 1,2,…,D分別索引終端與設備對。
N個終端之間采用正交方式復用小區(qū)內部頻率資源,這樣可以有效保證智能配用電無線終端之間不存在同頻干擾,從而有效保障了通信的可靠性、有效性與安全性。D個設備對之間采用直接通信方式,且復用小區(qū)內終端的頻段資源。在層次化的智能變電站無線通信系統(tǒng)中,構成了一個2層異構通信系統(tǒng),即智能變電站內部本地通信網絡疊加于整個小區(qū)的無線接入網之上。本文所述智能變電站無線通信系統(tǒng)不依賴于某一具體的無線通信技術,如長期演進(long term evolution,LTE),碼分多址(code division multiple access,CDMA),全球無線通信系統(tǒng)(global system for mobile communication,GSM)等,這就為建設智能變電站異構通信網絡技術選型方面提供了足夠的自由度。
智能電網配用電業(yè)務的顯著特點為上行傳輸數據遠大于下行控制信號傳輸。用電信息采集,配用電自動化二遙終端、分布式新能源采集、電動汽車充電樁(站)等業(yè)務需要上傳大量的采集數據;相比之下,“三遙”、負荷控制等終端傳輸的數據量較小,但對時延與可靠性要求較高。因此,智能變電站無線通信系統(tǒng)宜采用時分雙工(time division duplex,TDD)通信方式,通過配置更多的上行時隙來滿足智能配用電業(yè)務上行通信的需求。
在變電站內部,本地通信也有較高的帶寬需求,例如變站內視頻監(jiān)控、機器人移動巡檢等業(yè)務,經對比發(fā)現,變電站內部本地通信對帶寬流量需求較大,盡管業(yè)務承載需求處于基站附近,信號覆蓋較好,但是如果將空口頻率資源分配給這些高帶寬業(yè)務,將極大的消耗基站上/下行頻率資源,從而很大程度上影響了智能變電站外部的業(yè)務傳輸,限制了無線專網的覆蓋范圍和可接入終端數目。
為了改善智能變電站本地通信業(yè)務質量,提高無線通信系統(tǒng)的系統(tǒng)容量,本文提出構建一種異構通信方式來解決這些問題。具體而言,就是允許智能變電站本地通信設備對復用其他配用電終端的通信資源。由于本地通信距離較近,因此無線鏈路的大尺度衰落較低,僅僅需要極低的發(fā)射功率即可獲得較好的接收信噪比,從而滿足數據的傳輸需求。
圖1是一個典型的實現方案。這樣一個層級式的網絡包含智能變電站本地通信與智能配用電業(yè)務,所有的終端就近接入附近的RRU或者基站,而設備對之間直接建立通信鏈路,且復用終端的頻率資源。令xd,n∈〈0,1〉作為設備對復用第n個終端的頻段n,如果xd,n=1,設備對將與第n個終端在相同的頻段上傳輸數據。否則,xd,n=0。為最大限度地利用頻率資源,令每個設備對復用多個終端的頻段資源,于是有:
由式(1)可以看出,每個設備對可以復用多個終端資源,從而構成了多載波通信,有效保證了智能變電站內部通信的高帶寬需求。而過去針對設備間通信研究還僅僅局限于復用單個頻段資源的簡單場景[14-19]。因此,本文的適用范圍更加廣泛。綜上,本文可以獲得的資源復用限制條件為:
式(2)說明每個頻段只能被單個設備對復用。這樣做的目的是減少不同設備對之間、設備對與終端之間的同頻干擾,同時也減少了系統(tǒng)的信令開銷,有利于提高通信質量,便于系統(tǒng)運行管理。
如圖2所示,在同一頻段資源上,終端會對設備對的接收側產生同頻干擾,反之,設備對的發(fā)送側對終端到基站的信號產生干擾;本文定義設備對之間的傳輸信道為hd,n,設備對到基站的干擾信道為終端到基站的傳輸信道為hn,終端到設備對接收側的干擾信道為本文引入作為4類信道的歸一化信道,σ分別為基站側與設備對接收側信道上的加性白高斯噪聲方差。依據以上上述四類歸一化信道系數的定義,可以獲得終端n的數據傳輸速率為:
以及設備對d在頻段n上的傳輸速率為:
式中:Pn和Pd,n分別為終端n和設備對d在頻段n上的發(fā)送功率。
圖2 無線專網、干擾信道與傳輸信道示意圖Fig.2 The illustration of wireless network,interference and transmission channels
這里需要強調的是,由于智能變電站內部直接通信的設備對復用終端的頻率資源,這就帶來了一個優(yōu)先級保障的策略問題;一方面,終端上行傳輸有著更高的優(yōu)先級,這是由于資源歸屬決定的;另一方面,變電站內部設備對通信也面臨著業(yè)務的關鍵性保障,如視頻監(jiān)控、機器人巡檢等業(yè)務,也需要保障足夠的帶寬與傳輸速率。因此,本文采取的方式就是在保障所有上行傳輸終端的最低傳輸速率同時,盡可能最大化設備對的傳輸速率,也即盡可能最大化本地通信容量,從而滿足本地通信需求。在極端情況下,設備對通信無法通過復用上行資源而完成數據的可靠傳輸,則以傳統(tǒng)的基站中繼方式接入通信網絡,這樣就可以保障通信的可靠性,但是這是以擠占更多的頻率資源為代價。關于保障終端上行通信的最低速率條件可以表達為:
式中:Rn為終端n最低上行通信速率。本文將為所有待傳輸信息的本地通信設備對分配合理的頻段資源,同時控制設備對和終端的發(fā)送功率,從而達到最大化所有設備對和速率,同時保障所有終端上行通信不受任何損傷。
基于最優(yōu)化問題的描述,本文將該優(yōu)化問題建模為一個頻段與功率聯(lián)合分配的問題。優(yōu)化問題可表達為:
式中:Pd和Pn分別為設備對d和終端n的總發(fā)送功率。至此,本文針對智能變電站無線通信系統(tǒng)開展異構通信建模,將該系統(tǒng)轉化為一個頻段和功率聯(lián)合分配的優(yōu)化問題,解決了本地通信復用上行傳輸信道資源的問題,提高了本地通信的資源利用率,同時保障了上行通信可靠性與有效性。由本地通信復用帶來的系統(tǒng)容量增益可用于接入變電站內部通信業(yè)務。
通過觀察優(yōu)化問題式(6)可以發(fā)現,目標函數式(6a)與約束條件式(6b)是非線性、非凸的,這就導致原問題是一個非凸優(yōu)化問題;同時,由于頻段分配變量是離散的,而功率優(yōu)化變量是連續(xù)的,因此,優(yōu)化問題式(6)還是一個組合優(yōu)化問題,NP-hard的問題。求解優(yōu)化問題式(6)的最優(yōu)解是一項艱巨的任務。
本文將通過分析約束條件式(6b),揭示終端n與設備對d共享頻段n時發(fā)送功率的約束關系,同時利用該隱含關系可以將原問題式(6)徹底改寫為一個等價形式,通過對等價問題的求解,完全可以獲得一個接近最優(yōu)解的求解方法。
通過觀察目標函數式(6a)和約束條件式(6b),可以發(fā)現當設備對d復用頻段n時,終端n的最優(yōu)發(fā)送功率為:
根據約束條件式(6b),可以發(fā)現對于固定的pd,n有該不等式給出了pn可行域,且目標函數式(6a)關于pn是單調遞減的。因此,最優(yōu)的pn應當為可行域的下界,即得到表達式(7)。
由式(7)可知,最優(yōu)p*n可以寫成閉式表達式,因此可以將表達式(7)代入到優(yōu)化問題式(6),并重寫改寫優(yōu)化問題為如下形式:
其中,td,n(pd,n)表達式為:
值得注意的是,轉化后的優(yōu)化問題式(8)內不再含有優(yōu)化變量pn,而目前僅需要優(yōu)化xd,n,pd,n即可,且目標函數關于pd,n是凹的,約束條件關于pd,n是線性函數,因此優(yōu)化問題式(8)是關于pd,n的凸優(yōu)化問題,可以在給定xd,n時,通過常規(guī)的優(yōu)化方法求獲得最優(yōu)pd,n。然而,優(yōu)化問題式(8)中還是包含有離散變量xd,n,因此,該問題還是一個組合優(yōu)化問題。為解決該問題,本文采取一種松弛方法,將離散變量xd,n放松為在區(qū)間[0,1]上的連續(xù)變量,并引入一個新的連續(xù)功率變量sd,n=xd,npd,n,如此一來,就可以獲得松弛后的優(yōu)化問題:
由式(9)可知,td,n關于pd,n是凹的,通過反射函數定理[20],目標函數式(10a)關于sd,n,xd,n是聯(lián)合凹的,因此,優(yōu)化問題式(10)是凸優(yōu)化問題。通過求解優(yōu)化問題式(10)的最優(yōu)解,可以獲得原問題的性能上界。
2.1 最優(yōu)功率控制與頻段分配方法
利用優(yōu)化問題式(10)的凸特性可以獲得最優(yōu)功率控制與頻段分配解的特性。為了達到該目的,首先將優(yōu)化問題式(10)的拉格朗日算子表達為:
鑒于沖擊風的剖面形態(tài)是其區(qū)別于常規(guī)邊界層風場的最典型特征,本文在文獻[11]的基礎上,改進并優(yōu)化了雷暴沖擊風模擬裝置,在常規(guī)邊界層風洞中成功模擬出兩類適用于輸電塔結構的大比例雷暴沖擊風剖面,并分析了沖擊風下輸電塔的風振位移響應特性。
式中:φ≥0,μ≥0分別為約束條件式(10c)和式(10b)的拉格朗日乘子。為了表達簡便,令αd,n=gd,ngn,βd,n=。對式(11)采用KKT條件分析得到如下關于和的充分必要條件為:
對任意的d=1,2,…,D,n=1,2,…,N。
通過求解式(12),可以獲得設備對d復用頻段n時的功率閉式表達式為:
由式(13)可知,φn為頻段分配的一個判決門限。特別地,令:
式(15)代表了將頻段n分配給設備對d可以獲得的增益。換言之,只有擁有最大的Hd,n設備對,才可以復用頻段n。觀察式(13)可知,最優(yōu)解x*d,n在存在多個Hd,n同時取得最大值的情況下,取值將為開區(qū)間(0,1)內的連續(xù)值。觀察式(15)可知,Hd,n取值由設備對和終端的信道系數(位置)決定,而信道系數都為獨立的連續(xù)隨機變量,因此,事件Hd1,n=Hd2,n(d1≠d2)發(fā)生概率幾乎為0。因此,求解松弛后的優(yōu)化問題獲得的最優(yōu)解幾乎都是離散的。
2.2 聯(lián)合功率控制與頻段分配算法
聯(lián)合功率控制與頻段分配算法
本文將針對提出的聯(lián)合功率控制與頻段分配算法作全面的評估。同時,本小節(jié)還將根據典型的智能變電站無線異構網絡應用場景分析本地通信復用帶來的系統(tǒng)容量增量。首先,可以通過計算拉式算子獲得本文提出算法的性能上界,通過比較本文提出的算法與性能上界的差別可以驗證設計算法的最優(yōu)性。其次,本文參考前人提出的算法設計相應的資源共享算法,可以展示本文算法的優(yōu)越性。最后,本文還將采用隨機頻段分配算法結合本文提出的最優(yōu)功率控制來展示功率控制與頻段分配聯(lián)合優(yōu)化的優(yōu)越性。將3種待比較的算法以及本文提出的算法依次稱作:“性能上界”“對比算法”“隨機分配”“聯(lián)合優(yōu)化”。
本文仿真分析所采用的仿真環(huán)境是根據ITU規(guī)定的城市宏小區(qū)模型[21],單基站共連接4個RRU。值得一提的是,本文所提出的算法不依賴于RRU具體數目,在此僅為仿真方便而設置一定的RRU數目?;竞驮O備對接收側的噪聲功率譜為-174 dB/Hz,終端和基站的最大發(fā)送功率分別為23 dB和46 dB。
圖3展示的是本文提出算法與3種對比算法的性能隨設備對數目變化曲線。終端上行傳輸最低速率被設定為12 bit/s,設備對的最大發(fā)送功率為5 dB(相比于終端最大發(fā)送功率要小很多)。如圖2所示,隨著設備對數目的增長,本地通信總的容量逐步增長,這是由于設備對數目越大,“信道條件”越好的設備對可以充分復用終端的頻段資源來優(yōu)化自身的發(fā)生速率,這就是所謂的用戶分集增益。然而,當進一步增加設備對的數目時,本地通信總容量增長趨勢逐步減緩,這是受限于可復用頻段數目導致的,也就是受限于系統(tǒng)的頻帶寬度。
圖3 所有設備對本地頻帶利用率之和隨設備對數目變化曲線,終端最低通信速率為12 bits/s,設備對最大發(fā)送功率為5 dBFig.3 Sum rate of local services for different number of device pairs with 15 terminals,Rn=12 bits/s and Pd=5 dB
圖4展示的是本地通信總容量隨著終端最低上行傳輸速率的性能變化曲線。圖4中共有10個終端和30個設備對,且設備對的最大發(fā)送功率為5 dB。當終端最低上行傳輸速率逐步增加的時,本地通信總容量不斷降低,這就意味上行傳輸的業(yè)務量越大,采用復用資源方式的設備間直接通信所能提供的系統(tǒng)增益是有限的,這符合一般規(guī)律。也即本文提出的智能變電站異構通信系統(tǒng)能夠充分挖掘系統(tǒng)潛在的性能而最大程度上保護原有上行通信不受損害。
圖4 所有本地通信設備對頻帶利用率之和隨終端最低通信速率變化曲線10個終端,30個設備對,且設備對發(fā)送功率為5 dBFig.4 Sum rate of local services for different rate requirements with 10 terminals,30 pairs of devices and Pd=5 dB
由圖3、圖4可知,本文提出的算法與性能上界的差異幾乎可以忽略,同時要遠好于隨機頻段分配算法,優(yōu)于前人的工作。這就充分證明了本文提出算法的優(yōu)越性。一般情況下,采用本文設計異構通信系統(tǒng),可以使得變電站本地通信系統(tǒng)中每個設備對獲得接近10 bit/s·Hz的頻帶利用率,系統(tǒng)帶寬為10 MHz這就意味著可提供100 Mbit/s的傳輸速率,完全滿足了智能變電站內部高帶寬的業(yè)務應用需求。
本文提出了一種適用于智能變電站的無線異構通信系統(tǒng),在該系統(tǒng)中,變電站內部本地通信設備完全可以復用終端上行通信資源來達到提升頻率利用率的目的,同時,還需要保證上行傳輸數據不受到影響。采用本文設計的算法可以很好地滿足系統(tǒng)設計要求,并獲得最優(yōu)性能。下一步研究方向則是提出復雜度更低的高效算法。
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(編輯 董小兵)
Resource Sharing Strategy of Wireless Heterogeneous Network for Smart Substations
HAN Wei1,WU Chunhong1,KONG Shengli1,GAO Liming1,GAO Hui2
(1.Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company,Zhengzhou 450052,Henan,China;2.School of Automation,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210000,Jiangsu China)
The paper proposes a wireless hierarchical network catering for smart substations and constituting the base station and radio remote unit.This network structure realizes the coverage of wifi in and out of the substation.Also,to help address the limited resource of radio frequency,the paper proposes to distribute appropriate bands and allocate power for both local and remote IEDs by allowing two IEDs in proximity to directly communicate with each other.The simulation results show that the proposed network and resource sharing strategy can effectively support the smart grid services and enhance high local communication frequency multiplexing gain,so that improves the overall capacity of network.
machine type communications;intelligent electric devices;smart substation;wireless heterogeneous network;resource sharing strategy
2016-07-21。
韓 偉(1975—),男,本科,高級工程師,研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護技術、智能電網技術;
吳春紅(1980—),女,本科,高級工程師,研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護技術、智能電網技術;
孔圣立(1978—),女,碩士,高級工程師,研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護技術、直流電源技術;
高利明(1979—),男,本科,高級工程師,研究方向為電能計量檢測技術;
高 輝(1981—),男,副教授,研究方向為智能配用電、電動汽車與電網互動技術、車載磁懸浮飛輪電池等。
國家自然科學基金項目(51405244)。
Project Supported by the National Nature Science Foundation of China(51405244).
1674-3814(2016)11-0043-08
TM71
A