面向需求響應業(yè)務傳輸的預編碼優(yōu)化技術

金鑫，肖勇，羅鴻軒，王巖

(1.南方電網科學研究院，廣州510663；2.中國南方電網有限責任公司，廣州510663)

0 引言

電力需求側管理領域近年來獲得越來越多的關注，相關的技術和標準在國際、國內均獲得了認可，用戶和電網之間的互動已經達成了國際上的共識。目前電網企業(yè)也將電力需求響應資源作為電網可調節(jié)互動的重要資源，以促進電網的供需平衡[1]。2020年，部分省市已經明確了要進一步加大電力需求側的補貼力度和激勵標準，并促進現貨市場的交易[2]。同年3月，國家標準化管理委員會在《2020年全國標準化工作要點》中將電力需求側管理列為重點工作對象，并將可調節(jié)負荷互動能力提升作為十四五發(fā)展的重要任務。我國已有的需求響應試點項目開始了從半行政化方式逐步向市場化方式的轉變，一旦進入完全市場化的場景，現有的需求響應調控策略并不能有效地實施。而且，若將需求響應資源作為電網調控的對象，將對現有的系統(tǒng)提出更高的要求，如果將大量用戶資源進行快速調度，需要設計應對不同場景的資源聚合方案，以滿足系統(tǒng)級互動的需要[3 - 4]。上海市將電動汽車與電網互動作為典型的商業(yè)案例進行推廣，通過調整電動汽車充電模式實現削峰填谷，同時還比對了私人充電樁、專用充電樁以及換電站的執(zhí)行效果。試點的159個互動的私有充電樁站平臺比例約為5.3%，谷段負荷是平日負荷的7.8倍，專用樁和換電站更適合集中式管控。2020年重慶也完成了豐水期電力需求響應方案，并規(guī)劃了中午和晚上2個短時需求響應時段。河南省在2020年有序用電方案中也明確了需求響應資源的地位、作用和補貼資金出處。

廣域需求響應系統(tǒng)架構包括了需求響應控制中心、聚合商、以及需求側的建筑能源管理系統(tǒng)(building energy management system，BEMS)網關等實體。很多情況下，受限于企業(yè)信息化系統(tǒng)的安全性限制，聚合商無法發(fā)起能夠有效穿越防火墻的入站連接[5]。聚合商在其應用服務器上設定功率削減指令，并等待每個能源管理網關連接進行探詢。根據國外的經驗，BEMS可通過1 min周期進行輪詢的方式獲取削減指令，并報告當前的實際電功率使用情況。為了支撐全面的能源交易，在西北太平洋地區(qū)智能電網示范工程(pacific northwest smart grid demonstration project，PNWSGDP)中實現了虛擬末端節(jié)點(virtual end node，VEN)的點到點交互[6]。當可交易式能源 (transactive energy，TE)能夠被支持時，虛擬頂端節(jié)點(virtual top node，VTN)需要作為報告服務的強制提供者，可以承載用戶需求響應(demand response，DR)和能源交易價格的對稱性信號。

隨著信息通信技術的快速發(fā)展，需求側的信息化水平逐步提升，目前已經有不少文獻開展了針對電力需求響應業(yè)務的信息通信技術優(yōu)化研究，其中包括DR業(yè)務流調度方案[7]、信息模型[8]、自適應編碼技術等[9]。目前代表性的技術標準主要包括OpenADR、SEP2.0、OASIS、IEEE 1888等，幾個標準化組織所制定的標準側重點并不完全相同[10 - 15]。為此我國還特意針對電力需求響應業(yè)務設計了相關的標準體系，從系統(tǒng)工程的角度整合現有的技術標準[16]。其中，最為經典的OpenADR提供了A，B兩個版本，其中版本A是版本B的子集，僅選用了最基礎的功能支撐簡單信息交互，主要用于資源受限設備通過輕量化負載的方式完成互操作。版本B提供了配置完全的功能集，支持復雜通信、報告服務，可以用于智能型設備。其中，版本A包括了59條一致性測試規(guī)則，而版本B則多達147條。OASIS EI定義了一套龐大的信息模型體系，其中也考慮了凈荷的縮減以滿足資源受限條件下的網絡和設備需要。DL/T1867—2018《電力需求響應信息交換規(guī)范》是我國參照openADR，結合國內電力市場現狀，提出的一項行業(yè)標準，用于需求響應各業(yè)務系統(tǒng)和實體間的信息交換，并逐步取代openADR作為國內的電力需求響應信息交換規(guī)范。本文從需求響應業(yè)務傳輸優(yōu)化技術出發(fā)，在STC空時編碼的基礎上提出了一種改進的預編碼策略，并通過仿真進行了驗證。

1 DR信息交互需求分析

IEC 61850信息模型在變電領域取得了廣泛的應用，目前也在考慮集成DER分布式能源的信息模型。IEC 61850的信息模型框架理論上可以覆蓋OpenADR2.0b定義的全部信息，可根據IEC 61850的信息模型創(chuàng)建應用數據庫。應用程序可以從數據庫中存入、取出信息而無需考慮具體的通信標準。聚合對象通過數據集定義的XML schema實現的，如CreateDataSet服務。但是在支撐具體的需求響應業(yè)務方面，OpenADR2.0b定義的服務則更為全面，為了保持一定的兼容性，其數據對象實例是通過每個服務類定義的XML schema實現，聚合對象則通過元數據的XML Schema進行聲明。

圖1給出了ADR聚合系統(tǒng)的業(yè)務交互時序，需求響應自動化服務器(demand response automation server，DRAS)VTN負責創(chuàng)建DR請求事件，并發(fā)送給聚合商，聚合商在與ADR主站通信的過程中是作為VEN的角色存在的。聚合商負責區(qū)域范圍內的負荷以及用戶能源管理系統(tǒng)的監(jiān)測與控制，通常管理較大數量的需求側資源，在通信過程中也存在高并發(fā)、高延遲、高沖突等問題。在openADR2.0b中，聚合商可根據其自身所聚合的資源類型，選擇性地對電網或者上一級聚合商提供服務。

傳統(tǒng)的DR業(yè)務通常被認為發(fā)生在半小時或者更長時間內，不需要DRAS能夠快速通告數據的變化，出于簡單性考慮，目前絕大部分系統(tǒng)采用慢速通信的方式，利用OpenADR中的PULL信息交互方式進行周期性的交互。DRAS VTN服務器與DRAS VEN客戶端間可以選擇PUSH或者PULL模式，每個客戶端周期性地讀取整個數據集，因為客戶端無法獲知具體變化的數據項。通常，數據訪問周期是由系統(tǒng)硬件設計以及廣域網絡的業(yè)務負載決定的。如果剛好在某個聚合商的客戶讀取數據后發(fā)生事件，此時該客戶將剛好錯過該事件的瞬時捕獲，最壞情況是用戶在最大的周期時間內才能夠讀取到事件的發(fā)生。當然某些客戶端如果剛好在事件發(fā)生后讀取數據，雖然可以在很短時間范圍內獲取到事件的變化，但是該數據卻未必是該客戶所關注的事件。

圖1 OpenADR數據傳送時序(以oadrEvent發(fā)布為例)Fig.1 OpenADR data transmission time sequence (taking oadrEvent publication as an example)

表1給出了不同需求響應業(yè)務的特性分析，為了提升系統(tǒng)的業(yè)務傳輸性能，目前終端大多采用一般性糾錯編碼，空時編碼(space time coding，STC)方式，通過信號的多路并行編碼提升系統(tǒng)容量，通過分集增益可以有效地適應網絡的變化條件。

表1 電力需求響應業(yè)務流特征分析Tab.1 Analysis of power demand response business flow characteristics

2 基于STC碼的新型預編碼策略

2.1 STC編碼技術原理

在IEEE 1888中，TRAP機制可以實現PUSH消息通知，然而在很多情況下會受到企業(yè)內部防火墻限制，雖然可以通過預先修改防火墻配置實現消息的貫穿，但仍然是個棘手的問題。該問題主要是由于用戶發(fā)起連接的方向與服務器端發(fā)送PUSH消息通告時，所建立的連接方向不同造成的。在HTTP報文中，其報頭長度較長。由于需要向服務器端不斷地發(fā)送請求，如果采用HTTP輪詢Request請求的方式，會造成不必要的帶寬占用和資源浪費，同時也就形成了需求響應業(yè)務在傳輸過程中的不可信環(huán)境。目前在應對不可靠環(huán)境下的信息傳輸方面，STC碼是一種比較有效的方案，能夠通過對數據流的編碼獲得較高的分集增益，其基本技術原理如下。

(1)

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考慮相鄰碼字的最小化誤差，取對應最小秩為：

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2.2 改進的STC預編碼策略

常規(guī)的STC編碼由于信息傳輸過程受到信道變化條件影響較大，導致接收信息的質量差別較大。在VTN和VEN之間的信道狀態(tài)變化相對緩慢，但是仍然需要對傳輸的信息通道狀態(tài)進行感知。采用常規(guī)的閉環(huán)通信反饋機制可以有效地反映信道的狀態(tài)，但是缺點是需要額外的控制開銷，對于電力需求響應終端而言并不經濟。目前普遍采用的一種方案是直接通過在接收端的信號反饋獲取信道的實時狀態(tài)。對于多數據流編碼系統(tǒng)而言，可以通過不同支路間信息相關性實現信號的差錯消除。雖然目前我國DL/T 1867—2018《電力需求響應信息交換規(guī)范》已經針對電力需求響應業(yè)務定義了詳細的信息模型，但是在底層通信協議選擇和具體的編碼方式上并沒有做過多的約束，而是一種近似于開放式的架構。

本文將DR終端VTN和VEN間的發(fā)送的業(yè)務流進行符號向量化為mb={b1,b2,…bN}，采用信息位相量突變最小化的方式生成對應的傳輸系數加權矩陣。為了補償通信網絡的傳輸影響，可對VEN接收到的信號進行放大，其中補償系數βb可根據信道的實時傳輸性能進行調整，為了準確評估網絡的動態(tài)變化，可通過對編碼信道的均衡結果進行估算。以VTN向VEN發(fā)送數據為例，本文采用VTN端編碼的數據量和信道進行估計，并通過信道補償系數βb進行均衡修正。具體計算公式如下：

(7)

式中Tr為矩陣的跡運算。

在VEN接收端則根據收到信號進行還原，在破零均衡加權方陣WZF的基礎上，進行自動補償校正為：

為了降低噪聲在DR信道中對VEN的影響，本文通過在VTN端的preSTC-MC預編碼方案實現，設定預編碼矩陣為：

(9)

preSTC-MC預編碼具體計算步驟如下。

1)導入系統(tǒng)配置參數，其中包括信息流分塊 、傳輸報文數、調制碼元比特位、編碼矩陣維度、信道系統(tǒng)SNR序列、噪聲序列；

2)將隨機噪聲序列導入信道模板中；

3)根據配置的信息流分塊，切分待發(fā)送的數據流，將比特流通過符號映射器形成傳輸碼元；

4)根據序列化后的符號，構造Alamouti碼字，并嵌入預編碼矩陣，通過式(7)計算信道補償系數，執(zhí)行信息流預編碼；

5)接收端按照式(8)還原信號并進行補償修正，同時計算相鄰符號幅度增益和相位旋轉評估計算BER指標。

3 實驗結果分析

本文仿真過程采用OpenADR協議，遵從目前國際上通用一致性標準，集成了68項服務，本文選擇其中部分服務進行仿真。平臺支持OpenADR 2.0a和2.0b版本協議規(guī)定的傳輸機制和安全機制，涵括VEN及VTN節(jié)點間的PUSH及PULL多種傳送模式。

本文統(tǒng)計DR業(yè)務流在信噪比(signal noise ratio，SNR)為0～20 dB區(qū)間范圍的誤比特率(bit error rate，BER)性能指標，隨機仿真1 200個業(yè)務報文，隨著SNR增大，各編碼方案在網絡中均呈現出BER下降的趨勢，此處preZF選用文獻[17]的方法，preSTC-MC表示文本所提出的改進型多流STC編碼方案，由于在preSTC的基礎上引入了信道的信息進行自補償修正，取得了較好的信道編碼增益，在SNR為20 dB時，BER性能接近0.1%。值得注意的是，在信噪比相對較差的環(huán)境下preSTC-MC也仍然可以維持在20%左右的差錯率。不同編碼方案下的BER性能分析如圖2所示。

圖2 不同編碼方案下的BER性能分析(NTb=40)Fig.2 BER performance analysis under different coding schemes(NTb=40)

為了比較不同編碼矩陣規(guī)模的影響，分析preSTC-MC的BER性能，本文還對比分析了不同編碼矩陣規(guī)模對preSTC-MC的BER性能影響?？梢钥闯觯擲NR超過12 dB后，隨著SNR增大，BER迅速下降。編碼矩陣維度越高，其BER性能越優(yōu)，在SNR等于20 dB時，NTb=20和NTb=40的BER性能相差將近一倍。改進STC策略在不同編碼矩陣下的BER性能分析如圖3所示。

圖3 改進STC策略在不同編碼矩陣下的BER性能分析Fig.3 BER performance analysis of improved STC strategy under different coding matrices

雖然編碼矩陣的規(guī)模擴大可以有效提升BER指標，但是也并非不是完全沒有開銷，為了量化評估不同編碼矩陣規(guī)模的大小影響，下面給出了NTb分別為4、20和40下的系統(tǒng)延時分析。此處為了準確評估編碼矩陣的影響，所有其他計算開銷全部濾除?？梢钥闯觯琋Tb=40時的系統(tǒng)平均延時比NTb=20 時增長將近一倍，平均延時為2.37 ms并在2～5 ms之間波動，延時抖動均方誤差為0.058 9，而在NTb=4時僅為0.016。改進STC策略在不同編碼矩陣下的時延性能分析如圖4所示。

圖4 改進STC策略在不同編碼矩陣下的時延性能分析Fig.4 Time delay performance analysis of improved STC strategy under different coding matrices

本文所提出的preSTC-MC算法由于在preZF基礎上引入了信道編碼補償系數計算，因此在計算開銷方面相比于其他方法略高，為了客觀分析preSTC-MC的計算開銷，本文在表2中還給出了不同算法對比分析。可以看出，preSTC-MC的最大計算開銷平均在1.3～1.7 ms之間，相對于preSTC和preZF算法的平均計算開銷分別增大0.37 ms和0.29 ms，仍然處于較低的水平?？紤]到preSTC-MC在BER方面的優(yōu)越表現，所增加的開銷代價在可接受的范圍之內。不同編碼算法的計算開銷比較如表2所示。

表2 不同編碼算法的計算開銷比較Tab.2 Comparison of computing costs of different coding algorithmss

4 結語

本文基于傳統(tǒng)STC編碼設計了一種改進型STC預編碼方案，針對DR業(yè)務傳輸數據流設計信道傳輸系數補償矩陣以提升業(yè)務的抗干擾特性，并驗證了該方法對于系統(tǒng)傳輸性能的提升效果。目前，居民用戶被選作參與智能電網需求響應的關鍵對象，而目前對于居民用戶參與需求響應的潛力、所能夠響應的容量、響應的速度等均不可知，未來需求側還需要引入更多的信息納入VTN服務器的計算范疇。除了針對信息的編碼技術外，還可以在DR通信協議棧的其他層次進行優(yōu)化。未來可以考慮采用WebSocket技術，由VEN利用HTTP的周知端口向VTN發(fā)起WebSocket的TCP連接，一旦VTN服務器端發(fā)生數據變化，則可以實現消息的立即推送，通過協議棧的多個層級聯動的組合型優(yōu)化，進一步提升DR業(yè)務的傳輸性能指標。