CN106454862A - 一种智能电网的通信系统 - Google Patents

Abstract

一种智能电网的通信系统。本发明针对智能电网中的信息交互困难问题，通过建立多功能层面的无线mesh网络架构、优化点对点传输能力和进行业务流优化调度，实现智能电网的高效信息传输能力。

Description

一种智能电网的通信系统

技术领域

本发明涉及智能电网领域，特别是涉及通信网络，以及优化理论。

背景技术

当前的电力系统逐渐朝着智能电网(Smart Grid)的方向进行演进。智能电网被称为下一代电力系统,它的典型特征是信息和通信技术被广泛应用于电力产生、电力传输、电力配送和电力消耗中。由于智能电网相比当前电网具有较大的优势,一些研究工作考虑了在智能电网环境下运行分布式IDC,具体优势包括:(1)智能电网技术(如分布式发电和分布式能量存储)能有效降低配电损耗,进而降低IDC总的能量消耗；(2)通过获取智能电网的实时状态(如电价、电力需求、可利用的再生能源、碳排放率等),IDC运营商可以利用电价、可再生能源、碳排放率的时间和空间变化特性来降低能量成本和碳排放；(3)IDC可参与智能电网需求响应或给智能电网提供辅助服务获取利润。

智能电网的定义有许多版本,其中:IEEE认为智能电网是下一代电力系统,其主要特征是从发电、输电、配电及用电的各个环节中都大量使用了信息通信技术。部分学者认为智能电网是电网的现代化,它能利用信息和通信技术来自动地收集和处理与发电厂乃至消费者有关的信息,进而实现发电和配电的高效性、可靠性、经济性和可持续性。美国能源部认为智能电网是自动的、广泛分布的能量传输网络,它具有电力流和信息流双向流动的特点,同时它能够监控从发电厂到用户电器之间的所有元件。它将分布式计算和提供实时信息的通信的优越性用于电网,并使之能够维持设备层面上即时的供需平衡。智能电网相比当前电网所期待具备的总体特征是:它可以利用双向的信息流和电力流来实现自动的和分布式的能量传输网络。

因此为满足智能电网的电力信息高效交互，有必要建立基于智能电网的通信系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：通过建立多功能层面的无线mesh网络架构、优化点对点传输能力和进行业务流优化调度，实现智能电网的高效信息传输能力。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

A、建立基于无线mesh网络的通信架构；

B、优化点对点传输能力；

C、进行业务流优化调度。

所述步骤A中，具体为：智能电网输电通信系统在数据传输面分为3个：光网络平面、无线Mesh网络平面和PLMN平面，输电线路上OPGW光纤为电力远程调度提供可靠通信信道，并为输电走廊上的电力控制设备提供信息接入的通信骨干网络，无线Mesh网络将输电走廊上多级杆塔信息采用无线中继方式汇聚至OPGW的信息接入点，将PLMN网络作为OPGW骨干光网络备份，无线Mesh网络将数据通过2G/3G蜂窝无线网络接入通信骨干网络，如图1所示。

所述步骤A中，进行网络容错设计，具体为：三平面组网为信息节点提供多种接入通信骨干网络选择，可构成多归属配置，第一种在无线Mesh网络在电力走廊构成网状逻辑拓扑，为多跳中继的无线网络提供了冗余路径，杆塔1-8之间，从通信链路在1、2、3杆塔之间构成线状拓扑，在单路径结构中，节点2称为关键点；第二种在3、4、5、6之间构成环状拓扑，这样存在两条路径；第三种为在6-13、14之间形成网状拓扑，提供多路径冗余，如图2所示。

所述步骤A中，进行网络控制设计，具体为：网络拓扑采用IEEE802.11设备的“点对点”和“点对多点”拓扑组成多个独立的基本服务集BSS，而多跳无线Mesh网络构成扩展服务集ESS，OPGW光网络和PLMN网络构成分布式系统DS，其通信网络控制区域划分方式如图3所示。

所述步骤A中，通信网络以电力系统BITS时钟为基准，无线Mesh网络从OPGW光网络提取参考时钟，而GPS作为外基准时钟备份，并且无线Mesh网络建立以骨干网关口节点为根节点，采用最少级数机制构成动态时钟树，如图4所示，其中同步树中越靠近树根的节点的时钟等级越高。

所述步骤A中，进行无线mesh网络同步：从骨干网获得时钟经过无线Mesh网络传递构成主从同步，为此具备上级时钟的通信设备周期性地发送信标帧，如图5所示，低等级的通信节点在接收到有效信标后，将首先更新其时间戳值T_new＝T_stamp+D_phy2mac+D_receive+T_range，其中T_new是更改定时器后信标帧中的时间戳；T_stamp是信标帧中原有的时间戳；D_phy2mac是从物理层传输到MAC层所需要的时延；D_receive是节点完整接受一个帧所需要的时间；T_range是测距得到的节点之间传输时延，随后节点将T_new设置为本地时间，然后将信标帧向下级节点发送过去。

所述步骤B中，在两个通信设备构成的点对点接入中，若P_σ表示在某一个时隙中，两个节点均未发送数据的概率为P_σ＝(1-τ)ⁿ，有一个节点成功发送数据的概率为P_TX＝n*τ(1-τ)ⁿ⁺¹，当某个时隙的起始时刻，节点发送数据并发生碰撞的概率是：P_c＝1-P_σ-P_TX，平均时隙长度为E_s＝P_σσ+P_TXT_TX+P_cT_c，其中T_TX＝DATA+δ+SIFS+δ+ACK+DIFS T_C＝DATA+ACKTimeout+DIFS，任意两个节点之间吞吐量为其中R为数据传输速率。Data为数据包中数据载荷部分。

所述步骤B中，获得长距离点对点传输的时延，具体为：信息传输时延主要由通信设备处理时延和信号传输时延组成。前者是设计中需要考虑的主要因素。由接入控制状态图得到在通信设备在进行退避产生的时延的数学期望D_b＝∑进入每个退避状态的概率*对应状态的退避时隙数的期望，进行成功传输时的退避延时的期望因此得到通信设备之间的平均传输时延＝退避延时+空闲延时+传输延时+碰撞超时产生的延时Delay＝P_σσ+P_cT_c+D_b+σ。

所述步骤C中，由于网络控制系统的控制变量即是通信子系统的业务，因此其具有相应的通信业务特征，为了保障控制信息(业务流)的速率要求通信链路的带宽大于业务速率。如果任意一条链路不能满足业务速率要求，则业务流重新进行路径选择，如图6所示，A,B,C,D,E和F分别为终端主机，R1,R2,R3,R4,R5,R6为路由器，从A至B的数据流经过C，同理从D至E的数据流也经过C。假设路径A-C-B的测量可用带宽为w1，路径D-C-E的测量可用带宽为w2，由于链路(C,R2)为单链路，上述两条路径共享此链路，当两条路径使用最大可用带宽时，此链路不能提供w1+w2的带宽，在此条件下两条路径中的业务流不能被成功发送。

所述步骤C中，令x_r为路径r中的业务流f的速率要求，并且y＝{x₁,x₂,...,x_r,...,x_R}^T，R∈Z⁺为网络中所有路径的业务速率要求的集合。其中每一个业务流都有多个传输路径和一组相应的业务速率要求。令l_e为链路e中总的数据速率，并且L＝{l₁,l₂,...,l_e,...l_E}^T,E∈Z⁺为所有路径中包含数据速率的矢量。令d_e(l_e)为延迟函数，则包含所有延迟函数的矢量为：

D(L)＝{d₁(l₁),...,d_e(l_e),...,d_E(l_E)}^T

通过前面的定义，可得路径的权重平均延迟T为：

如果链路e中的业务流f总的数据速率之和大于或等于业务流速率需求x_r(t)，则有：

为获取最小的网络传输时延，有：

l_e≤C,x_r>0。

所述步骤C中，进行优化模型等价转换，具体为：

(L,y)∈S,

S＝{(L,y):L-y≥0},

令δβ＝δ′,yβ′＝y′，并且引入不等式组：

其中s和α为参数。

所述步骤C中，进行等效求解：

a.若约束域S存在，则计算F(L,y)和f(L,y)的最大值和最小值，并令F(L,y)的最大值和最小值分别为θ和m，相应的f(L,y)的最大值和最小值分别为χ和n。假设上层目标的最大容许误差为ε；

b.令α＝θ,λ为参数。可通过two-stage算法获得基本解，并满足：如果(orμ)在基内，并且被选择的主因子没有相应的人工变量，则当基本解变化时，停止(orμ)进入基解中。并且如果存在λ(n<λ<m)使得上述不等式的基本解存在，则转至子步骤d，否则转至子步骤c；

c.令λ为参数，通过two-stage算法获得基本解，并满足：如果存在λ(n<λ<m)使得上述不等式的基本解存在，则χ＝α，反之则θ＝α。然后判断不等式|θ-χ|<ε是否成立，如果成立，则转至子步骤d，如果不成立，转至子步骤c；

d.停止计算，χ为最优值，可通过χ的基本解获得(L′,y′,β)，则为最优解。

附图说明

图1智能电网输电通信系统示意图

图2通信网络容错拓扑示意图

图3通信网络控制区域示意图

图4通信网络时钟同步树

图5同步时信标帧示意图

图6无线Mesh网络中的业务流传输模型

本发明提出了一种智能电网的通信系统，通过建立多功能层面的无线mesh网络架构、优化点对点传输能力和进行业务流优化调度，实现智能电网的高效信息传输能力。

Claims (9)

1.一种智能电网的通信系统，通过建立多功能层面的无线mesh网络架构、优化点对点传输能力和进行业务流优化调度，实现智能电网的高效信息传输能力，包括如下步骤：

A、建立基于无线mesh网络的通信架构；

B、优化点对点传输能力；

C、进行业务流优化调度。

2.根据权利要求1的方法，对于所述步骤A其特征在于：智能电网输电通信系统在数据传输面分为3个：光网络平面、无线Mesh网络平面和PLMN平面，输电线路上OPGW光纤为电力远程调度提供可靠通信信道，并为输电走廊上的电力控制设备提供信息接入的通信骨干网络，无线Mesh网络将输电走廊上多级杆塔信息采用无线中继方式汇聚至OPGW的信息接入点，将PLMN网络作为OPGW骨干光网络备份，无线Mesh网络将数据通过2G/3G蜂窝无线网络接入通信骨干网络。

3.根据权利要求1的方法，对于所述步骤A其特征在于：通信网络以电力系统BITS时钟为基准，无线Mesh网络从OPGW光网络获得参考时钟，而GPS作为外基准时钟备份，并且无线Mesh网络建立以骨干网关口节点为根节点，采用最少级数机制构成动态时钟树，其中同步树中越靠近树根的节点的时钟等级越高。

4.根据权利要求1的方法，对于所述步骤A其特征在于：进行无线mesh网络同步：从骨干网获得时钟经过无线Mesh网络传递构成主从同步，为此具备上级时钟的通信设备周期性地发送信标帧，低等级的通信节点在接收到有效信标后，将首先更新其时间戳值T_new＝T_stamp+D_phy2mac+D_receive+T_range，其中T_new是更改定时器后信标帧中的时间戳；T_stamp是信标帧中原有的时间戳；D_phy2mac为从物理层传输到MAC层所需要的时延；D_receive是节点完整接受一个帧所需要的时间；T_range是测距得到的节点之间传输时延，随后节点将T_new设置为本地时间，然后将信标帧向下级节点发送过去。

5.根据权利要求1的方法，对于所述步骤B其特征在于：获得长距离点对点传输的时延，具体为：信息传输时延主要由通信设备处理时延和信号传输时延组成，前者是设计中需要考虑的主要因素，由接入控制状态图得到在通信设备在进行退避产生的时延的数学期望D_b＝∑进入每个退避状态的概率*对应状态的退避时隙数的期望，进行成功传输时的退避延时的期望因此得到通信设备之间的平均传输时延＝退避延时+空闲延时+传输延时+碰撞超时产生的延时Delay＝P_σσ+P_cT_c+D_b+σ。

6.根据权利要求1的方法，对于所述步骤C其特征在于：由于网络控制系统的控制变量即是通信子系统的业务，因此其具有相应的通信业务特征，为了保障控制信息(业务流)的速率要求通信链路的带宽大于业务速率，如果任意一条链路不能满足业务速率要求，则业务流重新进行路径选择，A,B,C,D,E和F分别为终端主机，R1,R2,R3,R4,R5,R6为路由器，从A至B的数据流经过C，同理从D至E的数据流也经过C，假设路径A-C-B的测量可用带宽为w1，路径D-C-E的测量可用带宽为w2，由于链路(C,R2)为单链路，上述两条路径共享此链路，当两条路径使用最大可用带宽时，此链路不能提供w1+w2的带宽，在此条件下两条路径中的业务流不能被成功发送。

7.根据权利要求1的方法，对于所述步骤C其特征在于：令x_r为路径r中的业务流f的速率要求，并且y＝{x₁,x₂,...,x_r,...,x_R}^T，R∈Z⁺为网络中所有路径的业务速率要求的集合，其中每一个业务流都有多个传输路径和一组相应的业务速率要求，令l_e为链路e中总的数据速率，并且L＝{l₁,l₂,...,l_e,...l_E}^T,E∈Z⁺为所有路径中包含数据速率的矢量，令d_e(l_e)为延迟函数，则包含所有延迟函数的矢量为：

D(L)＝{d₁(l₁),...,d_e(l_e),...,d_E(l_E)}^T

通过前面的定义，可得路径的权重平均延迟T为：

如果链路e中的业务流f总的数据速率之和大于或等于业务流速率需求x_r(t)，则有：

为获取最小的网络传输时延，有：

l_e≤C,x_r>0。

8.根据权利要求1的方法，对于所述步骤C其特征在于：进行优化模型等价转换，具体为：

(L,y)∈S,

S＝{(L,y):L-y≥0},

令δβ＝δ′,yβ′＝y′，并且引入不等式组：

其中s和α为参数。

9.根据权利要求1的方法，对于所述步骤C其特征在于：进行等效求解：

a.若约束域S存在，则计算F(L,y)和f(L,y)的最大值和最小值，并令F(L,y)的最大值和最小值分别为θ和m，相应的f(L,y)的最大值和最小值分别为χ和n，假设上层目标的最大容许误差为ε；

b.令α＝θ,λ为参数，可通过two-stage算法获得基本解，并满足：如果 在基内，并且被选择的主因子没有相应的人工变量，则当基本解变化时，停止进入基解中，并且如果存在λ(n<λ<m)使得上述不等式的基本解存在，则转至子步骤d，否则转至子步骤c；

c.令λ为参数，通过two-stage算法获得基本解，并满足：如果存在λ(n<λ<m)使得上述不等式的基本解存在，则χ＝α，反之则θ＝α，然后判断不等式|θ-χ|<ε是否成立，如果成立，则转至子步骤d，如果不成立，转至子步骤c；

d.停止计算，χ为最优值，可通过χ的基本解获得(L′,y′,β)，则为最优解。