CN114189874A - 一种基于5g的输电线路在线监测系统网络构建方法 - Google Patents

一种基于5g的输电线路在线监测系统网络构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于5G的输电线路在线监测系统网络构建方法，先将网络构建中涉及到的分组数量、每组包含的节点数量设为待求解参数，再利用分组数量和每组包含的节点数量、以及网络传输速率、数据量大小、无线信道访问等待时长、5G网络能耗功率等参数构建网络时延和网络能耗模型，然后由时延和能耗合成综合评价代价函数模型，最后求解代价函数模型得到分组数量和每组包含的节点数量，从而获得输电线路在线监测系统网络构建方案。本发明可在构建模型时根据需要调整网络在时延和能耗两个方面的评价比重，使得构建的网络达到综合性能最优，满足不同的建网需求，特别在能耗方面的考虑有利于双碳目标的实现。

Description

一种基于5G的输电线路在线监测系统网络构建方法
技术领域
本发明属于输电线路在线监测技术领域，具体涉及一种基于5G的输电线路在线监测系统网络构建方法，可用于输电线路在线监测系统网络构建。
背景技术
输电线路在线监测系统是智能电网的重要组成部分，帮助输电设备安全稳定的运行。在构建输电线路在线监测系统过程中，对其系统性能需要进行评估，以便构建出性能较好、满足需要的在线监测系统网络。
然而大多数公开的研究集中在怎么利用在线监测系统来高效智能地进行输电设备监测，对如何构建监测系统网络本身的研究较少。部分研究只从总体上提出网络框架，却对网络性能没有论述；部分研究提到了网络性能，但主要涉及到时延指标和建造成本，没有看到有对能耗指标进行的研究。
能耗是当前发展绿色经济、实现双碳目标的核心要素。在构建在线监测系统网络中，如果将能耗作为主要评价指标代入，则可以构建出符合双碳目标的优良网络。本发明在这一问题上提出了具体的构建方法。
田毅在其发表的论文《输电线路在线监测通信网络的设计与改进》(西安工程大学学报，2020,34(04):72-79)设计了4种适用于输电线路状态监测的通信网络及其数据传输系统，包括无线APN专网、OPGW光通信网、OPGW光通信网+WiFi、3G/4G/5G无线专网，并从数据加密和接入安全角度进行了探讨。但所做的探讨较为粗浅，没有进行深入细致的分析，也没有提供如何构建网络的具体方法。
余斌在其发表的论文《输电线路在线监测的层次化通信网络规划模型》(中国电力,2019,52(03):161-168)中构建了基于无线传感器网络及光纤网络的在线监测层次化通信网络，并提出了网络多目标规划模型及优化决策方法，通过优化部署光纤分离引下点，以数据传输路径连通性和链路通信带宽为约束条件，建立了以通信网络建设成本和数据传输延时为目标的多目标最优化模型。但该模型是以光纤为传输介质的，没有引入5G通信，且该模型没有考虑系统能耗，因此其所作的工作与本发明有明显的区别。
综上，目前在国内外提出的许多输电线路在线监测系统网络模型中，仅将时延等指标作为考虑的依据，没有将能耗作为主要指标进行考虑。在实际研究中可以看出，时延低的网络往往需要以高能耗为代价。因此，这样构建的网络并不符合当前实现双碳的目标。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于5G的输电线路在线监测系统网络构建方法，以提供一种有效的网络构建手段，能够在时延和能耗方面取得平衡，获取性能最佳的构建方案。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于5G的输电线路在线监测系统网络构建方法，包括以下步骤：
(1)将输电线路中所有n个节点分为k个组，每组包含mi个节点，i＝1…k；
(2)每组设一个代理节点，代理节点的位置位于本组中间位置，即第
Figure BDA0003407721240000021
个节点，此代理节点通过5G通信与控制中心传输数据，组内的其它节点则通过Zigbee短距无线通信方式将数据中继传到代理节点；
(3)两端与变电站相连的各有1个组，编号分别G1和Gk，其余节点被分到余下的k-2个组，编号为G2～Gk-1，G1和Gk包含相同数量的节点，G2～Gk-1包含相同数量的节点；
(4)根据G1包含的节点数量、数据包的大小、Zigbee网络的数据速率得到G1传输本组所有数据所需时延TG1的计算表达式；
(5)根据G2包含的节点数量、数据包的大小、5G网络的数据速率得到G2传输本组所有数据所需时延TG2的计算表达式；
(6)根据G1～Gk包含的节点数量、数据包的大小、5G网络的能耗公式，计算所有节点发送一轮数据所需要的总能耗C；
(7)根据计算得到的时延和能耗，代入综合性能代价函数Ψ＝λT+(1-λ)C，式中λ是代价因子，T＝max(TG1,TG2)；
(8)求得最小代价函数Ψ所对应的分组数量，即得到全部n个节点的分组方案。
进一步地，步骤(4)中所述时延TG1的计算方法如下：
Figure BDA0003407721240000031
式中mi是分组G1所包含的节点数量，sM是每个节点处所采集的在线监测数据量的大小，单位为KB，R1是Zigbee通信的数据传输速率，tc是Zigbee无线通信的信道访问等待时长。
进一步地，步骤(5)中所述时延TG2的计算方法如下：
Figure BDA0003407721240000032
式中m2是分组G2所包含的节点数量，sM是每个节点处所采集的在线监测数据量的大小，单位为KB，R1是Zigbee通信的数据传输速率，tc是Zigbee无线通信的信道访问等待时长，R2是5G通信的数据上传速率。
进一步地，步骤(6)中所述总能耗C的计算方法如下：
(4a)计算整条线路组内Zigbee中继通信所消耗的能量C0：
(4b)计算整条线路上5G通信回传数据所消耗的能量C1：
(4c)全部节点发送一轮数据所消耗的总能量C计算方法为：C=C0+C1。
进一步地，所述整条线路组内Zigbee中继通信所消耗的能量C0计算方法为：
Figure BDA0003407721240000041
其中，EIP为中继通信发送一个字节所消耗的能量，m1是分组G1所包含的节点数量，sM是每个节点处所采集的在线监测数据量的大小，单位为KB，m2是分组G2所包含的节点数量，k是分组数量。
进一步地，所述整条线路上5G通信回传数据所消耗的能量C1计算方法为：
C1=(k+2)×(e1×(m2×sM)+e2×t1+e3×t2)
其中，k是分组数量，e1表示传输千字节所消耗的能量，m2是分组G2所包含的节点数量，sM是每个节点处所采集的在线监测数据量的大小，单位为KB，e2表示5G通信结束后系统转为低功耗的拖尾时间所消耗的功率，t1表示5G通信结束后系统转为低功耗的拖尾时间所消耗的时长，e3是数据传输完成后系统在低功耗情况下维持物理层接口消耗的功率，t2是数据传输完成后系统在低功耗情况下维持物理层接口消耗的时长。
进一步地，所述代价因子λ的取值范围为[0，1]。
进一步地，步骤(8)求得最小代价函数Ψ所对应的分组数量k，m1，m2，则全部n个节点分为k个组，G1和Gk分别包含整条线路的前m1个和末尾m1个节点，G2～Gk-1分别依次包含中间m2个节点，由此获得输电线路在线监测系统网络构建方案。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1)本发明提供了一种具体的基于5G的输电线路在线监测系统网络构建方法，不仅给出网络框架，而且能够具体评价网络性能，因此是一种有效的在线监测网络构建手段；
2)本发明在构建模型过程中，将时延和能耗两个评价指标作为构建的依据，因此能够提供一种构建综合性能最优的网络的方法，特别是能耗的评价符合当前双碳目标考虑的核心要素；
3)本发明在构建模型过程中，使用了代价因子参数，可以调节时延和能耗两个指标在评价体系中的比重，从而提供了一种灵活的、可满足不同需求的网络构建途径。
附图说明
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是配电网馈线拓扑示意图。
图2是配电网断线故障定位方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
参照图1和图2，本发明实施例的实现步骤如下：
步骤1，将输电线路在线监测系统中的所有节点进行分组，分组的数量和每组包含的节点数量作为待定参数；
(1a)将输电线路中所有n个节点分为k个组，每组包含mi,i=1:k,个节点，
Figure BDA0003407721240000061
(1b)每组设一个代理节点，代理节点的位置位于本组中间位置，即第
Figure BDA0003407721240000062
个节点，其通过5G通信与控制中心传输数据，组内的其它节点则通过Zigbee短距无线通信方式将数据中继传到代理节点；
(1c)两端与变电站相连的各有1各组，编号分别G1和Gk，其余节点被分到余下的k-2个组，编号为G2～Gk-1。G1和Gk包含相同数量的节点，G2～Gk-1包含相同数量的节点；
步骤2，按照步骤1分好的组，根据G1和G2包含的节点数量、数据包的大小、Zigbee网络的数据速率、5G网络的数据速率代入，计算G1传输本组所有数据所需时延TG1的和G2传输本组所有数据所需时延TG2；
(2a)时延TG1的计算方法如下：
Figure BDA0003407721240000071
式中m1是分组G1所包含的节点数量，sM是每个节点处所采集的在线监测数据量的大小，单位为KB，R1是Zigbee通信的数据传输速率，tc是Zigbee无线通信的信道访问等待时长；
(2b)时延TG2的计算方法如下：
Figure BDA0003407721240000072
式中m2是分组G2所包含的节点数量，sM是每个节点处所采集的在线监测数据量的大小，单位为KB，R1是Zigbee通信的数据传输速率，tc是Zigbee无线通信的信道访问等待时长，R2是5G通信的数据上传速率。
步骤3，按照步骤1分好的组，根据各个分组包含的节点数量、数据包的大小、Zigbee网络中继通信所消耗的能量功率、5G网络通信所消耗的能量功率，计算整条线路传输1轮在线监测数据所需要的总能耗C：
(3a)整条线路上Zigbee中继通信所消耗的能量C0计算方法如下：
Figure BDA0003407721240000073
其中，EIP为中继通信发送一个字节所消耗的能量，m1是分组G1所包含的节点数量，sM是每个节点处所采集的在线监测数据量的大小，单位为KB，m2是分组G2所包含的节点数量，k是分组数量；
(3b)整条线路上5G通信回传数据所消耗的能量C1计算方法如下：
C1=(k-2)×(e1×(m2×sM)+e2×t1+e3×t2)
其中，k是分组数量，e1表示传输x千字节所消耗的能量，m2是分组G2所包含的节点数量，sM是每个节点处所采集的在线监测数据量的大小，单位为KB，e2表示5G通信结束后系统转为低功耗的拖尾时间所消耗的功率，t1表示5G通信结束后系统转为低功耗的拖尾时间所消耗的时长，e3是数据传输完成后系统在低功耗情况下维持物理层接口消耗的功率，t2是数据传输完成后系统在低功耗情况下维持物理层接口消耗的时长；
(3c)全部节点发送一轮数据所消耗的总能量C计算方法为：C=C0+C1。
步骤4，按照步骤2中时延的计算方法和步骤3中能耗的计算方法，构造合性能代价函数Ψ＝λT+(1-λ)C，其中λ是代价因子，取值在[0，1]之间，可调整，调整的依据是构建在线监测系统时对时延和能耗两个指标在总体性能评价体系中分别所占的比重；
步骤5，对步骤4中构造的代价函数求解，得到分组数量k，m1，m2，则全部n个节点分为k个组，G1和Gk分别包含整条线路的前m1个和末尾m1个节点，G2～Gk-1分别依次包含m2个节点，由此获得输电线路在线监测系统网络构建方案。
本发明的效果可以通过以下仿真进一步描述。
1、仿真实验条件：
本发明仿真实验的硬件平台为：处理器为Intel i7-10870H CPU，主频为2.21GHz，内存为16GB。
本发明仿真实验的软件平台为：Windows 10操作系统和Matlab2010a。
本发明实验条件设置为：线路长度50km，共计100个节点，两端节点连接变电站。每个节点处采集的数据量大小分别设置为2KB/4KB/6KB，采集数据的频率为20秒一次。中继节点采用zigbee通信，数据速率为31.25KB/s，信道访问等待时长tc=41ms。5G数据上传速率设为10MB/s。公式(8)中5G网络参数设置为：e1=0.015,e2=1.2J/s,t1=15s,e3=0.015J/s,t2为传输周期减去数据发送所用的时间，即
Figure BDA0003407721240000091
公式(11)中的λ分别设为0，0.2，0.5，0.8，1。
2、仿真内容与结果：
通过模型求解，可以得到对于不同的参数设置，分别得到不同的解，实验结果如表1：
表1模型求解实验结果
Figure BDA0003407721240000092
从上表可以看出，随着代价函数中参数λ的取值不同，优化模型对时延和能耗的关注度也不同，因此对节点的分组方案也有较大的不同。当λ较小时，模型对能耗的关注度更高，因此获得的分组方案是具有较少数量的组，且与控制中心直连的组包含更多的节点。当λ逐渐变大时，模型对延时的关注度增大，此时获得的分组方案包含更多的组，且与控制中心直连的组包含的节点数量逐渐递减。特别是λ=1较小时，意味着模型仅考虑延时，不考虑能耗，此时获得分组方案是所有节点都自成1组，都是与控制中心直连的代理节点。可以看出此时的延时是非常小的，约为0.1秒，但能耗是非常高的，约为1800焦耳，是其它分配方案的数十倍。可以看出，本发明的方法可以有效的构建对时延和能耗有不同指标要求的在线监测网络模型。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于5G的输电线路在线监测系统网络构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将输电线路中所有n个节点分为k个组，每组包含mi个节点，i＝1…k；
(2)每组设一个代理节点，代理节点的位置位于本组中间位置，即第
Figure FDA0003407721230000011
个节点，此代理节点通过5G通信与控制中心传输数据，组内的其它节点则通过Zigbee短距无线通信方式将数据中继传到代理节点；
(3)两端与变电站相连的各有1个组，编号分别G1和Gk，其余节点被分到余下的k-2个组，编号为G2～Gk-1，G1和Gk包含相同数量的节点，G2～Gk-1包含相同数量的节点；
(4)根据G1包含的节点数量、数据包的大小、Zigbee网络的数据速率得到G1传输本组所有数据所需时延TG1的计算表达式；
(5)根据G2包含的节点数量、数据包的大小、5G网络的数据速率得到G2传输本组所有数据所需时延TG2的计算表达式；
(6)根据G1～Gk包含的节点数量、数据包的大小、5G网络的能耗公式，计算所有节点发送一轮数据所需要的总能耗C；
(7)根据计算得到的时延和能耗，代入综合性能代价函数Ψ＝λT+(1-λ)C，式中λ是代价因子，T＝max(TG1,TG2)；
(8)求得最小代价函数Ψ所对应的分组数量，即得到全部n个节点的分组方案。
2.根据权利要求1所述的一种基于5G的输电线路在线监测系统网络构建方法，其特征在于，步骤(4)中所述时延TG1的计算方法如下：
Figure FDA0003407721230000012
式中mi是分组G1所包含的节点数量，sM是每个节点处所采集的在线监测数据量的大小，单位为KB，R1是Zigbee通信的数据传输速率，tc是Zigbee无线通信的信道访问等待时长。
3.根据权利要求1所述的一种基于5G的输电线路在线监测系统网络构建方法，其特征在于，步骤(5)中所述时延TG2的计算方法如下：
Figure FDA0003407721230000021
式中m2是分组G2所包含的节点数量，sM是每个节点处所采集的在线监测数据量的大小，单位为KB，R1是Zigbee通信的数据传输速率，tc是Zigbee无线通信的信道访问等待时长，R2是5G通信的数据上传速率。
4.根据权利要求1所述的一种基于5G的输电线路在线监测系统网络构建方法，其特征在于，步骤(6)中所述总能耗C的计算方法如下：
(4a)计算整条线路组内Zigbee中继通信所消耗的能量C0：
(4b)计算整条线路上5G通信回传数据所消耗的能量C1：
(4c)全部节点发送一轮数据所消耗的总能量C计算方法为：C＝C0+C1。
5.根据权利要求4所述的一种基于5G的输电线路在线监测系统网络构建方法，其特征在于，所述整条线路组内Zigbee中继通信所消耗的能量C0计算方法为：
Figure FDA0003407721230000022
其中，EIP为中继通信发送一个字节所消耗的能量，m1是分组G1所包含的节点数量，sM是每个节点处所采集的在线监测数据量的大小，单位为KB，m2是分组G2所包含的节点数量，k是分组数量。
6.根据权利要求5所述的一种基于5G的输电线路在线监测系统网络构建方法，其特征在于，所述整条线路上5G通信回传数据所消耗的能量C1计算方法为：
C1＝(k-2)×(e1×(m2×sM)+e2×t1+e3×t2)
其中，k是分组数量，e1表示传输千字节所消耗的能量，m2是分组G2所包含的节点数量，sM是每个节点处所采集的在线监测数据量的大小，单位为KB，e2表示5G通信结束后系统转为低功耗的拖尾时间所消耗的功率，t1表示5G通信结束后系统转为低功耗的拖尾时间所消耗的时长，e3是数据传输完成后系统在低功耗情况下维持物理层接口消耗的功率，t2是数据传输完成后系统在低功耗情况下维持物理层接口消耗的时长。
7.根据权利要求6所述的一种基于5G的输电线路在线监测系统网络构建方法，其特征在于，所述代价因子λ的取值范围为[0，1]。
8.根据权利要求6所述的一种基于5G的输电线路在线监测系统网络构建方法，其特征在于，步骤(8)求得最小代价函数Ψ所对应的分组数量k，m1，m2，则全部n个节点分为k个组，G1和Gk分别包含整条线路的前m1个和末尾m1个节点，G2～Gk-1分别依次包含中间m2个节点，由此获得输电线路在线监测系统网络构建方案。
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