一种用于变电站设备监测的认知无线电系统及相关方法

摘要

本发明提供了一种用于变电站设备监测的认知无线电系统及相关方法，系统应用于变电站设备监测的通信环节中，根据监测数据的类型和优先级，对监测装置进行授权用户和认知用户的角色划分，系统包括基站、通信终端和认知节点三个部分，其中，认知节点对230MHz电力专用无线授权频段采用基于声望的三门限序贯检测算法进行协作频谱感知，获取授权频段空闲频谱信息并发送给通信终端进行处理，通信终端基于代价费用函数执行频谱决策，并对频谱资源进行分配，以利用空闲频段与基站通信。本发明提供的用于变电站设备监测的认知无线电系统及相关方法，能够提高电力专用频谱资源的利用率，有效缓解了电力无线监测终端接入时的频谱资源紧张的现状。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统无线通信领域，具体涉及一种用于变电站设备监测的 认知无线电系统及相关方法。

背景技术

随着智能电网的建设和使用的越来越广泛，其带来了巨大的经济效益和社 会效益。智能变电站作为智能电网的重要组成部分，其发展的好坏将直接影响 智能电网的发展水平，而智能一次设备的应用是智能变电站重要的标志之一。 对智能一次设备进行必要的监测是保证设备正常运行、保证供电安全、提高供 电可靠性、提升智能化水平的重要手段，因此设备监测技术成为智能变电站技 术体系中标志性的核心技术。

随着物联网技术的发展，物联网技术在变电站内得到了越来越广泛的应用， 也大大促进了变电站的智能化水平的提高。《物联网技术在智能变电站的应用》 一文中提到，应用物联网技术，以传感网测控平台为基础，建立一套全站公用 的智能监测与辅助控制系统，通过监督巡检、检修维护认证、图像监视与安全 警卫、温度状态监测、采暖通风、SF6泄露监测、给排水监测、火灾报警及消 防等子系统的配置及分析，实现对变电站全过程智能运行管理。因此，无线传 感网络凭借具有建设成本低、建设速度快、部署简单等优点，有着良好的发展 基础。

变电站内电力设备较多，包括变压器、避雷器、GIS、高压断路器、电容型 设备、线路、互感器等，而对任一监测实体又存在多项监测内容，所以会存在 大量的无线监测终端。变电站内频谱资源有限，尤其电力专用频谱资源，大量 无线监测终端的存在会使频谱资源显得尤为匮乏，给现有的频谱管理方式带来 了难题，如果不对该难题进行解决，就会造成终端无法接入，无法全面监测， 无法传输数据，进而影响在线监测的效果和水平。现有的智能变电站解决方案 主要讲述在线监测技术，包括提高监测的准确性、实时性、可靠性、全面性， 但是没有考虑频谱资源问题，从长远的发展来看，解决频谱资源紧张问题、提 高频谱利用率有着十分重要的意义。

认知无线电技术作为解决频谱资源匮乏、缓解频谱资源紧张、提高频谱资 源利用率的有效手段，近年来得到了大量的研究。Joseph Mitola提出的认知无线 电系统是一个能够对环境进行感知和具有自动学习能力，同时能够自适应地进 行频谱资源管理的无线系统。频谱感知作为认知无线电技术的关键技术之一， 也是近几年认知无线电技术的研究热点。频谱感知包括单节点感知和协作感知， 由于单节点感知受到多径、阴影以及本地干扰等因素，易造成单节点频谱感知 结果不够准确，从而易对授权用户造成干扰。为解决单节点在检测过程中隐蔽 终端、灵敏度高等问题，国内外研究学者提出了协作频谱感知的方法。协作频 谱感知又包括固定样本数检测和非固定样本数检测，传统的OR/AND等协作算法 都是固定样本数检测算法，这类算法收集所有数据后进行判决，没有考虑判决 条件提前满足的情况，在实际判决过程中可能不需要收集所有数据进行判决， 所以存在浪费传输资源、延长感知时间的问题。国外学者提出的序贯检测算法 是一种非固定样本数的检测方法，相对于固定样本数的协作检测，该算法具有 感知样本少、感知时间短等优点，但该算法没有考虑目标频段的空闲率，且由 于判决算法的限制，频谱感知正确率不高。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提供了一种用于变电站设备监测的认知无线电系 统及相关方法，能够提高电力专用频谱资源的利用率，有效缓解了电力无线监 测终端接入时的频谱资源紧张的现状。

为实现上述目的，本发明提供一种用于变电站设备监测的认知无线电系统， 其改进之处在于，包括：基站、通信终端、认知节点和被监测装置；所述基站 与所述通信终端在分配的频段上进行无线电通信；所述通信终端分别对所述认 知节点和所述被监测装置进行管理。

本发明提供的优选技术方案中，所述认知节点与所述通信终端通过PCI总 线接口进行通信；所述认知节点对230M Hz电力无线频段进行频谱感知。

本发明提供的第二优选技术方案中，所述被监测装置包括授权用户和认知 用户；所述授权用户和所述认知用户协同工作，对变压器、避雷器、GIS、高压 断路器、电容型设备、线路和互感器的检测。

本发明提供的第三优选技术方案中，授权用户包括保护装置、测控装置、 切换装置、电网安全自动装置、以及同期和远动装置；所述认知用户包括温/湿 度检测传感装置、风速传感装置、倾角传感装置、电压/电流/功率传感装置、绝 缘子积污检测传感装置、放电检测传感装置和计量装置。

本发明提供的第四优选技术方案中，提供一种频谱感知与分配方法，其改 进之处在于，所述方法包括如下步骤：

(1).认知节点采用基于声望的三门限序贯检测的频谱感知算法进行空闲频段 探测，并将探测结果发送给通信终端；

(2).通信终端采用基于代价费用函数的频谱资源分配方法对频谱资源进行分 配。

本发明提供的第五优选技术方案中，所述步骤1包括如下步骤：

(1-1).通信终端给予参与协作的认知节点分配初始声望值，并记录所述认知 节点的信息；

(1-2).所述认知节点依据频谱分析的结果对空闲率高的频段进行本地频谱感 知并将得出的结果以及感知数据传输给所述通信终端；

(1-3).通信终端依据所述认知节点的声望值对其发送的数据进行加权并形成 判决变量；

(1-4).对判决变量是否大于上限或小于下限进行判断，若是则得出判决结果 且不再要求其他认知节点发送数据，否则返回步骤1-2；

(1-5).与参与协作的认知节点的判决结果进行比较，对参与协作的认知节点 的声望值进行更新。

本发明提供的第六优选技术方案中，在所述步骤1-4中，第一门限是判决授 权用户占用且具有较高准确性的门限，第二门限是判决授权用户不占用且具有 较高准确性的门限，第三门限是判决授权用户是否占用频段的门限；经过计算 的判决变量如果大于第一门限或者小于第二门限，那么就可以得出准确性较高 的判决结果，此时不再要求其他节点发送数据，进入声望更新环节，与单节点 的判决结果进行比较，对单节点的声望值进行更新；如果判决变量值小于第一 门限且大于第二门限，通信终端要求下一个节点继续发送数据，直至得出具有 较高准确性的判决结果；如果参与协作的节点数量有限，所有节点发送完数据 后判决变量值仍然处于第一门限和第二门限之间，由于第三门限的存在，可以 得出准确性不是很高的判决结果。

本发明提供的第七优选技术方案中，所述步骤2包括如下步骤：

(2-1).依据频谱感知的结果，得到各条空闲频段；

(2-2).依据代价费用函数计算每条空闲频段的代价费用，将各个空闲频段按 代价费用从低到高的顺序进行排序；

(2-3).根据各个空闲频段信息，对频谱资源进行分配，选取代价费用最小的空闲 频段作为主传输频段，剩余空闲频段作为备用传输频段，传输过程中对授权用 户是否出现进行判断，如果不出现，则继续传输数据，否则判断是否需要切换， 如果需要切换，则切换到代价费用次小的备用传输频段完成传输，否则转向步 骤2-4；

(2-4).认知用户和授权用户共享频段进行数据传输。

本发明提供的第八优选技术方案中，在所述步骤2-2中，代价费用函数的 定义如下：

$\mathrm{CF}=F(\mathrm{BP},C,D,U,\mathrm{BER},L)=\frac{D*U*\mathrm{BER}}{\mathrm{BP}*C*L}$

其中，CF表示代价费用，F()表示费用函数，BP表示业务优先级，C表示频 段容量，D表示时延，U表示频谱资源利用率，BER表示误码率，L表示空闲持 续时长。

与现有技术比，本发明提供的一种用于变电站设备监测的认知无线电系统 及相关方法，将认知无线电技术应用于变电设备监测环节中，提高了电力专用 频谱资源的利用率，有效缓解了电力无线监测终端接入时的频谱资源紧张的现 状；对应用于变电站内的认知无线电系统的授权用户和认知用户的角色进行了 划分，将重要保护、控制装置划分为授权用户，从而保证重要数据的随时可靠 发送，将辅助监测装置划分为认知用户，在不对授权用户造成干扰的情况下实 现变电站内的设备更全面的监测；而且，采用基于声望的三门限序贯检测方法 进行频谱感知，相对于传统的检测方法，该方法具有检测准确度高、检测样本 少、检测时间短等优点；再者，利用代价费用函数选取空闲频段进行频段分配， 定义了代价费用函数，考虑到了业务优先级、容量、时延、误码率、空闲率、 空闲持续时长等多个因素，从综合的角度全面保证频段分配的合理性。

附图说明

图1为用于变电站设备监测的认知无线电系统的实施例示意图。

图2为基于声望的三门限序贯检测算法的实施例流程图。

图3为频谱感知三门限示意图。

图4为频谱资源分配实施例流程图。

具体实施方式

本发明提出一种用于变电站设备监测认知无线电系统及相关方法，结合附 图及实施例详细说明如下。

如错误！未找到引用源。所示，依照本发明一种用于变电站设备监测的使用 认知无线电技术的无线通信系统，图示授权用户包括保护装置、测控装置、切 换装置、电网安全自动装置、同期及远动装置，认知用户也称非授权用户包括 温/湿度检测传感、风速传感、倾角传感、电压/电流/功率传感、绝缘子积污检 测传感、放电检测传感、计量装置，两者共同协作工作实现对变压器、避雷器、 GIS、高压断路器、电容型设备、线路、互感器等设备的监测，认知节点可以以 模块的形式嵌入通信终端内，也可以以PCI总线接口的形式与通信终端连接。授 权用户需要通信时，其通信终端在基站分配的授权频段上通信，保证通信的及 时可靠，当认知用户需要将对变电设备监测的监测信息发送给基站时，通信终 端通知认知节点，各节点协作感知频谱资源信息，并将结果反馈给通信终端， 通信终端进行处理后，占用空闲频段向基站传输监测数据，传输过程中通信终 端时刻对目标频段进行监测，当授权用户出现时，即时让出所占用的授权频段， 并寻找其它可用频谱资源，防止对授权用户的正常使用造成干扰。

对变电站内的频谱环境进行感知、分析和决策后，就可以得到空闲的可以 使用的频谱信息，通信终端依据业务优先级、QoS需求等信息进行频谱资源分配， 保证通信终端在最优频段下进行通信，通信终端依据频谱资源分配结果周期性 地调整自身工作参数，充分利用空闲频谱资源进行数据传输，在传输过程中如 果授权用户出现且需要进行切换，此时进入频谱切换环节，转向备用的空闲频 段，完成数据的传输。将认知无线电技术应用于变电站设备监测，可以满足变 电站内更多的无线终端接入的需求、提高变电站内无线频谱资源利用率同时不 对授权终端的正常使用造成干扰，实现全面的设备监测，保证监测的实时性， 提高变电站监测的智能化水平。

如错误！未找到引用源。所示，本发明为保证频谱感知结果的准确性，采用 基于声望的三门限序贯检测方法进行感知。频谱感知初始阶段，通信终端给予 参与协作的认知节点分配初始声望值，并记录该节点的信息，后期有新节点进 入时，分配同样的初始值并记录信息。此处新节点是指从没有参与协作的节点， 而不是一段时间参与协作然后退出又进入的节点，这些节点信息由通信终端记 录，保证节点的唯一性，防止恶意刷新声望的情况出现。协作的节点依据频谱 分析的结果对空闲率高的频段进行本地频谱感知并得出判决结果并将结果以及 感知数据传输给通信终端，单节点发送数据的顺序的命令由通信终端下达，通 信终端依据单节点的声望值对其发送的数据进行加权并形成判决变量，加权的 目的是让声望值越高的节点发送的数据在判决变量中占越大的比例，低于一定 声望值的节点的数据可以直接舍弃。

接下来，将判决变量和判决门限进行比较，判决门限分第一门限、第二门 限、第三门限，如错误！未找到引用源。所示，其中第三门限是判决授权用户是 否占用频段的门限，第一门限是判决授权用户占用且具有较高准确性的门限， 第二门限是判决授权用户不占用且具有较高准确性的门限。经过计算的判决变 量如果大于第一门限或者小于第二门限，那么就可以得出准确性较高的判决结 果，此时不再要求其他节点发送数据，进入声望更新环节，与单节点的判决结 果进行比较，对单节点的声望值进行更新，后续进入频谱决策环节。如果判决 变量值小于第一门限且大于第二门限，通信终端要求下一个节点继续发送数据， 以此类推，直至得出具有较高准确性的判决结果。如果参与协作的节点数量有 限，所有节点发送完数据后判决变量值仍然处于第一门限和第二门限之间，由 于第三门限的存在，可以得出准确性不是很高的判决结果，此时进入频谱分析 环节，对频谱感知结果进行频谱分析，形成较为准确的判决结果再进入频谱决 策环节。

如错误！未找到引用源。所示，是本发明的频谱资源分配和切换流程示意图。 通信终端依据频谱感知和频谱分析的结果，得到了一定的数量的空闲频段，再 加上业务优先级、频谱分析的容量、时延、利用率、误码率、空闲持续时长等 信息，依据代价费用函数计算每条空闲频段的代价费用，将频段按费用从低到 高的顺序进行排序。

代价费用函数的定义如下：

$\mathrm{CF}=F(\mathrm{BP},C,D,U,\mathrm{BER},L)=\frac{D*U*\mathrm{BER}}{\mathrm{BP}*C*L}$

其中CF表示代价费用，F()表示费用函数，BP表示业务优先级，C表示频段 容量，D表示时延，U表示频谱资源利用率，BER表示误码率，L表示空闲持续 时长。代价函数越小，该空闲频段越适合承载当前的监测数据业务信息。

获取上述信息后，通信通知根据各空闲频段信息，对频谱资源进行分配， 选取代价费用CF最小的空闲频段作为主传输频段，剩余空闲频段作为备用传输 频段，分配频段资源后通信终端与基站通信进行数据传输，传输过程中需要时 刻进行授权用户是否出现的判决，如果不出现，继续传输，如果出现，需要进 行一定处理以防对授权用户正常使用造成干扰，处理过程中，首先进行是否需 要切换判决，如果不需要切换，也即认知用户和授权用户共享传输频段资源， 不会对授权用户造成干扰，此时通信终端继续传输，如果需要切换，通信终端 需要切换到代价次小的备用传输频段继续数据传输，如果一个周期内需要多次 备用传输频段切换，按代价费用的大小选择代价费用较小的备用传输频段，直 至完成一个周期的数据传输。

需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方 案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发 明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修 改均在申请待批的保护范围内。