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法律状态信息
法律状态
2022-09-02
实质审查的生效 IPC(主分类):H02J 3/00 专利申请号:2022105178429 申请日:20220512
实质审查的生效
技术领域
本发明涉及移动通信系统技术和智能电网系统领域，尤其是一种基于NOMA方式下保证电网可观测性的资源分配策略。
背景技术
随着智能电网概念被提出且被视为未来电网系统的发展方向，电网的网络拓扑变得比以往更为复杂。因此需要一个有效的能源管理系统来引导能源的流动。此外，可再生能源的波动性和易变性、电动汽车相关的不确定性、电价变化导致的负载随时间不断变化等等都给电力系统带来了新的挑战。为了实现电力系统的稳定运行，实现对电网系统的运行状态的实时监控，需要保持电网的可观测性。这样的目标需要借助PMU才能达成。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于NOMA方式下保证电网可观测性的资源分配策略，使得保证电网可观测性性能、通信性能的同时大幅度提升频谱效率。
为解决上述技术问题，本发明结合了电网可观测性，有效容量理论，非正交多址技术，二分查找算法以及模拟退火算法。包括如下步骤：
步骤1：结合NOMA技术和有效容量理论，得到基于上行链路NOMA和满足通信约束下智能电网可观测性的系统模型；
步骤2：基于模拟退火算法和二分查找提出资源分配算法对所述系统模型进行求解，得到NOMA系统的用户分组结果、分组内功率分配方案和分组间的通信带宽分配方案。
优选的，步骤1具体步骤：
步骤1.1：利用电网系统的网络拓扑结构和PMU安装位置验证电网可观测性；使用有效容量理论将通信延迟纳入到电网可观测性系统模型中，并计算PMU所产生的数据包在设定的延迟阈值内传输到控制中心的概率；
步骤1.2：得到基于上行链路NOMA和满足通信约束下智能电网可观测性的系统模型。
优选的，步骤1.1具体包括：
步骤1.1.1：在一个包含N条总线的电网中，电网连接矩阵H的元素用如下方式表示：当i＝j或总线i与总线j相连时，h
步骤1.1.2：使用二元列向量x＝{x
步骤1.1.3：如果一个总线的电压和电流相量可同时得到，则该总线称为可观测总线；由此，总线可观测性向量b导出为：
b＝Hx
其中总线可观测性向量b中的每个元素b
步骤1.1.4：假设电网共安装了K个PMU，记为PMU
Pr{d
步骤1.1.5：考虑通信延迟约束时系统可观测性建模如下：定义一个向量，表征D
其中Λ
Λ
Q
Pr{Q
Pr{Q
同时得到满足通信延迟约束时下的期望电网可观测性向量
其中Λ
Λ
步骤1.1.6：有效容量公式写为：
其中C表示系统在单个时间块内的吞吐量，T表示一个时间块的持续时间，θ表示QoS指数，当θ→0时，有效容量近似为香农容量；
步骤1.1.7：假设PMU
其中
步骤1.1.8：基于有效容量理论以及排队理论，得到：
优选的，步骤1.2中所述系统模型表示为：
优化目标函数具体形式为如下三种表现形式之一：
(1)当重点考虑在满足通信约束条件下来提升智能电网系统可观测性冗余度时，目标函数此时为：
(2)当重点考虑在满足通信约束条件下来提升智能电网系统可观测性敏感度的性能时，目标函数此时为：
(3)当重点考虑通过优化每条总线的可观测性随机变量高于期望阈值常向量的概率来提升系统性能时，目标函数此时为：
其中λ为预期可观测性，为1×N维的常向量。
优选的，步骤2具体包括：
步骤2.1：基于NOMA方式为PMU设备分配通信资源，得到配对结果；
步骤2.2：给定带宽分配方案、功率分配方案后求解QoS指数；
步骤2.3：给定带宽分配方案求解功率分配方案；
步骤2.4：使用模拟退火算法求解带宽资源分配方案。
优选的，步骤2.1具体包括：
步骤2.1.1：假设某个用户分组由PMU
α
接收端接收到的两个PMU用户的叠加信号表示为：
其中S
步骤2.1.2：两个设备的信道增益为|h
控制端接收到叠加信号后，基于串行干扰消除理论，根据信号的信道增益大小顺序对叠加信号进行解码：首先解码PMU
其中
步骤2.1.3：假设一个用户组占用带宽为B
假设信道环境为瑞利衰落信道，则两个PMU设备各自有效容量的闭式表达式表示为：
其中U(·,·,·)是合流超几何函数，即：
其中F(·,·；·；·)是超几何函数，具体形式为：
步骤2.1.4：使用统一信道差异配对算法作为PMU设备的配对算法。
优选的，步骤2.1.4具体包括：
考虑一个有N条总线且安装有K个PMU设备的智能电网系统，对于PMU
基于信道增益，将PMU划分为两个集合，弱信道集为：
强信道集为：
然后使用统一信道差异配对算法进行配对，也即是在一个集合中具有较高信噪比的用户将于另一个集合中具有较高信噪比的用户进行配对，即：
当K为偶数时NOMA用户配对如下所示：
当K为奇数时NOMA用户配对如下所示：
优选的，步骤2.2具体包括：给定带宽分配方案，即
给定
优选的，步骤2.3具体包括：
步骤2.3.1：假设当前正优化到用户组g；优化用户组g的功率系数，此时除该用户组g外，其他组的功率系数视为已知参数；利用黄金分割搜索算法，寻找最优功率系数使得
步骤2.3.2：循环遍历用户组别g，每一次遍历时执行步骤2.3.1来优化寻找该用户组内两个PMU设备的最优功率分配系数；然后根据得到的最优功率分配系数计算目标函数的值；直到目标函数值收敛后，退出循环优化过程，得到最终所有的最优功率分配系数
优选的，步骤2.4具体包括：
步骤2.4.1：目标函数记为：
规划算法初始化，假设总带宽为B
步骤2.4.2：随机产生一个当前带宽向量B的邻域值B′；
步骤2.4.3：按步骤2.2-2.3求解最优功率分配向量α′；
步骤2.4.4：按步骤2.2求解QoS指数向量θ′；
步骤2.4.5：计算
步骤2.4.6：令ΔE＝F′-F，如果ΔE<0，B＝B′,F＝F′；否则，以概率
步骤2.4.7：重复2.4.2到2.4.6的步骤，直到迭代M次，这里的M是平均马尔科夫链长度；
步骤2.4.8：更新温度，令T＝βT，这里的β为温度衰减系数；
步骤2.4.9：重复2.4.2到步骤2.4.8，直到达到终止温度。
本发明的有益效果为：本发明首先使用有效容量理论将无线通信的信道不确定性纳入到电网可观测性的模型，并结合了二分法和模拟退火算法，提出了基于NOMA方式下保证电网可观测性的资源分配算法。该算法可以保证电网可观测和满足通信延迟性能的同时提升频谱效率。数值结果表明，所提出的算法可以基于上行非正交多址方式为任何固定拓扑的电网结构输出PMU设备资源分配方案，资源包括功率资源分配、带宽资源分配。并且与现有的OMA方式相比，我们的解决方案频谱效率得到显著提升。
具体实施方式
将使用已被广泛用作标准测试用例的IEEE14总线电力系统测试用例来验证发明。
在模拟中，选择瑞利衰落作为无线信道的衰落特性，OMA方式下有效容量由下式给出。
假设数据中心位于电网的中心，并假设所有PMU以60kbps的速率生成测量数据包，并且这些数据包从PMU传输到控制中心所允许的最大延迟设置为10ms。各个PMU传输的SNR如下表所示。
采用如下的方式进行规划，包括以下步骤：
(1)首先，考虑使用PMU保证电网可观测性的问题：PMU可以同时测量电压、电流和相应的相角数据，实现对广域电网运行状态的实时同步测量。PMU不仅可测量当前安装总线处的状态信息，同时可以通过测算获取相邻总线的相关数据。因此结合电网系统的网络拓扑结构，以及系统中的PMU安装位置，可以验证电网是否具备可观测性，注意此时未考虑通信约束。
(2)其次，考虑使用有效容量理论来从统计角度描述PMU与数据中心通信的时变延迟。基于PMU设备展开的相关应用对通信时延要求较严格，结合有效容量理论能够将通信延迟纳入到电网可观测性系统模型中。通过有效容量理论，可以计算出PMU所产生的数据包在设定的延迟阈值内传输到控制中心的概率。
(3)再次，考虑基于NOMA方式为PMU设备分配通信资源：OMA技术虽然具有无用户间干扰、复杂度低等诸多优点，但频谱效率和系统容量较低。相比之下，非正交多址接入(NOMA)由于允许用户共享资源(在频域或时域上)而能大幅提升频谱效率。为了保证PMU设备满足服务质量要求和达到节省通信带宽的目的，结合非正交多址(NOMA)技术和有效容量理论，得到基于上行链路NOMA和满足通信约束下智能电网可观测性的系统模型。该模型是为了在给定的电网拓扑结构下，通过搜索NOMA最优分组情况、优化功率资源分配以及优化带宽资源分配来提高电力系统的可观测性。
(4)基于内点法、模拟退火算法和二分查找提出资源分配算法，产生PMU的带宽和功率分配方案。通过步骤步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)建立起NOMA方式下满足通信延迟约束时可观测性系统模型，通过本步骤提出的配对算法对系统模型进行求解，可以得到NOMA系统的用户分组结果、分组内功率分配方案和分组间的通信带宽分配方案。相比于OMA方式，在满足99.9％的可观测概率性能时可提升20％左右频谱效率。
步骤(1)中的利用电网系统的网络拓扑结构和PMU安装位置验证电网可观测性包括如下步骤：
(11)在一个包含N条总线的电网中，电网连接矩阵H的元素可以用如下方式表示。当i＝j或总线i与总线j相连时，h
(12)使用二元列向量x＝{x
(13)如果一个总线的电压和电流相量可以同时得到，则该总线称为可观测总线。由此，总线可观测性向量b可以导出为：
b＝Hx
其中总线可观测性向量b中的每个元素b
步骤(2)中，使用有效容量理论将通信延迟纳入到电网可观测性系统模型中以及计算PMU所产生的数据包在设定的延迟阈值内传输到控制中心的概率具体包括如下步骤：
(21)首先引入通信延迟，假设电网共安装了K个PMU，记为PMU
Pr{d
(22)接着考虑通信延迟约束时系统可观测性建模如下：定义一个向量，表征D
其中Λ
Λ
这里的Q
Pr{Q
Pr{Q
假设随机变量Q
同时可以得到满足通信延迟约束时下的期望电网可观测性向量
其中Λ
Λ
(23)然后引入有效容量理论，该理论从统计角度描述通信延迟。有效容量公式可写为：
其中C表示系统在单个时间块内的吞吐量，T表示一个时间块的持续时间。θ表示QoS指数，当θ→0时，有效容量近似为香农的容量。
(24)假设PMU
其中
(25)基于有效容量理论以及排队理论，可以看到：
(26)假设PMU
步骤(3)中考虑基于NOMA方式为PMU设备分配通信资源包括如下步骤：
(31)首先采用NOMA方式为PMU分配资源。在使用NOMA作为多址方式时，为降低分析复杂度，假设每个用户分组只包含两个PMU设备，也即是同一用户分组内两个PMU设备将会共享相同的时频资源，在接收端将根据传输功率的差异对二者进行区分解码。假设某个用户分组由PMU
α
接收端接收到的两个PMU用户的叠加信号可被表示为：
其中S
(32)两个设备的信道增益为|h
控制端接收到叠加信号后，基于串行干扰消除理论，根据信号的信道增益大小顺序对叠加信号进行解码。首先解码PMU
其中
(33)接着将有效容量理论与上行链路NOMA系统相结合。假设一个用户组占用带宽为B
假设信道环境为瑞利衰落信道，则两个PMU设备各自有效容量的闭式表达式可表示为：
其中U(·,·,·)是合流超几何函数，即：
其中F(·,·；·；·)是超几何函数，具体形式为：
(34)考虑NOMA方式下的用户配对算法，本发明使用统一信道差异配对算法作为PMU设备的配对算法。考虑一个有N条总线且安装有K个PMU设备的智能电网系统。对于PMU
基于信道增益，将PMU划分为两个集合，弱信道集为：
强信道集为：
然后可以使用统一信道差异配对算法进行配对，也即是在一个集合中具有较高信噪比的用户将于另一个集合中具有较高信噪比的用户进行配对，即：
具体来说，当K为偶数时NOMA用户配对如下所示：
当K为奇数时NOMA用户配对如下所示：
步骤(4)中基于模拟退火算法和二分法提出资源分配算法，产生PMU的带宽和功率分配方案包括如下步骤：
(41)上行链路NOMA系统中满足通信约束时电网系统可观测性系统模型为：
优化目标函数具体形式可根据侧重点不同有如下三种表现形式：
(42)当重点考虑在满足通信约束条件下来提升智能电网系统可观测性冗余度时，目标函数此时为：
(43)当重点考虑在满足通信约束条件下来提升智能电网系统可观测性敏感度的性能时，目标函数此时为：
(44)当重点考虑通过优化每条总线的可观测性随机变量高于期望阈值常向量的概率来提升系统性能时，目标函数此时为：
其中λ为预期可观测性，为1×N维的常向量。
(45)为求解目标函数，首先得到配对结果。根据步骤(34)可得到电网系统中K个PMU在NOMA系统下的用户配对结果，表示为
(46)给定带宽分配方案、功率分配方案后求解QoS指数。给定带宽分配方案，即
给定
(47)给定带宽分配方案求解功率分配方案。固定带宽分配方案，即
(48)假设当前正优化到用户组g。优化用户组g的功率系数，此时除该用户组g外，其他组的功率系数视为已知参数。利用黄金分割搜索算法，寻找最优功率系数使得
(49)循环遍历用户组别g，每一次遍历时执行步骤(48)来优化寻找该用户组内两个PMU设备的最优功率分配系数。然后根据得到的最优功率分配系数计算目标函数的值。直到目标函数值收敛后，退出循环优化过程，得到最终所有的最优功率分配系数
(410)使用模拟退火算法求解带宽资源分配方案。此时目标函数记为：
规划算法初始化，假设总带宽为B
(411)随机产生一个当前带宽向量B的邻域值B′。
(412)按步骤(47)-(49)求解最优功率分配向量α′。
(413)按步骤(46)求解QoS指数向量θ′。
(414)计算
(415)令ΔE＝F′-F，如果ΔE<0，B＝B′,F＝F′。否则，以概率
(416)重复(411)到(415)的步骤，直到迭代M次，这里的M是平均马尔科夫链长度。
(417)更新温度，令T＝βT，这里的β为温度衰减系数。
(418)重复(411)到(417)，直到达到终止温度。
尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。
机译： 提供无线电网络资源分配策略的策略服务器和体系结构
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