智能变电站无线异构网络资源共享策略

韩伟，吴春红，孔圣立，高利明，高辉

（1.国网河南省电力公司电力科学研究院，河南郑州 450052；2.南京邮电大学自动化学院，江苏南京 210000）

智能变电站无线异构网络资源共享策略

韩伟1，吴春红1，孔圣立1，高利明1，高辉2

（1.国网河南省电力公司电力科学研究院，河南郑州 450052；2.南京邮电大学自动化学院，江苏南京 210000）

提出一种面向智能变电站的、由基站与无线拉远单元互补构成的层次化网络结构，实现变电站内/外无线信号覆盖；并通过允许智能变电站内终端直接通信方式实现站内通信，从而为站内通信终端与站外通信终端共享物理资源研究一种合理的频段与功率分配算法，以缓解智能电网无线频率资源紧张的难题。仿真结果表明，该网路结构及资源共享算法能够很好的支撑智能电网业务接入，同时提供了较高的本地通信频率复用增益，从而整体提升了网络业务承载能力。

机器类通信；智能电气终端；智能变电站；无线异构网络；资源共享策略

信息通信基础设施是实现智能电网信息流双向的关键。传统的基于变电站的通信方式是依赖于有线通信与电力线载波，实现变电站内部测控装置之间、一次设备状态信息监测等业务承载，该通信网络部署施工难度较大，且管理维护成本较高[1]。随着智能变电站的发展，产生了对变电站内部移动巡检、设备状态信息监测、电力基建视频、应急通信等移动性、宽带化的需求，这就对通信网络的覆盖提出了较高的要求[2]。构建广覆盖、灵活接入、宽带化的智能变电站无线通信网络可以很好地解决这些难题[3-4]。

特别的，无线通信技术由于其灵活的接入能力和良好的移动性，不受制于地理条件，可以实现对于大规模智能电网终端提供可靠通信的快速部署[5-8]。因此，针对智能电网无线专网研究，正成为热点问题。

本文将智能变电站业务需求按照地域划分为本地业务和广域业务2大类[9-13]。本地业务是指发生在智能变电站内部的通信需求，如移动巡检、变电站内部视频监控和设备状态信息监测等；广域业务主要包含配用电通信业务，如用电信息采集、配电自动化和电动汽车充电桩（站）等。并在此基础之上，提出一种如图1所示面向智能电网应用的智能变电站层次化的无线异构通信网络结构[14-17]。该结构包含了建设与智能变电站内部的基站与向外延伸的无线拉远单元，其中无线拉远单元可以有效补充覆盖盲区，实现覆盖范围的扩大[18-20]。

本文基于无线异构网络结构，在考虑突出覆盖面积的同时，充分挖掘无线网络容量潜能，最大可能满足变电站内部本地业务和广域业务的通信需求。针对层次化智能变电站无线异构网络开展本地通信直连终端复用上行通信链路资源算法研究，可以有效抑制资源复用带来的同频干扰。同时，最大可能地提供本地通信速率并保障上行采集类业务的可靠性与有效性。

图1 智能变电站典型的层次化无线专网模型Fig.1 Model of a typical wireless special network with hierarchical structure in a smart substation

1 智能变电站无线异构网络模型

本文考虑智能变电站无线专网系统，在变电站内部建设基站铁塔；基站基带处理单元BBU（baseband unit）放置在智能变电站内通信机房且通过回传网上联至地市公司核心网；通过在智能配用电业务密集地区建设无线拉远单元RRU（remote radio unit）的方式扩展无线专网小区覆盖范围，拉远单元RRU通过光纤链接到智能变电站内BBU；拉远单元RRU可以改善附近无线信号覆盖质量，达到信号盲区消除的目的，因此极大扩展了小区覆盖范围，降低了投资。由BBU与铁塔构成的宏基站单元和无线RRU共存的网络结构构成了智能变电站层次化的无线专网系统。

采用拉远单元RRU扩展小区覆盖范围是一种数据集中策略，类似于用电信息采集的集中器，或者数据集中单元DAU（data aggregation unit）。这种数据“集中”后再上传/广播的思想将广泛适用于智能电网信息通信建设，可以有效降低由于终端分布点多面广带来的通信网络建设难度。

智能变电站内部及外部所有处于小区覆盖范围内的智能配电用电终端可以通过拉远单元RRU或者直接与基站建立连接，完成数据的上下行传输。假设单个基站承载了智能变电站内部、外部所有类型业务，覆盖范围内可接入终端N个，智能变电站内部采用设备间直接通信方式通信设备对有D对。本文将采用“终端”严格定义传统的与基站或者RRU相连的无线通信终端，而将智能变电站内部具有本地通信需求且直接通信的无线终端定义为“设备对”；针对该定义，本文采用下标n=1，2，…，N和d= 1，2，…，D分别索引终端与设备对。

N个终端之间采用正交方式复用小区内部频率资源，这样可以有效保证智能配用电无线终端之间不存在同频干扰，从而有效保障了通信的可靠性、有效性与安全性。D个设备对之间采用直接通信方式，且复用小区内终端的频段资源。在层次化的智能变电站无线通信系统中，构成了一个2层异构通信系统，即智能变电站内部本地通信网络叠加于整个小区的无线接入网之上。本文所述智能变电站无线通信系统不依赖于某一具体的无线通信技术，如长期演进（long term evolution，LTE），码分多址（code division multiple access，CDMA），全球无线通信系统（global system for mobile communication，GSM）等，这就为建设智能变电站异构通信网络技术选型方面提供了足够的自由度。

智能电网配用电业务的显著特点为上行传输数据远大于下行控制信号传输。用电信息采集，配用电自动化二遥终端、分布式新能源采集、电动汽车充电桩（站）等业务需要上传大量的采集数据；相比之下，“三遥”、负荷控制等终端传输的数据量较小，但对时延与可靠性要求较高。因此，智能变电站无线通信系统宜采用时分双工（time division duplex，TDD）通信方式，通过配置更多的上行时隙来满足智能配用电业务上行通信的需求。

在变电站内部，本地通信也有较高的带宽需求，例如变站内视频监控、机器人移动巡检等业务，经对比发现，变电站内部本地通信对带宽流量需求较大，尽管业务承载需求处于基站附近，信号覆盖较好，但是如果将空口频率资源分配给这些高带宽业务，将极大的消耗基站上/下行频率资源，从而很大程度上影响了智能变电站外部的业务传输，限制了无线专网的覆盖范围和可接入终端数目。

为了改善智能变电站本地通信业务质量，提高无线通信系统的系统容量，本文提出构建一种异构通信方式来解决这些问题。具体而言，就是允许智能变电站本地通信设备对复用其他配用电终端的通信资源。由于本地通信距离较近，因此无线链路的大尺度衰落较低，仅仅需要极低的发射功率即可获得较好的接收信噪比，从而满足数据的传输需求。

图1是一个典型的实现方案。这样一个层级式的网络包含智能变电站本地通信与智能配用电业务，所有的终端就近接入附近的RRU或者基站，而设备对之间直接建立通信链路，且复用终端的频率资源。令xd，n∈〈0，1〉作为设备对复用第n个终端的频段n，如果xd，n=1，设备对将与第n个终端在相同的频段上传输数据。否则，xd，n=0。为最大限度地利用频率资源，令每个设备对复用多个终端的频段资源，于是有：

由式（1）可以看出，每个设备对可以复用多个终端资源，从而构成了多载波通信，有效保证了智能变电站内部通信的高带宽需求。而过去针对设备间通信研究还仅仅局限于复用单个频段资源的简单场景[14-19]。因此，本文的适用范围更加广泛。综上，本文可以获得的资源复用限制条件为：

式（2）说明每个频段只能被单个设备对复用。这样做的目的是减少不同设备对之间、设备对与终端之间的同频干扰，同时也减少了系统的信令开销，有利于提高通信质量，便于系统运行管理。

如图2所示，在同一频段资源上，终端会对设备对的接收侧产生同频干扰，反之，设备对的发送侧对终端到基站的信号产生干扰；本文定义设备对之间的传输信道为hd，n，设备对到基站的干扰信道为终端到基站的传输信道为hn，终端到设备对接收侧的干扰信道为本文引入作为4类信道的归一化信道，σ分别为基站侧与设备对接收侧信道上的加性白高斯噪声方差。依据以上上述四类归一化信道系数的定义，可以获得终端n的数据传输速率为：

以及设备对d在频段n上的传输速率为：

式中：Pn和Pd，n分别为终端n和设备对d在频段n上的发送功率。

图2 无线专网、干扰信道与传输信道示意图Fig.2 The illustration of wireless network，interference and transmission channels

这里需要强调的是，由于智能变电站内部直接通信的设备对复用终端的频率资源，这就带来了一个优先级保障的策略问题；一方面，终端上行传输有着更高的优先级，这是由于资源归属决定的；另一方面，变电站内部设备对通信也面临着业务的关键性保障，如视频监控、机器人巡检等业务，也需要保障足够的带宽与传输速率。因此，本文采取的方式就是在保障所有上行传输终端的最低传输速率同时，尽可能最大化设备对的传输速率，也即尽可能最大化本地通信容量，从而满足本地通信需求。在极端情况下，设备对通信无法通过复用上行资源而完成数据的可靠传输，则以传统的基站中继方式接入通信网络，这样就可以保障通信的可靠性，但是这是以挤占更多的频率资源为代价。关于保障终端上行通信的最低速率条件可以表达为：

式中：Rn为终端n最低上行通信速率。本文将为所有待传输信息的本地通信设备对分配合理的频段资源，同时控制设备对和终端的发送功率，从而达到最大化所有设备对和速率，同时保障所有终端上行通信不受任何损伤。

基于最优化问题的描述，本文将该优化问题建模为一个频段与功率联合分配的问题。优化问题可表达为：

式中：Pd和Pn分别为设备对d和终端n的总发送功率。至此，本文针对智能变电站无线通信系统开展异构通信建模，将该系统转化为一个频段和功率联合分配的优化问题，解决了本地通信复用上行传输信道资源的问题，提高了本地通信的资源利用率，同时保障了上行通信可靠性与有效性。由本地通信复用带来的系统容量增益可用于接入变电站内部通信业务。

通过观察优化问题式（6）可以发现，目标函数式（6a）与约束条件式（6b）是非线性、非凸的，这就导致原问题是一个非凸优化问题；同时，由于频段分配变量是离散的，而功率优化变量是连续的，因此，优化问题式（6）还是一个组合优化问题，NP-hard的问题。求解优化问题式（6）的最优解是一项艰巨的任务。

2 最优资源共享策略研究

本文将通过分析约束条件式（6b），揭示终端n与设备对d共享频段n时发送功率的约束关系，同时利用该隐含关系可以将原问题式（6）彻底改写为一个等价形式，通过对等价问题的求解，完全可以获得一个接近最优解的求解方法。

通过观察目标函数式（6a）和约束条件式（6b），可以发现当设备对d复用频段n时，终端n的最优发送功率为：

根据约束条件式（6b），可以发现对于固定的pd，n有该不等式给出了pn可行域，且目标函数式（6a）关于pn是单调递减的。因此，最优的pn应当为可行域的下界，即得到表达式（7）。

由式（7）可知，最优p*n可以写成闭式表达式，因此可以将表达式（7）代入到优化问题式（6），并重写改写优化问题为如下形式：

其中，td，n（pd，n）表达式为：

值得注意的是，转化后的优化问题式（8）内不再含有优化变量pn，而目前仅需要优化xd，n，pd，n即可，且目标函数关于pd，n是凹的，约束条件关于pd，n是线性函数，因此优化问题式（8）是关于pd，n的凸优化问题，可以在给定xd，n时，通过常规的优化方法求获得最优pd，n。然而，优化问题式（8）中还是包含有离散变量xd，n，因此，该问题还是一个组合优化问题。为解决该问题，本文采取一种松弛方法，将离散变量xd，n放松为在区间[0，1]上的连续变量，并引入一个新的连续功率变量sd，n=xd，npd，n，如此一来，就可以获得松弛后的优化问题：

由式（9）可知，td，n关于pd，n是凹的，通过反射函数定理[20]，目标函数式（10a）关于sd，n，xd，n是联合凹的，因此，优化问题式（10）是凸优化问题。通过求解优化问题式（10）的最优解，可以获得原问题的性能上界。

2.1 最优功率控制与频段分配方法

利用优化问题式（10）的凸特性可以获得最优功率控制与频段分配解的特性。为了达到该目的，首先将优化问题式（10）的拉格朗日算子表达为：

鉴于冲击风的剖面形态是其区别于常规边界层风场的最典型特征，本文在文献[11]的基础上，改进并优化了雷暴冲击风模拟装置，在常规边界层风洞中成功模拟出两类适用于输电塔结构的大比例雷暴冲击风剖面，并分析了冲击风下输电塔的风振位移响应特性。

式中：φ≥0，μ≥0分别为约束条件式（10c）和式（10b）的拉格朗日乘子。为了表达简便，令αd，n=gd，ngn，βd，n=。对式（11）采用KKT条件分析得到如下关于和的充分必要条件为：

对任意的d=1，2，…，D，n=1，2，…，N。

通过求解式（12），可以获得设备对d复用频段n时的功率闭式表达式为：

由式（13）可知，φn为频段分配的一个判决门限。特别地，令：

式（15）代表了将频段n分配给设备对d可以获得的增益。换言之，只有拥有最大的Hd，n设备对，才可以复用频段n。观察式（13）可知，最优解x*d，n在存在多个Hd，n同时取得最大值的情况下，取值将为开区间（0，1）内的连续值。观察式（15）可知，Hd，n取值由设备对和终端的信道系数（位置）决定，而信道系数都为独立的连续随机变量，因此，事件Hd1，n=Hd2，n（d1≠d2）发生概率几乎为0。因此，求解松弛后的优化问题获得的最优解几乎都是离散的。

2.2 联合功率控制与频段分配算法

联合功率控制与频段分配算法

3 仿真分析

本文将针对提出的联合功率控制与频段分配算法作全面的评估。同时，本小节还将根据典型的智能变电站无线异构网络应用场景分析本地通信复用带来的系统容量增量。首先，可以通过计算拉式算子获得本文提出算法的性能上界，通过比较本文提出的算法与性能上界的差别可以验证设计算法的最优性。其次，本文参考前人提出的算法设计相应的资源共享算法，可以展示本文算法的优越性。最后，本文还将采用随机频段分配算法结合本文提出的最优功率控制来展示功率控制与频段分配联合优化的优越性。将3种待比较的算法以及本文提出的算法依次称作：“性能上界”“对比算法”“随机分配”“联合优化”。

本文仿真分析所采用的仿真环境是根据ITU规定的城市宏小区模型[21]，单基站共连接4个RRU。值得一提的是，本文所提出的算法不依赖于RRU具体数目，在此仅为仿真方便而设置一定的RRU数目。基站和设备对接收侧的噪声功率谱为-174 dB/Hz，终端和基站的最大发送功率分别为23 dB和46 dB。

图3展示的是本文提出算法与3种对比算法的性能随设备对数目变化曲线。终端上行传输最低速率被设定为12 bit/s，设备对的最大发送功率为5 dB（相比于终端最大发送功率要小很多）。如图2所示，随着设备对数目的增长，本地通信总的容量逐步增长，这是由于设备对数目越大，“信道条件”越好的设备对可以充分复用终端的频段资源来优化自身的发生速率，这就是所谓的用户分集增益。然而，当进一步增加设备对的数目时，本地通信总容量增长趋势逐步减缓，这是受限于可复用频段数目导致的，也就是受限于系统的频带宽度。

图3 所有设备对本地频带利用率之和随设备对数目变化曲线，终端最低通信速率为12 bits/s，设备对最大发送功率为5 dBFig.3 Sum rate of local services for different number of device pairs with 15 terminals，Rn=12 bits/s and Pd=5 dB

图4展示的是本地通信总容量随着终端最低上行传输速率的性能变化曲线。图4中共有10个终端和30个设备对，且设备对的最大发送功率为5 dB。当终端最低上行传输速率逐步增加的时，本地通信总容量不断降低，这就意味上行传输的业务量越大，采用复用资源方式的设备间直接通信所能提供的系统增益是有限的，这符合一般规律。也即本文提出的智能变电站异构通信系统能够充分挖掘系统潜在的性能而最大程度上保护原有上行通信不受损害。

图4 所有本地通信设备对频带利用率之和随终端最低通信速率变化曲线10个终端，30个设备对，且设备对发送功率为5 dBFig.4 Sum rate of local services for different rate requirements with 10 terminals，30 pairs of devices and Pd=5 dB

由图3、图4可知，本文提出的算法与性能上界的差异几乎可以忽略，同时要远好于随机频段分配算法，优于前人的工作。这就充分证明了本文提出算法的优越性。一般情况下，采用本文设计异构通信系统，可以使得变电站本地通信系统中每个设备对获得接近10 bit/s·Hz的频带利用率，系统带宽为10 MHz这就意味着可提供100 Mbit/s的传输速率，完全满足了智能变电站内部高带宽的业务应用需求。

4 结语

本文提出了一种适用于智能变电站的无线异构通信系统，在该系统中，变电站内部本地通信设备完全可以复用终端上行通信资源来达到提升频率利用率的目的，同时，还需要保证上行传输数据不受到影响。采用本文设计的算法可以很好地满足系统设计要求，并获得最优性能。下一步研究方向则是提出复杂度更低的高效算法。

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（编辑 董小兵）

Resource Sharing Strategy of Wireless Heterogeneous Network for Smart Substations

HAN Wei1，WU Chunhong1，KONG Shengli1，GAO Liming1，GAO Hui2
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou 450052，Henan，China；2.School of Automation，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210000，Jiangsu China）

The paper proposes a wireless hierarchical network catering for smart substations and constituting the base station and radio remote unit.This network structure realizes the coverage of wifi in and out of the substation.Also，to help address the limited resource of radio frequency，the paper proposes to distribute appropriate bands and allocate power for both local and remote IEDs by allowing two IEDs in proximity to directly communicate with each other.The simulation results show that the proposed network and resource sharing strategy can effectively support the smart grid services and enhance high local communication frequency multiplexing gain，so that improves the overall capacity of network.

machine type communications；intelligent electric devices；smart substation；wireless heterogeneous network；resource sharing strategy

2016-07-21。

韩 伟（1975—），男，本科，高级工程师，研究方向为电力系统继电保护技术、智能电网技术；

吴春红（1980—），女，本科，高级工程师，研究方向为电力系统继电保护技术、智能电网技术；

孔圣立（1978—），女，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统继电保护技术、直流电源技术；

高利明（1979—），男，本科，高级工程师，研究方向为电能计量检测技术；

高 辉（1981—），男，副教授，研究方向为智能配用电、电动汽车与电网互动技术、车载磁悬浮飞轮电池等。

国家自然科学基金项目（51405244）。

Project Supported by the National Nature Science Foundation of China（51405244）.

1674-3814（2016）11-0043-08

TM71

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