一种基于往返时间和干扰抑制的拥塞控制研究

李 洋 张立武 李志强 冯 宝 陈思敏

1(南瑞集团公司(国网电力科学研究院) 江苏 南京 211000)

2(南京邮电大学通信与信息工程学院 江苏 南京 210003)

一种基于往返时间和干扰抑制的拥塞控制研究

李 洋1张立武1李志强1冯 宝1陈思敏2

1(南瑞集团公司(国网电力科学研究院) 江苏 南京 211000)

2(南京邮电大学通信与信息工程学院 江苏 南京 210003)

目前的大多数拥塞控制方案不能够保证具有高往返时间的广域电力系统的服务质量。为解决这一问题，提出一种双自由度拥塞控制策略，能够提供电力系统的稳定性和鲁棒性。该控制策略由两个传统控制器(反馈控制器和抗扰控制器)组成，应用Smith预测器来解决往返时间延迟。仿真结果表明，双自由度拥塞控制策略能够有效克服时间延迟和干扰带来的负面影响。

拥塞控制 往返时间 广域电力系统 双自由度

0 引 言

电力系统的发展需求促进了广域测量系统WAMS(Wide-Area Measurement System)[1]和相量测量单元[2]的出现和发展，广域电力系统正是一种基于WAMS的跨区域大型互联电力系统。随着电力系统规模的不断扩大，相量测量单位发送的数据量随之不断增加，而频繁的数据传输或传输的数据量过大会导致数据通道中形成持续不断的数据流，增大网络通信冲突的可能性，容易导致网络拥塞现象。一旦网络中发生数据通道拥塞现象，控制中心将无法获得实时数据，导致大面积停电事故发生，造成严重的后果。为了解决广域电力系统中的网络拥塞问题，必须提出一种有效的拥塞控制策略。

1 研究现状

拥塞控制策略对于保证无线和有线网络的服务质量都至关重要。早期，主动队列管理技术AQM(Active Queue Management Technique)[3]的引入是为了提供链路上网络拥塞的通知并在协助TCP进行拥塞控制。一系列的AQM方法被相继提出，如RED[4]、PI[5]、PID[6]和REM[7]。但是，由于非线性和多样时间行为等挑战，这些队列管理方案却不能为大量的网络场景提供满意的性能。

通信网络在规模上的不断扩大导致了往返时间RTT(round trip time)的持续增长，大多数现有的队列管理算法忽略了RTT对系统的稳定性和性能的消极影响。本文从RTT的角度出发，提出了一种拥塞算法。由于广域网络具有较大的RTT,目前的拥塞控制机制，如TCP拥塞控制机制、基于路由器队列管理的拥塞控制、队列调度机制等都不能处理广域网络中往返时间延迟和干扰，从而无法保证广域网络的服务质量。广域电力系统属于一种广域网络，本文考虑到广域网络具有较大的往返时间，提出了一种解决往返时间延迟的具有双自由度的拥塞控制策略TCC(a two-degree-of-freedom congestion control strategy)。该策略由两个独立的控制器组成，一个是基于内部模型控制IMC(internal model control)原理的反馈控制器，一个是基于频域分析的用于拒绝外部干扰的抗扰控制器。

2 系统模型

广域电力系统在地域上分布广泛，且动态模型具有较高的维数，若采用集中控制在设备要求和算法实现上都有较大的困难。一种可行的处理方法是按照实际发电站的地理位置分成一些小的子系统进行控制。图1为广域电力系统模型。

图1 广域电力系统模型

2.1 内部模型控制(IMC)

图2 内部模型控制

(1)

步骤2为了提高系统的鲁棒性，引入健壮低通过滤器：

(2)

其中λ是决定系统鲁棒性的可调参数，n表示滤波器的阶数。

因此，内部模型控制器：

(3)

2.2 反馈控制器设计

由于IMC能够提供快速的响应能力和强壮的鲁棒性，基于IMC，设计出了一种能够提高鲁棒性的反馈系统。

图3 反馈控制器

根据图3，可知IMC可以表示为：

(4)

根据式(4)可以解出反馈控制器Gc1(s)：

(5)

(6)

(7)

为了研究方便，我们首先考虑一阶低通过滤器，即n=1时的情况，此时健壮低通滤波器可以表示为：

(8)

因此，

(9)

从而可以得出反馈控制器的表达式：

(10)

2.3 抗扰控制器

在频率分析基础上，设计抗扰控制器。选择一个比例-积分(PI)控制器，抗扰控制器可以表示为：

(11)

其特征方程为：

Δ(s)= 1+Gc2(s)Gm(s)e-Rms=

(12)

假设TD=T1m，则上面的特征方程简化为：

(13)

根据奈奎斯特准则，有：

(14)

当φm是期望的相位差，当φm固定且Km、T2m和Rm等已知时，通过式(14)可以解出KD，再代入式(11)即可解出抗扰控制器Gc2(s)。

2.4 双自由度的拥塞控制策略

结合反馈控制器和抗扰控制器，设计用于解决广域电力系统中的网络拥塞问题的模型，如图4所示。

图4 双自由度的拥塞控制模型

根据上面的分析可知，系统的估计模型为：

(15)

图4中，I(s)和Q(s)分别表示广域电力系统的输入和输出，D(s)表示干扰信号。

假设Gm(s)e-Rms=G(s)e-R0s，则系统的输出为：

D(s)

(16)

3 仿真与结果分析

为了评估系统的性能和鲁棒性，对系统进行了仿真。为了对比比较，同时仿真了ARED、PI和DC-AQM的性能。仿真过程中，我们重点关注队列长度的变化，这将作为拥塞控制算法性能评估的关键。如果拥塞控制算法能够将队列长度迅速收敛到最大值，并以较小的振荡保持稳定，将能获得具有预期队列延迟和高链路利用率的网络性能。

图5和图6分别描述了在短延时和长延时状态下，各拥塞策略的队列长度。

图5 短延时网络下队列长度

图6 大延时网络下队列长度

图5表明，在短延时网络下，ARED、DC-AQM和TCC的队列长度都保持稳定，而PI在一开始时，队列长度的变化比较大。图6表明，在长延时网络下，由于动态碰撞，ARED和PI的队列长度都不稳定，而DC-AQM不能够长时间保持队列长度，但TCC可以有效弥补延时的缺陷，有规律地使队列长度快速达到目标值。同时考虑短延时和长延时的情况下，显然TCC才是最好的拥塞控制算法。

4 结 语

拥塞控制策略对于控制网络中的拥塞并保证网络的服务质量至关重要，而目前的AQM算法在广域网络中，都不能很好地处理往返时间延时问题和干扰问题。为了解决这一问题，本文提出了一种基于修正Smith预测器的双自由度拥塞控制策略。该策略分为两部分，分别是基于内部模型控制原理的反馈控制器和基于频率分析的干扰抑制控制器。仿真结果表明，双自由度的拥塞控制策略能够有效地克服往返时间延时和广域系统中干扰所带来的负面影响。

[1] Liu Y,Zhan L,Zhang Y,et al.Wide-Area Measurement System Development at the Distribution Level:an FNET/GridEye Example[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2015,31(2):1-1.

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[8] Rivera D E,Morari M,Skogestad S.Internal model control:PID controller design[J].Industrial & Engineering Chemistry Process Design & Development,1986,25(1):252-265.

ASTUDYONCONGESTIONCONTROLSTRATEGYBASEDONROUND-TRIPANDDISTURBANCE

Li Yang1Zhang Liwu1Li Zhiqiang1Feng Bao1Chen Simin2

(NARIGroupCorporation(StateGridElectricPowerResearohInstitute),Nanjing211000,Jiangsu,China)2(CollegeofTelecommunicationsandInformationEngineering,NanjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nanjing210003,Jiangsu,China)

Most of the congestion control schemes cannot ensure the quality of service for wide-area power system with high round-trip time at present. To solve this problem, double degree of freedom congestion control strategy is proposed in this paper, which can provide stability and robustness of the power system. The control strategy consists of two conventional controllers (feedback controller and disturbance rejection controller), and the Smith predictor is used to solve the round-trip time delay. The simulation results show that the double degree of freedom congestion control strategy can effectively overcome the negative effects of time delay and interference.

Congestion control Round-trip time Wide-area power system Double degree of freedom

TP393

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.10.035

2016-11-02。国家电网公司2016年科技项目。李洋，高工，主研领域：电力系统通信技术研究，IMS架构设计。张立武，工程师。李志强，助理工程师。冯宝，工程师。陈思敏，硕士生。