基于GOOSE技術(shù)智能變電站通信優(yōu)化方法研究

徐強(qiáng)超，鄺國安，沈石蘭，鄒三紅，劉 雍，歐陽軍

0 引言

最近幾年來，中國智能變電站取得了快速的發(fā)展，智能變電站是執(zhí)行電壓改變的場所，為了把發(fā)電廠發(fā)出來的電能輸送到較遠(yuǎn)的地方，需要根據(jù)實(shí)際的傳輸需求把低壓電變?yōu)楦邏弘姡迅邏弘娮優(yōu)榈蛪弘姡@種升降電壓的工作靠變電站來完成。智能變電站在變換電壓、接受和分配電能過程中，都需要對(duì)各智能設(shè)備進(jìn)行信息傳輸和通信處理，采用IP協(xié)議交換機(jī)進(jìn)行變電信息的報(bào)文傳輸。面向通用對(duì)象的變電站事件(Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE) 是IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中用于滿足變電站自動(dòng)化系統(tǒng)快速報(bào)文需求的機(jī)制，GOOSE是建立在站控層共用網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過GOOSE技術(shù)進(jìn)行智能變電站的通信優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高智能變電站的通信抗干擾能力和信道均衡性能，相關(guān)的通信優(yōu)化技術(shù)的研究受到人們的極大重視[1]。

基于GOOSE技術(shù)的智能變電站通信借鑒公共設(shè)施通信體系，采用的是獨(dú)立組網(wǎng)通信方法，在進(jìn)行于GOOSE報(bào)文過程中受到的電信號(hào)和多徑信道的干擾，導(dǎo)致通信過程中信道均衡性不好，干擾較大，報(bào)文傳輸不準(zhǔn)確，給智能變電站的接收檢測帶來困難[2]。對(duì)此，相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了智能變電站的通信系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，其中，文獻(xiàn)[3]采用一種基于線性調(diào)頻拷貝相關(guān)的峰值檢測方法進(jìn)行智能變電站的通信信號(hào)的自適應(yīng)濾波檢測，提高了智能變電站的通信抗干擾能力，信道均衡效果較好，但是該方法在進(jìn)行GOOSE的報(bào)文傳輸和信號(hào)掃頻過程中，補(bǔ)償介質(zhì)對(duì)信號(hào)的畸變跟蹤性能不好，導(dǎo)致信道出現(xiàn)失真，而且該通信算法計(jì)算開銷較大，需要進(jìn)行通信優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[4]提出一種基于頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)混合調(diào)制的智能變電站通信優(yōu)化方法，結(jié)合自適應(yīng)粒子學(xué)習(xí)算法進(jìn)行通信誤差的收斂跟蹤，提高了通信信道的數(shù)據(jù)吞吐性能，改善了智能變電站的報(bào)文建立和傳輸效果，但是該模型計(jì)算開銷較大，數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)傳輸性能不好[5～9]。

針對(duì)上述問題，本文在基于GOOSE技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種基于多層通信協(xié)議棧信道均衡的智能變電站通信優(yōu)化方法，首先構(gòu)建了智能變電站通信的GOOSE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系模型，分析了智能變電站中GOOSE傳送信息的數(shù)據(jù)鏈路層傳輸模型，通過GOOSE（面向?qū)ο笞冸娬就ㄓ檬录?shí)現(xiàn)變電站報(bào)文傳輸和過壓保護(hù)之間信息交換，采用多層通信協(xié)議棧信道均衡方法進(jìn)行通信信道均衡設(shè)計(jì)，結(jié)合碼間干擾抑制算法進(jìn)行抗干擾濾波，以此實(shí)現(xiàn)智能變電站的通信優(yōu)化，通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能測試，展示了本文算法在進(jìn)行變電站通信中的優(yōu)越性能，得出有效性結(jié)論。

1 智能變電站通信的GOOSE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系和數(shù)據(jù)傳輸鏈路層模型構(gòu)建

1.1 智能變電站通信的GOOSE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)智能變電站通信優(yōu)化設(shè)計(jì)，在借鑒公共設(shè)施通信體系(UCA)的通用變電站狀態(tài)事件的基礎(chǔ)上，構(gòu)建智能變電站通信的GOOSE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，智能變電站通信的GOOSE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)布置在一個(gè)二維平面上的矩形目標(biāo)區(qū)域A內(nèi)，采用IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)，保證網(wǎng)絡(luò)上GOOSE報(bào)文的優(yōu)先傳送，在GOOSE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系中，區(qū)域A中的變電站節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署。通常一個(gè)智能變電站的通信傳輸系統(tǒng)包括以下幾個(gè)模塊：

1）微控制塊（MCU）：主要負(fù)責(zé)變電站層網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算和拓?fù)浞纸夤δ埽?/p>

2）通信模塊（Radio）：發(fā)送和接受數(shù)字化變電站的報(bào)文和消息；

3）感知模塊（Sensor）：在數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行環(huán)境和用電用戶信息的采樣，感知周圍環(huán)境，完善的計(jì)算機(jī)監(jiān)控，通過收集的變電需求等相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)智能變電站系統(tǒng)的信息交換和監(jiān)控。

綜上分析，得到智能變電站通信的GOOSE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系示意圖如圖1所示。

圖1 智能變電站通信的GOOSE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系

圖1中所示的智能變電站通信的GOOSE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系為一個(gè)含有M1，M2…MN個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型，過程層網(wǎng)絡(luò)與變電站層網(wǎng)絡(luò)放置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)不同位置，通過GOOSE（面向?qū)ο笞冸娬就ㄓ檬录?shí)現(xiàn)接收信號(hào)，GOOSE應(yīng)用層協(xié)議具有信號(hào)處理能力，假設(shè)智能變電站通信的GOOSE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的輸入層為，其中，，初始單位跟蹤響應(yīng)，其中，， j= 1,2,… ,m，在最大迭代次數(shù)tmax下進(jìn)行最優(yōu)控制，在等價(jià)非線性時(shí)變系統(tǒng)中，構(gòu)建智能變電站通信的GOOSE網(wǎng)絡(luò)的前饋增益調(diào)節(jié)狀態(tài)模型，對(duì)于在正常狀態(tài)下的變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)測試，應(yīng)答器的輸入表示為netj，通信信道為時(shí)延-多普勒擴(kuò)展信道模型，智能變電站通信的節(jié)點(diǎn)中建立無線傳輸信息通信網(wǎng)絡(luò)，由此得到地面子系統(tǒng)通過變電站發(fā)射的最優(yōu)的發(fā)射功率為：

其中，sl(t)為發(fā)射換能器的空間-頻率特征，fc為調(diào)制頻率，在收、發(fā)兩端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸鏈的優(yōu)化信道特征配準(zhǔn)，信道配準(zhǔn)的傳遞函數(shù)為：

其中， αn(t )為通信信號(hào)的復(fù)包絡(luò)， τn(t)傳輸時(shí)間延遲，設(shè)在時(shí)間段 內(nèi)的發(fā)射功率為pi，通過陣元天線系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，實(shí)現(xiàn)信道優(yōu)化。

1.2 智能變電站通信的數(shù)據(jù)傳輸鏈路層信道模型

在上述構(gòu)建了智能變電站通信的GOOSE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建智能變電站的數(shù)據(jù)傳輸鏈路層模型，基于GOOSE技術(shù)的智能變電站通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用主動(dòng)自導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，由于電磁波在變電站通信中造成了較大的電磁干擾，在智能變電站中傳播存在著兩種衰落失真：一種是遠(yuǎn)距離傳播的引起的信道擴(kuò)展衰落失真，另一種是由多徑傳播引起的碼間干擾失真。對(duì)此，需要對(duì)變電站通信進(jìn)行干擾抑制，在數(shù)據(jù)鏈路層中，假設(shè)引起信號(hào)的衰落的最優(yōu)權(quán)系數(shù)β、懲罰因子C，前饋增益調(diào)節(jié)均方差函數(shù)：

其中，fi初始頻率，yi為輸出信號(hào)的復(fù)包絡(luò)，基于GOOSE技術(shù)，得到智能變電站通信管理過程控制的加權(quán)系數(shù)的迭代過程為：

在智能變電站的報(bào)文發(fā)射陣元（PS）距接收陣5 Km下，采用作用距離與通信速率的乘積來衡量通信系統(tǒng)的性能，得到控制系統(tǒng)從度量論域U到區(qū)間[0，1]的映射，如果系統(tǒng)的通信性能處于穩(wěn)定階段，那么智能變電站通信離散控制系統(tǒng)在可靠性函數(shù)下建立Leslie-Gower模型，得到基于GOOSE技術(shù)的智能變電站通信控制對(duì)象的輸出狀態(tài)特征函數(shù)表示為：U → [0,1],? x ∈ U, x → SC( x)。采取不同的策略構(gòu)建一組二元系數(shù)為（x，SC（x））的通信信道的狀態(tài)覆蓋集合。采用混合核函數(shù)構(gòu)造自適應(yīng)均衡控制器，尋找最優(yōu)解，得到智能變電站自適應(yīng)均衡核函數(shù)為：

其中，λ通過誤差估計(jì)，在智能變電站通信控制中，上一時(shí)刻和此時(shí)刻的誤差相互關(guān)聯(lián)，通過時(shí)間狀態(tài)評(píng)估得到誤差估計(jì)先驗(yàn)值，采用粒子群優(yōu)化尋優(yōu)，根據(jù)離散系統(tǒng)差分的思想，在最大迭代次數(shù)下，通過多徑信道擴(kuò)展，從而可得輸出信號(hào)的復(fù)包絡(luò)為：

基于GOOSE技術(shù)的智能變電站通信的多徑信道的空間調(diào)制波束表示如下：

2 智能變電站通信信道均衡和抗干擾優(yōu)化

在上述構(gòu)建的智能變電站通信的數(shù)據(jù)傳輸鏈路層信道模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行信道均衡設(shè)計(jì)，由于智能變電站在通信過程中受到強(qiáng)烈的電磁干擾，需要進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)，本文在基于GOOSE技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種基于多層通信協(xié)議棧信道均衡的智能變電站通信優(yōu)化方法，采用多層通信協(xié)議棧信道均衡方法進(jìn)行通信信道均衡設(shè)計(jì)，結(jié)合碼間干擾抑制算法進(jìn)行抗干擾濾波，以此實(shí)現(xiàn)智能變電站的通信優(yōu)化，改進(jìn)算法的實(shí)現(xiàn)過程描述如下：

GOOSE與站控層共用網(wǎng)絡(luò)下的智能變電站通信的約束參量模型描述如下： fx(X, t)，fθ(X, t)是智能變電站通信的不確定的有界函數(shù)，通過IEEE802.1P協(xié)議的交換機(jī)進(jìn)行通信鏈路傳輸，數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`差估計(jì)函數(shù)分別為，且有如下關(guān)系：

同時(shí)滿足:

變電站組網(wǎng)模式下，對(duì)于基于GOOSE技術(shù)的智能變電站通信調(diào)度信號(hào)，采用自適應(yīng)波束形成取得空間指向性增益為：

基于P2P通信方式，通過GOOSE（面向?qū)ο笞冸娬就ㄓ檬录?shí)現(xiàn)到多徑信道的脈沖重構(gòu)，得到輸出的沖激響應(yīng)函數(shù)為：

GOOSE應(yīng)用層協(xié)議中，進(jìn)行智能變電站跟蹤調(diào)度，在進(jìn)行單工通信中，信道自適應(yīng)均衡的跟蹤誤差：ex=x-xd， eθ=θ-θd，求得變電站報(bào)文傳輸?shù)倪B續(xù)信息載波頻率，其中 xd,θd是參考信號(hào)，變電站控制中心接收到的低通變電報(bào)文信息的調(diào)制幅值滿足：

由于被動(dòng)時(shí)反鏡具有良好的均衡能力，采用被動(dòng)時(shí)反鏡，基于GOOSE技術(shù)進(jìn)行智能變電站通信的信道均衡狀態(tài)方程為：

圖2 智能變電站通信的濾波器設(shè)計(jì)原理框圖

圖中，智能變電站通信通過濾波處理后的輸出為：

為使接收到的探測信號(hào)較完整的涵蓋變電站通信的報(bào)文信息，基于GOOSE技術(shù)，得到智能變電站通信的中每個(gè)接收陣元受到的報(bào)文信息指向性增益最強(qiáng)，抗干擾能力得到有效提高。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了測試本文算法在實(shí)現(xiàn)智能變電站優(yōu)化通信中的性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)在Windows 7環(huán)境下進(jìn)行了測試，最大輻射距離Rmax為100 m。多徑擴(kuò)展時(shí)間為172.4ms，通信系統(tǒng)采用IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)，GOOSE應(yīng)用層協(xié)議中探測信號(hào)采用頻帶為4～12KHz、時(shí)寬為4 ms的線性調(diào)頻信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信仿真，系統(tǒng)內(nèi)部損耗強(qiáng)度為SNR=0～150dB，系統(tǒng)正常工作時(shí)要求的最小輸出信噪比為-12dB，智能變電站進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的陣元數(shù)目M固定為5個(gè)，此時(shí)假設(shè)智能變電站數(shù)據(jù)傳輸通信信號(hào)為 s( t) =exp(j2π f0t )，其中f0=27 kHz，接收機(jī)的能量調(diào)度尺度范圍取0.34～1.58，不同陣元數(shù)目的接收陣間隔取0.345，在上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定的基礎(chǔ)上，進(jìn)行變電站的通信性能測試和仿真，得到變電站的報(bào)文收發(fā)節(jié)點(diǎn)在各不同陣元數(shù)目的分布情況如圖3所示。

圖3 變電站通信中報(bào)文收發(fā)陣元分布

根據(jù)上述陣元分布，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，得到1個(gè)、3個(gè)、5個(gè)、7個(gè)與9個(gè)智能變電站的GOOSE應(yīng)用層陣元的信道沖激響應(yīng)如圖4所示，從圖可見，采用本文算法進(jìn)行智能變電站通信，數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)具有較好高的沖激響應(yīng)指向性增益，提高了通信的抗干擾能力。

最后，為了定量分析本文算法的優(yōu)越性，采用通信誤碼率為測試指標(biāo)，得到和傳統(tǒng)方法的對(duì)比結(jié)果如圖5所示，從圖可見，采用該算法，通信誤碼率較低，改善了通信質(zhì)量。

圖4 智能變電站通信接收陣元的沖激響應(yīng)

圖5 通信誤碼率對(duì)比

4 結(jié)束語

本文在基于GOOSE技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種基于多層通信協(xié)議棧信道均衡的智能變電站通信優(yōu)化方法，首先構(gòu)建了智能變電站通信的GOOSE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系模型，分析了智能變電站中GOOSE傳送信息的數(shù)據(jù)鏈路層傳輸模型，采用多層通信協(xié)議棧信道均衡方法進(jìn)行通信信道均衡設(shè)計(jì)，結(jié)合碼間干擾抑制算法進(jìn)行抗干擾濾波，以此實(shí)現(xiàn)智能變電站的通信優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該通信優(yōu)化方法能有效改善智能變電站通信中的性能，降低了通信誤碼率。

[1] 何信旺,芮赟,王宗杰,等.濾波器組UMTS系統(tǒng)的信道估計(jì)研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2015,(09):57-60.

[2] 陸興華,謝輝迪,許劍銳.基于近場通訊和物聯(lián)網(wǎng)的飯?zhí)米詣?dòng)計(jì)價(jià)系統(tǒng)[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用,2015,5(6):18-21.

[3] GAO Ya-li,XU Wu.Application of X3D-based real time humancomputer interaction techniques in location experiments[J]. SAMSON,2016,(02):12-14.

[4] WU Jieqi, LI Xiaoyu, YUAN Xiaotong, LIU Qingshan. Parallel sparse subspace clustering via coordinate descent minimization. Journal of Computer Applications, 2016, 36(2): 372-376.

[5] 邸珩燁.基于多徑碼間干擾濾波的短波通信優(yōu)化[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2015,5(10):47-48,52.

[6] 劉艷峰,魏兵,任新成.近場通信天線場分布特性仿真[J].電子測量技術(shù),2015, 38(8):132-134.

[7] 何婷婷,邵暉,陳柯.有源RFID—“Dash7”構(gòu)建智能傳感網(wǎng)絡(luò)[J].國外電子測量技術(shù),2014,11:1-5.

[8] 劉安豐,任炬,徐娟,等.異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)能量空洞分析與避免研究[J].軟件學(xué)報(bào),2012,23(9):2438-2448.

[9] 陳雪嬌,李向陽.WSN中LEACH協(xié)議的研究及改進(jìn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2009,29(12):3241-3243.