一種基于往返時間和干擾抑制的擁塞控制研究

李 洋 張立武 李志強 馮 寶 陳思敏

1(南瑞集團公司(國網電力科學研究院) 江蘇 南京 211000)

2(南京郵電大學通信與信息工程學院 江蘇 南京 210003)

一種基于往返時間和干擾抑制的擁塞控制研究

李 洋1張立武1李志強1馮 寶1陳思敏2

1(南瑞集團公司(國網電力科學研究院) 江蘇 南京 211000)

2(南京郵電大學通信與信息工程學院 江蘇 南京 210003)

目前的大多數擁塞控制方案不能夠保證具有高往返時間的廣域電力系統的服務質量。為解決這一問題，提出一種雙自由度擁塞控制策略，能夠提供電力系統的穩定性和魯棒性。該控制策略由兩個傳統控制器(反饋控制器和抗擾控制器)組成，應用Smith預測器來解決往返時間延遲。仿真結果表明，雙自由度擁塞控制策略能夠有效克服時間延遲和干擾帶來的負面影響。

擁塞控制 往返時間 廣域電力系統 雙自由度

0 引 言

電力系統的發展需求促進了廣域測量系統WAMS(Wide-Area Measurement System)[1]和相量測量單元[2]的出現和發展，廣域電力系統正是一種基于WAMS的跨區域大型互聯電力系統。隨著電力系統規模的不斷擴大，相量測量單位發送的數據量隨之不斷增加，而頻繁的數據傳輸或傳輸的數據量過大會導致數據通道中形成持續不斷的數據流，增大網絡通信沖突的可能性，容易導致網絡擁塞現象。一旦網絡中發生數據通道擁塞現象，控制中心將無法獲得實時數據，導致大面積停電事故發生，造成嚴重的后果。為了解決廣域電力系統中的網絡擁塞問題，必須提出一種有效的擁塞控制策略。

1 研究現狀

擁塞控制策略對于保證無線和有線網絡的服務質量都至關重要。早期，主動隊列管理技術AQM(Active Queue Management Technique)[3]的引入是為了提供鏈路上網絡擁塞的通知并在協助TCP進行擁塞控制。一系列的AQM方法被相繼提出，如RED[4]、PI[5]、PID[6]和REM[7]。但是，由于非線性和多樣時間行為等挑戰，這些隊列管理方案卻不能為大量的網絡場景提供滿意的性能。

通信網絡在規模上的不斷擴大導致了往返時間RTT(round trip time)的持續增長，大多數現有的隊列管理算法忽略了RTT對系統的穩定性和性能的消極影響。本文從RTT的角度出發，提出了一種擁塞算法。由于廣域網絡具有較大的RTT,目前的擁塞控制機制，如TCP擁塞控制機制、基于路由器隊列管理的擁塞控制、隊列調度機制等都不能處理廣域網絡中往返時間延遲和干擾，從而無法保證廣域網絡的服務質量。廣域電力系統屬于一種廣域網絡，本文考慮到廣域網絡具有較大的往返時間，提出了一種解決往返時間延遲的具有雙自由度的擁塞控制策略TCC(a two-degree-of-freedom congestion control strategy)。該策略由兩個獨立的控制器組成，一個是基于內部模型控制IMC(internal model control)原理的反饋控制器，一個是基于頻域分析的用于拒絕外部干擾的抗擾控制器。

2 系統模型

廣域電力系統在地域上分布廣泛，且動態模型具有較高的維數，若采用集中控制在設備要求和算法實現上都有較大的困難。一種可行的處理方法是按照實際發電站的地理位置分成一些小的子系統進行控制。圖1為廣域電力系統模型。

圖1 廣域電力系統模型

2.1 內部模型控制(IMC)

圖2 內部模型控制

(1)

步驟2為了提高系統的魯棒性，引入健壯低通過濾器：

(2)

其中λ是決定系統魯棒性的可調參數，n表示濾波器的階數。

因此，內部模型控制器：

(3)

2.2 反饋控制器設計

由于IMC能夠提供快速的響應能力和強壯的魯棒性，基于IMC，設計出了一種能夠提高魯棒性的反饋系統。

圖3 反饋控制器

根據圖3，可知IMC可以表示為：

(4)

根據式(4)可以解出反饋控制器Gc1(s)：

(5)

(6)

(7)

為了研究方便，我們首先考慮一階低通過濾器，即n=1時的情況，此時健壯低通濾波器可以表示為：

(8)

因此，

(9)

從而可以得出反饋控制器的表達式：

(10)

2.3 抗擾控制器

在頻率分析基礎上，設計抗擾控制器。選擇一個比例-積分(PI)控制器，抗擾控制器可以表示為：

(11)

其特征方程為：

Δ(s)= 1+Gc2(s)Gm(s)e-Rms=

(12)

假設TD=T1m，則上面的特征方程簡化為：

(13)

根據奈奎斯特準則，有：

(14)

當φm是期望的相位差，當φm固定且Km、T2m和Rm等已知時，通過式(14)可以解出KD，再代入式(11)即可解出抗擾控制器Gc2(s)。

2.4 雙自由度的擁塞控制策略

結合反饋控制器和抗擾控制器，設計用于解決廣域電力系統中的網絡擁塞問題的模型，如圖4所示。

圖4 雙自由度的擁塞控制模型

根據上面的分析可知，系統的估計模型為：

(15)

圖4中，I(s)和Q(s)分別表示廣域電力系統的輸入和輸出，D(s)表示干擾信號。

假設Gm(s)e-Rms=G(s)e-R0s，則系統的輸出為：

D(s)

(16)

3 仿真與結果分析

為了評估系統的性能和魯棒性，對系統進行了仿真。為了對比比較，同時仿真了ARED、PI和DC-AQM的性能。仿真過程中，我們重點關注隊列長度的變化，這將作為擁塞控制算法性能評估的關鍵。如果擁塞控制算法能夠將隊列長度迅速收斂到最大值，并以較小的振蕩保持穩定，將能獲得具有預期隊列延遲和高鏈路利用率的網絡性能。

圖5和圖6分別描述了在短延時和長延時狀態下，各擁塞策略的隊列長度。

圖5 短延時網絡下隊列長度

圖6 大延時網絡下隊列長度

圖5表明，在短延時網絡下，ARED、DC-AQM和TCC的隊列長度都保持穩定，而PI在一開始時，隊列長度的變化比較大。圖6表明，在長延時網絡下，由于動態碰撞，ARED和PI的隊列長度都不穩定，而DC-AQM不能夠長時間保持隊列長度，但TCC可以有效彌補延時的缺陷，有規律地使隊列長度快速達到目標值。同時考慮短延時和長延時的情況下，顯然TCC才是最好的擁塞控制算法。

4 結 語

擁塞控制策略對于控制網絡中的擁塞并保證網絡的服務質量至關重要，而目前的AQM算法在廣域網絡中，都不能很好地處理往返時間延時問題和干擾問題。為了解決這一問題，本文提出了一種基于修正Smith預測器的雙自由度擁塞控制策略。該策略分為兩部分，分別是基于內部模型控制原理的反饋控制器和基于頻率分析的干擾抑制控制器。仿真結果表明，雙自由度的擁塞控制策略能夠有效地克服往返時間延時和廣域系統中干擾所帶來的負面影響。

[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.

[2] Zhu H,Shi Y.Phasor Measurement Unit Placement for Identifying Power Line Outages in Wide-Area Transmission System Monitoring[C]//Hawaii International Conference on System Sciences.IEEE Computer Society,2014:2483-2492.

[3] Braden B,Clark D,Crowcroft J,et al.Recommendations on Queue Management and Congestion Avoidance in the Internet[DB].RFC 2309,1998.

[4] Floyd S,Jacobson V.Random early detection gateways for congestion avoidance[J].IEEE/ACM Transactions on Networking,2002,1(4):397-413.

[5] Hollot C V,Misra V,Towsley D,et al.On designing improved controllers for AQM routers supporting TCP flows[C]//INFOCOM 2001.Twentieth Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies.Proceedings.IEEE.IEEE,2002:1726-1734 vol.3.

[6] Ryu S,Rump C,Qiao C.A Predictive and Robust Active Queue Management for Internet Congestion Control[C]//Eighth IEEE International Symposium on Computers and Communication.IEEE,2003:991-998 vol.2.

[7] Athuraliya S,Low S H,Li V H,et al.REM:active queue management[J].IEEE Network Magazine,2001,15(3):48-53.

[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。國家電網公司2016年科技項目。李洋，高工，主研領域：電力系統通信技術研究，IMS架構設計。張立武，工程師。李志強，助理工程師。馮寶，工程師。陳思敏，碩士生。