徐強超，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的地方，需要根據(jù)實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?，這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，都需要對各智能設(shè)備進行信息傳輸和通信處理，采用IP協(xié)議交換機進行變電信息的報文傳輸。面向通用對象的變電站事件(Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE) 是IEC 61850標準中用于滿足變電站自動化系統(tǒng)快速報文需求的機制，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)進行智能變電站的通信優(yōu)化設(shè)計，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，采用的是獨立組網(wǎng)通信方法，在進行于GOOSE報文過程中受到的電信號和多徑信道的干擾，導致通信過程中信道均衡性不好，干擾較大，報文傳輸不準確，給智能變電站的接收檢測帶來困難[2]。對此，相關(guān)文獻進行了智能變電站的通信系統(tǒng)優(yōu)化改進設(shè)計，其中，文獻[3]采用一種基于線性調(diào)頻拷貝相關(guān)的峰值檢測方法進行智能變電站的通信信號的自適應(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，但是該方法在進行GOOSE的報文傳輸和信號掃頻過程中，補償介質(zhì)對信號的畸變跟蹤性能不好，導致信道出現(xiàn)失真，而且該通信算法計算開銷較大，需要進行通信優(yōu)化設(shè)計。文獻[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)粒子學習算法進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文建立和傳輸效果，但是該模型計算開銷較大，數(shù)據(jù)通信的實時傳輸性能不好[5～9]。

針對上述問題，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崿F(xiàn)變電站報文傳輸和過壓保護之間信息交換，采用多層通信協(xié)議棧信道均衡方法進行通信信道均衡設(shè)計，結(jié)合碼間干擾抑制算法進行抗干擾濾波，以此實現(xiàn)智能變電站的通信優(yōu)化，通過仿真實驗進行了性能測試，展示了本文算法在進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

為了實現(xiàn)對智能變電站通信優(yōu)化設(shè)計，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)布置在一個二維平面上的矩形目標區(qū)域A內(nèi)，采用IEC61850-9-2標準，保證網(wǎng)絡(luò)上GOOSE報文的優(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)點隨機部署。通常一個智能變電站的通信傳輸系統(tǒng)包括以下幾個模塊：

1）微控制塊（MCU）：主要負責變電站層網(wǎng)絡(luò)的計算和拓撲分解功能；

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

3）感知模塊（Sensor）：在數(shù)據(jù)鏈路層進行環(huán)境和用電用戶信息的采樣，感知周圍環(huán)境，完善的計算機監(jiān)控，通過收集的變電需求等相關(guān)信息，實現(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)體系為一個含有M1，M2…MN個傳感器節(jié)點的以太網(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崿F(xiàn)接收信號，GOOSE應(yīng)用層協(xié)議具有信號處理能力，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下進行最優(yōu)控制，在等價非線性時變系統(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，對于在正常狀態(tài)下的變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中動態(tài)節(jié)點進行自動測試，應(yīng)答器的輸入表示為netj，通信信道為時延-多普勒擴展信道模型，智能變電站通信的節(jié)點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)兩端進行數(shù)據(jù)傳輸鏈的優(yōu)化信道特征配準，信道配準的傳遞函數(shù)為：

其中， αn(t )為通信信號的復包絡(luò)， τn(t)傳輸時間延遲，設(shè)在時間段 內(nèi)的發(fā)射功率為pi，通過陣元天線系統(tǒng)進行調(diào)制解調(diào)，實現(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)計采用主動自導系統(tǒng)設(shè)計方案，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：一種是遠距離傳播的引起的信道擴展衰落失真，另一種是由多徑傳播引起的碼間干擾失真。對此，需要對變電站通信進行干擾抑制，在數(shù)據(jù)鏈路層中，假設(shè)引起信號的衰落的最優(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為輸出信號的復包絡(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，在智能變電站通信控制中，上一時刻和此時刻的誤差相互關(guān)聯(lián)，通過時間狀態(tài)評估得到誤差估計先驗值，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，通過多徑信道擴展，從而可得輸出信號的復包絡(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，進行信道均衡設(shè)計，由于智能變電站在通信過程中受到強烈的電磁干擾，需要進行抗干擾設(shè)計，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行通信信道均衡設(shè)計，結(jié)合碼間干擾抑制算法進行抗干擾濾波，以此實現(xiàn)智能變電站的通信優(yōu)化，改進算法的實現(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)議的交換機進行通信鏈路傳輸，數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`差估計函數(shù)分別為，且有如下關(guān)系：

同時滿足:

變電站組網(wǎng)模式下，對于基于GOOSE技術(shù)的智能變電站通信調(diào)度信號，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崿F(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，進行智能變電站跟蹤調(diào)度，在進行單工通信中，信道自適應(yīng)均衡的跟蹤誤差：ex=x-xd， eθ=θ-θd，求得變電站報文傳輸?shù)倪B續(xù)信息載波頻率，其中 xd,θd是參考信號，變電站控制中心接收到的低通變電報文信息的調(diào)制幅值滿足：

由于被動時反鏡具有良好的均衡能力，采用被動時反鏡，基于GOOSE技術(shù)進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較完整的涵蓋變電站通信的報文信息，基于GOOSE技術(shù)，得到智能變電站通信的中每個接收陣元受到的報文信息指向性增益最強，抗干擾能力得到有效提高。

3 仿真實驗與結(jié)果分析

為了測試本文算法在實現(xiàn)智能變電站優(yōu)化通信中的性能，進行仿真實驗。仿真實驗在Windows 7環(huán)境下進行了測試，最大輻射距離Rmax為100 m。多徑擴展時間為172.4ms，通信系統(tǒng)采用IEC61850通信標準，GOOSE應(yīng)用層協(xié)議中探測信號采用頻帶為4～12KHz、時寬為4 ms的線性調(diào)頻信號，進行數(shù)據(jù)通信仿真，系統(tǒng)內(nèi)部損耗強度為SNR=0～150dB，系統(tǒng)正常工作時要求的最小輸出信噪比為-12dB，智能變電站進行數(shù)據(jù)收發(fā)的陣元數(shù)目M固定為5個，此時假設(shè)智能變電站數(shù)據(jù)傳輸通信信號為 s( t) =exp(j2π f0t )，其中f0=27 kHz，接收機的能量調(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，進行變電站的通信性能測試和仿真，得到變電站的報文收發(fā)節(jié)點在各不同陣元數(shù)目的分布情況如圖3所示。

圖3 變電站通信中報文收發(fā)陣元分布

根據(jù)上述陣元分布，進行數(shù)據(jù)通信，得到1個、3個、5個、7個與9個智能變電站的GOOSE應(yīng)用層陣元的信道沖激響應(yīng)如圖4所示，從圖可見，采用本文算法進行智能變電站通信，數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點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，得到和傳統(tǒng)方法的對比結(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行通信信道均衡設(shè)計，結(jié)合碼間干擾抑制算法進行抗干擾濾波，以此實現(xiàn)智能變電站的通信優(yōu)化。實驗結(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。

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