尚軍利，袁文政，王宇博，羅 璇，劉建勇

(國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司渭南供電公司，陜西 渭南 724000)

0 引言

高壓輸電線(xiàn)路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其安全運(yùn)行對(duì)電力的穩(wěn)定傳輸至關(guān)重要。當(dāng)前，常常采用在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)對(duì)輸電線(xiàn)路的各方面指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1-2]。前端采用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)，采集設(shè)備安裝在輸電桿塔附近的高壓輸電設(shè)備上，以獲取溫濕度、電流、傾斜度等指標(biāo)，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)中繼的方式匯聚到變電站，變電站經(jīng)過(guò)光纖網(wǎng)將所有數(shù)據(jù)傳回到后端控制中心。

輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)傳輸速率與傳輸時(shí)延是評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)性能的主要指標(biāo)。數(shù)據(jù)傳輸速率通常由所選擇網(wǎng)絡(luò)本身的參數(shù)確定，而傳輸時(shí)延則與所設(shè)計(jì)的檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)。文獻(xiàn)[3]構(gòu)建了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)及光纖網(wǎng)絡(luò)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)層次化通信網(wǎng)絡(luò)，并提出了網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)規(guī)劃模型及優(yōu)化決策方法，以數(shù)據(jù)傳輸路徑連通性和鏈路通信帶寬為約束條件，建立了以通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)為目標(biāo)的多目標(biāo)最優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了4 種適用于輸電線(xiàn)路狀態(tài)監(jiān)測(cè)的通信網(wǎng)絡(luò)及其數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)，包括無(wú)線(xiàn)APN 專(zhuān)網(wǎng)、OPGW 光通信網(wǎng)、OPGW 光通信網(wǎng)+WiFi 等；文獻(xiàn)[5]提出了一種評(píng)估監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)可靠性的方法；文獻(xiàn)[6]則從傳感器位置的合理布置方面提出了優(yōu)化改進(jìn)模型；文獻(xiàn)[7]探討了5G 在電力領(lǐng)域的典型應(yīng)用場(chǎng)景；文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種基于5G通信的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，表明5G 已經(jīng)在智能電網(wǎng)建設(shè)中逐步得到應(yīng)用。然而，這些研究對(duì)5G 應(yīng)用的討論主要在框架層面，并未對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行詳細(xì)的研究。

本文提出一種基于5G 的輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)對(duì)輸電桿塔進(jìn)行自適應(yīng)分組，使整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)在時(shí)延和能耗方面達(dá)到平衡，以獲得最優(yōu)的綜合性能。

1 輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸

1.1 WSN 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)

如圖1 所示，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集部分由各類(lèi)傳感器組成，其通信協(xié)議一般采用UART、RS485、RS232 等有線(xiàn)方式或者采用藍(lán)牙、ZigBee 等低功耗無(wú)線(xiàn)方式。這些通信方式屬于短距通信，有效距離一般在數(shù)米到數(shù)百米范圍內(nèi)。因此，傳感器采集到的數(shù)據(jù)將匯聚到安裝在桿塔頂部的中繼節(jié)點(diǎn)。中繼節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)以后，將其向下一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，直到匯聚到變電站，最后在變電站通過(guò)光纖專(zhuān)網(wǎng)發(fā)回到后端控制中心。

圖1 WSN 數(shù)據(jù)采集示意圖

1.2 線(xiàn)性中繼數(shù)據(jù)傳輸

線(xiàn)性中繼數(shù)據(jù)傳輸模型與輸電線(xiàn)路的布局特征十分吻合，沿著線(xiàn)路在每個(gè)輸電桿塔上配置無(wú)線(xiàn)中繼設(shè)備，線(xiàn)路的兩端連接到變電站，如圖2 所示。若桿塔的總數(shù)為n，則從中間劃分，左右兩邊各有n/2 個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)。左邊的中繼節(jié)點(diǎn)將向左邊轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，右邊的中繼節(jié)點(diǎn)將向右邊轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。在線(xiàn)性模型下完整的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程所用的時(shí)間總長(zhǎng)為：

圖2 監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)性中繼模型示意圖

其中，SM為一個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量，單位為B；R1為中繼節(jié)點(diǎn)采用的無(wú)線(xiàn)通信方式的數(shù)據(jù)傳輸速率；tc為CSMA/CA 機(jī)制信道訪(fǎng)問(wèn)等待時(shí)長(zhǎng)。

若線(xiàn)路有100 個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，相互之間采用ZigBee 通信，數(shù)據(jù)傳輸速率為31.25 KB/s，信道訪(fǎng)問(wèn)等待時(shí)間為41 ms，每個(gè)桿塔處采集的數(shù)據(jù)大小量為2 KB，則計(jì)算得到傳輸時(shí)長(zhǎng)為×0.041=82.85 s?？梢钥闯?，線(xiàn)性模型所產(chǎn)生的傳輸時(shí)延是很大的。

1.3 基于5G 的全連接數(shù)據(jù)傳輸

由于5G 通信技術(shù)具有高帶寬、低延時(shí)、長(zhǎng)傳輸距離的優(yōu)良性能，因此可以采用5G 技術(shù)來(lái)改善線(xiàn)性模型的不足之處。假設(shè)每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)都安裝5G 通信設(shè)備，使其能夠往控制中心直接傳輸數(shù)據(jù)，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延將只包含這一段長(zhǎng)距離通信時(shí)長(zhǎng)。設(shè)5G 通信數(shù)據(jù)傳輸速率為R2，則傳輸時(shí)延為。若R2=10 MB/s，則傳輸時(shí)間不到1 ms。然而，這種全連接結(jié)構(gòu)在實(shí)際中是難以實(shí)現(xiàn)的。首先在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處配置5G 通信模塊的成本是很高的，其次文獻(xiàn)[9]-[10]指出，5G 系統(tǒng)的能耗將會(huì)隨著與控制中心直接通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而大幅增加，遠(yuǎn)大于ZigBee 等短距通信方式，因此與當(dāng)前節(jié)能減排雙碳目標(biāo)是不相符的。

2 基于5G 的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化模型

本文設(shè)計(jì)了一種平衡線(xiàn)性模型和5G 全連接模型的新模型，對(duì)所有節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)分組并選取其中部分節(jié)點(diǎn)作為5G 通信代理節(jié)點(diǎn)。新模型將平衡延時(shí)和能耗，達(dá)到綜合性能最優(yōu)。

如圖3 所示，在提出的模型中，n 個(gè)節(jié)點(diǎn)被分成k個(gè)組，編號(hào)為G1～Gk，k≥2。每組包含mi個(gè)節(jié)點(diǎn)，于是有。每組僅有一個(gè)代理節(jié)點(diǎn)通過(guò)5G 通信與控制中心傳輸數(shù)據(jù)，組內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)則通過(guò)短距無(wú)線(xiàn)通信方式將數(shù)據(jù)中繼傳到代理節(jié)點(diǎn)。在這樣的分組中，兩端與變電站相連的各有1 個(gè)組，編號(hào)分別為G1和Gk；其余節(jié)點(diǎn)被分到k-2 個(gè)組，編號(hào)為G2～Gk-1。不失一般性，設(shè)G1和Gk包含相同數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，G2～Gk-1包含相同數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，即有：

圖3 優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸模型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

G1和Gk具有相同的時(shí)延和能耗，G2～Gk-1具有相同的時(shí)延和能耗。為了達(dá)到時(shí)延和功耗的綜合最優(yōu)，需要求解合適的k、m1和m2。

首先討論群組G1和G2的時(shí)延。由于在G1中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)線(xiàn)性中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到變電站，因此，總的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延為：

式中，第一項(xiàng)為傳輸數(shù)據(jù)需要的時(shí)間，第二項(xiàng)為信道訪(fǎng)問(wèn)等待時(shí)間。

G2包含m2個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)是與控制中心通信的代理節(jié)點(diǎn)，位于群組的中間位置，而其他節(jié)點(diǎn)通過(guò)線(xiàn)性中繼模式將自身數(shù)據(jù)發(fā)送到代理節(jié)點(diǎn)?？偟臄?shù)據(jù)傳輸時(shí)延為：

式中，第一項(xiàng)為傳輸數(shù)據(jù)需要的時(shí)間，第二項(xiàng)為信道訪(fǎng)問(wèn)等待時(shí)間，第三項(xiàng)為代理節(jié)點(diǎn)通過(guò)5G 通信向控制中心傳輸數(shù)據(jù)需要的時(shí)間。

其次討論群組發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生的能耗。能耗與所發(fā)送到數(shù)據(jù)量和所采用無(wú)線(xiàn)通信方式有關(guān)。整條線(xiàn)路中繼過(guò)程所消耗的能量為：

其中，EIP為發(fā)送一個(gè)字節(jié)所消耗的能量，括號(hào)中前一項(xiàng)表示G1和G2發(fā)送的數(shù)據(jù)總量，后一項(xiàng)表示G2～Gk-1發(fā)送的 數(shù)據(jù)總量。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，EIP為17.318 4 μJ。

此外，有k-2 個(gè)5G 代理節(jié)點(diǎn)，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量為(k-2)×m2×SM。5G 通信消耗的能量為e1(x)+e2t1+e3t2，其中e1(x)表示傳輸x 千字節(jié)所消耗的能量，e2t1表示5G 通信結(jié)束后系統(tǒng)轉(zhuǎn)為低功耗的拖尾時(shí)間所消耗的能量，e3t2表示系統(tǒng)在低功耗情況下維持物理層接口消耗的能量，則代理節(jié)點(diǎn)5G 通信所消耗的能量為：

因此，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)消耗的能量為：

使時(shí)延和能耗綜合最優(yōu)，得到代價(jià)函數(shù)模型為：

其中，λ 為調(diào)控因子，T=max(TG1，TG2)。λ=0 時(shí)，只考慮能耗指標(biāo)，λ=1 時(shí)；只考慮時(shí)延指標(biāo)。使Ψ 最小化，聯(lián)立方程(2)～(8)，求解得到k、m1和m2即可。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置為：線(xiàn)路長(zhǎng)度為50 km，共計(jì)100 個(gè)節(jié)點(diǎn)，兩端節(jié)點(diǎn)連接變電站。每個(gè)節(jié)點(diǎn)處采集的數(shù)據(jù)量大小SM分別設(shè)置為2 KB/4 KB，采集數(shù)據(jù)的周期為20 s/次。中繼節(jié)點(diǎn)采用ZigBee 通信，數(shù)據(jù)速率為31.25 KB/s，信道訪(fǎng)問(wèn)等待時(shí)長(zhǎng)tc=41 ms。5G 數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)為10 MB/s。5G 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置為：e1=0.015，e2=1.2 J/s，t1=15 s，e3=0.015 J/s，t2為傳輸周期減去數(shù)據(jù)發(fā)送所用的時(shí)間。λ 分別設(shè)為0、0.2、0.5、0.8、1。通過(guò)模型求解，可以得到不同參數(shù)設(shè)置下的解，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 模型求解實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1 可以看出，隨著代價(jià)函數(shù)中參數(shù)λ 的取值不同，優(yōu)化模型對(duì)時(shí)延和能耗的關(guān)注度也不同，因此對(duì)節(jié)點(diǎn)的分組方案也有較大的不同。當(dāng)λ 較小時(shí)，模型求解方案傾向于分配較少的組，每組包含更多的節(jié)點(diǎn)，能耗低、延遲大，接近于線(xiàn)性中繼模型；當(dāng)λ 變大時(shí)，模型求解方案傾向于分配更多的組，每組包含更少的節(jié)點(diǎn)，延遲低、能耗大，特別是λ=1 時(shí)獲得分組方案即為5G 全連接模型?？梢钥闯?，全連接模型的延時(shí)是非常小的，約為0.1 s，但能耗是非常高的，約為1 800 J，是其他分配方案的數(shù)十倍。

圖4 展示了當(dāng)λ 不同時(shí)，數(shù)據(jù)量SM分別設(shè)置為2 KB、4 KB、6 KB 時(shí)模型獲得的不同方案對(duì)應(yīng)的時(shí)延曲線(xiàn)圖?？梢钥闯?，隨著λ 由小變大，時(shí)延逐漸減小。而SM大小增加，對(duì)時(shí)延的影響是非常小的。

圖4 不同調(diào)控因子所給最優(yōu)方案的時(shí)延比較

圖5 展示了當(dāng)λ 不同時(shí)，模型獲得的不同方案對(duì)應(yīng)的能耗曲線(xiàn)圖。隨著λ 由小變大，能耗逐漸增大。由于當(dāng)λ=1 時(shí)能耗極速增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他數(shù)值，因此沒(méi)有在同一張圖里畫(huà)出該點(diǎn)的值。

圖5 不同調(diào)控因子所給最優(yōu)方案的能耗比較

圖6 展示了λ=0.5 時(shí)不同分組方案的綜合性能比較?？梢钥闯觯陔S機(jī)選擇的11 組分配方案中，模型所給分組方案(4，16，34)的代價(jià)函數(shù)達(dá)到最小值，而其他分組方案得到的代價(jià)函數(shù)值都更大，證明所提出的模型是非常有效的。結(jié)合表1 可知，當(dāng)λ 等于其他值時(shí)，模型均可以給出最優(yōu)的分組方案。

圖6 不同分組方案的綜合性能比較

4 結(jié)論

輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的延時(shí)和能耗是非常重要的指標(biāo)。本文提出基于5G 的輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建模方法，可調(diào)整系統(tǒng)對(duì)延時(shí)和能耗關(guān)注度的不同權(quán)重，給出最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)分組方案，從而獲得時(shí)延和能耗綜合性能最優(yōu)的傳輸網(wǎng)絡(luò)。提出的模型可以方便地構(gòu)建輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，有助于智能電網(wǎng)達(dá)成雙碳節(jié)能目標(biāo)。