丁 麒，王慶娟，盧 侃，周青睞，陳永杲

（1.國網浙江省電力有限公司營銷服務中心，浙江杭州 311100；2.國網浙江省電力有限公司武義縣供電公司，浙江金華 321200；3.國網浙江桐鄉(xiāng)市供電有限公司，浙江桐鄉(xiāng) 314500）

現(xiàn)階段，隨著5G智能手機[1]的不斷普及和5G通信基站[2]建設的大規(guī)模推進，RCS（Rich Communication Services&Suite，融合通信）消息[3]逐漸被廣大用戶所接受。由于5G 消息用戶無需下載微信等即時通信軟件[4]，便可在手機短信端實現(xiàn)多種智能化交互的特點，其已成為多方企業(yè)宣傳推廣業(yè)務時所采用的重要途徑。

能源互聯(lián)網[5]的不斷發(fā)展對電力系統(tǒng)的建設提出了更高標準的網絡傳輸要求，傳統(tǒng)電力通信網絡[6]的可靠性傳輸對整個電力系統(tǒng)起到至關重要的作用。然而在現(xiàn)實應用中，一些單一鏈路與共享鏈路間存在各種傳輸優(yōu)化策略問題，所以研究共享鏈路組的有效應用對于解決電力通信網絡傳輸問題具有重要意義[7-10]。

1 電力需求響應系統(tǒng)

1.1 電力需求響應系統(tǒng)架構總體設計

電力需求響應系統(tǒng)在電網規(guī)劃中占有重要地位。近年來，隨著5G技術與人工智能技術[11]不斷取得突破，自動需求響應系統(tǒng)也得到了持續(xù)發(fā)展，從而進一步提升電力需求響應的靈活性、可靠性和時效性。

在設計電力需求響應系統(tǒng)時，通常將整個系統(tǒng)劃分為三個層次，從上至下依次為應用層、網絡傳輸層和電力感知層，其總體架構如圖1 所示。

在電力需求響應系統(tǒng)中，電力感知層位于最底端，是整個系統(tǒng)的基礎組成部分。其主要由各種傳感器[12]、家用電器等需求響應終端設備組成。通過這些終端設備，可獲取使用者的用電習慣等信息，從而使得電網側用電響應分配狀況并做出自適應調整。

作為電力需求響應系統(tǒng)中承上啟下的關鍵層級，網絡傳輸層的主要作用是建立一個高質量的通信信道[13]，進而將下層感知到的用戶用電狀況信息傳輸?shù)骄唧w的業(yè)務應用層級。

在設計電力需求響應系統(tǒng)時，通常會設計一個自動需求響應平臺來實現(xiàn)應用層的具體功能。該自動需求響應平臺會同時結合感知層得到的用戶用電情況和電網側供電情況，并擇優(yōu)選取提前定制好的需求響應策略，再進行有效的供求匹配，最終實現(xiàn)電力的供求平衡。

1.2 基于共享風險鏈路組的網絡傳輸優(yōu)化

在整個電力需求響應系統(tǒng)的設計實現(xiàn)中，電力通信網絡架構起到了至關重要的作用。當整個通信網中某一條共享的鏈路發(fā)生故障時，所有經過該共享鏈路的通信鏈路均會出現(xiàn)故障并導致通信中斷。因此需要綜合考慮共享風險和鏈路風險集中的問題，以降低網絡通信故障的發(fā)生概率。

為了定量評估通信網絡中鏈路和節(jié)點的可用性程度，文中提出了兩個評價指標，分別為鏈路系統(tǒng)可用性和節(jié)點可用性。節(jié)點可用性基于鏈路系統(tǒng)可用性來實現(xiàn)，首先定義鏈路系統(tǒng)的可用性A，計算方法如下：

1) 卓越的可設計性。通過獲取損傷結構的裂紋參數(shù)、載荷類型和實際工況進行設計方案定制。選擇不同參數(shù)與力學性能的補片、膠粘劑，定制適用的修復工藝。采用最優(yōu)化的修復方案來提高再制造修復結構的承載能力，恢復構件的力學性能，提升可靠性。

式中，tMTTF是電力系統(tǒng)或電力設備，在無故障的狀態(tài)下正常運行至系統(tǒng)發(fā)生一次故障的平均間隔時間；tMTBF指的是系統(tǒng)或設備連續(xù)兩次發(fā)生故障的平均時間間隔，即系統(tǒng)或設備平均可正常運行的時間，可以發(fā)現(xiàn)若一個系統(tǒng)的tMTBF值越大，則該系統(tǒng)越可靠；tMTTR表示系統(tǒng)的恢復性能，其具體代表系統(tǒng)故障確認反應時間與系統(tǒng)維護所需時間之和，且當此值越小時，則說明該系統(tǒng)的恢復性能越高。

基于式（1），能夠得到節(jié)點x可用性AN(x)表示如下：

由此可得，記一段長為L(x,y)的通信鏈路的兩個端點分別為x、y，則其可用性AE(x,y)可定義為：

在網絡傳輸?shù)倪^程中，通信網絡鏈路的數(shù)量是一定的，因此當網絡需要傳輸?shù)臄?shù)據量過大時，通常會發(fā)生網絡擁堵問題。為了定量分析擁堵對系統(tǒng)網絡傳輸風險的影響程度，該文提出了一個擁堵-網絡風險指數(shù)。首先，定義通信網絡的擁堵率Vblock為：

其中，H表示待傳輸?shù)臉I(yè)務總數(shù)，K表示因為鏈路容量限制而無法進行鏈路分配的業(yè)務數(shù)量。

其次，將通信網絡的擁堵率Vblock與平均業(yè)務風險Rave歸一化，得到歸一化后的參數(shù)值分別為和。

最終，擁堵-網絡風險指數(shù)可定義如下式所示：

其中，m和n分別代表兩個參數(shù)，即網絡擁堵率與平均業(yè)務風險所占的權重。由此可得到，當通信網絡的擁堵程度越小且業(yè)務風險越低時，通信網絡的質量越高。

1.3 應用5G消息的需求響應業(yè)務推廣

現(xiàn)階段隨著5G 網絡傳輸技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)2G 時代的短信業(yè)務已無法滿足廣大用戶獲取信息的習慣，故5G 消息技術應運而生。以統(tǒng)一的GSMA RCS 通信標準為基礎，5G 消息可提供智能化消息交互、多媒體消息類型等多種全新的通信服務體驗。因此，5G 消息將會逐漸成為現(xiàn)階段人們獲取有效信息的主要載體。

該文設計的電力需求響應系統(tǒng)的應用推廣將采用基于5G 消息的人工智能技術，并通過實現(xiàn)企業(yè)級的消息助理與智能化客服服務，以幫助用戶快速了解自動需求響應系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方式，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的快速有效推廣，RCS 企業(yè)信息流轉過程如圖2所示。

圖2 RCS企業(yè)信息流轉過程

如圖2 所示，供電部門的企業(yè)級消息的流轉過程可概括如下：整個流程基于APIS 接口進行整體交互；不同于微信和QQ 等即時通信軟件[14]，5G 消息基于國內運行商機構的MaaP 能力；廣大用戶無需在手機等終端設備中下載具體的應用程序，僅通過原始的手機短信窗口便可實現(xiàn)與電力企業(yè)系統(tǒng)的交互，進而實現(xiàn)點對點的模式。更為重要的是，人工智能技術以及自然語言處理技術也應用其中，并使5G 消息更加貼近人類的語言環(huán)境，從而實現(xiàn)人工智能技術對基礎能力的不斷賦能。

1.4 系統(tǒng)設計實現(xiàn)

文中設計的電力需求響應系統(tǒng)以傳統(tǒng)電力需求響應系統(tǒng)的整體框架為基礎，并在此基礎上進行改進，以提升系統(tǒng)性能。其一方面能對網絡傳輸層的性能進行優(yōu)化：基于共享風險鏈路組技術，通過引入一個擁堵-網絡風險指數(shù)來定量評估網絡質量，同時綜合考慮通信網絡鏈路中存在的節(jié)點風險、鏈路風險和共享風險問題，從而顯著降低通信網絡傳輸過程中發(fā)生通信故障的可能性，提高系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和可靠性；另一方面，該系統(tǒng)的創(chuàng)新之處也在于5G 消息的應用：通過引入5G 消息類型，結合人工智能及自然語言處理技術，實現(xiàn)了該系統(tǒng)業(yè)務的智能化推廣。系統(tǒng)的設計實現(xiàn)架構如圖3 所示。

圖3 該文所提系統(tǒng)實現(xiàn)架構

2 仿真測試

2.1 實驗環(huán)境

在對該文提出的系統(tǒng)進行仿真驗證時，主要是對提出的基于共享風險鏈路組的網絡傳輸層優(yōu)化進行性能驗證，從而有效證明該系統(tǒng)具有較優(yōu)的網絡傳輸可靠性。

該實驗基于PC 機平臺，通過Matlab 仿真軟件進行系統(tǒng)性能驗證。其具體的仿真軟硬件環(huán)境參數(shù)配置如表1 所示。

表1 實驗軟硬件環(huán)境配置

在仿真過程中選用的網絡模型如圖4 所示，其來源于文獻[15]仿真采用的網絡模型。在每條網絡鏈路中，標識出的數(shù)字信息為具體的共享鏈路標識。

圖4 仿真用的網絡模型

2.2 實驗設計及結果分析

為驗證所提算法的性能，對提出的基于共享風險鏈路組的網絡傳輸優(yōu)化算法進行仿真實驗。在實驗中將該文算法命名為Propose，與專用通路保護算法（DPP）進行對比實驗。從圖5 中可以看出，共進行了10 次實驗仿真驗證，且在每次實驗的過程中，均以隨機生成的方式發(fā)起通信連接請求，并通過比較不同算法的損失率來驗證算法性能的優(yōu)劣。

圖5 不同算法的損失率比較

由圖5 可知，在多次實驗的過程中，提出算法的業(yè)務丟棄數(shù)量均明顯低于DPP算法，因此充分說明了所提算法與專用通路保護算法相比較而言，其網絡利用率更高且通信連接請求的損失率更低，同時還具有更優(yōu)的網絡可靠性。這是由于一方面該算法基于共享風險鏈路組的優(yōu)勢，當網絡中的通信連接請求對應的共享風險鏈路組彼此分離時，不同通信連接請求之間便可共用網絡資源，從而降低網絡鏈路中預留的帶寬資源總量，并提升網絡通信質量；另一方面，通過提出一個擁堵-網絡風險指數(shù)來定量實時評估網絡質量，不斷判斷節(jié)點風險與鏈路風險情況，從而為共享鏈路組的有效利用進行適應性指導[16-17]。

為進一步驗證文中算法性能，進行負載壓力測試實驗。通過模擬不同網絡負載壓力下整個通信網絡的阻塞率，對網絡傳輸情況進行驗證。如圖6-7 所示，二者分別為波長為2 和波長為4 時，網絡的傳輸質量情況。

圖6 波長為2時不同算法的阻塞率性能比較

通過圖6 可以看出，在傳輸光纖支持2 個波長傳輸?shù)那闆r下，無論整個通信鏈路網中的負載情況如何發(fā)生變化，相較于DPP 算法，所提算法均能有效降低整個通信傳輸網絡的擁堵程度并提升通信質量。

圖7 是在傳輸光纖能支持4 個波長傳輸時，網絡的阻塞率性能?？梢钥闯?，在波長為4 的情況下，提出算法的網絡阻塞率仍低于對比算法。同時當網絡負載較小時，所提算法的性能表現(xiàn)仍較為優(yōu)異。

圖7 波長為4時不同算法的阻塞率性能比較

3 結束語

文中基于5G 消息和共享風險鏈路組技術，提出了一種電力需求響應系統(tǒng)的設計方案。在整個系統(tǒng)的設計中，主要創(chuàng)新點在于應用共享鏈路組技術進行網絡傳輸層的整體優(yōu)化，采用擁堵-網絡風險指數(shù)實現(xiàn)了對網絡質量的定量評估。該方案綜合考慮了通信網絡鏈路中存在的各類風險，大幅降低了通信傳輸?shù)墓收习l(fā)生率，有效提高了系統(tǒng)的可靠性。采用5G 消息技術對電力需求響應系統(tǒng)進行整體的推廣應用，能有效提高整個系統(tǒng)使用率和參與度。