基于NOMA方式下保证电网可观测性的资源分配策略制造技术

本发明专利技术公开了一种以保证智能电网系统可观测性为前提，同时满足QoS通信时延情况下，以上行链路非正交多址方式为PMU分配通信资源的策略，本发明专利技术中通信资源包括带宽资源和功率资源。本发明专利技术采用非正交多址方式，基于模拟退火算法和二分法提出该方式下带宽资源和功率资源的分配算法，该算法能够保证电网可观测性性能的同时，相比于OMA方式能提升20％左右频谱效率。同时使用有效容量理论引从统计角度保证通信延迟小于时延阈值，对数据实时性进行要求。最终给出电网系统满足时延要求的情况下基于上行NOMA方式时通信资源的最优分配方案，并且使得保证电网可观测性性能、通信性能的同时大幅度提升频谱效率。大幅度提升频谱效率。

【技术实现步骤摘要】
基于NOMA方式下保证电网可观测性的资源分配策略


[0001]本专利技术涉及移动通信系统技术和智能电网系统领域，尤其是一种基于NOMA方式下保证电网可观测性的资源分配策略。

技术介绍

[0002]随着智能电网概念被提出且被视为未来电网系统的发展方向，电网的网络拓扑变得比以往更为复杂。因此需要一个有效的能源管理系统来引导能源的流动。此外，可再生能源的波动性和易变性、电动汽车相关的不确定性、电价变化导致的负载随时间不断变化等等都给电力系统带来了新的挑战。为了实现电力系统的稳定运行，实现对电网系统的运行状态的实时监控，需要保持电网的可观测性。这样的目标需要借助PMU才能达成。

技术实现思路

[0003]本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种基于NOMA方式下保证电网可观测性的资源分配策略，使得保证电网可观测性性能、通信性能的同时大幅度提升频谱效率。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术结合了电网可观测性，有效容量理论，非正交多址技术，二分查找算法以及模拟退火算法。包括如下步骤：
[0005]步骤1：结合NOMA技术和有效容量理论，得到基于上行链路NOMA和满足通信约束下智能电网可观测性的系统模型；
[0006]步骤2：基于模拟退火算法和二分查找提出资源分配算法对所述系统模型进行求解，得到NOMA系统的用户分组结果、分组内功率分配方案和分组间的通信带宽分配方案。
[0007]优选的，步骤1具体步骤：
[0008]步骤1.1：利用电网系统的网络拓扑结构和PMU安装位置验证电网可观测性；使用有效容量理论将通信延迟纳入到电网可观测性系统模型中，并计算PMU所产生的数据包在设定的延迟阈值内传输到控制中心的概率；
[0009]步骤1.2：得到基于上行链路NOMA和满足通信约束下智能电网可观测性的系统模型。
[0010]优选的，步骤1.1具体包括：
[0011]步骤1.1.1：在一个包含N条总线的电网中，电网连接矩阵H的元素用如下方式表示：当i＝j或总线i与总线j相连时，h
i,j
＝1，其他情况下，h
i,j
＝0；
[0012]步骤1.1.2：使用二元列向量x＝{x1,x2,
…
,x
N
+
T
来表示网络中的节点是否安装了PMU；向量x的元素由如下方式给出：当总线节点安装有PMU时，x
i
＝1，否则，x
i
＝0；
[0013]步骤1.1.3：如果一个总线的电压和电流相量可同时得到，则该总线称为可观测总线；由此，总线可观测性向量b导出为：
[0014]b＝Hx
[0015]其中总线可观测性向量b中的每个元素b
i
表示可以使总线i完全可观测的PMU的数量；
[0016]步骤1.1.4：假设电网共安装了K个PMU，记为PMU
k
，并且有k＝1,2,
…
,K和K≤N；保证PMU
k
以概率0≤p
k
≤1满足D
max
的通信延迟要求，即
[0017]Pr{d
k
≤D
max
+＝p
k
[0018]步骤1.1.5：考虑通信延迟约束时系统可观测性建模如下：定义一个向量，表征D
max
内每个PMU传输的成功概率，P＝{P1,P2,
…
,P
N
}，该向量的元素由如下方式给出：如果PMU
k
安装在总线i，则P
i
＝p
k
，否则，P
i
＝0；由此得到满足通信延迟约束时的电网可观测性向量表示为：
[0019][0020]其中Λ
Q
表示对角通信约束矩阵，定义为：
[0021]Λ
Q
＝diag{Q1,Q2,
…
,Q
N
}
[0022]Q
i
,i∈{1,2,
…
,N}，是二元随机变量，它的概率质量函数由下式给出：
[0023]Pr{Q
i
＝1}＝P
i
[0024]Pr{Q
i
＝0}＝1
‑
P
i
[0025]同时得到满足通信延迟约束时下的期望电网可观测性向量表示为：
[0026][0027]其中Λ
P
表示对角概率矩阵，定义为：
[0028]Λ
P
＝diag{P1,P2,
…
,P
N
}
[0029]步骤1.1.6：有效容量公式写为：
[0030][0031]其中C表示系统在单个时间块内的吞吐量，T表示一个时间块的持续时间，θ表示QoS指数，当θ
→
0时，有效容量近似为香农容量；
[0032]步骤1.1.7：假设PMU
k
被分配了B
k
的带宽，其对应的信噪比记为SNR
k
，由PMU
k
和基站之间的衰落信道决定；因此，对于PMU
k
，其有效容量表示为：
[0033][0034]其中是归一化QoS指数；
[0035]步骤1.1.8：基于有效容量理论以及排队理论，得到：
[0036][0037]优选的，步骤1.2中所述系统模型表示为：
[0038][0039]优化目标函数具体形式为如下三种表现形式之一：
[0040](1)当重点考虑在满足通信约束条件下来提升智能电网系统可观测性冗余度时，目标函数此时为：
[0041][0042](2)当重点考虑在满足通信约束条件下来提升智能电网系统可观测性敏感度的性能时，目标函数此时为：
[0043][0044](3)当重点考虑通过优化每条总线的可观测性随机变量高于期望阈值常向量的概率来提升系统性能时，目标函数此时为：
[0045][0046]其中λ为预期可观测性，为1
×
N维的常向量。
[0047]优选的，步骤2具体包括：
[0048]步骤2.1：基于NOMA方式为PMU设备分配通信资源，得到配对结果；
[0049]步骤2.2：给定带宽分配方案、功率分配方案后求解QoS指数；
[0050]步骤2.3：给定带宽分配方案求解功率分配方案；
[0051]步骤2.4：使用模拟退火算法求解带宽资源分配方案。
[0052]优选的，步骤2.1具体包括：
[0053]步骤2.1.1：假设某个用户分组由PMU
a
和PMU
b
两个设备组成，一个分组内总的发送功率表示为P，采用固定功率分配方案，即PMU
i
的发送功率为α
i
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于NOMA方式下保证电网可观测性的资源分配策略，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：结合NOMA技术和有效容量理论，得到基于上行链路NOMA和满足通信约束下智能电网可观测性的系统模型；步骤2：基于模拟退火算法和二分查找提出资源分配算法对所述系统模型进行求解，得到NOMA系统的用户分组结果、分组内功率分配方案和分组间的通信带宽分配方案。2.根据权利要求1所述的基于NOMA方式下保证电网可观测性的资源分配策略，其特征在于，步骤1具体步骤：步骤1.1：利用电网系统的网络拓扑结构和PMU安装位置验证电网可观测性；使用有效容量理论将通信延迟纳入到电网可观测性系统模型中，并计算PMU所产生的数据包在设定的延迟阈值内传输到控制中心的概率；步骤1.2：得到基于上行链路NOMA和满足通信约束下智能电网可观测性的系统模型。3.根据权利要求2所述的基于NOMA方式下保证电网可观测性的资源分配策略，其特征在于，步骤1.1具体包括：步骤1.1.1：在一个包含N条总线的电网中，电网连接矩阵H的元素用如下方式表示：当i＝j或总线i与总线j相连时，h
i,j
＝1，其他情况下，h
i,j
＝0；步骤1.1.2：使用二元列向量x＝{x1,x2,
…
,x
N
}
T
来表示网络中的节点是否安装了PMU；向量x的元素由如下方式给出：当总线节点安装有PMU时，x
i
＝1，否则，x
i
＝0；步骤1.1.3：如果一个总线的电压和电流相量可同时得到，则该总线称为可观测总线；由此，总线可观测性向量b导出为：b＝Hx其中总线可观测性向量b中的每个元素b
i
表示可以使总线i完全可观测的PMU的数量；步骤1.1.4：假设电网共安装了K个PMU，记为PMU
k
，并且有k＝1,2,
…
,K和K≤N；保证PMU
k
以概率0≤p
k
≤1满足D
max
的通信延迟要求，即Pr{d
k
≤D
max
}＝p
k
步骤1.1.5：考虑通信延迟约束时系统可观测性建模如下：定义一个向量，表征D
max
内每个PMU传输的成功概率，P＝{P1,P2,
…
,P
N
}，该向量的元素由如下方式给出：如果PMU
k
安装在总线i，则P
i
＝p
k
，否则，P
i
＝0；由此得到满足通信延迟约束时的电网可观测性向量表示为：其中Λ
Q
表示对角通信约束矩阵，定义为：Λ
Q
＝diag{Q1,Q2,
…
,Q
N
}Q
i
,i∈{1,2,
…
,N}，是二元随机变量，它的概率质量函数由下式给出：Pr{Q
i
＝1}＝P
i
Pr{Q
i
＝0}＝1
‑
P
i
同时得到满足通信延迟约束时下的期望电网可观测性向量表示为：其中Λ
P
表示对角概率矩阵，定义为：Λ
P
＝diag{P1,P2,
…
,P
N
}
步骤1.1.6：有效容量公式写为：其中C表示系统在单个时间块内的吞吐量，T表示一个时间块的持续时间，θ表示QoS指数，当θ
→
0时，有效容量近似为香农容量；步骤1.1.7：假设PMU
k
被分配了B
k
的带宽，其对应的信噪比记为SNR
k
，由PMU
k
和基站之间的衰落信道决定；因此，对于PMU
k
，其有效容量表示为：其中是归一化QoS指数；步骤1.1.8：基于有效容量理论以及排队理论，得到：4.根据权利要求3所述的基于NOMA方式下保证电网可观测性的资源分配策略，其特征在于，步骤1.2中所述系统模型表示为：优化目标函数具体形式为如下三种表现形式之一：(1)当重点考虑在满足通信约束条件下来提升智能电网系统可观测性冗余度时，目标函数此时为：(2)当重点考虑在满足通信约束条件下来提升智能电网系统可观测性敏感度的性能时，目标函数此时为：(3)当重点考虑通过优化每条总线的可观测性随机变量高于期望阈值常向量的概率来提升系统性能时，目标函数此时为：其中λ为预期可观测性，为1
×
N维的常向量。5.根据权利要求1所述的基于NOMA方式下保证电网可观测性的资源分配策略，其特征在于，步骤2具体包括：步骤2.1：基于NOMA方式为PMU设备分配通信资源，得到配对结果；步骤2.2：给定带宽分配方案、功率分配方案后求解QoS指数；步骤2.3：给定带宽分配方案求解功率分配方案；步骤2.4：使用模拟退火算法求解带宽资源分配方案。6.根据权利要求5所述的基于NOMA方式下保证电网可观测性的资源分配策略，其特征在于，步骤2.1具体包括：步...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘楠，詹啟焱，潘志文，尤肖虎，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：