基于5G 的輸電線路在線監(jiān)測網(wǎng)絡建模方法研究

尚軍利，袁文政，王宇博，羅 璇，劉建勇

(國網(wǎng)陜西省電力公司渭南供電公司，陜西 渭南 724000)

0 引言

高壓輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其安全運行對電力的穩(wěn)定傳輸至關重要。當前，常常采用在線監(jiān)測系統(tǒng)來對輸電線路的各方面指標進行監(jiān)測[1-2]。前端采用無線傳感網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network，WSN)，采集設備安裝在輸電桿塔附近的高壓輸電設備上，以獲取溫濕度、電流、傾斜度等指標，采集到的數(shù)據(jù)通過無線中繼的方式匯聚到變電站，變電站經(jīng)過光纖網(wǎng)將所有數(shù)據(jù)傳回到后端控制中心。

輸電線路在線監(jiān)測網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)傳輸速率與傳輸時延是評價網(wǎng)絡性能的主要指標。數(shù)據(jù)傳輸速率通常由所選擇網(wǎng)絡本身的參數(shù)確定，而傳輸時延則與所設計的檢測網(wǎng)絡結構有關。文獻[3]構建了基于無線傳感器網(wǎng)絡及光纖網(wǎng)絡的在線監(jiān)測層次化通信網(wǎng)絡，并提出了網(wǎng)絡多目標規(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)絡建設成本和數(shù)據(jù)傳輸延時為目標的多目標最優(yōu)化模型；文獻[4]設計了4 種適用于輸電線路狀態(tài)監(jiān)測的通信網(wǎng)絡及其數(shù)據(jù)傳輸架構，包括無線APN 專網(wǎng)、OPGW 光通信網(wǎng)、OPGW 光通信網(wǎng)+WiFi 等；文獻[5]提出了一種評估監(jiān)測網(wǎng)絡可靠性的方法；文獻[6]則從傳感器位置的合理布置方面提出了優(yōu)化改進模型；文獻[7]探討了5G 在電力領域的典型應用場景；文獻[8]設計了一種基于5G通信的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)架構，表明5G 已經(jīng)在智能電網(wǎng)建設中逐步得到應用。然而，這些研究對5G 應用的討論主要在框架層面，并未對網(wǎng)絡模型進行詳細的研究。

本文提出一種基于5G 的輸電線路在線監(jiān)測網(wǎng)絡模型，通過對輸電桿塔進行自適應分組，使整個監(jiān)測網(wǎng)絡在時延和能耗方面達到平衡，以獲得最優(yōu)的綜合性能。

1 輸電線路在線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸

1.1 WSN 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡

如圖1 所示，在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集部分由各類傳感器組成，其通信協(xié)議一般采用UART、RS485、RS232 等有線方式或者采用藍牙、ZigBee 等低功耗無線方式。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。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。中繼節(jié)點收到數(shù)據(jù)以后，將其向下一個中繼節(jié)點轉發(fā)，直到匯聚到變電站，最后在變電站通過光纖專網(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 線性中繼數(shù)據(jù)傳輸

線性中繼數(shù)據(jù)傳輸模型與輸電線路的布局特征十分吻合，沿著線路在每個輸電桿塔上配置無線中繼設備，線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 個中繼節(jié)點。左邊的中繼節(jié)點將向左邊轉發(fā)數(shù)據(jù)，右邊的中繼節(jié)點將向右邊轉發(fā)數(shù)據(jù)。在線性模型下完整的數(shù)據(jù)傳輸過程所用的時間總長為：

圖2 監(jiān)測網(wǎng)絡線性中繼模型示意圖

其中，SM為一個節(jié)點產(chǎn)生的監(jiān)測數(shù)據(jù)量，單位為B；R1為中繼節(jié)點采用的無線通信方式的數(shù)據(jù)傳輸速率；tc為CSMA/CA 機制信道訪問等待時長。

若線路有100 個中繼節(jié)點，相互之間采用ZigBee 通信，數(shù)據(jù)傳輸速率為31.25 KB/s，信道訪問等待時間為41 ms，每個桿塔處采集的數(shù)據(jù)大小量為2 KB，則計算得到傳輸時長為×0.041=82.85 s。可以看出，線性模型所產(chǎn)生的傳輸時延是很大的。

1.3 基于5G 的全連接數(shù)據(jù)傳輸

由于5G 通信技術具有高帶寬、低延時、長傳輸距離的優(yōu)良性能，因此可以采用5G 技術來改善線性模型的不足之處。假設每個中繼節(jié)點都安裝5G 通信設備，使其能夠往控制中心直接傳輸數(shù)據(jù)，則整個網(wǎng)絡的傳輸時延將只包含這一段長距離通信時長。設5G 通信數(shù)據(jù)傳輸速率為R2，則傳輸時延為。若R2=10 MB/s，則傳輸時間不到1 ms。然而，這種全連接結構在實際中是難以實現(xiàn)的。首先在每個節(jié)點處配置5G 通信模塊的成本是很高的，其次文獻[9]-[10]指出，5G 系統(tǒng)的能耗將會隨著與控制中心直接通信的節(jié)點數(shù)量的增加而大幅增加，遠大于ZigBee 等短距通信方式，因此與當前節(jié)能減排雙碳目標是不相符的。

2 基于5G 的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化模型

本文設計了一種平衡線性模型和5G 全連接模型的新模型，對所有節(jié)點自適應分組并選取其中部分節(jié)點作為5G 通信代理節(jié)點。新模型將平衡延時和能耗，達到綜合性能最優(yōu)。

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

圖3 優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸模型網(wǎng)絡結構圖

G1和Gk具有相同的時延和能耗，G2～Gk-1具有相同的時延和能耗。為了達到時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的時延。由于在G1中，每個節(jié)點通過線性中繼轉發(fā)數(shù)據(jù)到變電站，因此，總的數(shù)據(jù)傳輸時延為：

式中，第一項為傳輸數(shù)據(jù)需要的時間，第二項為信道訪問等待時間。

G2包含m2個節(jié)點，其中一個是與控制中心通信的代理節(jié)點，位于群組的中間位置，而其他節(jié)點通過線性中繼模式將自身數(shù)據(jù)發(fā)送到代理節(jié)點?？偟臄?shù)據(jù)傳輸時延為：

式中，第一項為傳輸數(shù)據(jù)需要的時間，第二項為信道訪問等待時間，第三項為代理節(jié)點通過5G 通信向控制中心傳輸數(shù)據(jù)需要的時間。

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)量和所采用無線通信方式有關。整條線路中繼過程所消耗的能量為：

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

此外，有k-2 個5G 代理節(jié)點，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 通信結束后系統(tǒng)轉為低功耗的拖尾時間所消耗的能量，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5G 通信所消耗的能量為：

因此，整個網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)消耗的能量為：

使時延和能耗綜合最優(yōu)，得到代價函數(shù)模型為：

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

3 實驗結果

實驗條件設置為：線路長度為50 km，共計100 個節(jié)點，兩端節(jié)點連接變電站。每個節(jié)點處采集的數(shù)據(jù)量大小SM分別設置為2 KB/4 KB，采集數(shù)據(jù)的周期為20 s/次。中繼節(jié)點采用ZigBee 通信，數(shù)據(jù)速率為31.25 KB/s，信道訪問等待時長tc=41 ms。5G 數(shù)據(jù)傳輸速率設為10 MB/s。5G 網(wǎng)絡參數(shù)設置為：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)送所用的時間。λ 分別設為0、0.2、0.5、0.8、1。通過模型求解，可以得到不同參數(shù)設置下的解，實驗結果如表1 所示。

表1 模型求解實驗結果

從表1 可以看出，隨著代價函數(shù)中參數(shù)λ 的取值不同，優(yōu)化模型對時延和能耗的關注度也不同，因此對節(jié)點的分組方案也有較大的不同。當λ 較小時，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，能耗低、延遲大，接近于線性中繼模型；當λ 變大時，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，延遲低、能耗大，特別是λ=1 時獲得分組方案即為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λ 不同時，數(shù)據(jù)量SM分別設置為2 KB、4 KB、6 KB 時模型獲得的不同方案對應的時延曲線圖。可以看出，隨著λ 由小變大，時延逐漸減小。而SM大小增加，對時延的影響是非常小的。

圖4 不同調控因子所給最優(yōu)方案的時延比較

圖5 展示了當λ 不同時，模型獲得的不同方案對應的能耗曲線圖。隨著λ 由小變大，能耗逐漸增大。由于當λ=1 時能耗極速增大，遠遠超過其他數(shù)值，因此沒有在同一張圖里畫出該點的值。

圖5 不同調控因子所給最優(yōu)方案的能耗比較

圖6 展示了λ=0.5 時不同分組方案的綜合性能比較。可以看出，在隨機選擇的11 組分配方案中，模型所給分組方案(4，16，34)的代價函數(shù)達到最小值，而其他分組方案得到的代價函數(shù)值都更大，證明所提出的模型是非常有效的。結合表1 可知，當λ 等于其他值時，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 結論

輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的延時和能耗是非常重要的指標。本文提出基于5G 的輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)建模方法，可調整系統(tǒng)對延時和能耗關注度的不同權重，給出最優(yōu)的節(jié)點分組方案，從而獲得時延和能耗綜合性能最優(yōu)的傳輸網(wǎng)絡。提出的模型可以方便地構建輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)方案，有助于智能電網(wǎng)達成雙碳節(jié)能目標。