基于GOOSE技術智能變電站通信優化方法研究

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展，智能變電站是執行電壓改變的場所，為了把發電廠發出來的電能輸送到較遠的地方，需要根據實際的傳輸需求把低壓電變為高壓電，把高壓電變為低壓電，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，都需要對各智能設備進行信息傳輸和通信處理，采用IP協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快速報文需求的機制，GOOSE是建立在站控層共用網絡的基礎上，通過GOOSE技術進行智能變電站的通信優化設計，提高智能變電站的通信抗干擾能力和信道均衡性能，相關的通信優化技術的研究受到人們的極大重視[1]。

基于GOOSE技術的智能變電站通信借鑒公共設施通信體系，采用的是獨立組網通信方法，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，相關文獻進行了智能變電站的通信系統優化改進設計，其中，文獻[3]采用一種基于線性調頻拷貝相關的峰值檢測方法進行智能變電站的通信信號的自適應濾波檢測，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，補償介質對信號的畸變跟蹤性能不好，導致信道出現失真，而且該通信算法計算開銷較大，需要進行通信優化設計。文獻[4]提出一種基于頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)混合調制的智能變電站通信優化方法，結合自適應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據吞吐性能，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，數據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技術的基礎上，提出一種基于多層通信協議棧信道均衡的智能變電站通信優化方法，首先構建了智能變電站通信的GOOSE網絡結構體系模型，分析了智能變電站中GOOSE傳送信息的數據鏈路層傳輸模型，通過GOOSE（面向對象變電站通用事件）實現變電站報文傳輸和過壓保護之間信息交換，采用多層通信協議棧信道均衡方法進行通信信道均衡設計，結合碼間干擾抑制算法進行抗干擾濾波，以此實現智能變電站的通信優化，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越性能，得出有效性結論。

1 智能變電站通信的GOOSE網絡結構體系和數據傳輸鏈路層模型構建

1.1 智能變電站通信的GOOSE網絡結構體系

為了實現對智能變電站通信優化設計，在借鑒公共設施通信體系(UCA)的通用變電站狀態事件的基礎上，構建智能變電站通信的GOOSE網絡結構體系，智能變電站通信的GOOSE網絡結構布置在一個二維平面上的矩形目標區域A內，采用IEC61850-9-2標準，保證網絡上GOOSE報文的優先傳送，在GOOSE網絡結構體系中，區域A中的變電站節點隨機部署。通常一個智能變電站的通信傳輸系統包括以下幾個模塊：

1）微控制塊（MCU）：主要負責變電站層網絡的計算和拓撲分解功能；

2）通信模塊（Radio）：發送和接受數字化變電站的報文和消息；

3）感知模塊（Sensor）：在數據鏈路層進行環境和用電用戶信息的采樣，感知周圍環境，完善的計算機監控，通過收集的變電需求等相關信息，實現智能變電站系統的信息交換和監控。

綜上分析，得到智能變電站通信的GOOSE網絡結構體系示意圖如圖1所示。

圖1 智能變電站通信的GOOSE網絡結構體系

圖1中所示的智能變電站通信的GOOSE網絡結構體系為一個含有M1，M2…MN個傳感器節點的以太網網絡模型，過程層網絡與變電站層網絡放置在監測區域內不同位置，通過GOOSE（面向對象變電站通用事件）實現接收信號，GOOSE應用層協議具有信號處理能力，假設智能變電站通信的GOOSE網絡結構的輸入層為，其中，，初始單位跟蹤響應，其中，， j= 1,2,… ,m，在最大迭代次數tmax下進行最優控制，在等價非線性時變系統中，構建智能變電站通信的GOOSE網絡的前饋增益調節狀態模型，對于在正常狀態下的變電站網絡系統中動態節點進行自動測試，應答器的輸入表示為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點中建立無線傳輸信息通信網絡，由此得到地面子系統通過變電站發射的最優的發射功率為：

其中，sl(t)為發射換能器的空間-頻率特征，fc為調制頻率，在收、發兩端進行數據傳輸鏈的優化信道特征配準，信道配準的傳遞函數為：

其中， αn(t )為通信信號的復包絡， τn(t)傳輸時間延遲，設在時間段 內的發射功率為pi，通過陣元天線系統進行調制解調，實現信道優化。

1.2 智能變電站通信的數據傳輸鏈路層信道模型

在上述構建了智能變電站通信的GOOSE網絡結構的基礎上，構建智能變電站的數據傳輸鏈路層模型，基于GOOSE技術的智能變電站通信系統設計采用主動自導系統設計方案，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，在數據鏈路層中，假設引起信號的衰落的最優權系數β、懲罰因子C，前饋增益調節均方差函數：

其中，fi初始頻率，yi為輸出信號的復包絡，基于GOOSE技術，得到智能變電站通信管理過程控制的加權系數的迭代過程為：

在智能變電站的報文發射陣元（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的性能，得到控制系統從度量論域U到區間[0，1]的映射，如果系統的通信性能處于穩定階段，那么智能變電站通信離散控制系統在可靠性函數下建立Leslie-Gower模型，得到基于GOOSE技術的智能變電站通信控制對象的輸出狀態特征函數表示為：U → [0,1],? x ∈ U, x → SC( x)。采取不同的策略構建一組二元系數為（x，SC（x））的通信信道的狀態覆蓋集合。采用混合核函數構造自適應均衡控制器，尋找最優解，得到智能變電站自適應均衡核函數為：

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聯，通過時間狀態評估得到誤差估計先驗值，采用粒子群優化尋優，根據離散系統差分的思想，在最大迭代次數下，通過多徑信道擴展，從而可得輸出信號的復包絡為：

基于GOOSE技術的智能變電站通信的多徑信道的空間調制波束表示如下：

2 智能變電站通信信道均衡和抗干擾優化

在上述構建的智能變電站通信的數據傳輸鏈路層信道模型的基礎上，進行信道均衡設計，由于智能變電站在通信過程中受到強烈的電磁干擾，需要進行抗干擾設計，本文在基于GOOSE技術的基礎上，提出一種基于多層通信協議棧信道均衡的智能變電站通信優化方法，采用多層通信協議棧信道均衡方法進行通信信道均衡設計，結合碼間干擾抑制算法進行抗干擾濾波，以此實現智能變電站的通信優化，改進算法的實現過程描述如下：

GOOSE與站控層共用網絡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，通過IEEE802.1P協議的交換機進行通信鏈路傳輸，數據傳輸的誤差估計函數分別為，且有如下關系：

同時滿足:

變電站組網模式下，對于基于GOOSE技術的智能變電站通信調度信號，采用自適應波束形成取得空間指向性增益為：

基于P2P通信方式，通過GOOSE（面向對象變電站通用事件）實現到多徑信道的脈沖重構，得到輸出的沖激響應函數為：

GOOSE應用層協議中，進行智能變電站跟蹤調度，在進行單工通信中，信道自適應均衡的跟蹤誤差：ex=x-xd， eθ=θ-θd，求得變電站報文傳輸的連續信息載波頻率，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技術進行智能變電站通信的信道均衡狀態方程為：

圖2 智能變電站通信的濾波器設計原理框圖

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，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 仿真實驗與結果分析

為了測試本文算法在實現智能變電站優化通信中的性能，進行仿真實驗。仿真實驗在Windows 7環境下進行了測試，最大輻射距離Rmax為100 m。多徑擴展時間為172.4ms，通信系統采用IEC61850通信標準，GOOSE應用層協議中探測信號采用頻帶為4～12KHz、時寬為4 ms的線性調頻信號，進行數據通信仿真，系統內部損耗強度為SNR=0～150dB，系統正常工作時要求的最小輸出信噪比為-12dB，智能變電站進行數據收發的陣元數目M固定為5個，此時假設智能變電站數據傳輸通信信號為 s( t) =exp(j2π f0t )，其中f0=27 kHz，接收機的能量調度尺度范圍取0.34～1.58，不同陣元數目的接收陣間隔取0.345，在上述仿真環境和參數設定的基礎上，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節點在各不同陣元數目的分布情況如圖3所示。

圖3 變電站通信中報文收發陣元分布

根據上述陣元分布，進行數據通信，得到1個、3個、5個、7個與9個智能變電站的GOOSE應用層陣元的信道沖激響應如圖4所示，從圖可見，采用本文算法進行智能變電站通信，數據收發節點具有較好高的沖激響應指向性增益，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越性，采用通信誤碼率為測試指標，得到和傳統方法的對比結果如圖5所示，從圖可見，采用該算法，通信誤碼率較低，改善了通信質量。

圖4 智能變電站通信接收陣元的沖激響應

圖5 通信誤碼率對比

4 結束語

本文在基于GOOSE技術的基礎上，提出一種基于多層通信協議棧信道均衡的智能變電站通信優化方法，首先構建了智能變電站通信的GOOSE網絡結構體系模型，分析了智能變電站中GOOSE傳送信息的數據鏈路層傳輸模型，采用多層通信協議棧信道均衡方法進行通信信道均衡設計，結合碼間干擾抑制算法進行抗干擾濾波，以此實現智能變電站的通信優化。實驗結果表明，該通信優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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