面向需求響應(yīng)業(yè)務(wù)傳輸?shù)念A(yù)編碼優(yōu)化技術(shù)

金鑫，肖勇，羅鴻軒，王巖

(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州510663；2.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣州510663)

0 引言

電力需求側(cè)管理領(lǐng)域近年來(lái)獲得越來(lái)越多的關(guān)注，相關(guān)的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)際、國(guó)內(nèi)均獲得了認(rèn)可，用戶和電網(wǎng)之間的互動(dòng)已經(jīng)達(dá)成了國(guó)際上的共識(shí)。目前電網(wǎng)企業(yè)也將電力需求響應(yīng)資源作為電網(wǎng)可調(diào)節(jié)互動(dòng)的重要資源，以促進(jìn)電網(wǎng)的供需平衡[1]。2020年，部分省市已經(jīng)明確了要進(jìn)一步加大電力需求側(cè)的補(bǔ)貼力度和激勵(lì)標(biāo)準(zhǔn)，并促進(jìn)現(xiàn)貨市場(chǎng)的交易[2]。同年3月，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)在《2020年全國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化工作要點(diǎn)》中將電力需求側(cè)管理列為重點(diǎn)工作對(duì)象，并將可調(diào)節(jié)負(fù)荷互動(dòng)能力提升作為十四五發(fā)展的重要任務(wù)。我國(guó)已有的需求響應(yīng)試點(diǎn)項(xiàng)目開(kāi)始了從半行政化方式逐步向市場(chǎng)化方式的轉(zhuǎn)變，一旦進(jìn)入完全市場(chǎng)化的場(chǎng)景，現(xiàn)有的需求響應(yīng)調(diào)控策略并不能有效地實(shí)施。而且，若將需求響應(yīng)資源作為電網(wǎng)調(diào)控的對(duì)象，將對(duì)現(xiàn)有的系統(tǒng)提出更高的要求，如果將大量用戶資源進(jìn)行快速調(diào)度，需要設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)不同場(chǎng)景的資源聚合方案，以滿足系統(tǒng)級(jí)互動(dòng)的需要[3 - 4]。上海市將電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)互動(dòng)作為典型的商業(yè)案例進(jìn)行推廣，通過(guò)調(diào)整電動(dòng)汽車(chē)充電模式實(shí)現(xiàn)削峰填谷，同時(shí)還比對(duì)了私人充電樁、專(zhuān)用充電樁以及換電站的執(zhí)行效果。試點(diǎn)的159個(gè)互動(dòng)的私有充電樁站平臺(tái)比例約為5.3%，谷段負(fù)荷是平日負(fù)荷的7.8倍，專(zhuān)用樁和換電站更適合集中式管控。2020年重慶也完成了豐水期電力需求響應(yīng)方案，并規(guī)劃了中午和晚上2個(gè)短時(shí)需求響應(yīng)時(shí)段。河南省在2020年有序用電方案中也明確了需求響應(yīng)資源的地位、作用和補(bǔ)貼資金出處。

廣域需求響應(yīng)系統(tǒng)架構(gòu)包括了需求響應(yīng)控制中心、聚合商、以及需求側(cè)的建筑能源管理系統(tǒng)(building energy management system，BEMS)網(wǎng)關(guān)等實(shí)體。很多情況下，受限于企業(yè)信息化系統(tǒng)的安全性限制，聚合商無(wú)法發(fā)起能夠有效穿越防火墻的入站連接[5]。聚合商在其應(yīng)用服務(wù)器上設(shè)定功率削減指令，并等待每個(gè)能源管理網(wǎng)關(guān)連接進(jìn)行探詢。根據(jù)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，BEMS可通過(guò)1 min周期進(jìn)行輪詢的方式獲取削減指令，并報(bào)告當(dāng)前的實(shí)際電功率使用情況。為了支撐全面的能源交易，在西北太平洋地區(qū)智能電網(wǎng)示范工程(pacific northwest smart grid demonstration project，PNWSGDP)中實(shí)現(xiàn)了虛擬末端節(jié)點(diǎn)(virtual end node，VEN)的點(diǎn)到點(diǎn)交互[6]。當(dāng)可交易式能源 (transactive energy，TE)能夠被支持時(shí)，虛擬頂端節(jié)點(diǎn)(virtual top node，VTN)需要作為報(bào)告服務(wù)的強(qiáng)制提供者，可以承載用戶需求響應(yīng)(demand response，DR)和能源交易價(jià)格的對(duì)稱(chēng)性信號(hào)。

隨著信息通信技術(shù)的快速發(fā)展，需求側(cè)的信息化水平逐步提升，目前已經(jīng)有不少文獻(xiàn)開(kāi)展了針對(duì)電力需求響應(yīng)業(yè)務(wù)的信息通信技術(shù)優(yōu)化研究，其中包括DR業(yè)務(wù)流調(diào)度方案[7]、信息模型[8]、自適應(yīng)編碼技術(shù)等[9]。目前代表性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要包括OpenADR、SEP2.0、OASIS、IEEE 1888等，幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織所制定的標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重點(diǎn)并不完全相同[10 - 15]。為此我國(guó)還特意針對(duì)電力需求響應(yīng)業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系，從系統(tǒng)工程的角度整合現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[16]。其中，最為經(jīng)典的OpenADR提供了A，B兩個(gè)版本，其中版本A是版本B的子集，僅選用了最基礎(chǔ)的功能支撐簡(jiǎn)單信息交互，主要用于資源受限設(shè)備通過(guò)輕量化負(fù)載的方式完成互操作。版本B提供了配置完全的功能集，支持復(fù)雜通信、報(bào)告服務(wù)，可以用于智能型設(shè)備。其中，版本A包括了59條一致性測(cè)試規(guī)則，而版本B則多達(dá)147條。OASIS EI定義了一套龐大的信息模型體系，其中也考慮了凈荷的縮減以滿足資源受限條件下的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備需要。DL/T1867—2018《電力需求響應(yīng)信息交換規(guī)范》是我國(guó)參照openADR，結(jié)合國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)現(xiàn)狀，提出的一項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，用于需求響應(yīng)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)和實(shí)體間的信息交換，并逐步取代openADR作為國(guó)內(nèi)的電力需求響應(yīng)信息交換規(guī)范。本文從需求響應(yīng)業(yè)務(wù)傳輸優(yōu)化技術(shù)出發(fā)，在STC空時(shí)編碼的基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的預(yù)編碼策略，并通過(guò)仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 DR信息交互需求分析

IEC 61850信息模型在變電領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用，目前也在考慮集成DER分布式能源的信息模型。IEC 61850的信息模型框架理論上可以覆蓋OpenADR2.0b定義的全部信息，可根據(jù)IEC 61850的信息模型創(chuàng)建應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)。應(yīng)用程序可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中存入、取出信息而無(wú)需考慮具體的通信標(biāo)準(zhǔn)。聚合對(duì)象通過(guò)數(shù)據(jù)集定義的XML schema實(shí)現(xiàn)的，如CreateDataSet服務(wù)。但是在支撐具體的需求響應(yīng)業(yè)務(wù)方面，OpenADR2.0b定義的服務(wù)則更為全面，為了保持一定的兼容性，其數(shù)據(jù)對(duì)象實(shí)例是通過(guò)每個(gè)服務(wù)類(lèi)定義的XML schema實(shí)現(xiàn)，聚合對(duì)象則通過(guò)元數(shù)據(jù)的XML Schema進(jìn)行聲明。

圖1給出了ADR聚合系統(tǒng)的業(yè)務(wù)交互時(shí)序，需求響應(yīng)自動(dòng)化服務(wù)器(demand response automation server，DRAS)VTN負(fù)責(zé)創(chuàng)建DR請(qǐng)求事件，并發(fā)送給聚合商，聚合商在與ADR主站通信的過(guò)程中是作為VEN的角色存在的。聚合商負(fù)責(zé)區(qū)域范圍內(nèi)的負(fù)荷以及用戶能源管理系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制，通常管理較大數(shù)量的需求側(cè)資源，在通信過(guò)程中也存在高并發(fā)、高延遲、高沖突等問(wèn)題。在openADR2.0b中，聚合商可根據(jù)其自身所聚合的資源類(lèi)型，選擇性地對(duì)電網(wǎng)或者上一級(jí)聚合商提供服務(wù)。

傳統(tǒng)的DR業(yè)務(wù)通常被認(rèn)為發(fā)生在半小時(shí)或者更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，不需要DRAS能夠快速通告數(shù)據(jù)的變化，出于簡(jiǎn)單性考慮，目前絕大部分系統(tǒng)采用慢速通信的方式，利用OpenADR中的PULL信息交互方式進(jìn)行周期性的交互。DRAS VTN服務(wù)器與DRAS VEN客戶端間可以選擇PUSH或者PULL模式，每個(gè)客戶端周期性地讀取整個(gè)數(shù)據(jù)集，因?yàn)榭蛻舳藷o(wú)法獲知具體變化的數(shù)據(jù)項(xiàng)。通常，數(shù)據(jù)訪問(wèn)周期是由系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以及廣域網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)負(fù)載決定的。如果剛好在某個(gè)聚合商的客戶讀取數(shù)據(jù)后發(fā)生事件，此時(shí)該客戶將剛好錯(cuò)過(guò)該事件的瞬時(shí)捕獲，最壞情況是用戶在最大的周期時(shí)間內(nèi)才能夠讀取到事件的發(fā)生。當(dāng)然某些客戶端如果剛好在事件發(fā)生后讀取數(shù)據(jù)，雖然可以在很短時(shí)間范圍內(nèi)獲取到事件的變化，但是該數(shù)據(jù)卻未必是該客戶所關(guān)注的事件。

圖1 OpenADR數(shù)據(jù)傳送時(shí)序(以oadrEvent發(fā)布為例)Fig.1 OpenADR data transmission time sequence (taking oadrEvent publication as an example)

表1給出了不同需求響應(yīng)業(yè)務(wù)的特性分析，為了提升系統(tǒng)的業(yè)務(wù)傳輸性能，目前終端大多采用一般性糾錯(cuò)編碼，空時(shí)編碼(space time coding，STC)方式，通過(guò)信號(hào)的多路并行編碼提升系統(tǒng)容量，通過(guò)分集增益可以有效地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化條件。

表1 電力需求響應(yīng)業(yè)務(wù)流特征分析Tab.1 Analysis of power demand response business flow characteristics

2 基于STC碼的新型預(yù)編碼策略

2.1 STC編碼技術(shù)原理

在IEEE 1888中，TRAP機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)PUSH消息通知，然而在很多情況下會(huì)受到企業(yè)內(nèi)部防火墻限制，雖然可以通過(guò)預(yù)先修改防火墻配置實(shí)現(xiàn)消息的貫穿，但仍然是個(gè)棘手的問(wèn)題。該問(wèn)題主要是由于用戶發(fā)起連接的方向與服務(wù)器端發(fā)送PUSH消息通告時(shí)，所建立的連接方向不同造成的。在HTTP報(bào)文中，其報(bào)頭長(zhǎng)度較長(zhǎng)。由于需要向服務(wù)器端不斷地發(fā)送請(qǐng)求，如果采用HTTP輪詢Request請(qǐng)求的方式，會(huì)造成不必要的帶寬占用和資源浪費(fèi)，同時(shí)也就形成了需求響應(yīng)業(yè)務(wù)在傳輸過(guò)程中的不可信環(huán)境。目前在應(yīng)對(duì)不可靠環(huán)境下的信息傳輸方面，STC碼是一種比較有效的方案，能夠通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)流的編碼獲得較高的分集增益，其基本技術(shù)原理如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

考慮相鄰碼字的最小化誤差，取對(duì)應(yīng)最小秩為：

(6)

2.2 改進(jìn)的STC預(yù)編碼策略

常規(guī)的STC編碼由于信息傳輸過(guò)程受到信道變化條件影響較大，導(dǎo)致接收信息的質(zhì)量差別較大。在VTN和VEN之間的信道狀態(tài)變化相對(duì)緩慢，但是仍然需要對(duì)傳輸?shù)男畔⑼ǖ罓顟B(tài)進(jìn)行感知。采用常規(guī)的閉環(huán)通信反饋機(jī)制可以有效地反映信道的狀態(tài)，但是缺點(diǎn)是需要額外的控制開(kāi)銷(xiāo)，對(duì)于電力需求響應(yīng)終端而言并不經(jīng)濟(jì)。目前普遍采用的一種方案是直接通過(guò)在接收端的信號(hào)反饋獲取信道的實(shí)時(shí)狀態(tài)。對(duì)于多數(shù)據(jù)流編碼系統(tǒng)而言，可以通過(guò)不同支路間信息相關(guān)性實(shí)現(xiàn)信號(hào)的差錯(cuò)消除。雖然目前我國(guó)DL/T 1867—2018《電力需求響應(yīng)信息交換規(guī)范》已經(jīng)針對(duì)電力需求響應(yīng)業(yè)務(wù)定義了詳細(xì)的信息模型，但是在底層通信協(xié)議選擇和具體的編碼方式上并沒(méi)有做過(guò)多的約束，而是一種近似于開(kāi)放式的架構(gòu)。

本文將DR終端VTN和VEN間的發(fā)送的業(yè)務(wù)流進(jìn)行符號(hào)向量化為mb={b1,b2,…bN}，采用信息位相量突變最小化的方式生成對(duì)應(yīng)的傳輸系數(shù)加權(quán)矩陣。為了補(bǔ)償通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸影響，可對(duì)VEN接收到的信號(hào)進(jìn)行放大，其中補(bǔ)償系數(shù)βb可根據(jù)信道的實(shí)時(shí)傳輸性能進(jìn)行調(diào)整，為了準(zhǔn)確評(píng)估網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化，可通過(guò)對(duì)編碼信道的均衡結(jié)果進(jìn)行估算。以VTN向VEN發(fā)送數(shù)據(jù)為例，本文采用VTN端編碼的數(shù)據(jù)量和信道進(jìn)行估計(jì)，并通過(guò)信道補(bǔ)償系數(shù)βb進(jìn)行均衡修正。具體計(jì)算公式如下：

(7)

式中Tr為矩陣的跡運(yùn)算。

在VEN接收端則根據(jù)收到信號(hào)進(jìn)行還原，在破零均衡加權(quán)方陣WZF的基礎(chǔ)上，進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償校正為：

為了降低噪聲在DR信道中對(duì)VEN的影響，本文通過(guò)在VTN端的preSTC-MC預(yù)編碼方案實(shí)現(xiàn)，設(shè)定預(yù)編碼矩陣為：

(9)

preSTC-MC預(yù)編碼具體計(jì)算步驟如下。

1)導(dǎo)入系統(tǒng)配置參數(shù)，其中包括信息流分塊 、傳輸報(bào)文數(shù)、調(diào)制碼元比特位、編碼矩陣維度、信道系統(tǒng)SNR序列、噪聲序列；

2)將隨機(jī)噪聲序列導(dǎo)入信道模板中；

3)根據(jù)配置的信息流分塊，切分待發(fā)送的數(shù)據(jù)流，將比特流通過(guò)符號(hào)映射器形成傳輸碼元；

4)根據(jù)序列化后的符號(hào)，構(gòu)造Alamouti碼字，并嵌入預(yù)編碼矩陣，通過(guò)式(7)計(jì)算信道補(bǔ)償系數(shù)，執(zhí)行信息流預(yù)編碼；

5)接收端按照式(8)還原信號(hào)并進(jìn)行補(bǔ)償修正，同時(shí)計(jì)算相鄰符號(hào)幅度增益和相位旋轉(zhuǎn)評(píng)估計(jì)算BER指標(biāo)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文仿真過(guò)程采用OpenADR協(xié)議，遵從目前國(guó)際上通用一致性標(biāo)準(zhǔn)，集成了68項(xiàng)服務(wù)，本文選擇其中部分服務(wù)進(jìn)行仿真。平臺(tái)支持OpenADR 2.0a和2.0b版本協(xié)議規(guī)定的傳輸機(jī)制和安全機(jī)制，涵括VEN及VTN節(jié)點(diǎn)間的PUSH及PULL多種傳送模式。

本文統(tǒng)計(jì)DR業(yè)務(wù)流在信噪比(signal noise ratio，SNR)為0～20 dB區(qū)間范圍的誤比特率(bit error rate，BER)性能指標(biāo)，隨機(jī)仿真1 200個(gè)業(yè)務(wù)報(bào)文，隨著SNR增大，各編碼方案在網(wǎng)絡(luò)中均呈現(xiàn)出BER下降的趨勢(shì)，此處preZF選用文獻(xiàn)[17]的方法，preSTC-MC表示文本所提出的改進(jìn)型多流STC編碼方案，由于在preSTC的基礎(chǔ)上引入了信道的信息進(jìn)行自補(bǔ)償修正，取得了較好的信道編碼增益，在SNR為20 dB時(shí)，BER性能接近0.1%。值得注意的是，在信噪比相對(duì)較差的環(huán)境下preSTC-MC也仍然可以維持在20%左右的差錯(cuò)率。不同編碼方案下的BER性能分析如圖2所示。

圖2 不同編碼方案下的BER性能分析(NTb=40)Fig.2 BER performance analysis under different coding schemes(NTb=40)

為了比較不同編碼矩陣規(guī)模的影響，分析preSTC-MC的BER性能，本文還對(duì)比分析了不同編碼矩陣規(guī)模對(duì)preSTC-MC的BER性能影響。可以看出，當(dāng)SNR超過(guò)12 dB后，隨著SNR增大，BER迅速下降。編碼矩陣維度越高，其BER性能越優(yōu)，在SNR等于20 dB時(shí)，NTb=20和NTb=40的BER性能相差將近一倍。改進(jìn)STC策略在不同編碼矩陣下的BER性能分析如圖3所示。

圖3 改進(jìn)STC策略在不同編碼矩陣下的BER性能分析Fig.3 BER performance analysis of improved STC strategy under different coding matrices

雖然編碼矩陣的規(guī)模擴(kuò)大可以有效提升BER指標(biāo)，但是也并非不是完全沒(méi)有開(kāi)銷(xiāo)，為了量化評(píng)估不同編碼矩陣規(guī)模的大小影響，下面給出了NTb分別為4、20和40下的系統(tǒng)延時(shí)分析。此處為了準(zhǔn)確評(píng)估編碼矩陣的影響，所有其他計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)全部濾除。可以看出，NTb=40時(shí)的系統(tǒng)平均延時(shí)比NTb=20 時(shí)增長(zhǎng)將近一倍，平均延時(shí)為2.37 ms并在2～5 ms之間波動(dòng)，延時(shí)抖動(dòng)均方誤差為0.058 9，而在NTb=4時(shí)僅為0.016。改進(jìn)STC策略在不同編碼矩陣下的時(shí)延性能分析如圖4所示。

圖4 改進(jìn)STC策略在不同編碼矩陣下的時(shí)延性能分析Fig.4 Time delay performance analysis of improved STC strategy under different coding matrices

本文所提出的preSTC-MC算法由于在preZF基礎(chǔ)上引入了信道編碼補(bǔ)償系數(shù)計(jì)算，因此在計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)方面相比于其他方法略高，為了客觀分析preSTC-MC的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)，本文在表2中還給出了不同算法對(duì)比分析。可以看出，preSTC-MC的最大計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)平均在1.3～1.7 ms之間，相對(duì)于preSTC和preZF算法的平均計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)分別增大0.37 ms和0.29 ms，仍然處于較低的水平。考慮到preSTC-MC在BER方面的優(yōu)越表現(xiàn)，所增加的開(kāi)銷(xiāo)代價(jià)在可接受的范圍之內(nèi)。不同編碼算法的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)比較如表2所示。

表2 不同編碼算法的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)比較Tab.2 Comparison of computing costs of different coding algorithmss

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于傳統(tǒng)STC編碼設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型STC預(yù)編碼方案，針對(duì)DR業(yè)務(wù)傳輸數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)信道傳輸系數(shù)補(bǔ)償矩陣以提升業(yè)務(wù)的抗干擾特性，并驗(yàn)證了該方法對(duì)于系統(tǒng)傳輸性能的提升效果。目前，居民用戶被選作參與智能電網(wǎng)需求響應(yīng)的關(guān)鍵對(duì)象，而目前對(duì)于居民用戶參與需求響應(yīng)的潛力、所能夠響應(yīng)的容量、響應(yīng)的速度等均不可知，未來(lái)需求側(cè)還需要引入更多的信息納入VTN服務(wù)器的計(jì)算范疇。除了針對(duì)信息的編碼技術(shù)外，還可以在DR通信協(xié)議棧的其他層次進(jìn)行優(yōu)化。未來(lái)可以考慮采用WebSocket技術(shù)，由VEN利用HTTP的周知端口向VTN發(fā)起WebSocket的TCP連接，一旦VTN服務(wù)器端發(fā)生數(shù)據(jù)變化，則可以實(shí)現(xiàn)消息的立即推送，通過(guò)協(xié)議棧的多個(gè)層級(jí)聯(lián)動(dòng)的組合型優(yōu)化，進(jìn)一步提升DR業(yè)務(wù)的傳輸性能指標(biāo)。