韓偉，吳春紅，孔圣立，高利明，高輝

（1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南鄭州 450052；2.南京郵電大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京 210000）

智能變電站無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源共享策略

韓偉1，吳春紅1，孔圣立1，高利明1，高輝2

（1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南鄭州 450052；2.南京郵電大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京 210000）

提出一種面向智能變電站的、由基站與無線拉遠(yuǎn)單元互補(bǔ)構(gòu)成的層次化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)變電站內(nèi)/外無線信號覆蓋；并通過允許智能變電站內(nèi)終端直接通信方式實現(xiàn)站內(nèi)通信，從而為站內(nèi)通信終端與站外通信終端共享物理資源研究一種合理的頻段與功率分配算法，以緩解智能電網(wǎng)無線頻率資源緊張的難題。仿真結(jié)果表明，該網(wǎng)路結(jié)構(gòu)及資源共享算法能夠很好的支撐智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)接入，同時提供了較高的本地通信頻率復(fù)用增益，從而整體提升了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)承載能力。

機(jī)器類通信；智能電氣終端；智能變電站；無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；資源共享策略

信息通信基礎(chǔ)設(shè)施是實現(xiàn)智能電網(wǎng)信息流雙向的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的基于變電站的通信方式是依賴于有線通信與電力線載波，實現(xiàn)變電站內(nèi)部測控裝置之間、一次設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)測等業(yè)務(wù)承載，該通信網(wǎng)絡(luò)部署施工難度較大，且管理維護(hù)成本較高[1]。隨著智能變電站的發(fā)展，產(chǎn)生了對變電站內(nèi)部移動巡檢、設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)測、電力基建視頻、應(yīng)急通信等移動性、寬帶化的需求，這就對通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋提出了較高的要求[2]。構(gòu)建廣覆蓋、靈活接入、寬帶化的智能變電站無線通信網(wǎng)絡(luò)可以很好地解決這些難題[3-4]。

特別的，無線通信技術(shù)由于其靈活的接入能力和良好的移動性，不受制于地理條件，可以實現(xiàn)對于大規(guī)模智能電網(wǎng)終端提供可靠通信的快速部署[5-8]。因此，針對智能電網(wǎng)無線專網(wǎng)研究，正成為熱點(diǎn)問題。

本文將智能變電站業(yè)務(wù)需求按照地域劃分為本地業(yè)務(wù)和廣域業(yè)務(wù)2大類[9-13]。本地業(yè)務(wù)是指發(fā)生在智能變電站內(nèi)部的通信需求，如移動巡檢、變電站內(nèi)部視頻監(jiān)控和設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)測等；廣域業(yè)務(wù)主要包含配用電通信業(yè)務(wù)，如用電信息采集、配電自動化和電動汽車充電樁（站）等。并在此基礎(chǔ)之上，提出一種如圖1所示面向智能電網(wǎng)應(yīng)用的智能變電站層次化的無線異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[14-17]。該結(jié)構(gòu)包含了建設(shè)與智能變電站內(nèi)部的基站與向外延伸的無線拉遠(yuǎn)單元，其中無線拉遠(yuǎn)單元可以有效補(bǔ)充覆蓋盲區(qū)，實現(xiàn)覆蓋范圍的擴(kuò)大[18-20]。

本文基于無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在考慮突出覆蓋面積的同時，充分挖掘無線網(wǎng)絡(luò)容量潛能，最大可能滿足變電站內(nèi)部本地業(yè)務(wù)和廣域業(yè)務(wù)的通信需求。針對層次化智能變電站無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)開展本地通信直連終端復(fù)用上行通信鏈路資源算法研究，可以有效抑制資源復(fù)用帶來的同頻干擾。同時，最大可能地提供本地通信速率并保障上行采集類業(yè)務(wù)的可靠性與有效性。

圖1 智能變電站典型的層次化無線專網(wǎng)模型Fig.1 Model of a typical wireless special network with hierarchical structure in a smart substation

1 智能變電站無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型

本文考慮智能變電站無線專網(wǎng)系統(tǒng)，在變電站內(nèi)部建設(shè)基站鐵塔；基站基帶處理單元BBU（baseband unit）放置在智能變電站內(nèi)通信機(jī)房且通過回傳網(wǎng)上聯(lián)至地市公司核心網(wǎng)；通過在智能配用電業(yè)務(wù)密集地區(qū)建設(shè)無線拉遠(yuǎn)單元RRU（remote radio unit）的方式擴(kuò)展無線專網(wǎng)小區(qū)覆蓋范圍，拉遠(yuǎn)單元RRU通過光纖鏈接到智能變電站內(nèi)BBU；拉遠(yuǎn)單元RRU可以改善附近無線信號覆蓋質(zhì)量，達(dá)到信號盲區(qū)消除的目的，因此極大擴(kuò)展了小區(qū)覆蓋范圍，降低了投資。由BBU與鐵塔構(gòu)成的宏基站單元和無線RRU共存的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)成了智能變電站層次化的無線專網(wǎng)系統(tǒng)。

采用拉遠(yuǎn)單元RRU擴(kuò)展小區(qū)覆蓋范圍是一種數(shù)據(jù)集中策略，類似于用電信息采集的集中器，或者數(shù)據(jù)集中單元DAU（data aggregation unit）。這種數(shù)據(jù)“集中”后再上傳/廣播的思想將廣泛適用于智能電網(wǎng)信息通信建設(shè)，可以有效降低由于終端分布點(diǎn)多面廣帶來的通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)難度。

智能變電站內(nèi)部及外部所有處于小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)的智能配電用電終端可以通過拉遠(yuǎn)單元RRU或者直接與基站建立連接，完成數(shù)據(jù)的上下行傳輸。假設(shè)單個基站承載了智能變電站內(nèi)部、外部所有類型業(yè)務(wù)，覆蓋范圍內(nèi)可接入終端N個，智能變電站內(nèi)部采用設(shè)備間直接通信方式通信設(shè)備對有D對。本文將采用“終端”嚴(yán)格定義傳統(tǒng)的與基站或者RRU相連的無線通信終端，而將智能變電站內(nèi)部具有本地通信需求且直接通信的無線終端定義為“設(shè)備對”；針對該定義，本文采用下標(biāo)n=1，2，…，N和d= 1，2，…，D分別索引終端與設(shè)備對。

N個終端之間采用正交方式復(fù)用小區(qū)內(nèi)部頻率資源，這樣可以有效保證智能配用電無線終端之間不存在同頻干擾，從而有效保障了通信的可靠性、有效性與安全性。D個設(shè)備對之間采用直接通信方式，且復(fù)用小區(qū)內(nèi)終端的頻段資源。在層次化的智能變電站無線通信系統(tǒng)中，構(gòu)成了一個2層異構(gòu)通信系統(tǒng)，即智能變電站內(nèi)部本地通信網(wǎng)絡(luò)疊加于整個小區(qū)的無線接入網(wǎng)之上。本文所述智能變電站無線通信系統(tǒng)不依賴于某一具體的無線通信技術(shù)，如長期演進(jìn)（long term evolution，LTE），碼分多址（code division multiple access，CDMA），全球無線通信系統(tǒng)（global system for mobile communication，GSM）等，這就為建設(shè)智能變電站異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)選型方面提供了足夠的自由度。

智能電網(wǎng)配用電業(yè)務(wù)的顯著特點(diǎn)為上行傳輸數(shù)據(jù)遠(yuǎn)大于下行控制信號傳輸。用電信息采集，配用電自動化二遙終端、分布式新能源采集、電動汽車充電樁（站）等業(yè)務(wù)需要上傳大量的采集數(shù)據(jù)；相比之下，“三遙”、負(fù)荷控制等終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小，但對時延與可靠性要求較高。因此，智能變電站無線通信系統(tǒng)宜采用時分雙工（time division duplex，TDD）通信方式，通過配置更多的上行時隙來滿足智能配用電業(yè)務(wù)上行通信的需求。

在變電站內(nèi)部，本地通信也有較高的帶寬需求，例如變站內(nèi)視頻監(jiān)控、機(jī)器人移動巡檢等業(yè)務(wù)，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，變電站內(nèi)部本地通信對帶寬流量需求較大，盡管業(yè)務(wù)承載需求處于基站附近，信號覆蓋較好，但是如果將空口頻率資源分配給這些高帶寬業(yè)務(wù)，將極大的消耗基站上/下行頻率資源，從而很大程度上影響了智能變電站外部的業(yè)務(wù)傳輸，限制了無線專網(wǎng)的覆蓋范圍和可接入終端數(shù)目。

為了改善智能變電站本地通信業(yè)務(wù)質(zhì)量，提高無線通信系統(tǒng)的系統(tǒng)容量，本文提出構(gòu)建一種異構(gòu)通信方式來解決這些問題。具體而言，就是允許智能變電站本地通信設(shè)備對復(fù)用其他配用電終端的通信資源。由于本地通信距離較近，因此無線鏈路的大尺度衰落較低，僅僅需要極低的發(fā)射功率即可獲得較好的接收信噪比，從而滿足數(shù)據(jù)的傳輸需求。

圖1是一個典型的實現(xiàn)方案。這樣一個層級式的網(wǎng)絡(luò)包含智能變電站本地通信與智能配用電業(yè)務(wù)，所有的終端就近接入附近的RRU或者基站，而設(shè)備對之間直接建立通信鏈路，且復(fù)用終端的頻率資源。令xd，n∈〈0，1〉作為設(shè)備對復(fù)用第n個終端的頻段n，如果xd，n=1，設(shè)備對將與第n個終端在相同的頻段上傳輸數(shù)據(jù)。否則，xd，n=0。為最大限度地利用頻率資源，令每個設(shè)備對復(fù)用多個終端的頻段資源，于是有：

由式（1）可以看出，每個設(shè)備對可以復(fù)用多個終端資源，從而構(gòu)成了多載波通信，有效保證了智能變電站內(nèi)部通信的高帶寬需求。而過去針對設(shè)備間通信研究還僅僅局限于復(fù)用單個頻段資源的簡單場景[14-19]。因此，本文的適用范圍更加廣泛。綜上，本文可以獲得的資源復(fù)用限制條件為：

式（2）說明每個頻段只能被單個設(shè)備對復(fù)用。這樣做的目的是減少不同設(shè)備對之間、設(shè)備對與終端之間的同頻干擾，同時也減少了系統(tǒng)的信令開銷，有利于提高通信質(zhì)量，便于系統(tǒng)運(yùn)行管理。

如圖2所示，在同一頻段資源上，終端會對設(shè)備對的接收側(cè)產(chǎn)生同頻干擾，反之，設(shè)備對的發(fā)送側(cè)對終端到基站的信號產(chǎn)生干擾；本文定義設(shè)備對之間的傳輸信道為hd，n，設(shè)備對到基站的干擾信道為終端到基站的傳輸信道為hn，終端到設(shè)備對接收側(cè)的干擾信道為本文引入作為4類信道的歸一化信道，σ分別為基站側(cè)與設(shè)備對接收側(cè)信道上的加性白高斯噪聲方差。依據(jù)以上上述四類歸一化信道系數(shù)的定義，可以獲得終端n的數(shù)據(jù)傳輸速率為：

以及設(shè)備對d在頻段n上的傳輸速率為：

式中：Pn和Pd，n分別為終端n和設(shè)備對d在頻段n上的發(fā)送功率。

圖2 無線專網(wǎng)、干擾信道與傳輸信道示意圖Fig.2 The illustration of wireless network，interference and transmission channels

這里需要強(qiáng)調(diào)的是，由于智能變電站內(nèi)部直接通信的設(shè)備對復(fù)用終端的頻率資源，這就帶來了一個優(yōu)先級保障的策略問題；一方面，終端上行傳輸有著更高的優(yōu)先級，這是由于資源歸屬決定的；另一方面，變電站內(nèi)部設(shè)備對通信也面臨著業(yè)務(wù)的關(guān)鍵性保障，如視頻監(jiān)控、機(jī)器人巡檢等業(yè)務(wù)，也需要保障足夠的帶寬與傳輸速率。因此，本文采取的方式就是在保障所有上行傳輸終端的最低傳輸速率同時，盡可能最大化設(shè)備對的傳輸速率，也即盡可能最大化本地通信容量，從而滿足本地通信需求。在極端情況下，設(shè)備對通信無法通過復(fù)用上行資源而完成數(shù)據(jù)的可靠傳輸，則以傳統(tǒng)的基站中繼方式接入通信網(wǎng)絡(luò)，這樣就可以保障通信的可靠性，但是這是以擠占更多的頻率資源為代價。關(guān)于保障終端上行通信的最低速率條件可以表達(dá)為：

式中：Rn為終端n最低上行通信速率。本文將為所有待傳輸信息的本地通信設(shè)備對分配合理的頻段資源，同時控制設(shè)備對和終端的發(fā)送功率，從而達(dá)到最大化所有設(shè)備對和速率，同時保障所有終端上行通信不受任何損傷。

基于最優(yōu)化問題的描述，本文將該優(yōu)化問題建模為一個頻段與功率聯(lián)合分配的問題。優(yōu)化問題可表達(dá)為：

式中：Pd和Pn分別為設(shè)備對d和終端n的總發(fā)送功率。至此，本文針對智能變電站無線通信系統(tǒng)開展異構(gòu)通信建模，將該系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個頻段和功率聯(lián)合分配的優(yōu)化問題，解決了本地通信復(fù)用上行傳輸信道資源的問題，提高了本地通信的資源利用率，同時保障了上行通信可靠性與有效性。由本地通信復(fù)用帶來的系統(tǒng)容量增益可用于接入變電站內(nèi)部通信業(yè)務(wù)。

通過觀察優(yōu)化問題式（6）可以發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)函數(shù)式（6a）與約束條件式（6b）是非線性、非凸的，這就導(dǎo)致原問題是一個非凸優(yōu)化問題；同時，由于頻段分配變量是離散的，而功率優(yōu)化變量是連續(xù)的，因此，優(yōu)化問題式（6）還是一個組合優(yōu)化問題，NP-hard的問題。求解優(yōu)化問題式（6）的最優(yōu)解是一項艱巨的任務(wù)。

2 最優(yōu)資源共享策略研究

本文將通過分析約束條件式（6b），揭示終端n與設(shè)備對d共享頻段n時發(fā)送功率的約束關(guān)系，同時利用該隱含關(guān)系可以將原問題式（6）徹底改寫為一個等價形式，通過對等價問題的求解，完全可以獲得一個接近最優(yōu)解的求解方法。

通過觀察目標(biāo)函數(shù)式（6a）和約束條件式（6b），可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)設(shè)備對d復(fù)用頻段n時，終端n的最優(yōu)發(fā)送功率為：

根據(jù)約束條件式（6b），可以發(fā)現(xiàn)對于固定的pd，n有該不等式給出了pn可行域，且目標(biāo)函數(shù)式（6a）關(guān)于pn是單調(diào)遞減的。因此，最優(yōu)的pn應(yīng)當(dāng)為可行域的下界，即得到表達(dá)式（7）。

由式（7）可知，最優(yōu)p*n可以寫成閉式表達(dá)式，因此可以將表達(dá)式（7）代入到優(yōu)化問題式（6），并重寫改寫優(yōu)化問題為如下形式：

其中，td，n（pd，n）表達(dá)式為：

值得注意的是，轉(zhuǎn)化后的優(yōu)化問題式（8）內(nèi)不再含有優(yōu)化變量pn，而目前僅需要優(yōu)化xd，n，pd，n即可，且目標(biāo)函數(shù)關(guān)于pd，n是凹的，約束條件關(guān)于pd，n是線性函數(shù)，因此優(yōu)化問題式（8）是關(guān)于pd，n的凸優(yōu)化問題，可以在給定xd，n時，通過常規(guī)的優(yōu)化方法求獲得最優(yōu)pd，n。然而，優(yōu)化問題式（8）中還是包含有離散變量xd，n，因此，該問題還是一個組合優(yōu)化問題。為解決該問題，本文采取一種松弛方法，將離散變量xd，n放松為在區(qū)間[0，1]上的連續(xù)變量，并引入一個新的連續(xù)功率變量sd，n=xd，npd，n，如此一來，就可以獲得松弛后的優(yōu)化問題：

由式（9）可知，td，n關(guān)于pd，n是凹的，通過反射函數(shù)定理[20]，目標(biāo)函數(shù)式（10a）關(guān)于sd，n，xd，n是聯(lián)合凹的，因此，優(yōu)化問題式（10）是凸優(yōu)化問題。通過求解優(yōu)化問題式（10）的最優(yōu)解，可以獲得原問題的性能上界。

2.1 最優(yōu)功率控制與頻段分配方法

利用優(yōu)化問題式（10）的凸特性可以獲得最優(yōu)功率控制與頻段分配解的特性。為了達(dá)到該目的，首先將優(yōu)化問題式（10）的拉格朗日算子表達(dá)為：

鑒于沖擊風(fēng)的剖面形態(tài)是其區(qū)別于常規(guī)邊界層風(fēng)場的最典型特征，本文在文獻(xiàn)[11]的基礎(chǔ)上，改進(jìn)并優(yōu)化了雷暴沖擊風(fēng)模擬裝置，在常規(guī)邊界層風(fēng)洞中成功模擬出兩類適用于輸電塔結(jié)構(gòu)的大比例雷暴沖擊風(fēng)剖面，并分析了沖擊風(fēng)下輸電塔的風(fēng)振位移響應(yīng)特性。

式中：φ≥0，μ≥0分別為約束條件式（10c）和式（10b）的拉格朗日乘子。為了表達(dá)簡便，令αd，n=gd，ngn，βd，n=。對式（11）采用KKT條件分析得到如下關(guān)于和的充分必要條件為：

對任意的d=1，2，…，D，n=1，2，…，N。

通過求解式（12），可以獲得設(shè)備對d復(fù)用頻段n時的功率閉式表達(dá)式為：

由式（13）可知，φn為頻段分配的一個判決門限。特別地，令：

式（15）代表了將頻段n分配給設(shè)備對d可以獲得的增益。換言之，只有擁有最大的Hd，n設(shè)備對，才可以復(fù)用頻段n。觀察式（13）可知，最優(yōu)解x*d，n在存在多個Hd，n同時取得最大值的情況下，取值將為開區(qū)間（0，1）內(nèi)的連續(xù)值。觀察式（15）可知，Hd，n取值由設(shè)備對和終端的信道系數(shù)（位置）決定，而信道系數(shù)都為獨(dú)立的連續(xù)隨機(jī)變量，因此，事件Hd1，n=Hd2，n（d1≠d2）發(fā)生概率幾乎為0。因此，求解松弛后的優(yōu)化問題獲得的最優(yōu)解幾乎都是離散的。

2.2 聯(lián)合功率控制與頻段分配算法

聯(lián)合功率控制與頻段分配算法

3 仿真分析

本文將針對提出的聯(lián)合功率控制與頻段分配算法作全面的評估。同時，本小節(jié)還將根據(jù)典型的智能變電站無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景分析本地通信復(fù)用帶來的系統(tǒng)容量增量。首先，可以通過計算拉式算子獲得本文提出算法的性能上界，通過比較本文提出的算法與性能上界的差別可以驗證設(shè)計算法的最優(yōu)性。其次，本文參考前人提出的算法設(shè)計相應(yīng)的資源共享算法，可以展示本文算法的優(yōu)越性。最后，本文還將采用隨機(jī)頻段分配算法結(jié)合本文提出的最優(yōu)功率控制來展示功率控制與頻段分配聯(lián)合優(yōu)化的優(yōu)越性。將3種待比較的算法以及本文提出的算法依次稱作：“性能上界”“對比算法”“隨機(jī)分配”“聯(lián)合優(yōu)化”。

本文仿真分析所采用的仿真環(huán)境是根據(jù)ITU規(guī)定的城市宏小區(qū)模型[21]，單基站共連接4個RRU。值得一提的是，本文所提出的算法不依賴于RRU具體數(shù)目，在此僅為仿真方便而設(shè)置一定的RRU數(shù)目?；竞驮O(shè)備對接收側(cè)的噪聲功率譜為-174 dB/Hz，終端和基站的最大發(fā)送功率分別為23 dB和46 dB。

圖3展示的是本文提出算法與3種對比算法的性能隨設(shè)備對數(shù)目變化曲線。終端上行傳輸最低速率被設(shè)定為12 bit/s，設(shè)備對的最大發(fā)送功率為5 dB（相比于終端最大發(fā)送功率要小很多）。如圖2所示，隨著設(shè)備對數(shù)目的增長，本地通信總的容量逐步增長，這是由于設(shè)備對數(shù)目越大，“信道條件”越好的設(shè)備對可以充分復(fù)用終端的頻段資源來優(yōu)化自身的發(fā)生速率，這就是所謂的用戶分集增益。然而，當(dāng)進(jìn)一步增加設(shè)備對的數(shù)目時，本地通信總?cè)萘吭鲩L趨勢逐步減緩，這是受限于可復(fù)用頻段數(shù)目導(dǎo)致的，也就是受限于系統(tǒng)的頻帶寬度。

圖3 所有設(shè)備對本地頻帶利用率之和隨設(shè)備對數(shù)目變化曲線，終端最低通信速率為12 bits/s，設(shè)備對最大發(fā)送功率為5 dBFig.3 Sum rate of local services for different number of device pairs with 15 terminals，Rn=12 bits/s and Pd=5 dB

圖4展示的是本地通信總?cè)萘侩S著終端最低上行傳輸速率的性能變化曲線。圖4中共有10個終端和30個設(shè)備對，且設(shè)備對的最大發(fā)送功率為5 dB。當(dāng)終端最低上行傳輸速率逐步增加的時，本地通信總?cè)萘坎粩嘟档?，這就意味上行傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)量越大，采用復(fù)用資源方式的設(shè)備間直接通信所能提供的系統(tǒng)增益是有限的，這符合一般規(guī)律。也即本文提出的智能變電站異構(gòu)通信系統(tǒng)能夠充分挖掘系統(tǒng)潛在的性能而最大程度上保護(hù)原有上行通信不受損害。

圖4 所有本地通信設(shè)備對頻帶利用率之和隨終端最低通信速率變化曲線10個終端，30個設(shè)備對，且設(shè)備對發(fā)送功率為5 dBFig.4 Sum rate of local services for different rate requirements with 10 terminals，30 pairs of devices and Pd=5 dB

由圖3、圖4可知，本文提出的算法與性能上界的差異幾乎可以忽略，同時要遠(yuǎn)好于隨機(jī)頻段分配算法，優(yōu)于前人的工作。這就充分證明了本文提出算法的優(yōu)越性。一般情況下，采用本文設(shè)計異構(gòu)通信系統(tǒng)，可以使得變電站本地通信系統(tǒng)中每個設(shè)備對獲得接近10 bit/s·Hz的頻帶利用率，系統(tǒng)帶寬為10 MHz這就意味著可提供100 Mbit/s的傳輸速率，完全滿足了智能變電站內(nèi)部高帶寬的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。

4 結(jié)語

本文提出了一種適用于智能變電站的無線異構(gòu)通信系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，變電站內(nèi)部本地通信設(shè)備完全可以復(fù)用終端上行通信資源來達(dá)到提升頻率利用率的目的，同時，還需要保證上行傳輸數(shù)據(jù)不受到影響。采用本文設(shè)計的算法可以很好地滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，并獲得最優(yōu)性能。下一步研究方向則是提出復(fù)雜度更低的高效算法。

[1]卞寶銀.變電站無線通信模型研究及應(yīng)用分析[J].電氣應(yīng)用，2015，34（13）:170-174.BIAN Baoyin.Research on wireless communication model and application analysis in substation[J].Electrotechnical Application，2015，34（13）:170-174（in Chinese）.

[2]辛培哲，閆培麗，肖智宏，等.新一代智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用研究[J].電力建設(shè)，2013，34（7）:17-23.XIN Peizhe，YAN Peili，XIAO Zhihong，et al.Application of communication network technology in new generation smartsubstation[J].Electric PowerConstruction，2013，34（7）:17-23（in Chinese）.

[3]孫毅，龔鋼軍，許剛.McWiLL寬帶無線技術(shù)在遼寧電力示范網(wǎng)的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（20）：201-204.SUN Yi，GONG Gangjun，XU Gang.Application in the demonstration network ofliaoning provincialpower company based on McWiLL broadband wireless access technology[J].Power System Protection and Control，2010，38（20）：201-204（in Chinese）.

[4]鄒巧明.智能電網(wǎng)集成通信[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（7）:46-50.ZOU Qiaoming.Integrated communication technologies in the smart grid[J].Power System and Clean Energy，2012，28（7）:46-50（in Chinese）.

[5]周建勇，陳寶仁，吳謙.智能電網(wǎng)電力無線寬帶專網(wǎng)建設(shè)若干關(guān)鍵問題探討[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2014，8（1）: 46-49.ZHOU Jianyong，CHEN Baoren，WU Qian.Discussion on several key issues of wireless broadband network construction in smart power grid[J].Southern Power System Technology，2014，8（1）:46-49（in Chinese）.

[6]蔡昊，周欣，王宏延，等.LTE電力無線專網(wǎng)業(yè)務(wù)安全風(fēng)險分析及應(yīng)對策略[J].電力信息與通信技術(shù)，2016，14（5）：137-141.CAI Hao，ZHOU Xin，WANG Hongyan，et al.Risk analysis and security strategy for LTE power wireless private network[J].Electric Power Information and Communication Technology，2016，14（5）:137-141（in Chinese）.

[7]韋磊，劉銳，高雪.電力LTE無線專網(wǎng)安全防護(hù)方案研究[J].江蘇電機(jī)工程，2016，35（3）:29-33.WEI Lei，LIU Rui，GAO Xue，Research on security protection solution to LTE power wireless private network[J].Jiangsu Electrical Engineering，2016，35（3）:29-33（in Chinese）.

[8]張君艷，朱永利，彭偉.大規(guī)模帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS路由優(yōu)化的研究[J].電力科學(xué)與工程，2010，26（4）: 11-15.ZHANG Junyan，ZHU Yongli，PENG Wei.Research on QoS routing optimization for wireless sensor network with large-scale banded structure[J].Electric Power Science and Engineering，2010，26（4）:11-15（in Chinese）.

[9]劉守豹，許安，王大興，等.基于雷擊暫態(tài)特性分析的220 kV線路避雷器通流容量研究[J].電瓷避雷器，2016（3）:142-147.LIU Shoubao，XU An，WANG Daxing，et al.Research on surge current diverting capacity of 220 kV line arrester based on lightningtransientcharacteristicanalysis[J].Insulators and Surge Arresters，2016（3）:142-147（in Chinese）.

[10]周云成，樸在林，付立思，等.10 kV配電網(wǎng)無功優(yōu)化自動化控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（2）:125-130.ZHOU Yuncheng，PIAO Zailin，F(xiàn)U Lisi，et al.Design of reactive power optimization automatic control system for 10 kV distribution systems[J].Power System Protection and Control，2011，39（2）:125-130（in Chinese）.

[11]王曉輝，熊海軍，王強(qiáng)，等.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)和GPS的電容器介損角的在線監(jiān)測[J].華北電力大學(xué)學(xué)報，2013，40（3）:47-52.WANG Xiaohui，XIONG Haijun，WANG Qiang，et al.Powercapacitoronline monitoring system based on wireless sensor network and GPS clock module[J].Journal of North China Electric Power University，2013，40（3）: 47-52（in Chinese）.

[12]翁之浩，陳文升.220 kV瀘定智能變電站設(shè)計方案[J].電力與能源，2012，33（5）:452-455.WENG Zhihao，CHEN Wensheng.Implementation of technical scheme of 220 kV Luding intelligent substation[J].Power and Energy，2012，33（5）:452-455（in Chinese）.

[13]黃煒宏，謝章洪，陳祥偉，等.基于Zigbee技術(shù)的成套式開關(guān)設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].高壓電器，2013，49（6）:125-130.HUANG Weihong，XIE Zhanghong，CHEN Xiangwei，et al.Design and application of wireless temperature monitoring system for switchgear assemblies based on zigbee technology[J].High Voltage Apparatus，2013，49（6）:125-130（in Chinese）.

[14]DOPPLER K，RINNE M，WIJTING C，et al.Device-todevice communication as an underlay to LTE-advanced networks[J].IEEE Communications Magazine，2009，47（12）:42-49.

[15]YU CHIAHAO，DOPPLER K，RIBEIRO C B，et al.Resource sharing optimization for device-to-device communication underlaying cellular networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communication，2011，10（8）:2752-2763.

[16]QIU X，LIAO X，DONG K，et al.Energy efficiency analysis in device-to-device communication underlaying cellular networks[C]//Proceedings of CCNC 2013，1-6.

[17]DUONG Q，SHIN Y，SHIN O S.Resource allocation scheme for device-to-device communications underlaying cellular networks[C]//Proceedings of ComManTel，2013: 1-6.

[18]LIU P，HU C，PENG T，et al.Distributed cooperative admission and power control for device-to-device links with QoS protection in cognitive heterogeneous network[C]//Proceedings of Chinacom，2012:1-6.

[19]ZULHASNINE M，HUANG Changcheng，SRINIVASAN A.Efficientresource allocation fordevice-to-device communication underlaying LTE network[C]//Proceedings of Wirelessand MobileComputing，Networkingand Communications（WiMob），Niagara Falls，2010:368-375.

[20]STEPHEN BOYD，LIEVEN VANDENBERGHE.Convex optimization[M].Cambridge：Cambridge University Press，2004.

[21]Guidelines for evaluation of radio interface technologies for IMT-Advanced[R].Geneva：International Telecommunications Union（ITU），2008.

（編輯 董小兵）

Resource Sharing Strategy of Wireless Heterogeneous Network for Smart Substations

HAN Wei1，WU Chunhong1，KONG Shengli1，GAO Liming1，GAO Hui2
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou 450052，Henan，China；2.School of Automation，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210000，Jiangsu China）

The paper proposes a wireless hierarchical network catering for smart substations and constituting the base station and radio remote unit.This network structure realizes the coverage of wifi in and out of the substation.Also，to help address the limited resource of radio frequency，the paper proposes to distribute appropriate bands and allocate power for both local and remote IEDs by allowing two IEDs in proximity to directly communicate with each other.The simulation results show that the proposed network and resource sharing strategy can effectively support the smart grid services and enhance high local communication frequency multiplexing gain，so that improves the overall capacity of network.

machine type communications；intelligent electric devices；smart substation；wireless heterogeneous network；resource sharing strategy

2016-07-21。

韓 偉（1975—），男，本科，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)、智能電網(wǎng)技術(shù)；

吳春紅（1980—），女，本科，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)、智能電網(wǎng)技術(shù)；

孔圣立（1978—），女，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)、直流電源技術(shù)；

高利明（1979—），男，本科，高級工程師，研究方向為電能計量檢測技術(shù)；

高 輝（1981—），男，副教授，研究方向為智能配用電、電動汽車與電網(wǎng)互動技術(shù)、車載磁懸浮飛輪電池等。

國家自然科學(xué)基金項目（51405244）。

Project Supported by the National Nature Science Foundation of China（51405244）.

1674-3814（2016）11-0043-08

TM71

A