李 洋 張立武 李志強(qiáng) 馮 寶 陳思敏

1(南瑞集團(tuán)公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院) 江蘇 南京 211000)

2(南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 江蘇 南京 210003)

一種基于往返時間和干擾抑制的擁塞控制研究

李 洋1張立武1李志強(qiáng)1馮 寶1陳思敏2

1(南瑞集團(tuán)公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院) 江蘇 南京 211000)

2(南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 江蘇 南京 210003)

目前的大多數(shù)擁塞控制方案不能夠保證具有高往返時間的廣域電力系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。為解決這一問題，提出一種雙自由度擁塞控制策略，能夠提供電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。該控制策略由兩個傳統(tǒng)控制器(反饋控制器和抗擾控制器)組成，應(yīng)用Smith預(yù)測器來解決往返時間延遲。仿真結(jié)果表明，雙自由度擁塞控制策略能夠有效克服時間延遲和干擾帶來的負(fù)面影響。

擁塞控制 往返時間 廣域電力系統(tǒng) 雙自由度

0 引 言

電力系統(tǒng)的發(fā)展需求促進(jìn)了廣域測量系統(tǒng)WAMS(Wide-Area Measurement System)[1]和相量測量單元[2]的出現(xiàn)和發(fā)展，廣域電力系統(tǒng)正是一種基于WAMS的跨區(qū)域大型互聯(lián)電力系統(tǒng)。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，相量測量單位發(fā)送的數(shù)據(jù)量隨之不斷增加，而頻繁的數(shù)據(jù)傳輸或傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量過大會導(dǎo)致數(shù)據(jù)通道中形成持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)流，增大網(wǎng)絡(luò)通信沖突的可能性，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象。一旦網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生數(shù)據(jù)通道擁塞現(xiàn)象，控制中心將無法獲得實(shí)時數(shù)據(jù)，導(dǎo)致大面積停電事故發(fā)生，造成嚴(yán)重的后果。為了解決廣域電力系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，必須提出一種有效的擁塞控制策略。

1 研究現(xiàn)狀

擁塞控制策略對于保證無線和有線網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量都至關(guān)重要。早期，主動隊(duì)列管理技術(shù)AQM(Active Queue Management Technique)[3]的引入是為了提供鏈路上網(wǎng)絡(luò)擁塞的通知并在協(xié)助TCP進(jìn)行擁塞控制。一系列的AQM方法被相繼提出，如RED[4]、PI[5]、PID[6]和REM[7]。但是，由于非線性和多樣時間行為等挑戰(zhàn)，這些隊(duì)列管理方案卻不能為大量的網(wǎng)絡(luò)場景提供滿意的性能。

通信網(wǎng)絡(luò)在規(guī)模上的不斷擴(kuò)大導(dǎo)致了往返時間RTT(round trip time)的持續(xù)增長，大多數(shù)現(xiàn)有的隊(duì)列管理算法忽略了RTT對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能的消極影響。本文從RTT的角度出發(fā)，提出了一種擁塞算法。由于廣域網(wǎng)絡(luò)具有較大的RTT,目前的擁塞控制機(jī)制，如TCP擁塞控制機(jī)制、基于路由器隊(duì)列管理的擁塞控制、隊(duì)列調(diào)度機(jī)制等都不能處理廣域網(wǎng)絡(luò)中往返時間延遲和干擾，從而無法保證廣域網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。廣域電力系統(tǒng)屬于一種廣域網(wǎng)絡(luò)，本文考慮到廣域網(wǎng)絡(luò)具有較大的往返時間，提出了一種解決往返時間延遲的具有雙自由度的擁塞控制策略TCC(a two-degree-of-freedom congestion control strategy)。該策略由兩個獨(dú)立的控制器組成，一個是基于內(nèi)部模型控制IMC(internal model control)原理的反饋控制器，一個是基于頻域分析的用于拒絕外部干擾的抗擾控制器。

2 系統(tǒng)模型

廣域電力系統(tǒng)在地域上分布廣泛，且動態(tài)模型具有較高的維數(shù)，若采用集中控制在設(shè)備要求和算法實(shí)現(xiàn)上都有較大的困難。一種可行的處理方法是按照實(shí)際發(fā)電站的地理位置分成一些小的子系統(tǒng)進(jìn)行控制。圖1為廣域電力系統(tǒng)模型。

圖1 廣域電力系統(tǒng)模型

2.1 內(nèi)部模型控制(IMC)

圖2 內(nèi)部模型控制

(1)

步驟2為了提高系統(tǒng)的魯棒性，引入健壯低通過濾器：

(2)

其中λ是決定系統(tǒng)魯棒性的可調(diào)參數(shù)，n表示濾波器的階數(shù)。

因此，內(nèi)部模型控制器：

(3)

2.2 反饋控制器設(shè)計(jì)

由于IMC能夠提供快速的響應(yīng)能力和強(qiáng)壯的魯棒性，基于IMC，設(shè)計(jì)出了一種能夠提高魯棒性的反饋系統(tǒng)。

圖3 反饋控制器

根據(jù)圖3，可知IMC可以表示為：

(4)

根據(jù)式(4)可以解出反饋控制器Gc1(s)：

(5)

(6)

(7)

為了研究方便，我們首先考慮一階低通過濾器，即n=1時的情況，此時健壯低通濾波器可以表示為：

(8)

因此，

(9)

從而可以得出反饋控制器的表達(dá)式：

(10)

2.3 抗擾控制器

在頻率分析基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)抗擾控制器。選擇一個比例-積分(PI)控制器，抗擾控制器可以表示為：

(11)

其特征方程為：

Δ(s)= 1+Gc2(s)Gm(s)e-Rms=

(12)

假設(shè)TD=T1m，則上面的特征方程簡化為：

(13)

根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則，有：

(14)

當(dāng)φm是期望的相位差，當(dāng)φm固定且Km、T2m和Rm等已知時，通過式(14)可以解出KD，再代入式(11)即可解出抗擾控制器Gc2(s)。

2.4 雙自由度的擁塞控制策略

結(jié)合反饋控制器和抗擾控制器，設(shè)計(jì)用于解決廣域電力系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題的模型，如圖4所示。

圖4 雙自由度的擁塞控制模型

根據(jù)上面的分析可知，系統(tǒng)的估計(jì)模型為：

(15)

圖4中，I(s)和Q(s)分別表示廣域電力系統(tǒng)的輸入和輸出，D(s)表示干擾信號。

假設(shè)Gm(s)e-Rms=G(s)e-R0s，則系統(tǒng)的輸出為：

D(s)

(16)

3 仿真與結(jié)果分析

為了評估系統(tǒng)的性能和魯棒性，對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。為了對比比較，同時仿真了ARED、PI和DC-AQM的性能。仿真過程中，我們重點(diǎn)關(guān)注隊(duì)列長度的變化，這將作為擁塞控制算法性能評估的關(guān)鍵。如果擁塞控制算法能夠?qū)㈥?duì)列長度迅速收斂到最大值，并以較小的振蕩保持穩(wěn)定，將能獲得具有預(yù)期隊(duì)列延遲和高鏈路利用率的網(wǎng)絡(luò)性能。

圖5和圖6分別描述了在短延時和長延時狀態(tài)下，各擁塞策略的隊(duì)列長度。

圖5 短延時網(wǎng)絡(luò)下隊(duì)列長度

圖6 大延時網(wǎng)絡(luò)下隊(duì)列長度

圖5表明，在短延時網(wǎng)絡(luò)下，ARED、DC-AQM和TCC的隊(duì)列長度都保持穩(wěn)定，而PI在一開始時，隊(duì)列長度的變化比較大。圖6表明，在長延時網(wǎng)絡(luò)下，由于動態(tài)碰撞，ARED和PI的隊(duì)列長度都不穩(wěn)定，而DC-AQM不能夠長時間保持隊(duì)列長度，但TCC可以有效彌補(bǔ)延時的缺陷，有規(guī)律地使隊(duì)列長度快速達(dá)到目標(biāo)值。同時考慮短延時和長延時的情況下，顯然TCC才是最好的擁塞控制算法。

4 結(jié) 語

擁塞控制策略對于控制網(wǎng)絡(luò)中的擁塞并保證網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量至關(guān)重要，而目前的AQM算法在廣域網(wǎng)絡(luò)中，都不能很好地處理往返時間延時問題和干擾問題。為了解決這一問題，本文提出了一種基于修正Smith預(yù)測器的雙自由度擁塞控制策略。該策略分為兩部分，分別是基于內(nèi)部模型控制原理的反饋控制器和基于頻率分析的干擾抑制控制器。仿真結(jié)果表明，雙自由度的擁塞控制策略能夠有效地克服往返時間延時和廣域系統(tǒng)中干擾所帶來的負(fù)面影響。

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ASTUDYONCONGESTIONCONTROLSTRATEGYBASEDONROUND-TRIPANDDISTURBANCE

Li Yang1Zhang Liwu1Li Zhiqiang1Feng Bao1Chen Simin2

(NARIGroupCorporation(StateGridElectricPowerResearohInstitute),Nanjing211000,Jiangsu,China)2(CollegeofTelecommunicationsandInformationEngineering,NanjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nanjing210003,Jiangsu,China)

Most of the congestion control schemes cannot ensure the quality of service for wide-area power system with high round-trip time at present. To solve this problem, double degree of freedom congestion control strategy is proposed in this paper, which can provide stability and robustness of the power system. The control strategy consists of two conventional controllers (feedback controller and disturbance rejection controller), and the Smith predictor is used to solve the round-trip time delay. The simulation results show that the double degree of freedom congestion control strategy can effectively overcome the negative effects of time delay and interference.

Congestion control Round-trip time Wide-area power system Double degree of freedom

TP393

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.10.035

2016-11-02。國家電網(wǎng)公司2016年科技項(xiàng)目。李洋，高工，主研領(lǐng)域：電力系統(tǒng)通信技術(shù)研究，IMS架構(gòu)設(shè)計(jì)。張立武，工程師。李志強(qiáng)，助理工程師。馮寶，工程師。陳思敏，碩士生。