丁 麒，王慶娟，盧 侃，周青睞，陳永杲

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司營銷服務(wù)中心，浙江杭州 311100；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司武義縣供電公司，浙江金華 321200；3.國網(wǎng)浙江桐鄉(xiāng)市供電有限公司，浙江桐鄉(xiāng) 314500）

現(xiàn)階段，隨著5G智能手機(jī)[1]的不斷普及和5G通信基站[2]建設(shè)的大規(guī)模推進(jìn)，RCS（Rich Communication Services&Suite，融合通信）消息[3]逐漸被廣大用戶所接受。由于5G 消息用戶無需下載微信等即時(shí)通信軟件[4]，便可在手機(jī)短信端實(shí)現(xiàn)多種智能化交互的特點(diǎn)，其已成為多方企業(yè)宣傳推廣業(yè)務(wù)時(shí)所采用的重要途徑。

能源互聯(lián)網(wǎng)[5]的不斷發(fā)展對電力系統(tǒng)的建設(shè)提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸要求，傳統(tǒng)電力通信網(wǎng)絡(luò)[6]的可靠性傳輸對整個(gè)電力系統(tǒng)起到至關(guān)重要的作用。然而在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，一些單一鏈路與共享鏈路間存在各種傳輸優(yōu)化策略問題，所以研究共享鏈路組的有效應(yīng)用對于解決電力通信網(wǎng)絡(luò)傳輸問題具有重要意義[7-10]。

1 電力需求響應(yīng)系統(tǒng)

1.1 電力需求響應(yīng)系統(tǒng)架構(gòu)總體設(shè)計(jì)

電力需求響應(yīng)系統(tǒng)在電網(wǎng)規(guī)劃中占有重要地位。近年來，隨著5G技術(shù)與人工智能技術(shù)[11]不斷取得突破，自動(dòng)需求響應(yīng)系統(tǒng)也得到了持續(xù)發(fā)展，從而進(jìn)一步提升電力需求響應(yīng)的靈活性、可靠性和時(shí)效性。

在設(shè)計(jì)電力需求響應(yīng)系統(tǒng)時(shí)，通常將整個(gè)系統(tǒng)劃分為三個(gè)層次，從上至下依次為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和電力感知層，其總體架構(gòu)如圖1 所示。

在電力需求響應(yīng)系統(tǒng)中，電力感知層位于最底端，是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分。其主要由各種傳感器[12]、家用電器等需求響應(yīng)終端設(shè)備組成。通過這些終端設(shè)備，可獲取使用者的用電習(xí)慣等信息，從而使得電網(wǎng)側(cè)用電響應(yīng)分配狀況并做出自適應(yīng)調(diào)整。

作為電力需求響應(yīng)系統(tǒng)中承上啟下的關(guān)鍵層級，網(wǎng)絡(luò)傳輸層的主要作用是建立一個(gè)高質(zhì)量的通信信道[13]，進(jìn)而將下層感知到的用戶用電狀況信息傳輸?shù)骄唧w的業(yè)務(wù)應(yīng)用層級。

在設(shè)計(jì)電力需求響應(yīng)系統(tǒng)時(shí)，通常會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)需求響應(yīng)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的具體功能。該自動(dòng)需求響應(yīng)平臺(tái)會(huì)同時(shí)結(jié)合感知層得到的用戶用電情況和電網(wǎng)側(cè)供電情況，并擇優(yōu)選取提前定制好的需求響應(yīng)策略，再進(jìn)行有效的供求匹配，最終實(shí)現(xiàn)電力的供求平衡。

1.2 基于共享風(fēng)險(xiǎn)鏈路組的網(wǎng)絡(luò)傳輸優(yōu)化

在整個(gè)電力需求響應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中，電力通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)起到了至關(guān)重要的作用。當(dāng)整個(gè)通信網(wǎng)中某一條共享的鏈路發(fā)生故障時(shí)，所有經(jīng)過該共享鏈路的通信鏈路均會(huì)出現(xiàn)故障并導(dǎo)致通信中斷。因此需要綜合考慮共享風(fēng)險(xiǎn)和鏈路風(fēng)險(xiǎn)集中的問題，以降低網(wǎng)絡(luò)通信故障的發(fā)生概率。

為了定量評估通信網(wǎng)絡(luò)中鏈路和節(jié)點(diǎn)的可用性程度，文中提出了兩個(gè)評價(jià)指標(biāo)，分別為鏈路系統(tǒng)可用性和節(jié)點(diǎn)可用性。節(jié)點(diǎn)可用性基于鏈路系統(tǒng)可用性來實(shí)現(xiàn)，首先定義鏈路系統(tǒng)的可用性A，計(jì)算方法如下：

1) 卓越的可設(shè)計(jì)性。通過獲取損傷結(jié)構(gòu)的裂紋參數(shù)、載荷類型和實(shí)際工況進(jìn)行設(shè)計(jì)方案定制。選擇不同參數(shù)與力學(xué)性能的補(bǔ)片、膠粘劑，定制適用的修復(fù)工藝。采用最優(yōu)化的修復(fù)方案來提高再制造修復(fù)結(jié)構(gòu)的承載能力，恢復(fù)構(gòu)件的力學(xué)性能，提升可靠性。

式中，tMTTF是電力系統(tǒng)或電力設(shè)備，在無故障的狀態(tài)下正常運(yùn)行至系統(tǒng)發(fā)生一次故障的平均間隔時(shí)間；tMTBF指的是系統(tǒng)或設(shè)備連續(xù)兩次發(fā)生故障的平均時(shí)間間隔，即系統(tǒng)或設(shè)備平均可正常運(yùn)行的時(shí)間，可以發(fā)現(xiàn)若一個(gè)系統(tǒng)的tMTBF值越大，則該系統(tǒng)越可靠；tMTTR表示系統(tǒng)的恢復(fù)性能，其具體代表系統(tǒng)故障確認(rèn)反應(yīng)時(shí)間與系統(tǒng)維護(hù)所需時(shí)間之和，且當(dāng)此值越小時(shí)，則說明該系統(tǒng)的恢復(fù)性能越高。

基于式（1），能夠得到節(jié)點(diǎn)x可用性AN(x)表示如下：

由此可得，記一段長為L(x,y)的通信鏈路的兩個(gè)端點(diǎn)分別為x、y，則其可用性AE(x,y)可定義為：

在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程中，通信網(wǎng)絡(luò)鏈路的數(shù)量是一定的，因此當(dāng)網(wǎng)絡(luò)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量過大時(shí)，通常會(huì)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁堵問題。為了定量分析擁堵對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸風(fēng)險(xiǎn)的影響程度，該文提出了一個(gè)擁堵-網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。首先，定義通信網(wǎng)絡(luò)的擁堵率Vblock為：

其中，H表示待傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)總數(shù)，K表示因?yàn)殒溌啡萘肯拗贫鵁o法進(jìn)行鏈路分配的業(yè)務(wù)數(shù)量。

其次，將通信網(wǎng)絡(luò)的擁堵率Vblock與平均業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)Rave歸一化，得到歸一化后的參數(shù)值分別為和。

最終，擁堵-網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)可定義如下式所示：

其中，m和n分別代表兩個(gè)參數(shù)，即網(wǎng)絡(luò)擁堵率與平均業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)所占的權(quán)重。由此可得到，當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)的擁堵程度越小且業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)越低時(shí)，通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量越高。

1.3 應(yīng)用5G消息的需求響應(yīng)業(yè)務(wù)推廣

現(xiàn)階段隨著5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)2G 時(shí)代的短信業(yè)務(wù)已無法滿足廣大用戶獲取信息的習(xí)慣，故5G 消息技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。以統(tǒng)一的GSMA RCS 通信標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，5G 消息可提供智能化消息交互、多媒體消息類型等多種全新的通信服務(wù)體驗(yàn)。因此，5G 消息將會(huì)逐漸成為現(xiàn)階段人們獲取有效信息的主要載體。

該文設(shè)計(jì)的電力需求響應(yīng)系統(tǒng)的應(yīng)用推廣將采用基于5G 消息的人工智能技術(shù)，并通過實(shí)現(xiàn)企業(yè)級的消息助理與智能化客服服務(wù)，以幫助用戶快速了解自動(dòng)需求響應(yīng)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方式，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速有效推廣，RCS 企業(yè)信息流轉(zhuǎn)過程如圖2所示。

圖2 RCS企業(yè)信息流轉(zhuǎn)過程

如圖2 所示，供電部門的企業(yè)級消息的流轉(zhuǎn)過程可概括如下：整個(gè)流程基于APIS 接口進(jìn)行整體交互；不同于微信和QQ 等即時(shí)通信軟件[14]，5G 消息基于國內(nèi)運(yùn)行商機(jī)構(gòu)的MaaP 能力；廣大用戶無需在手機(jī)等終端設(shè)備中下載具體的應(yīng)用程序，僅通過原始的手機(jī)短信窗口便可實(shí)現(xiàn)與電力企業(yè)系統(tǒng)的交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的模式。更為重要的是，人工智能技術(shù)以及自然語言處理技術(shù)也應(yīng)用其中，并使5G 消息更加貼近人類的語言環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)人工智能技術(shù)對基礎(chǔ)能力的不斷賦能。

1.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

文中設(shè)計(jì)的電力需求響應(yīng)系統(tǒng)以傳統(tǒng)電力需求響應(yīng)系統(tǒng)的整體框架為基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，以提升系統(tǒng)性能。其一方面能對網(wǎng)絡(luò)傳輸層的性能進(jìn)行優(yōu)化：基于共享風(fēng)險(xiǎn)鏈路組技術(shù)，通過引入一個(gè)擁堵-網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)來定量評估網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，同時(shí)綜合考慮通信網(wǎng)絡(luò)鏈路中存在的節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)、鏈路風(fēng)險(xiǎn)和共享風(fēng)險(xiǎn)問題，從而顯著降低通信網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中發(fā)生通信故障的可能性，提高系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和可靠性；另一方面，該系統(tǒng)的創(chuàng)新之處也在于5G 消息的應(yīng)用：通過引入5G 消息類型，結(jié)合人工智能及自然語言處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)業(yè)務(wù)的智能化推廣。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 該文所提系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

2 仿真測試

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在對該文提出的系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證時(shí)，主要是對提出的基于共享風(fēng)險(xiǎn)鏈路組的網(wǎng)絡(luò)傳輸層優(yōu)化進(jìn)行性能驗(yàn)證，從而有效證明該系統(tǒng)具有較優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性。

該實(shí)驗(yàn)基于PC 機(jī)平臺(tái)，通過Matlab 仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)性能驗(yàn)證。其具體的仿真軟硬件環(huán)境參數(shù)配置如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)軟硬件環(huán)境配置

在仿真過程中選用的網(wǎng)絡(luò)模型如圖4 所示，其來源于文獻(xiàn)[15]仿真采用的網(wǎng)絡(luò)模型。在每條網(wǎng)絡(luò)鏈路中，標(biāo)識(shí)出的數(shù)字信息為具體的共享鏈路標(biāo)識(shí)。

圖4 仿真用的網(wǎng)絡(luò)模型

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證所提算法的性能，對提出的基于共享風(fēng)險(xiǎn)鏈路組的網(wǎng)絡(luò)傳輸優(yōu)化算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中將該文算法命名為Propose，與專用通路保護(hù)算法（DPP）進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。從圖5 中可以看出，共進(jìn)行了10 次實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證，且在每次實(shí)驗(yàn)的過程中，均以隨機(jī)生成的方式發(fā)起通信連接請求，并通過比較不同算法的損失率來驗(yàn)證算法性能的優(yōu)劣。

圖5 不同算法的損失率比較

由圖5 可知，在多次實(shí)驗(yàn)的過程中，提出算法的業(yè)務(wù)丟棄數(shù)量均明顯低于DPP算法，因此充分說明了所提算法與專用通路保護(hù)算法相比較而言，其網(wǎng)絡(luò)利用率更高且通信連接請求的損失率更低，同時(shí)還具有更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)可靠性。這是由于一方面該算法基于共享風(fēng)險(xiǎn)鏈路組的優(yōu)勢，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的通信連接請求對應(yīng)的共享風(fēng)險(xiǎn)鏈路組彼此分離時(shí)，不同通信連接請求之間便可共用網(wǎng)絡(luò)資源，從而降低網(wǎng)絡(luò)鏈路中預(yù)留的帶寬資源總量，并提升網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量；另一方面，通過提出一個(gè)擁堵-網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)來定量實(shí)時(shí)評估網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，不斷判斷節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)與鏈路風(fēng)險(xiǎn)情況，從而為共享鏈路組的有效利用進(jìn)行適應(yīng)性指導(dǎo)[16-17]。

為進(jìn)一步驗(yàn)證文中算法性能，進(jìn)行負(fù)載壓力測試實(shí)驗(yàn)。通過模擬不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載壓力下整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的阻塞率，對網(wǎng)絡(luò)傳輸情況進(jìn)行驗(yàn)證。如圖6-7 所示，二者分別為波長為2 和波長為4 時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量情況。

圖6 波長為2時(shí)不同算法的阻塞率性能比較

通過圖6 可以看出，在傳輸光纖支持2 個(gè)波長傳輸?shù)那闆r下，無論整個(gè)通信鏈路網(wǎng)中的負(fù)載情況如何發(fā)生變化，相較于DPP 算法，所提算法均能有效降低整個(gè)通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的擁堵程度并提升通信質(zhì)量。

圖7 是在傳輸光纖能支持4 個(gè)波長傳輸時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的阻塞率性能?？梢钥闯?，在波長為4 的情況下，提出算法的網(wǎng)絡(luò)阻塞率仍低于對比算法。同時(shí)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小時(shí)，所提算法的性能表現(xiàn)仍較為優(yōu)異。

圖7 波長為4時(shí)不同算法的阻塞率性能比較

3 結(jié)束語

文中基于5G 消息和共享風(fēng)險(xiǎn)鏈路組技術(shù)，提出了一種電力需求響應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于應(yīng)用共享鏈路組技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸層的整體優(yōu)化，采用擁堵-網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)實(shí)現(xiàn)了對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的定量評估。該方案綜合考慮了通信網(wǎng)絡(luò)鏈路中存在的各類風(fēng)險(xiǎn)，大幅降低了通信傳輸?shù)墓收习l(fā)生率，有效提高了系統(tǒng)的可靠性。采用5G 消息技術(shù)對電力需求響應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行整體的推廣應(yīng)用，能有效提高整個(gè)系統(tǒng)使用率和參與度。