基于智能电网的无线通信网络频谱感知系统及性能仿真_张月.pdf

2023.7电脑编程技巧与维护1概述互联网世界中，智能电网与无线通信是两个重要的组成部分。将这两个领域结合，可以实现更加高效、安全及可靠的能源传输和数据通信。由于频谱资源有限，如何有效地利用频谱资源，对于智能电网和无线通信网络的稳定运行至关重要。因此，基于智能电网的无线通信网络频谱感知系统应运而生。该系统将智能电网网络和先进的无线通信技术相结合，实现了对频谱资源的高效感知与优化。通过了解无线信道的使用情况，该系统可以动态分配频谱资源，避免资源浪费和冲突，提高网络带宽和数据传输质量，实现能源传输和数据通信的高效协同。基于智能电网的无线通信网络频谱感知系统的出现，标志着智能电网和无线通信网络的融合进入了一个新阶段。该系统为智能电网和无线通信网络的协作提供了前所未有的机会，将为电力行业的现代化升级和信息化建设带来新的发展机遇。2系统应用2.1系统运行状态智能电网是一种通过运用最新的信息与通信技术实现电力系统全面可控的电网。随着科技的不断进步，智能电网已经成为电力行业发展的必然趋势。智能电网的建设涉及许多技术和系统，其中核心的是能源管理系统（EMS）、监控与数据采集系统（SCADA）、计量系统（TMRS）和安全信息系统（SIS）等。EMS是智能电网的核心之一，负责电网的实时监控、调度和运营。EMS通过实时采集、传输和处理电网的相关数据，实现对电网的全面掌控。SCADA则负责监视电力系统中的各项参数，例如，电压、电流、频率、功率等，并通过传感器将这些数据回传到EMS，从而实现对电力系统的实时监控1。除了EMS和SCADA，TMRS也是智能电网建设中的关键系统。TMRS负责对电能的计量，其中，智能计量系统最为重要。智能计量系统可以根据用户需求和电力供应状况实现双向计量，即电力可从用户处流向电网，也可以从电网流向用户。这种双向计量可以极大地提高电力系统的灵活性，促进电力资源的优化配置。SIS是智能电网中的另一个关键系统，它主要负责处理运行数据，并保障信息安全。作为智能电网的“安全卫士”，SIS通过监测电力系统的安全状态，及时预警潜在的安全问题，并采取有效措施防范安全风险。面向用户的需求侧管理是智能电网的优势所在2。通过对用户的用电需求进行精细化管理，可实现电力资源的高效利用和优化配置，使用户在保证用电质量的前提下，尽可能地降低用电成本。同时，智能电网具有更高的供电可靠性和灵活性，可以更好地满足用户需求。智能电网的建设不仅是电力行业的发展方向，也是国家能源安全战略的重要组成部分。为了推动智能电网的建设，电力行业需要不断加强技术研发和投入，提高系统智能化水平和数据处理能力。只有这样，才能使电力系统全面可控，并满足人们对电力资源的需求，为社会可持续发展提供有力的支撑。电力系统运行状态转变如图1所示，分析图1可以发现，为了保障系统的安全、正常运行，必须采取控制行为来维持系统的稳定状态，同时，预防机制也是必不可少的，其中，一项有效的预防措施是引入状态估计模块。状态估计模块可以看作是感知机制的一种实现形式。通过使用精确、及时的状态感知技术，可以实现对系统的安全性进行评估和负载能力的预测。因此，在开发需求管理系统时，需要重视感知行为并加以研究，以确保系统的高效、稳定、安全运行。作者简介：张月（1991），女，本科，工程师，研究方向为电力系统通信技术、无线网络等。基于智能电网的无线通信网络频谱感知系统及性能仿真张月（国网江苏省电力有限公司扬州供电分公司，江苏 扬州225000）摘要：无线通信网络频谱感知系统通过对电磁频谱的实时监测和分析，能够精确地获取无线信道的使用情况及信道质量指标，并根据不同的网络业务需求优化感知算法策略，实现对频谱资源的动态管理和优化配置。相关工作人员基于智能电网概念，针对不同业务需求，优化选择感知算法，使电网频谱得到充分利用，从而提高了无线通信网络的性能和可靠性。在此基础上，研究人员进行了大量的仿真实验，结果表明，该系统具有较高的频谱感知准确率和资源利用率，可以有效提升无线通信网络的性能。关键词：智能电网；无线通信；频谱感知65DOI:10.16184/prg.2023.07.0072023.7电脑编程技巧与维护图1电力系统运行状态转变2.2需求侧管理电力系统是现代社会的重要组成部分，主要由发电、传输和配电3部分组成。在这些组成部分中，发电和传输是安全运行所需的重要环节，需要通过控制、监测和反馈来保障整个系统的稳定性。2.2.1电力供应商在电力零售市场中，电力供应商需要进行深入的市场研究和分析，以便了解市场的需求和变化趋势，根据市场情况适时调整供给计划和价格策略，保持竞争优势和稳定的市场地位3。同时，还需要制定和实施切实可行的风险管理措施，保证市场风险的可控性和稳定性。2.2.2电力用户电力用户的主要诉求是在电力消费过程中，尽可能提高电力利用率。在此工作人员设t时刻某一个用户的电能消费为lt，其电力利用率最大化计算公式如公式（1）所示：（1）负载管理控制指对电网中的各种负载进行管理和控制，通过调整各种负载对电网的供需平衡进行优化，实现电力消费响应和变化的电力生产分配同步。这样，可以改变需求缺乏弹性的现状，提高电网运行的效率和可靠性。需求响应管理（DRM）作为负载管理控制的一种方式，可以通过多种手段来调整不同负载的消耗，以满足电网供需平衡的需要。直接电价响应程序是一种较新型的DRM算法。通过调整电力价格引导用户对电力的消费行为，以减轻电网压力，并维持电网的供需平衡。使用这种算法可以实现更灵活的负载管理和更高效的电力消费。随着DRM算法技术的不断发展和完善，人们对电能平衡的控制也将更为精细化和智能化。3系统模型3.1数学模型相关工作人员基于多用户单能源供应商模式，假设所有用户均已经安装智能电表，智能电网用户侧系统模型如图2所示。研究人员设电力用户合集为L；用户数量设为N；设用户n的电力消耗量为xn，则L总消耗计算公式如公式（2）所示：（2）研究人员基于公式（2）提出以下两个假设。假设1：成本函数与电能供给总量成正比。假设2：成本函数为凸函数。基于上述两个假设，可以得到二次成本函数如公式（3）所示：C（L）=0L2+b0L+c0（3）其中，C（L）为电力供应商在为用户提供电能时的成本；0、b0、c0均为初设参数。3.2通信性能优化模型在智能电网中，通信网络是连接不同实体并完成与能量生产及分配有关的信息双向流动的关键组成部分。通信网络可以通过传感器和智能电表等设备收集大量的数据，并利用大数据、云计算、人工智能等技术进行数据处理和分析，从而实现对能源的高效管理和控制。智能电网的优势主要在于它能够帮助电力系统更好地适应社会、环境和政策等的变化，为用户提供更加高质量、可靠和便捷的用电服务4。在实际应用中，智能电网支持多种功能，具体如下：（1）收集来自密集度的居住地、商业区或工业区的用户的各种详细数据。智能电网可以通过智能电表和其他传感器设备，实时监测用户的用电情况和用电习惯，从而更好地了解用户的需求和用电需求，并调整电力系统的运行状态，以实现更加高效的用电服务。（2）确定电价最低的时间点，调整家电使用时间或允许智能家电自我调控。在智能电网中，用户可以通过对应的应用程序随时了解电力的价格和供应情况，并据此做出有针对性的调整。例如，智能家电可以根据电力价格的变化进行自我调节，选择在电价低的时候工作，从而实现更加省电、便捷的服务。（3）可以访问应用和定价信息来确定何时要给他们的分布式电源进行充电，谁来充当紧急电源等。在智能图2智能电网用户侧系统模型预防安全的正常状态正常状态非安全的正常状态恢复恢复状态中断紧急状态发电商电力市场电能供应商用户用户用户用户用户用户662023.7电脑编程技巧与维护电网中，用户可以通过相应的应用程序随时了解电力价格和供电情况，并接受分布式电源的能量补给。当发生紧急情况时，分布式电源可以提供临时电力供应，以满足用户的紧急需求。在实现这些功能的过程中，服务质量是需要考虑的关键问题。服务质量的性能要求由时延与可靠性确定。时延是整个处理过程和网络传输的时间，也就是信息从离开到信宿接收到该信息为止，需要注意时延是端到端的度量，而可靠性是信息在一定的时延限制下被成功接收的概率。因此，感知时间对通信可靠性和系统性能的影响是需要注意的。通过综合考虑服务质量和其他因素，可以实现智能电网的高效、可靠运行，为人们提供更加便捷、可靠的用电服务5。为了提高频谱效率，相关工作人员假设有两条用于数据传输的信道，一条信道为授权频谱信道；另一条信道为未授权频谱信道，则感知模型如公式（4）所示：（4）其中，x（t）为用户实际接收信号；s（t）为用户发射的信号；n（t）为高斯白噪声；h为信达增益。假设两条信道独立分布，如公式（5）所示：P1+P0=1（5）4仿真结果与性能分析为了验证基于智能电网的无线通信网络频谱感知系统的有效性，研究人员利用仿真软件对该系统进行仿真实验，设N=100、a0=0.01、b0=5、c0=0、2=1、1,4，其中，为服从均匀分布的变量。研究人员通过分析多次仿真实验结果，总结并绘制了频谱感知效果，如图3所示。分析图3可以发现，该系统感知时间与虚警概率呈正相关关系，随着感知时间的延长，频谱感知精度提高。此外，研究人员还需要考虑需求响应过程中，信道突然中断对系统造成的影响。效益性能与电价之间的变化曲线如图4所示。分析图4可以发现，供电商的收益与电力用户效益之间存在线性关联，当电价上涨时，供电商的收益提高，用户的收益减少。当电价处于合理区域（0.52）时，直接渲染管理器（DRM）性能处于平衡状态。5结语电力管理系统是一个复杂的系统，集成了多种业务系统类型、各种设备和网络的交互。为了保证电力系统的稳定运行，需要对其进行全面的管理。因此，研究人员首先阐述了电力管理系统的运行状态和多种业务系统类型。在需求侧管理方面，研究人员采用基本频谱检测算法并选择关注的有效指标建立数学模型，考虑电网通信整体性能的优化平衡。该算法可以有效地利用空闲频谱，并通过对电网通信整体性能的优化平衡，减少通信中断，提高可靠性和通信质量，从而增加电网的效益性能。研究人员通过仿真结果分析，证明了该算法的有效性，该算法不仅可以有效地管理电力系统，还能够提高电力系统的可靠性和效益性能，有助于保障电力系统的稳定运行和高效管理。因此，这项技术的应用前景广阔，可以为电力系统的可持续发展作出贡献。参考文献1李飞,马俊,李汀,等.IRS辅助SIMO-MAC认知无线电系统频谱感知优化策略J/OL.信号处理,2023:1-16.2王焕,吴斌.基于多步预测的宽带频谱感知技术J.计算机工程与设计,2021,42(7):1816-1823.3任欣悦,孙志国,陈增茂,等.基于证据预处理的协作频谱感知方法J.哈尔滨工程大学学报,2021,42(9):1387-1394.4孙志国,任欣悦,陈增茂,等.基于证据间相似性的协作频谱感知方法与性能分析J.通信学报,2020,41(12):139-147.5罗义军,杜瑞华,尹棋,等.基于FPGA的电力无线专网频谱感知系统J.电测与仪表,2020,57(24):46-51.图3频谱感知效果图4效益性能与电价之间的变化曲线虚警概率感知时间（ms）理论值仿真值00.511.522.5310-310-210-110014121086420供电者/用户收益（元）供电收益用户收益DRM性能电价（元）0.511.5267