徐强超，邝国安，沈石兰，邹三红，刘 雍，欧阳军

0 引言

最近几年来，中国智能变电站取得了快速的发展，智能变电站是执行电压改变的场所，为了把发电厂发出来的电能输送到较远的地方，需要根据实际的传输需求把低压电变为高压电，把高压电变为低压电，这种升降电压的工作靠变电站来完成。智能变电站在变换电压、接受和分配电能过程中，都需要对各智能设备进行信息传输和通信处理，采用IP协议交换机进行变电信息的报文传输。面向通用对象的变电站事件(Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE) 是IEC 61850标准中用于满足变电站自动化系统快速报文需求的机制，GOOSE是建立在站控层共用网络的基础上，通过GOOSE技术进行智能变电站的通信优化设计，提高智能变电站的通信抗干扰能力和信道均衡性能，相关的通信优化技术的研究受到人们的极大重视[1]。

基于GOOSE技术的智能变电站通信借鉴公共设施通信体系，采用的是独立组网通信方法，在进行于GOOSE报文过程中受到的电信号和多径信道的干扰，导致通信过程中信道均衡性不好，干扰较大，报文传输不准确，给智能变电站的接收检测带来困难[2]。对此，相关文献进行了智能变电站的通信系统优化改进设计，其中，文献[3]采用一种基于线性调频拷贝相关的峰值检测方法进行智能变电站的通信信号的自适应滤波检测，提高了智能变电站的通信抗干扰能力，信道均衡效果较好，但是该方法在进行GOOSE的报文传输和信号扫频过程中，补偿介质对信号的畸变跟踪性能不好，导致信道出现失真，而且该通信算法计算开销较大，需要进行通信优化设计。文献[4]提出一种基于频移键控(FSK)和相移键控(PSK)混合调制的智能变电站通信优化方法，结合自适应粒子学习算法进行通信误差的收敛跟踪，提高了通信信道的数据吞吐性能，改善了智能变电站的报文建立和传输效果，但是该模型计算开销较大，数据通信的实时传输性能不好[5～9]。

针对上述问题，本文在基于GOOSE技术的基础上，提出一种基于多层通信协议栈信道均衡的智能变电站通信优化方法，首先构建了智能变电站通信的GOOSE网络结构体系模型，分析了智能变电站中GOOSE传送信息的数据链路层传输模型，通过GOOSE（面向对象变电站通用事件）实现变电站报文传输和过压保护之间信息交换，采用多层通信协议栈信道均衡方法进行通信信道均衡设计，结合码间干扰抑制算法进行抗干扰滤波，以此实现智能变电站的通信优化，通过仿真实验进行了性能测试，展示了本文算法在进行变电站通信中的优越性能，得出有效性结论。

1 智能变电站通信的GOOSE网络结构体系和数据传输链路层模型构建

1.1 智能变电站通信的GOOSE网络结构体系

为了实现对智能变电站通信优化设计，在借鉴公共设施通信体系(UCA)的通用变电站状态事件的基础上，构建智能变电站通信的GOOSE网络结构体系，智能变电站通信的GOOSE网络结构布置在一个二维平面上的矩形目标区域A内，采用IEC61850-9-2标准，保证网络上GOOSE报文的优先传送，在GOOSE网络结构体系中，区域A中的变电站节点随机部署。通常一个智能变电站的通信传输系统包括以下几个模块：

1）微控制块（MCU）：主要负责变电站层网络的计算和拓扑分解功能；

2）通信模块（Radio）：发送和接受数字化变电站的报文和消息；

3）感知模块（Sensor）：在数据链路层进行环境和用电用户信息的采样，感知周围环境，完善的计算机监控，通过收集的变电需求等相关信息，实现智能变电站系统的信息交换和监控。

综上分析，得到智能变电站通信的GOOSE网络结构体系示意图如图1所示。

图1 智能变电站通信的GOOSE网络结构体系

图1中所示的智能变电站通信的GOOSE网络结构体系为一个含有M1，M2…MN个传感器节点的以太网网络模型，过程层网络与变电站层网络放置在监测区域内不同位置，通过GOOSE（面向对象变电站通用事件）实现接收信号，GOOSE应用层协议具有信号处理能力，假设智能变电站通信的GOOSE网络结构的输入层为，其中，，初始单位跟踪响应，其中，， j= 1,2,… ,m，在最大迭代次数tmax下进行最优控制，在等价非线性时变系统中，构建智能变电站通信的GOOSE网络的前馈增益调节状态模型，对于在正常状态下的变电站网络系统中动态节点进行自动测试，应答器的输入表示为netj，通信信道为时延-多普勒扩展信道模型，智能变电站通信的节点中建立无线传输信息通信网络，由此得到地面子系统通过变电站发射的最优的发射功率为：

其中，sl(t)为发射换能器的空间-频率特征，fc为调制频率，在收、发两端进行数据传输链的优化信道特征配准，信道配准的传递函数为：

其中， αn(t )为通信信号的复包络， τn(t)传输时间延迟，设在时间段 内的发射功率为pi，通过阵元天线系统进行调制解调，实现信道优化。

1.2 智能变电站通信的数据传输链路层信道模型

在上述构建了智能变电站通信的GOOSE网络结构的基础上，构建智能变电站的数据传输链路层模型，基于GOOSE技术的智能变电站通信系统设计采用主动自导系统设计方案，由于电磁波在变电站通信中造成了较大的电磁干扰，在智能变电站中传播存在着两种衰落失真：一种是远距离传播的引起的信道扩展衰落失真，另一种是由多径传播引起的码间干扰失真。对此，需要对变电站通信进行干扰抑制，在数据链路层中，假设引起信号的衰落的最优权系数β、惩罚因子C，前馈增益调节均方差函数：

其中，fi初始频率，yi为输出信号的复包络，基于GOOSE技术，得到智能变电站通信管理过程控制的加权系数的迭代过程为：

在智能变电站的报文发射阵元（PS）距接收阵5 Km下，采用作用距离与通信速率的乘积来衡量通信系统的性能，得到控制系统从度量论域U到区间[0，1]的映射，如果系统的通信性能处于稳定阶段，那么智能变电站通信离散控制系统在可靠性函数下建立Leslie-Gower模型，得到基于GOOSE技术的智能变电站通信控制对象的输出状态特征函数表示为：U → [0,1],∀ x ∈ U, x → SC( x)。采取不同的策略构建一组二元系数为（x，SC（x））的通信信道的状态覆盖集合。采用混合核函数构造自适应均衡控制器，寻找最优解，得到智能变电站自适应均衡核函数为：

其中，λ通过误差估计，在智能变电站通信控制中，上一时刻和此时刻的误差相互关联，通过时间状态评估得到误差估计先验值，采用粒子群优化寻优，根据离散系统差分的思想，在最大迭代次数下，通过多径信道扩展，从而可得输出信号的复包络为：

基于GOOSE技术的智能变电站通信的多径信道的空间调制波束表示如下：

2 智能变电站通信信道均衡和抗干扰优化

在上述构建的智能变电站通信的数据传输链路层信道模型的基础上，进行信道均衡设计，由于智能变电站在通信过程中受到强烈的电磁干扰，需要进行抗干扰设计，本文在基于GOOSE技术的基础上，提出一种基于多层通信协议栈信道均衡的智能变电站通信优化方法，采用多层通信协议栈信道均衡方法进行通信信道均衡设计，结合码间干扰抑制算法进行抗干扰滤波，以此实现智能变电站的通信优化，改进算法的实现过程描述如下：

GOOSE与站控层共用网络下的智能变电站通信的约束参量模型描述如下： fx(X, t)，fθ(X, t)是智能变电站通信的不确定的有界函数，通过IEEE802.1P协议的交换机进行通信链路传输，数据传输的误差估计函数分别为，且有如下关系：

同时满足:

变电站组网模式下，对于基于GOOSE技术的智能变电站通信调度信号，采用自适应波束形成取得空间指向性增益为：

基于P2P通信方式，通过GOOSE（面向对象变电站通用事件）实现到多径信道的脉冲重构，得到输出的冲激响应函数为：

GOOSE应用层协议中，进行智能变电站跟踪调度，在进行单工通信中，信道自适应均衡的跟踪误差：ex=x-xd， eθ=θ-θd，求得变电站报文传输的连续信息载波频率，其中 xd,θd是参考信号，变电站控制中心接收到的低通变电报文信息的调制幅值满足：

由于被动时反镜具有良好的均衡能力，采用被动时反镜，基于GOOSE技术进行智能变电站通信的信道均衡状态方程为：

图2 智能变电站通信的滤波器设计原理框图

图中，智能变电站通信通过滤波处理后的输出为：

为使接收到的探测信号较完整的涵盖变电站通信的报文信息，基于GOOSE技术，得到智能变电站通信的中每个接收阵元受到的报文信息指向性增益最强，抗干扰能力得到有效提高。

3 仿真实验与结果分析

为了测试本文算法在实现智能变电站优化通信中的性能，进行仿真实验。仿真实验在Windows 7环境下进行了测试，最大辐射距离Rmax为100 m。多径扩展时间为172.4ms，通信系统采用IEC61850通信标准，GOOSE应用层协议中探测信号采用频带为4～12KHz、时宽为4 ms的线性调频信号，进行数据通信仿真，系统内部损耗强度为SNR=0～150dB，系统正常工作时要求的最小输出信噪比为-12dB，智能变电站进行数据收发的阵元数目M固定为5个，此时假设智能变电站数据传输通信信号为 s( t) =exp(j2π f0t )，其中f0=27 kHz，接收机的能量调度尺度范围取0.34～1.58，不同阵元数目的接收阵间隔取0.345，在上述仿真环境和参数设定的基础上，进行变电站的通信性能测试和仿真，得到变电站的报文收发节点在各不同阵元数目的分布情况如图3所示。

图3 变电站通信中报文收发阵元分布

根据上述阵元分布，进行数据通信，得到1个、3个、5个、7个与9个智能变电站的GOOSE应用层阵元的信道冲激响应如图4所示，从图可见，采用本文算法进行智能变电站通信，数据收发节点具有较好高的冲激响应指向性增益，提高了通信的抗干扰能力。

最后，为了定量分析本文算法的优越性，采用通信误码率为测试指标，得到和传统方法的对比结果如图5所示，从图可见，采用该算法，通信误码率较低，改善了通信质量。

图4 智能变电站通信接收阵元的冲激响应

图5 通信误码率对比

4 结束语

本文在基于GOOSE技术的基础上，提出一种基于多层通信协议栈信道均衡的智能变电站通信优化方法，首先构建了智能变电站通信的GOOSE网络结构体系模型，分析了智能变电站中GOOSE传送信息的数据链路层传输模型，采用多层通信协议栈信道均衡方法进行通信信道均衡设计，结合码间干扰抑制算法进行抗干扰滤波，以此实现智能变电站的通信优化。实验结果表明，该通信优化方法能有效改善智能变电站通信中的性能，降低了通信误码率。

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