应用5G 消息和共享风险链路组的电力需求响应系统设计

丁 麒，王庆娟，卢 侃，周青睐，陈永杲

（1.国网浙江省电力有限公司营销服务中心，浙江杭州 311100；2.国网浙江省电力有限公司武义县供电公司，浙江金华 321200；3.国网浙江桐乡市供电有限公司，浙江桐乡 314500）

现阶段，随着5G智能手机[1]的不断普及和5G通信基站[2]建设的大规模推进，RCS（Rich Communication Services&Suite，融合通信）消息[3]逐渐被广大用户所接受。由于5G 消息用户无需下载微信等即时通信软件[4]，便可在手机短信端实现多种智能化交互的特点，其已成为多方企业宣传推广业务时所采用的重要途径。

能源互联网[5]的不断发展对电力系统的建设提出了更高标准的网络传输要求，传统电力通信网络[6]的可靠性传输对整个电力系统起到至关重要的作用。然而在现实应用中，一些单一链路与共享链路间存在各种传输优化策略问题，所以研究共享链路组的有效应用对于解决电力通信网络传输问题具有重要意义[7-10]。

1 电力需求响应系统

1.1 电力需求响应系统架构总体设计

电力需求响应系统在电网规划中占有重要地位。近年来，随着5G技术与人工智能技术[11]不断取得突破，自动需求响应系统也得到了持续发展，从而进一步提升电力需求响应的灵活性、可靠性和时效性。

在设计电力需求响应系统时，通常将整个系统划分为三个层次，从上至下依次为应用层、网络传输层和电力感知层，其总体架构如图1 所示。

在电力需求响应系统中，电力感知层位于最底端，是整个系统的基础组成部分。其主要由各种传感器[12]、家用电器等需求响应终端设备组成。通过这些终端设备，可获取使用者的用电习惯等信息，从而使得电网侧用电响应分配状况并做出自适应调整。

作为电力需求响应系统中承上启下的关键层级，网络传输层的主要作用是建立一个高质量的通信信道[13]，进而将下层感知到的用户用电状况信息传输到具体的业务应用层级。

在设计电力需求响应系统时，通常会设计一个自动需求响应平台来实现应用层的具体功能。该自动需求响应平台会同时结合感知层得到的用户用电情况和电网侧供电情况，并择优选取提前定制好的需求响应策略，再进行有效的供求匹配，最终实现电力的供求平衡。

1.2 基于共享风险链路组的网络传输优化

在整个电力需求响应系统的设计实现中，电力通信网络架构起到了至关重要的作用。当整个通信网中某一条共享的链路发生故障时，所有经过该共享链路的通信链路均会出现故障并导致通信中断。因此需要综合考虑共享风险和链路风险集中的问题，以降低网络通信故障的发生概率。

为了定量评估通信网络中链路和节点的可用性程度，文中提出了两个评价指标，分别为链路系统可用性和节点可用性。节点可用性基于链路系统可用性来实现，首先定义链路系统的可用性A，计算方法如下：

1) 卓越的可设计性。通过获取损伤结构的裂纹参数、载荷类型和实际工况进行设计方案定制。选择不同参数与力学性能的补片、胶粘剂，定制适用的修复工艺。采用最优化的修复方案来提高再制造修复结构的承载能力，恢复构件的力学性能，提升可靠性。

式中，tMTTF是电力系统或电力设备，在无故障的状态下正常运行至系统发生一次故障的平均间隔时间；tMTBF指的是系统或设备连续两次发生故障的平均时间间隔，即系统或设备平均可正常运行的时间，可以发现若一个系统的tMTBF值越大，则该系统越可靠；tMTTR表示系统的恢复性能，其具体代表系统故障确认反应时间与系统维护所需时间之和，且当此值越小时，则说明该系统的恢复性能越高。

基于式（1），能够得到节点x可用性AN(x)表示如下：

由此可得，记一段长为L(x,y)的通信链路的两个端点分别为x、y，则其可用性AE(x,y)可定义为：

在网络传输的过程中，通信网络链路的数量是一定的，因此当网络需要传输的数据量过大时，通常会发生网络拥堵问题。为了定量分析拥堵对系统网络传输风险的影响程度，该文提出了一个拥堵-网络风险指数。首先，定义通信网络的拥堵率Vblock为：

其中，H表示待传输的业务总数，K表示因为链路容量限制而无法进行链路分配的业务数量。

其次，将通信网络的拥堵率Vblock与平均业务风险Rave归一化，得到归一化后的参数值分别为和。

最终，拥堵-网络风险指数可定义如下式所示：

其中，m和n分别代表两个参数，即网络拥堵率与平均业务风险所占的权重。由此可得到，当通信网络的拥堵程度越小且业务风险越低时，通信网络的质量越高。

1.3 应用5G消息的需求响应业务推广

现阶段随着5G 网络传输技术的不断发展，传统2G 时代的短信业务已无法满足广大用户获取信息的习惯，故5G 消息技术应运而生。以统一的GSMA RCS 通信标准为基础，5G 消息可提供智能化消息交互、多媒体消息类型等多种全新的通信服务体验。因此，5G 消息将会逐渐成为现阶段人们获取有效信息的主要载体。

该文设计的电力需求响应系统的应用推广将采用基于5G 消息的人工智能技术，并通过实现企业级的消息助理与智能化客服服务，以帮助用户快速了解自动需求响应系统的具体实现方式，从而实现系统的快速有效推广，RCS 企业信息流转过程如图2所示。

图2 RCS企业信息流转过程

如图2 所示，供电部门的企业级消息的流转过程可概括如下：整个流程基于APIS 接口进行整体交互；不同于微信和QQ 等即时通信软件[14]，5G 消息基于国内运行商机构的MaaP 能力；广大用户无需在手机等终端设备中下载具体的应用程序，仅通过原始的手机短信窗口便可实现与电力企业系统的交互，进而实现点对点的模式。更为重要的是，人工智能技术以及自然语言处理技术也应用其中，并使5G 消息更加贴近人类的语言环境，从而实现人工智能技术对基础能力的不断赋能。

1.4 系统设计实现

文中设计的电力需求响应系统以传统电力需求响应系统的整体框架为基础，并在此基础上进行改进，以提升系统性能。其一方面能对网络传输层的性能进行优化：基于共享风险链路组技术，通过引入一个拥堵-网络风险指数来定量评估网络质量，同时综合考虑通信网络链路中存在的节点风险、链路风险和共享风险问题，从而显著降低通信网络传输过程中发生通信故障的可能性，提高系统整体的稳定性和可靠性；另一方面，该系统的创新之处也在于5G 消息的应用：通过引入5G 消息类型，结合人工智能及自然语言处理技术，实现了该系统业务的智能化推广。系统的设计实现架构如图3 所示。

图3 该文所提系统实现架构

2 仿真测试

2.1 实验环境

在对该文提出的系统进行仿真验证时，主要是对提出的基于共享风险链路组的网络传输层优化进行性能验证，从而有效证明该系统具有较优的网络传输可靠性。

该实验基于PC 机平台，通过Matlab 仿真软件进行系统性能验证。其具体的仿真软硬件环境参数配置如表1 所示。

表1 实验软硬件环境配置

在仿真过程中选用的网络模型如图4 所示，其来源于文献[15]仿真采用的网络模型。在每条网络链路中，标识出的数字信息为具体的共享链路标识。

图4 仿真用的网络模型

2.2 实验设计及结果分析

为验证所提算法的性能，对提出的基于共享风险链路组的网络传输优化算法进行仿真实验。在实验中将该文算法命名为Propose，与专用通路保护算法（DPP）进行对比实验。从图5 中可以看出，共进行了10 次实验仿真验证，且在每次实验的过程中，均以随机生成的方式发起通信连接请求，并通过比较不同算法的损失率来验证算法性能的优劣。

图5 不同算法的损失率比较

由图5 可知，在多次实验的过程中，提出算法的业务丢弃数量均明显低于DPP算法，因此充分说明了所提算法与专用通路保护算法相比较而言，其网络利用率更高且通信连接请求的损失率更低，同时还具有更优的网络可靠性。这是由于一方面该算法基于共享风险链路组的优势，当网络中的通信连接请求对应的共享风险链路组彼此分离时，不同通信连接请求之间便可共用网络资源，从而降低网络链路中预留的带宽资源总量，并提升网络通信质量；另一方面，通过提出一个拥堵-网络风险指数来定量实时评估网络质量，不断判断节点风险与链路风险情况，从而为共享链路组的有效利用进行适应性指导[16-17]。

为进一步验证文中算法性能，进行负载压力测试实验。通过模拟不同网络负载压力下整个通信网络的阻塞率，对网络传输情况进行验证。如图6-7 所示，二者分别为波长为2 和波长为4 时，网络的传输质量情况。

图6 波长为2时不同算法的阻塞率性能比较

通过图6 可以看出，在传输光纤支持2 个波长传输的情况下，无论整个通信链路网中的负载情况如何发生变化，相较于DPP 算法，所提算法均能有效降低整个通信传输网络的拥堵程度并提升通信质量。

图7 是在传输光纤能支持4 个波长传输时，网络的阻塞率性能。可以看出，在波长为4 的情况下，提出算法的网络阻塞率仍低于对比算法。同时当网络负载较小时，所提算法的性能表现仍较为优异。

图7 波长为4时不同算法的阻塞率性能比较

3 结束语

文中基于5G 消息和共享风险链路组技术，提出了一种电力需求响应系统的设计方案。在整个系统的设计中，主要创新点在于应用共享链路组技术进行网络传输层的整体优化，采用拥堵-网络风险指数实现了对网络质量的定量评估。该方案综合考虑了通信网络链路中存在的各类风险，大幅降低了通信传输的故障发生率，有效提高了系统的可靠性。采用5G 消息技术对电力需求响应系统进行整体的推广应用，能有效提高整个系统使用率和参与度。