雙自由度擁塞控制方法及裝置與流程
2023-12-01 23:53:57
本發明涉及計算機網絡技術領域，尤其設計一種雙自由度擁塞控制方法及裝置。
背景技術：
隨著電力工業的迅猛發展，電力系統的規模也迅速增大，跨區域的大型電力系統逐步形成。電力系統的發展需求促進了廣域測量系統(Wide-Area Measurement System,WAMS)和相量測量單元的出現和發展，廣域電力系統正是一種基於WAMS的跨區域大型互聯電力系統，具有動態模型非線性、維數大、地域分布廣泛、動態行為複雜等特點。隨著電力系統規模的不斷擴大，相量測量單位發送的數據量在不斷的增加，而頻繁的數據傳輸或傳輸的數據量過大會導致數據通道中形成持續不斷的數據流，增大網絡通信衝突的可能性，容易導致網絡擁塞現象。所謂擁塞是指由於網絡負荷的增加導致網絡性能的下降。一旦網絡中發生數據通道擁塞現象，控制中心將無法獲得實時數據，導致大面積停電事故發生，造成嚴重的後果。為了解決廣域電力系統中的網絡擁塞問題，必須提出一種有效的擁塞控制策略。
擁塞控制機制實際上包含擁塞避免和擁塞控制兩部分，一個有效的擁塞控制機制應該具有以下的特點：(1)有效利用網絡帶寬。擁塞控制機制為避免擁塞傳播應當限制流量的注入速率，但是不應趨於保守而過於限制流量的主流速率，如果發生這種情況，鏈路會出現空閒使網絡帶寬無法得到充分利用。(2)公平性。將網絡的可用帶寬公平的分配給多條競爭數據流對於擁塞控制來說十分重要。(3)快速反應。擁塞控制機制應當對流量需求的變化作出快速反應，當流量需求增加時，擁塞控制機制應當儘快減少當前數據流的注入速率，如果反應太慢，就會發生擁塞傳播，而當流量需求減少時，則應該迅速增加剩餘數據流的注入速率，避免網絡帶寬的浪費。(4)低振蕩。擁塞控制機制應該避免數據流注入速率的大幅振蕩，如果發生這種情況，網絡鏈路的狀態可能在擁塞和浪費之間來回變化變化，減少整個網絡的吞吐量。
由於廣域網絡具有較大的往返時間(round trip time，RTT)，目前的擁塞控制機制，如TCP擁塞控制機制、基於路由器隊列管理的擁塞控制、隊列調度機制等都不能處理廣域網絡中往返時間延遲和幹擾，從而無法保證廣域網絡的服務質量。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提供一種雙自由度擁塞控制方法及裝置，解決現有技術中廣域電力系統的網絡中存在往返時延和外部幹擾的技術問題。
為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是：雙自由度擁塞控制方法，所述方法包括：
對採用傳統Smith擁塞控制器的廣域電力系統進行內模控制，列出內模控制器的函數表達式；
根據內模控制理論設計反饋控制器，計算反饋控制器的函數表達式；
在頻率分析基礎上設計抗擾控制器，計算抗擾控制器的函數表達式；
根據反饋控制器、抗擾控制器設計雙自由度擁塞控制器，繪製雙自由度擁塞控制模型圖；
根據反饋控制器的函數表達式、抗擾控制器的函數表達式，結合雙自由度擁塞控制模型圖，計算廣域電力系統經過雙自由度擁塞控制器後輸入與輸出關係表達式，實現系統雙自由度擁塞控制。
所述傳統Smith擁塞控制器的實際過程表示為：估計模型傳遞函數表示為：其中：G(s)表示被控對象，R0表示模型的滯後時間，Gm(s)表示Smith預估器的傳遞函數，Rm表示往返時延。
所述內模控制器GIMC(s)是基於估計模型和低通濾波器設計的，內模控制器GIMC(s)的函數表達式為：
其中：表示估計模型傳遞函數的最小穩定相位，F(s)表示低通濾波器，λ是決定系統魯棒性的可調參數，n是濾波器的階數。
所述低通濾波器選用一階低通濾波器。
反饋控制器函數表達式的具體算法如下：
根據內模控制理論，將估計模型傳遞函數因式分解為兩部分：
其中：表示包含Smith預估器的延遲和使分子為0且在複平面S上右半平面的零點；T1m＝Rm，C表示鏈路容量，N表示網絡連接數；
根據計算反饋控制器Gc1(s)的函數表達式，
已知可得：
將公式(1)和(6)代入公式(5)，得到反饋控制器的通用函數表達式：
低通濾波器選用一階低通濾波器，即n＝1，則反饋控制器的函數表達式為：
抗擾控制器表達式的具體算法如下：
選擇比例-積分控制器設計抗擾控制器Gc2(s)：
其中：KD表示比例係數，TD表示積分時間常數，其特徵方程為：
假設TD＝T1m，則上面的特徵方程簡化為：
根據奈奎斯特準則，有：
其中，是期望的相位差，當固定且Km、T2m和Rm已知時，通過公式(12)解出KD，再代入公式(9)即可解出抗擾控制器：
根據反饋控制器、抗擾控制器設計雙自由度擁塞控制器的具體方法如下：
假設實際過程令廣域電力系統的輸入信號首先經過反饋控制器，接入反饋控制器後廣域電力系統的輸出O」(s)為：
其中：I(s)表示廣域電力系統的輸入信號，D(s)表示幹擾信號；
再將抗擾控制器接入廣域電力系統中，接入抗擾控制器後廣域電力系統的輸出O(s)為：
所述方法是：按照實際發電站的地理位置分成若干子系統，在子系統中對廣域電力系統的網絡擁塞進行控制。
雙自由度擁塞控制裝置，包括連接於廣域電力系統輸入信號與輸出信號之間的傳統Smith擁塞控制器，還包括反饋控制器和抗擾控制器；
所述反饋控制器，連接於廣域電力系統的信號輸入端，用於控制廣域電力系統的往返時延；
所述抗擾控制器，連接於廣域電力系統的信號輸出端與幹擾信號輸入端，用於濾除廣域電力系統中的外部幹擾信號。
所述傳統Smith擁塞控制器的實際過程表示為：估計模型傳遞函數表示為：
對採用傳統Smith擁塞控制器的廣域電力系統進行內模控制，內部控制器
其中：G(s)表示被控對象；R0表示模型的滯後時間；表示估計模型傳遞函數的最小穩定相位；表示包含Smith預估器的延遲和使分子為0且在複平面S上右半平面的零點；T1m＝Rm；Rm表示往返時延；C表示鏈路容量；N表示網絡連接數；表示低通濾波器；λ是決定系統魯棒性的可調參數，n是濾波器的階數。
所述反饋控制器是根據內模控制理論設計的，反饋控制器
其中，Gm(s)表示Smith預估器的傳遞函數，
所述內模控制器選用一階低通濾波器，所述反饋控制器
所述抗擾控制器Gc2(s)選用比例積分控制器進行設計，即抗擾控制器其中：KD表示比例係數，TD表示積分時間常數；
其特徵方程為：
假設TD＝T1m，則上面的特徵方程簡化為：
根據奈奎斯特準則，有：
其中，是期望的相位差，當固定且Km、T2m和Rm已知時，即可解出抗擾控制器：
假設實際過程接入反饋控制器後廣域電力系統的輸出O」(s)為：
其中：I(s)表示廣域電力系統的輸入信號，D(s)表示幹擾信號；
再將抗擾控制器接入廣域電力系統中，接入抗擾控制器後廣域電力系統的輸出O(s)為：
與現有技術相比，本發明所達到的有益效果是：在傳統Smith擁塞控制器的基礎上設計了反饋控制器用於解決往返時延的技術問題，同時設計了抗擾控制器能夠解決外部幹擾問題，解決了網絡擁塞問題，為廣域電力系統的有效輸電提供了保障。
附圖說明
圖1是廣域電力系統的結構示意圖；
圖2是本發明提供的雙自由度擁塞控制方法的流程圖；
圖3是採用傳統Smith擁塞控制器的廣域電力系統的系統框圖；
圖4是採用內模控制的廣域電力系統的系統框圖；
圖5是接入反饋控制器後廣域電力系統的系統框圖；
圖6是接入反饋控制器和抗擾控制器後廣域電力系統的系統框圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護範圍。
如圖1所示，廣域電力系統在地域上分布廣泛，且動態模型具有較高的位數，若採用集中控制，則在設備要求和算法實現上均存在較大的困難。本發明是按照實際發電站的地理位置將廣域電力系統分成若干個子系統，分別對各個子系統進行擁塞控制。
如圖2所示是本發明提供的雙自由度擁塞控制方法的流程圖，包括如下步驟：
對採用傳統Smith擁塞控制器的廣域電力系統進行內模控制，列出內模控制器的函數表達式；
如圖3所示，是採用傳統Smith擁塞控制器的廣域電力系統的系統框圖，圖中：表示實際過程；表示估計模型傳遞函數；其中：G(s)表示被控對象，R0表示模型的滯後時間，Rm表示往返時延RTT。
根據內模控制理論對採用傳統Smith擁塞控制器的廣域電力系統進行內模控制，得到如圖4所示的廣域電力系統框圖，圖中：GIMC(s)表示內模控制器，Gc1(s)表示反饋控制器，Gm(s)表示Smith預估器的傳遞函數，內模控制器GIMC(s)是基於估計模型和低通濾波器設計的，內模控制器的函數表達式具體通過以下步驟獲得：
根據內模控制理論，將估計模型傳遞函數因式分解成兩部分：
其中：表示包含Smith預估器的延遲和使分子為0且在複平面S上右半平面的零點；表示包含可逆的最小穩定相位；T1m＝Rm；Rm表示往返時延RTT，C表示鏈路容量，N表示網絡連接數。
為了提高系統的魯棒性，引入低通濾波器F(s)：
其中：λ是決定系統魯棒性的可調參數，n是濾波器的階數。
因此，內模控制器GIMC(s)的函數表達式如下：
本發明中內模控制器中引入的低通濾波器選用一階低通濾波器，即n＝1，則內模控制器GIMC(s)的函數表達式可進一步寫為：
根據內模控制理論設計反饋控制器，計算反饋控制器的函數表達式；
內模控制控制能夠提供快速的響應能力和強壯的魯棒性，因此本發明根據內模控制理論設計反饋控制器。由圖4可知，據此可得出：
將公式(3)代入公式(5)中，可得反饋控制器的通用表達式：
將公式(4)代入公式(5)中，可得採用一階低通濾波器的反饋控制器的函數表達式：
在頻率分析基礎上設計抗擾控制器，計算抗擾控制器的函數表達式，具體方法如下：
選擇比例-積分控制器設計抗擾控制器Gc2(s)：
其中：KD表示比例係數，TD表示積分時間常數，其特徵方程為：
假設TD＝T1m，則上面的特徵方程簡化為：
根據奈奎斯特準則，有：
其中，是期望的相位差，當固定且Km、T2m和Rm已知時，通過公式(11)解出KD，再代入公式(8)即可解出抗擾控制器：
根據反饋控制器、抗擾控制器設計雙自由度擁塞控制器，繪製雙自由度擁塞控制模型圖；
進行雙自由度擁塞控制器設計時，假設實際過程令廣域電力系統的輸入信號首先經過反饋控制器，解決往返時延的技術問題，如圖5所示，是接入反饋控制器後廣域電力系統的系統框圖。接入反饋控制器後廣域電力系統的輸出O」(s)為：
其中：I(s)表示廣域電力系統的輸入信號，D(s)表示幹擾信號。
再將抗擾控制器接入廣域電力系統中，解決廣域電力系統存在額外幹擾的技術問題，如圖6所示是接入反饋控制器和抗擾控制器後廣域電力系統的系統框圖。
根據反饋控制器的函數表達式、抗擾控制器的函數表達式，結合雙自由度擁塞控制模型圖，計算廣域電力系統經過雙自由度擁塞控制器後輸入與輸出關係表達式，具體為：
至此，完成了廣域電力系統的雙自由度擁塞控制，能夠同時解決往返時延即額外幹擾的技術問題，為廣域電力系統的有效輸電提供了保障。
本發明提供的雙自由度擁塞控制裝置，包括連接於廣域電力系統輸入信號與輸出信號之間的傳統Smith擁塞控制器，還包括反饋控制器和抗擾控制器。
廣域電力系統所採用的傳統Smith擁塞控制器的實際過程估計模型傳遞函數對採用傳統Smith擁塞控制器的廣域電力系統進行內模控制，內部控制器其中：表示估計模型傳遞函數的最小穩定相位；T1m＝Rm；Rm表示往返時延；C表示鏈路容量；N表示網絡連接數；表示低通濾波器；λ是決定系統魯棒性的可調參數，n是濾波器的階數。
所述反饋控制器，連接於廣域電力系統的信號輸入端，用於控制廣域電力系統的往返時延。
反饋控制器是根據內模控制理論設計的，反饋控制器其中，Gm(s)表示Smith預估器的傳遞函數，
所述內模控制器選用一階低通濾波器，即n＝1，所以反饋控制器
所述抗擾控制器，連接於廣域電力系統的信號輸出端與幹擾信號輸入端，用於濾除廣域電力系統中的外部幹擾信號。
抗擾控制器Gc2(s)選用比例積分控制器進行設計，即抗擾控制器其中：KD表示比例係數，TD表示積分時間常數；
其特徵方程為：
假設TD＝T1m，則上面的特徵方程簡化為：
根據奈奎斯特準則，有：
其中，是期望的相位差，當固定且Km、T2m和Rm已知時，即可解出抗擾控制器：
假設實際過程接入反饋控制器後廣域電力系統的輸出O」(s)為：
其中：I(s)表示廣域電力系統的輸入信號，D(s)表示幹擾信號；
再將抗擾控制器接入廣域電力系統中，接入抗擾控制器後廣域電力系統的輸出O(s)為：
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護範圍。