专利名称：一种用于变电站设备监测的认知无线电系统及相关方法
技术领域：
本发明属于电カ系统无线通信领域，具体涉及ー种用于变电站设备监测的认知无线电系统及相关方法。
背景技术：
随着智能电网的建设和使用的越来越广泛，其带来了巨大的经济效益和社会效益。智能变电站作为智能电网的重要组成部分，其发展的好坏将直接影响智能电网的发展水平，而智能一次设备的应用是智能变电站重要的标志之一。对智能一次设备进行必要的监测是保证设备正常运行、保证供电安全、提高供电可靠性、提升智能化水平的重要手段，因此设备监测技术成为智能变电站技术体系中标志性的核心技术。
随着物联网技术的发展，物联网技术在变电站内得到了越来越广泛的应用，也大大促进了变电站的智能化水平的提高。《物联网技术在智能变电站的应用》一文中提到，应用物联网技木，以传感网测控平台为基础，建立一套全站公用的智能监测与辅助控制系统，通过监瞀巡检、检修维护认证、图像监视与安全警卫、温度状态监测、采暖通风、SF6泄露监测、给排水监测、火灾报警及消防等子系统的配置及分析，实现对变电站全过程智能运行管理。因此，无线传感网络凭借具有建设成本低、建设速度快、部署简单等优点，有着良好的发展基础。变电站内电カ设备较多，包括变压器、避雷器、GIS、高压断路器、电容型设备、线路、互感器等，而对任一监测实体又存在多项监测内容，所以会存在大量的无线监测终端。变电站内频谱资源有限，尤其电カ专用频谱资源，大量无线监测终端的存在会使频谱资源显得尤为匮乏，给现有的频谱管理方式带来了难题，如果不对该难题进行解决，就会造成终端无法接入，无法全面监测，无法传输数据，进而影响在线监测的效果和水平。现有的智能变电站解决方案主要讲述在线监测技术，包括提高监测的准确性、实时性、可靠性、全面性，但是没有考虑频谱资源问题，从长远的发展来看，解决频谱资源紧张问题、提高频谱利用率有着十分重要的意义。认知无线电技术作为解决频谱资源匮乏、缓解频谱资源紧张、提高频谱资源利用率的有效手段，近年来得到了大量的研究。Joseph Mitola提出的认知无线电系统是ー个能够对环境进行感知和具有自动学习能力，同时能够自适应地进行频谱资源管理的无线系统。频谱感知作为认知无线电技术的关键技术之一，也是近几年认知无线电技术的研究热点。频谱感知包括单节点感知和协作感知，由于单节点感知受到多径、阴影以及本地干扰等因素，易造成单节点频谱感知结果不够准确，从而易对授权用户造成干扰。为解决单节点在检测过程中隐蔽终端、灵敏度高等问题，国内外研究学者提出了协作频谱感知的方法。协作频谱感知又包括固定样本数检测和非固定样本数检测，传统的0R/AND等协作算法都是固定样本数检测算法，这类算法收集所有数据后进行判決，没有考虑判决条件提前满足的情况，在实际判决过程中可能不需要收集所有数据进行判决，所以存在浪费传输资源、延长感知时间的问题。国外学者提出的序贯检测算法是ー种非固定样本数的检测方法，相对于固定样本数的协作检测，该算法具有感知样本少、感知时间短等优点，但该算法没有考虑目标频段的空闲率，且由于判决算法的限制，频谱感知正确率不高。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明提供了一种用于变电站设备监测的认知无线电系统及相关方法，能够提高电カ专用频谱资源的利用率，有效缓解了电カ无线监测終端接入时的频谱资源紧张的现状。为实现上述目的，本发明提供一种用于变电站设备监测的认知无线电系统，其改进之处在于，包括基站、通信終端、认知节点和被监测装置；所述基站与所述通信終端在分配的频段上进行无线电通信；所述通信終端分别对所述认知节点和所述被监测装置进行管理。
本发明提供的优选技术方案中，所述认知节点与所述通信終端通过PCI总线接ロ 进行通信；所述认知节点对230M Hz电カ无线频段进行频谱感知。本发明提供的第二优选技术方案中，所述被监测装置包括授权用户和认知用户；所述授权用户和所述认知用户协同工作，对变压器、避雷器、GIS、高压断路器、电容型设备、线路和互感器的检测。本发明提供的第三优选技术方案中，授权用户包括保护装置、测控装置、切換装置、电网安全自动装置、以及同期和远动装置；所述认知用户包括温/湿度检测传感装置、风速传感装置、倾角传感装置、电压/电流/功率传感装置、绝缘子积污检测传感装置、放电检测传感装置和计量装置。本发明提供的第四优选技术方案中，提供一种频谱感知与分配方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤(I).认知节点采用基于声望的三门限序贯检测的频谱感知算法进行空闲频段探测，并将探测结果发送给通信終端；(2).通信终端采用基于代价费用函数的频谱资源分配方法对频谱资源进行分配。本发明提供的第五优选技术方案中，所述步骤I包括如下步骤(1-1).通信終端给予參与协作的认知节点分配初始声望值，并记录所述认知节点的信息；(1-2).所述认知节点依据频谱分析的结果对空闲率高的频段进行本地频谱感知并将得出的结果以及感知数据传输给所述通信終端；(1-3).通信終端依据所述认知节点的声望值对其发送的数据进行加权并形成判
决变量；(1-4).对判决变量是否大于上限或小于下限进行判断，若是则得出判决结果且不再要求其他认知节点发送数据，否则返回步骤1-2 ；(1-5).与參与协作的认知节点的判决结果进行比较，对參与协作的认知节点的声望值进行更新。本发明提供的第六优选技术方案中，在所述步骤1-4中，第一门限是判决授权用户占用且具有较高准确性的门限，第二门限是判决授权用户不占用且具有较高准确性的门限，第三门限是判决授权用户是否占用频段的门限；经过计算的判决变量如果大于第一门限或者小于第二门限，那么就可以得出准确性较高的判决结果，此时不再要求其他节点发送数据，进入声望更新环节，与单节点的判决结果进行比较，对单节点的声望值进行更新；如果判决变量值小于第一门限且大于第二门限，通信終端要求下一个节点继续发送数据，直至得出具有较高准确性的判决結果；如果參与协作的节点数量有限，所有节点发送完数据后判决变量值仍然处于第一门限和第二门限之间，由于第三门限的存在，可以得出准确性不是很高的判决結果。本发明提供的第七优选技术方案中，所述步骤2包括如下步骤(2-1).依据频谱感知的结果，得到各条空闲频段；(2-2).依据代价费用函数计算每条空闲频段的代价费用，将各个空闲频段按代价费用从低到高的顺序进行排序；(2-3).根据各个空闲频段信息，对频谱资源进行分配，选取代价费用最小的空闲 频段作为主传输频段，剰余空闲频段作为备用传输频段，传输过程中对授权用户是否出现进行判断，如果不出现，则继续传输数据，否则判断是否需要切換，如果需要切換，则切换到代价费用次小的备用传输频段完成传输，否则转向步骤2-4 ；(2-4).认知用户和授权用户共享频段进行数据传输。本发明提供的第八优选技术方案中，在所述步骤2-2中，代价费用函数的定义如下
权利要求
1.一种用于变电站设备监测的认知无线电系统，其特征在于，包括基站、通信終端、认知节点和被监测装置；所述基站与所述通信終端在分配的频段上进行无线电通信；所述通信終端分别对所述认知节点和所述被监测装置进行管理。
2.根据权利要求I所述的认知无线电系统，其特征在于，所述认知节点与所述通信终端通过PCI总线接ロ进行通信；所述认知节点对230MHz电カ无线频段进行频谱感知。
3.根据权利要求I所述的认知无线电系统，其特征在于，所述被监测装置包括授权用户和认知用户；所述授权用户和所述认知用户协同工作，对变压器、避雷器、GIS、高压断路器、电容型设备、线路和互感器进行检测。
4.根据权利要求3所述的认知无线电系统，其特征在于，授权用户包括保护装置、测控装置、切換装置、电网安全自动装置、以及同期和远动装置；所述认知用户包括温/湿度检测传感装置、风速传感装置、倾角传感装置、电压/电流/功率传感装置、绝缘子积污检测传感装置、放电检测传感装置和计量装置。
5.一种应用于权利要求1-4任ー项所述系统的频谱感知与分配方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤 (1).认知节点采用基于声望的三门限序贯检测的频谱感知算法进行空闲频段探測，并将探测结果发送给通信終端； (2).通信终端采用基于代价费用函数的频谱资源分配方法对频谱资源进行分配。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤I包括如下步骤 (1-1) 通信終端给予參与协作的认知节点分配初始声望值，并记录所述认知节点的信息； (1-2).所述认知节点依据频谱分析的结果对空闲率高的频段进行本地频谱感知并将得出的结果以及感知数据传输给所述通信終端； (1-3).通信終端依据所述认知节点的声望值对其发送的数据进行加权并形成判决变量; (1-4).对判决变量是否大于上限或小于下限进行判断，若是则得出判决结果且不再要求其他认知节点发送数据，否则返回步骤1-2 ； (1-5).与參与协作的认知节点的判决结果进行比较，对參与协作的认知节点的声望值进行更新。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述步骤1-4中，第一门限是判决授权用户占用且具有较高准确性的门限，第二门限是判决授权用户不占用且具有较高准确性的门限，第三门限是判决授权用户是否占用频段的门限；经过计算的判决变量如果大于第一门限或者小于第二门限，那么就可以得出准确性较高的判决结果，此时不再要求其他节点发送数据，进入声望更新环节，与单节点的判决结果进行比较，对单节点的声望值进行更新；如果判决变量值小于第一门限且大于第二门限，通信終端要求下一个节点继续发送数据，直至得出具有较高准确性的判决結果；如果參与协作的节点数量有限，所有节点发送完数据后判决变量值仍然处于第一门限和第二门限之间，由于第三门限的存在，可以得出准确性不是很高的判决結果。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括如下步骤 (2-1).依据频谱感知的结果，得到各条空闲频段；(2-2).依据代价费用函数计算每条空闲频段的代价费用，将各个空闲频段按代价费用从低到高的顺序进行排序； (2-3).根据各个空闲频段信息，对频谱资源进行分配，选取代价费用最小的空闲频段作为主传输频段，剰余空闲频段作为备用传输频段，传输过程中对授权用户是否出现进行判断，如果不出现，则继续传输数据，否则判断是否需要切換，如果需要切換，则切换到代价费用次小的备用传输频段完成传输，否则转向步骤2-4 ； (2-4).认知用户和授权用户共享频段进行数据传输。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述步骤2-2中，代价费用函数的定义如下
全文摘要
本发明提供了一种用于变电站设备监测的认知无线电系统及相关方法，系统应用于变电站设备监测的通信环节中，根据监测数据的类型和优先级，对监测装置进行授权用户和认知用户的角色划分，系统包括基站、通信终端和认知节点三个部分，其中，认知节点对230MHz电力专用无线授权频段采用基于声望的三门限序贯检测算法进行协作频谱感知，获取授权频段空闲频谱信息并发送给通信终端进行处理，通信终端基于代价费用函数执行频谱决策，并对频谱资源进行分配，以利用空闲频段与基站通信。本发明提供的用于变电站设备监测的认知无线电系统及相关方法，能够提高电力专用频谱资源的利用率，有效缓解了电力无线监测终端接入时的频谱资源紧张的现状。
文档编号H04B17/00GK102821389SQ20121019322
公开日2012年12月12日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者姚继明, 郭经红, 李炳林, 张 浩, 张波, 刘世栋, 韦磊, 王萍 申请人:中国电力科学研究院, 江苏省电力公司南京供电公司, 华北电网有限公司