基于成本分析的hems系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)配置方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及智能電網(wǎng)技術(shù)，特別是涉及一種在不同排隊(duì)機(jī)制下，基于成本分析的 HEMS系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)配置方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 如圖1所示，智能電網(wǎng)是將電網(wǎng)和信息、通信技術(shù)整合起來(lái)，以提高現(xiàn)有電網(wǎng)的性 能和可靠性，擁有自我控制和發(fā)生故障時(shí)能自愈的自動(dòng)輸配電網(wǎng)絡(luò)。M2M通信的想法是利用 低成本、可擴(kuò)展及可靠的技術(shù)讓M2M組件互連，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程控制。自動(dòng)化的M2M通信 可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的間接成本，從而促進(jìn)其廣泛應(yīng)用在配備了嵌入式處理器和傳感器的移 動(dòng)平臺(tái)中。智能電網(wǎng)中的家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS)采用"可視化"設(shè)計(jì)，能夠及時(shí)掌握家 庭的用電情況，除了能讓用戶(hù)通過(guò)家里的電視或監(jiān)視器簡(jiǎn)單地了解自家的用電信息之外， 還能通過(guò)對(duì)于能源消耗的統(tǒng)一管理，根據(jù)用戶(hù)的行為習(xí)慣和天氣信息向用戶(hù)提出高效用電 的可行性建議。對(duì)于一些先進(jìn)的家電可以主動(dòng)的向智能電表發(fā)送信息（例如，未來(lái)電力消 費(fèi)需求）。智能電表是用來(lái)從家電中收集功耗需求數(shù)據(jù)的設(shè)備。在一個(gè)區(qū)域所有住房的智 能電表間建立一個(gè)鄰域網(wǎng)（NAN)來(lái)支持HEMS。一個(gè)NAN有一個(gè)集中器（即網(wǎng)關(guān)）使用短程 通信技術(shù)（如ZigBee)來(lái)采集數(shù)據(jù)包（即HEMS流量）。
[0003] 數(shù)據(jù)特性對(duì)達(dá)到M2M應(yīng)用的QoS要求是非常重要的。預(yù)計(jì)M2M網(wǎng)絡(luò)將支持大量的 設(shè)備，為了提高數(shù)據(jù)吞吐量，需要為數(shù)據(jù)集中模式引入新的算法或修改信息傳送模式。以前 的方法主要集中在如何放置或定位接收節(jié)點(diǎn)上。例如家庭局域網(wǎng)中的M2M網(wǎng)絡(luò)，研究了其 系統(tǒng)架構(gòu)和服務(wù)質(zhì)量的提高。在電力需求變化時(shí)，HAN設(shè)備只能與控制器通信，數(shù)據(jù)顯示該 技術(shù)在家庭網(wǎng)絡(luò)中無(wú)縫的支持更多的設(shè)備。載有用電信息的數(shù)據(jù)包通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳送到控制 中心進(jìn)行分析，在傳送的過(guò)程中，數(shù)據(jù)包的延遲和丟失會(huì)造成信息不準(zhǔn)確及成本的提高，網(wǎng) 關(guān)的優(yōu)化配置對(duì)于降低HEMS系統(tǒng)成本而言至關(guān)重要。在無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中有很多網(wǎng)關(guān)放置 方法，這些方法的目的是找到一個(gè)最佳的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，成本最小化，滿(mǎn)足服務(wù)質(zhì)量和負(fù)載均 衡。例如設(shè)置越多的網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)。但是網(wǎng)關(guān)的鋪設(shè)成本較高，不能滿(mǎn)足 成本最小化。有文獻(xiàn)提出一種基于生存時(shí)間與花費(fèi)比率的最優(yōu)網(wǎng)關(guān)設(shè)置，但算法復(fù)雜度較 尚。
[0004] 因此，需要提供一種新的HEMS系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)配置的方法，以降低整個(gè)HEMS系統(tǒng)的 成本，優(yōu)化HEMS系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種在不同排隊(duì)機(jī)制下，基于成本分析的HEMS 系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)配置方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中由于網(wǎng)關(guān)所能容納的數(shù)據(jù)包數(shù)有限，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò) 程中數(shù)據(jù)包發(fā)生延遲和丟失，致使數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的消費(fèi)者花費(fèi)較高的問(wèn)題，同時(shí)解決 由于網(wǎng)關(guān)的部署成本較高，在滿(mǎn)足服務(wù)質(zhì)量的前提下如何達(dá)到系統(tǒng)成本最小的網(wǎng)關(guān)配置問(wèn) 題。
[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0007] 基于成本分析的HEMS系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)配置方法，該方法的步驟包括
[0008] 基于HEMS系統(tǒng)，獲取電力信息的相關(guān)數(shù)據(jù)；
[0009] 分別基于等待制排隊(duì)規(guī)則和混合制排隊(duì)規(guī)則，對(duì)電力信息的數(shù)據(jù)包到達(dá)網(wǎng)關(guān)的過(guò) 程和隊(duì)列服務(wù)狀態(tài)情況進(jìn)行分析；
[0010]基于數(shù)包據(jù)到達(dá)網(wǎng)關(guān)的過(guò)程和隊(duì)列服務(wù)狀態(tài)情況，建立HEMS系統(tǒng)的總成本z(S)， 并求解最小總成本z(S)和對(duì)應(yīng)的網(wǎng)關(guān)數(shù)量S%
[0011] 基于最小成本，對(duì)HEMS系統(tǒng)中選用的網(wǎng)關(guān)數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化配置。
[0012] 優(yōu)選的，所述HEMS系統(tǒng)的總成本z(s)為：z=scs+aLdelay(s) + 0Llc]SS(s)，其中，s 是網(wǎng)關(guān)數(shù)目，（^表示單位時(shí)間內(nèi)單個(gè)網(wǎng)關(guān)服務(wù)臺(tái)的安裝服務(wù)成本，a為每個(gè)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)關(guān) 內(nèi)停留單位時(shí)間的費(fèi)用，0為丟失一個(gè)數(shù)據(jù)包的費(fèi)用，Ldelay為網(wǎng)關(guān)中等待的數(shù)據(jù)包平均數(shù)， Llc]SS為丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)。
[0013]優(yōu)選的，采用邊際分析法對(duì)總成本z(s〇進(jìn)行分析，并使其滿(mǎn)足：
[0014]
[0015] 優(yōu)選的，基于等待制排隊(duì)規(guī)則，對(duì)電力信息的數(shù)包據(jù)到達(dá)網(wǎng)關(guān)的過(guò)程和隊(duì)列服務(wù) 狀態(tài)情況進(jìn)行分析的步驟包括
[0016] 在等待制排隊(duì)規(guī)則下，具有s個(gè)網(wǎng)關(guān)的HEMS系統(tǒng)服從Poisson分布，其中，入n =
[0017] 網(wǎng)關(guān)的負(fù)荷水平P； S：y￡/；
[0018] 在等待制排隊(duì)規(guī)則下，網(wǎng)關(guān)的緩沖區(qū)中有n個(gè)數(shù)據(jù)包的概率為 .
y?-切P，基于有限狀態(tài)生滅過(guò)程的極限獲得：
[0019]1 ； Isis
[0020] 在網(wǎng)關(guān)緩沖區(qū)內(nèi)排隊(duì)等待的數(shù)據(jù)包數(shù)Lq:平均隊(duì)長(zhǎng) Ldelay^ delay L q+ P〇
[0021] 優(yōu)選的，基于數(shù)包據(jù)到達(dá)網(wǎng)關(guān)的過(guò)程和隊(duì)列服務(wù)狀態(tài)情況，建立HEMS系統(tǒng)的總成 本Z(S)，并求解最小總成本Z(S，和對(duì)應(yīng)的網(wǎng)關(guān)數(shù)量f的步驟包括
[0022] 等待制排隊(duì)規(guī)則下的HEMS系統(tǒng)總成本為：z=scs+aLdelay，經(jīng)簡(jiǎn)化得到優(yōu)化條件：
[0023] 依次求解s= 1，2, 3,…時(shí)Ldelay的值，并計(jì)算相鄰兩個(gè)L^，的值之差，根據(jù)|落 入上述不等式的區(qū)域確定獲得最小總成本的網(wǎng)關(guān)數(shù)s'
[0024] 優(yōu)選的，基于混合制排隊(duì)規(guī)則，對(duì)電力信息的數(shù)包據(jù)到達(dá)網(wǎng)關(guān)的過(guò)程和隊(duì)列服務(wù) 狀態(tài)情況進(jìn)行分析的步驟包括
[0025] 在混合制排隊(duì)規(guī)則下，網(wǎng)關(guān)緩沖區(qū)間最多可容納K個(gè)數(shù)據(jù)包，s個(gè)網(wǎng)關(guān)充當(dāng)服務(wù)臺(tái) 進(jìn)行獨(dú)立地平行工作，當(dāng)K個(gè)位置已被數(shù)據(jù)包占用時(shí)，新到的數(shù)據(jù)包就自動(dòng)離開(kāi)，當(dāng)系統(tǒng)中 有空位置時(shí)，新到的數(shù)據(jù)包就進(jìn)入系統(tǒng)排隊(duì)等待服務(wù)；
[0026] 平均等待的數(shù)據(jù)包數(shù)yn:
[0027] 基于有限狀態(tài)生滅過(guò)程的極限，求得網(wǎng)關(guān)的緩沖區(qū)中有n個(gè)數(shù)據(jù)包的概率：
[0028]
[0029] 網(wǎng)關(guān)緩沖區(qū)內(nèi)排隊(duì)等待的數(shù)據(jù)包數(shù)Lq S：!
.......
[0030] 平衡時(shí)正在被服務(wù)的顧客數(shù)]
[0031] 時(shí)刻t時(shí)的平均等待的數(shù)據(jù)包數(shù)： 一
[0032] 優(yōu)選的，基于數(shù)包據(jù)到達(dá)網(wǎng)關(guān)的過(guò)程和隊(duì)列服務(wù)狀態(tài)情況，建立HEMS系統(tǒng)的總成 本Z(S)，并求解最小總成本Z(S，和對(duì)應(yīng)的網(wǎng)關(guān)數(shù)量f的步驟包括
[0033] 計(jì)算系統(tǒng)的延遲的花費(fèi)：Cdelay=aLdelay，其中，a表示每個(gè)數(shù)據(jù)包在緩沖區(qū)停留 單位時(shí)間的費(fèi)用；
[0034] 計(jì)算緩沖區(qū)數(shù)據(jù)包總數(shù)St:St=min{K,max{0,St「y} +At};
[0035] 在t時(shí)刻被丟棄的數(shù)據(jù)包數(shù)：Llciss=max{0,At_K+max{0,St「y}};
[0036] 基于系統(tǒng)的延遲花費(fèi)、緩沖區(qū)數(shù)據(jù)包總數(shù)和在t時(shí)刻被丟棄的數(shù)據(jù)包包數(shù)，確定 優(yōu)化條件：
[0037] a[2Ldelay(s*)-Ldelay(s*+l)-Ldelay(s*_l)] <cs<MLl0SS(s*-l)+Ll0SS(s*+l)_2Ll0SS (s*)];
[0038] 依次求解s= 1，2, 3,…時(shí)LdelajPLlc]SS的值，根據(jù)cs落入上述不等式的區(qū)域確定 獲得最小總成本的網(wǎng)關(guān)數(shù)s'
[0039] 優(yōu)選的，基于兩種不同排隊(duì)規(guī)則，對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行優(yōu)化配置的步驟包括
[0040] 計(jì)算一個(gè)簇中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均發(fā)花費(fèi)；
[0041] 將上述簇分為第一簇和第二簇，并計(jì)算劃分完畢后的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的花費(fèi)；
[0042] 將第一簇和第二簇的花費(fèi)進(jìn)行對(duì)比，若劃分后的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均花費(fèi)小于原來(lái)簇 中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均花費(fèi)，則將劃分后的花費(fèi)方案替換原花費(fèi)方案，若劃分后的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的 平均花費(fèi)大于或等于原來(lái)簇中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均花費(fèi)，則繼續(xù)采用原來(lái)的花費(fèi)方案；
[0043] 重復(fù)上述步驟，直到每個(gè)節(jié)點(diǎn)劃分成最小單元的簇信息，并對(duì)所有節(jié)點(diǎn)的花費(fèi)比 較完畢，則完成網(wǎng)關(guān)配置優(yōu)化。
[0044] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0045] 本發(fā)明所述技術(shù)方案能準(zhǔn)確判斷使HEMS系統(tǒng)花費(fèi)最小的網(wǎng)關(guān)數(shù)目，對(duì)于不同的 環(huán)境，改變相應(yīng)參數(shù)即可得到對(duì)應(yīng)的使系統(tǒng)花費(fèi)最小的最優(yōu)網(wǎng)關(guān)數(shù)目。在實(shí)際場(chǎng)景中能達(dá) 到良好的應(yīng)用效果。
【附圖說(shuō)明】
[0046] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明；
[0047] 圖1示出智能電網(wǎng)的M2M網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的示意圖；
[0048] 圖2示出排隊(duì)模型的示意圖；
[0049] 圖3示出等待制排隊(duì)規(guī)