基于成本分析的hems系統(tǒng)網(wǎng)關配置方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及智能電網(wǎng)技術，特別是涉及一種在不同排隊機制下，基于成本分析的 HEMS系統(tǒng)網(wǎng)關配置方法。
【背景技術】
[0002] 如圖1所示，智能電網(wǎng)是將電網(wǎng)和信息、通信技術整合起來，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)生故障時能自愈的自動輸配電網(wǎng)絡。M2M通信的想法是利用 低成本、可擴展及可靠的技術讓M2M組件互連，實現(xiàn)網(wǎng)絡化和遠程控制。自動化的M2M通信 可以彌補傳統(tǒng)業(yè)務的間接成本，從而促進其廣泛應用在配備了嵌入式處理器和傳感器的移 動平臺中。智能電網(wǎng)中的家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS)采用"可視化"設計，能夠及時掌握家 庭的用電情況，除了能讓用戶通過家里的電視或監(jiān)視器簡單地了解自家的用電信息之外， 還能通過對于能源消耗的統(tǒng)一管理，根據(jù)用戶的行為習慣和天氣信息向用戶提出高效用電 的可行性建議。對于一些先進的家電可以主動的向智能電表發(fā)送信息（例如，未來電力消 費需求）。智能電表是用來從家電中收集功耗需求數(shù)據(jù)的設備。在一個區(qū)域所有住房的智 能電表間建立一個鄰域網(wǎng)（NAN)來支持HEMS。一個NAN有一個集中器（即網(wǎng)關）使用短程 通信技術（如ZigBee)來采集數(shù)據(jù)包（即HEMS流量）。
[0003] 數(shù)據(jù)特性對達到M2M應用的QoS要求是非常重要的。預計M2M網(wǎng)絡將支持大量的 設備，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)點上。例如家庭局域網(wǎng)中的M2M網(wǎng)絡，研究了其 系統(tǒng)架構(gòu)和服務質(zhì)量的提高。在電力需求變化時，HAN設備只能與控制器通信，數(shù)據(jù)顯示該 技術在家庭網(wǎng)絡中無縫的支持更多的設備。載有用電信息的數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)關傳送到控制 中心進行分析，在傳送的過程中，數(shù)據(jù)包的延遲和丟失會造成信息不準確及成本的提高，網(wǎng) 關的優(yōu)化配置對于降低HEMS系統(tǒng)成本而言至關重要。在無線Mesh網(wǎng)絡中有很多網(wǎng)關放置 方法，這些方法的目的是找到一個最佳的網(wǎng)絡吞吐量，成本最小化，滿足服務質(zhì)量和負載均 衡。例如設置越多的網(wǎng)關，網(wǎng)絡生存時間就會越長。但是網(wǎng)關的鋪設成本較高，不能滿足 成本最小化。有文獻提出一種基于生存時間與花費比率的最優(yōu)網(wǎng)關設置，但算法復雜度較 尚。
[0004] 因此，需要提供一種新的HEMS系統(tǒng)中的網(wǎng)關配置的方法，以降低整個HEMS系統(tǒng)的 成本，優(yōu)化HEMS系統(tǒng)網(wǎng)關。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種在不同排隊機制下，基于成本分析的HEMS 系統(tǒng)網(wǎng)關配置方法，以解決現(xiàn)有技術中由于網(wǎng)關所能容納的數(shù)據(jù)包數(shù)有限，在數(shù)據(jù)傳輸過 程中數(shù)據(jù)包發(fā)生延遲和丟失，致使數(shù)據(jù)不準確而導致的消費者花費較高的問題，同時解決 由于網(wǎng)關的部署成本較高，在滿足服務質(zhì)量的前提下如何達到系統(tǒng)成本最小的網(wǎng)關配置問 題。
[0006] 為解決上述技術問題，本發(fā)明采用下述技術方案：
[0007] 基于成本分析的HEMS系統(tǒng)網(wǎng)關配置方法，該方法的步驟包括
[0008] 基于HEMS系統(tǒng)，獲取電力信息的相關數(shù)據(jù)；
[0009] 分別基于等待制排隊規(guī)則和混合制排隊規(guī)則，對電力信息的數(shù)據(jù)包到達網(wǎng)關的過 程和隊列服務狀態(tài)情況進行分析；
[0010]基于數(shù)包據(jù)到達網(wǎng)關的過程和隊列服務狀態(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)和對應的網(wǎng)關數(shù)量S%
[0011] 基于最小成本，對HEMS系統(tǒng)中選用的網(wǎng)關數(shù)量進行優(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)關數(shù)目，（^表示單位時間內(nèi)單個網(wǎng)關服務臺的安裝服務成本，a為每個數(shù)據(jù)包在網(wǎng)關 內(nèi)停留單位時間的費用，0為丟失一個數(shù)據(jù)包的費用，Ldelay為網(wǎng)關中等待的數(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，采用邊際分析法對總成本z(s〇進行分析，并使其滿足：
[0014]
[0015] 優(yōu)選的，基于等待制排隊規(guī)則，對電力信息的數(shù)包據(jù)到達網(wǎng)關的過程和隊列服務 狀態(tài)情況進行分析的步驟包括
[0016] 在等待制排隊規(guī)則下，具有s個網(wǎng)關的HEMS系統(tǒng)服從Poisson分布，其中，入n =
[0017] 網(wǎng)關的負荷水平P； S：y￡/；
[0018] 在等待制排隊規(guī)則下，網(wǎng)關的緩沖區(qū)中有n個數(shù)據(jù)包的概率為 .
y?-切P，基于有限狀態(tài)生滅過程的極限獲得：
[0019]1 ； Isis
[0020] 在網(wǎng)關緩沖區(qū)內(nèi)排隊等待的數(shù)據(jù)包數(shù)Lq:平均隊長 Ldelay^ delay L q+ P〇
[0021] 優(yōu)選的，基于數(shù)包據(jù)到達網(wǎng)關的過程和隊列服務狀態(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，和對應的網(wǎng)關數(shù)量f的步驟包括
[0022] 等待制排隊規(guī)則下的HEMS系統(tǒng)總成本為：z=scs+aLdelay，經(jīng)簡化得到優(yōu)化條件：
[0023] 依次求解s= 1，2, 3,…時Ldelay的值，并計算相鄰兩個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)關數(shù)s'
[0024] 優(yōu)選的，基于混合制排隊規(guī)則，對電力信息的數(shù)包據(jù)到達網(wǎng)關的過程和隊列服務 狀態(tài)情況進行分析的步驟包括
[0025] 在混合制排隊規(guī)則下，網(wǎng)關緩沖區(qū)間最多可容納K個數(shù)據(jù)包，s個網(wǎng)關充當服務臺 進行獨立地平行工作，當K個位置已被數(shù)據(jù)包占用時，新到的數(shù)據(jù)包就自動離開，當系統(tǒng)中 有空位置時，新到的數(shù)據(jù)包就進入系統(tǒng)排隊等待服務；
[0026] 平均等待的數(shù)據(jù)包數(shù)yn:
[0027] 基于有限狀態(tài)生滅過程的極限，求得網(wǎng)關的緩沖區(qū)中有n個數(shù)據(jù)包的概率：
[0028]
[0029] 網(wǎng)關緩沖區(qū)內(nèi)排隊等待的數(shù)據(jù)包數(shù)Lq S：!
.......
[0030] 平衡時正在被服務的顧客數(shù)]
[0031] 時刻t時的平均等待的數(shù)據(jù)包數(shù)： 一
[0032] 優(yōu)選的，基于數(shù)包據(jù)到達網(wǎng)關的過程和隊列服務狀態(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，和對應的網(wǎng)關數(shù)量f的步驟包括
[0033] 計算系統(tǒng)的延遲的花費：Cdelay=aLdelay，其中，a表示每個數(shù)據(jù)包在緩沖區(qū)停留 單位時間的費用；
[0034] 計算緩沖區(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、緩沖區(qū)數(shù)據(jù)包總數(shù)和在t時刻被丟棄的數(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)關數(shù)s'
[0039] 優(yōu)選的，基于兩種不同排隊規(guī)則，對系統(tǒng)網(wǎng)關進行優(yōu)化配置的步驟包括
[0040] 計算一個簇中的每個節(jié)點的平均發(fā)花費；
[0041] 將上述簇分為第一簇和第二簇，并計算劃分完畢后的每個節(jié)點的花費；
[0042] 將第一簇和第二簇的花費進行對比，若劃分后的每個節(jié)點的平均花費小于原來簇 中每個節(jié)點的平均花費，則將劃分后的花費方案替換原花費方案，若劃分后的每個節(jié)點的 平均花費大于或等于原來簇中每個節(jié)點的平均花費，則繼續(xù)采用原來的花費方案；
[0043] 重復上述步驟，直到每個節(jié)點劃分成最小單元的簇信息，并對所有節(jié)點的花費比 較完畢，則完成網(wǎng)關配置優(yōu)化。
[0044] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0045] 本發(fā)明所述技術方案能準確判斷使HEMS系統(tǒng)花費最小的網(wǎng)關數(shù)目，對于不同的 環(huán)境，改變相應參數(shù)即可得到對應的使系統(tǒng)花費最小的最優(yōu)網(wǎng)關數(shù)目。在實際場景中能達 到良好的應用效果。
【附圖說明】
[0046] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明；
[0047] 圖1示出智能電網(wǎng)的M2M網(wǎng)絡架構(gòu)的示意圖；
[0048] 圖2示出排隊模型的示意圖；
[0049] 圖3示出等待制排隊規(guī)