[发明专利]供电双连接系统的动态电能调度和自适应用户关联方法

权利要求书

1.一种供电双连接系统的动态电能调度和自适应用户关联方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一，构建包含主电网和可再生能源的混合能源供电双连接系统模型；

步骤二，建立基于可再生能源到达的大时间尺度主电网电能预先购买模型和辅小区基站预先能量规划与实时能量交易成本模型；

步骤三，构建包含宏小区和多个辅小区的双连接系统用户速率模型、辅小区基站电能供需均衡模型和系统时均电能交易支出模型；

步骤四，根据步骤一至步骤三所建立的混合能源供电双连接系统模型、大时间尺度主电网电能预先购买模型、辅小区基站预先能量规划与实时能量交易成本模型、双连接系统用户速率模型和辅小区基站电能供需均衡模型，以及系统时均电能交易支出模型实现基于随机无线信道衰落和可再生能源到达、时变电网电价、电池存储动态、双向电能交易规则、用户服务需求保障、以及系统时均电能交易支出最小化的联合电能调度和用户关联在线优化；

所述步骤二包括电能预先购买规划、双向电能交易实施和基于双连接的下行数据传输；实际中，为便于集中和应急控制，一个地理区域由特定运营商部署的宏小区和辅小区都通过低延迟回程网络连接至一中央控制单元，该中央控制单元收集通信数据和能量信息，能量信息＝能量购买/卖出价格，并协调电能交易和双连接实施；具体地，在每个时间间隔t＝nT,n＝1,2,…的一开始，中央控制单元的能量规划器根据每个辅小区基站i在时间间隔n上的可再生能源收集量A_i,n，确定中央控制单元的能量规划器在该时间间隔上的所需能量E_i[n]；根据双向电能交易机制，辅小区基站基于电池存储状态，或以长期价格向主电网购买能量[E_i[n]-A_i,n]⁺，或以价格向主电网卖出多余能量[A_i,n-E_i[n]]⁺，其中[a]⁺＝max{a,0}，以降低运行成本；假设可再生能源部署后的能量收集是无成本的，且以避免辅小区基站无意义的电能买卖活动，因此，辅小区基站i的预先能量规划交易成本可表示为如下式(1)所示，

其中，E_i[n]表示时间间隔n上辅小区基站i所需能量；G^(lt)(E_i[n])表示辅小区基站i的预先能量规划交易成本；是时间间隔n上的主电网电能预先卖出价格；A_i,n是辅小区基站i在时间间隔n上的可再生能源收集量；是时间间隔n上的主电网电能预先买入价格；

在每个时隙，根据辅小区基站的电能购买、电池存储状态、无线信道平均衰落和实时电网电价，辅小区和宏小区协调服务所有用户的数据传输请求、与主电网进行双向电能交易、并对电池进行充放电调节，实时能量交易成本表示为如下式(2)所示，

其中，G^(rt)(P_i(t))是辅小区i的实时能量交易成本；P_i(t)表示从主电网实时买入能量P_i(t)＞0或卖向主电网的实时能量P_i(t)＜0；和分别表示实时的主电网电能卖出和买入价格；

其中P_i(t)表示从主电网实时买入电量P_i(t)＞0或卖向主电网的实时电量P_i(t)＜0，和分别表示实时的电能购买和卖出价格；

所述步骤三构建包括宏小区和多个辅小区的双连接系统用户速率模型，考虑系统频谱效率的提升，提议宏小区和辅小区工作在不同的频段上，且辅小区复用相同的频段，其中，宏小区为所有用户提供服务，每个用户从宏小区得到的瞬时速率R_0,k与宏小区的频谱、天线、以及其传输功率配置相关，且时隙t上的平均速率r_0,k为瞬时速率对总用户数目K取平均值，即为r_0,k＝R_0,k/K；宏小区基站的能耗与其天线数目、传输功率、功率放大器效率有关，由于宏小区基站的传输功率较为固定，其能耗与配置相关，较为固定，故忽略其能耗对动态系统能耗的影响；所有辅小区复用相同的无线频谱，下行传输互相干扰，且与宏小区联合为用户提供满足需求的数据服务，具体地，若用户k关联至辅小区基站i，x_i,k(t)＝1，其在一个时隙上的平均速率为r_i,_k＝R_i,k/K_i，其中R_i,k如下式(3)所示为瞬时服务速率，W_s为所有辅小区的复用频谱，P_i和K_i分别为辅小区基站i在当前时隙的下行传输功率和服务用户总数目，g_i,k为用户k和辅小区基站i间的平均信道衰落，表示用户k处的噪声功率；辅小区基站i在时隙t的功耗为如下式(4)所示，其中P_i,0为小区基站i的单位速率电路功耗，η_i为功率放大器效率，μ_i为与服务用户总速率相关的电路功耗系数；

其中，W_s为所有辅小区的复用频谱；P_tr,i和P_tr,j分别为辅小区基站i和j在当前时隙的下行传输功率；x_i,k表示用户k是否关联至辅小区基站i，如果是，x_i,k(t)＝1，否则，x_i,k(t)＝0；g_i,k和g_j,k分别为辅小区基站i和j与用户k间的平均信道衰落，表示用户k处的噪声功率；

辅小区基站i在时隙t的功耗为如下式(4)所示，

P_g,t(t)≤P_i,max.....

其中，P_i,0为辅小区基站i的单位速率电路功耗；η_i为功率放大器效率；P_tr,i是辅小区基站i当前时隙的下行传输功率；μ_i为与服务用户总速率相关的电路功耗系数；

辅小区基站处配备无中断的电池类型存储单元以避免功率溢出，并提供优化辅小区总电量支出的机会，令C_i(0)表示初始的存储能量，C_i(t)是在时隙t开始时的电池状态，且电池容量以C^min和C^max为上下界，令P_b,i(t)表示时隙t注入电池P_b,i(t)＞0或从电池放出P_b,i(t)＜0的能量，且存储的电能服从动态方程如下式(5)和下式(6)所示，

C_i(t+1)＝θC_i(t)+P_b,i(t).....(5)

C^min≤C_i(t)≤C^max......(6)

其中，θ∈(0,1]表示存储效率；C_i(t)和C_i(t+1)在分别是时隙t和t+1开始时辅小区基站i的电池状态；P_b,i(t)表示时隙t辅小区基站i注入电池P_b,i(t)＞0或从电池放出P_b,i(t)＜0的能量；C^min和C^max分别是辅小区基站i的电池容量上下界；

其中，其中θ∈(0,1]表示存储效率；每个时隙t，用户对辅小区的关联速率要求r_0,k+r_i,k≥r_k,req，每个辅小区基站i的电能供需均衡如下式(7)所示，

P_g,i(t)+P_b,i(t)＝E_i[n_t]/T+P_i(t)......(7)

其中，T表示总时间长度；E_i[n_t]表示时间间隔n_t上辅小区基站i所需能量；P_g,i(t)是时隙t辅小区基站i的总功耗；P_b,i(t)表示时隙t辅小区基站i注入电池P_b,i(t)＞0或从电池放出P_b,i(t)＜0的能量；P_i(t)表示辅小区基站i从主电网实时买入能量P_i(t)＞0或卖向主电网的实时能量P_i(t)＜0；

其中，和最小化系统时均总能耗交易成本如下式(8)所示的优化目标共同制约着用户和辅小区之间的关联关系，

其中Φ_i(t)如下式(9)所示，Φ_i(t)表示辅小区基站i在时隙t的能量交易成本；N表示时间间隔数目；I表示辅小区合集；

Φ_i(t)＝(1/T)G^(lt)(E_i[n])+G^(rt)(P_i(t))......(9)

其中，T为时间间隔长度；G^(lt)(E_i[n])和G^(rt)(P_i(t))分别是辅小区i的预先能量规划交易成本和实时能量交易成本，分别如式(1)和(2)所示；

所述步骤四包括以下内容：

一，初始化：设置权重参数V，队列扰动参数Γ；所有辅小区的电池存储状态并引入虚拟队列

二，在每个时间间隔τ＝nT,n＝1,2,…的一开始，根据有用的辅小区可再生能源量aⁿ＝[A_1,n,…,A_I,n]′、主电网预先卖出电价买入电价信息，通过使用凸优化方法求解优化问题如下式所示，

中央控制单元确定时间间隔n上每个辅小区基站i的预先购买电量进而，辅小区基于和其电池存储状态与主电网交易能量，并在每个时隙t＝τ,…,τ+T-1向主电网请求供应平均值为的电量；r_k,req(t)表示用户对辅小区的关联速率要求；t表示时隙t；

三，在每个时隙t∈[nT,(n+1)T-1]，根据已知的实时电网卖出电价买入电价信道平均衰落信息，通过使用匹配博弈、凸优化方法求解优化问题如下式所示，

辅小区基站i确定从电网实时购买或卖出电量从电池放出或向电池充入电量以及用户与辅小区的关联关系x^*(t)，进而，辅小区和主电网基于执行实时电能交易，并协调与用户的关联；

四，在每个时隙t∈[nT,(n+1)T-1]，基于对辅小区基站i的电池进行充放电；从而，电池状态得以更新：并相应地更新虚拟队列