CN115001975A - 一种5g切片接入的配电网保护优化方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明提出一种5G切片接入的配电网保护优化方法。采用时延最小化的数据传输方案，得出相应的数学模型，随后根据所提方案，采用拉格朗日乘数法和分支定界法进行模型求解，使5G网络资源均匀分配。采用此种方法可降低配电网保护通信过程中产生的延时。本发明外部设备可视为干扰的一部分，融入到数据传输速率的公式中，可优化外部可移动设备接入到本5G网络时产生的抖动延时，对外部干扰具有一定的鲁棒性。本发明通过采用一种5G切片接入的配电网保护优化方法，克服由5G低延时和抖动所导致配电网保护动作误动和拒动问题，实现配电网保护动作进一步精准，使整个配电网***更加稳定安全的运行。

Description

一种5G切片接入的配电网保护优化方法及***

技术领域

本发明涉及配电网保护技术领域，具体来说是一种5G切片接入的配电网保护优化方法及***。

背景技术

近年来，5G技术迅速发展，其所带来的超高可靠与低延迟通信业务(ultra-reliable low latency communications，URLLC)具有高带宽、低时延等优点。在配电网的差动保护中应用5G技术，为故障的定位、隔离与恢复提供了技术优势。但5G通信的传输时延及抖动仍然会对差动保护判据计算的不利影响，产生保护误动和保护拒动等问题，不利于整个配电网***的运行。而5G延时抖动变化较大的主要原因是网络资源分配不均所导致。

针对上述问题，申请号为CN201911175988.4公开的一种基于5G网络的配电网分布式差动保护方法及***[ZH]本发明公开了一种基于5G网络的配电网分布式差动保护方法及***，包括：数字化保护装置之间在信号传输时，利用基于5G网络的通信信道进行通信，从而实现两个数字化保护装置数据的交互；利用5G切片网络作为通信信道，保证了通信的安全性，在5G通信本身低时延特性的基础上，通过切片网络优化数据链路，以最小化链路传输跳数，进一步降低了数据传输的时延；利用数字化保护装置对配电网线路两端的电流同时进行突变检测，以各自的突变时刻作为线路两端数字化保护装置的同步时间基准，一旦满足突变量启动判据，则数字化保护装置启动，并向对端发送启动信号，数字化保护装置启动以后，计算故障启动后的电流故障分量值，计算完成后向对端发送电流故障分量数据。该通过切片网络优化数据链路，以最小化链路传输跳数，以达到降低了数据传输的时延。但该方法对于外部扰动不具有鲁棒性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种5G切片接入的配电网保护优化方法，实现外部移动设备的接入而产生的延时抖动具有一定的鲁棒性，使配电网的保护动作更加精准。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

一种5G切片接入的配电网保护优化方法，包括以下步骤：

步骤1，对采用5G通信网络的配电网***进行考虑通信延时的建模：

设配电网中有I个数据采样节点，S_n(i)为第i个采样节点当前服务的切片ID；在采样节点的K个可接入的接入点中，第k个接入点部署的切片集合中有切片S_m(k)，m∈{1,2,…,M}，其中M表示切片集合大小；B_m(k)为S_m(k)对应的带宽；为使***的资源利用率最高，将所有数据采样节点均匀分配资源；因此，第i个采样节点的数据传输速率如式(1)所示；

式(1)中，a_m(k)表示当前切片S_m(k)已接入的采样节点数；d_ik表示采样节点i与待接入的接入点之间的距离，其传播损耗用PL(d_ik)表示；N₀为单位带宽的噪声功率；P_k表示待接入的接入点的发射功率；δ表示待接入AP收到的总干扰；

步骤2，以最小化时延为优化目标，目标函数如式(2)所示；

其中，DS_i为第i个采样节点采样的数据包大小；

约束条件如式(3)-式(6)所示：

S_m(k)≥S_n(i) (4)

r_ik(m)≥R_i,i∈I,k∈K,m∈M (5)

式(2)中，x_ik(m)为需要求解的0-1变量，当x_ik(m)＝1时表示第i个数据采样节点接入第k个AP的第m个切片，否则表示不接入；约束条件(3)表示一个数据采样节点在某一时刻只能接入一个切片；约束条件(4)表示数据采样节点所接入切片的QoS服务等级应该不小于原服务切片；约束条件(5)表示数据采样节点接入切片后的数据传输速率应大于等于其最低速率要求R_i；约束条件(6)表示待接入切片所能容纳的节点数应该小于等于接入前的剩余节点数u_m(k)；

步骤3，用拉格朗日乘数法来求解步骤2中目标函数的最优解，

步骤4，基于步骤3的最优解，用分支定界法得到所述目标函数的0-1求解变量x_0-1，从而根据所述求解变量决定用户是否接入相应的切片。

本发明提出一种5G切片接入的配电网保护优化方法。采用时延最小化的数据传输方案，得出相应的数学模型，随后根据所提方案，采用拉格朗日乘数法和分支定界法进行模型求解，使5G网络资源均匀分配。采用此种方法可降低配电网保护通信过程中产生的延时。本发明外部设备可视为干扰的一部分，融入到数据传输速率的公式中，可优化外部可移动设备接入到本5G网络时产生的抖动延时，对外部干扰具有一定的鲁棒性。本发明通过采用一种5G切片接入的配电网保护优化方法，克服由5G低延时和抖动所导致配电网保护动作误动和拒动问题，实现配电网保护动作进一步精准，使整个配电网***更加稳定安全的运行。

进一步的，所述步骤3具体步骤如下：根据式(7)建立所述非线性规划问题的拉格朗日函数：

式(7)中，L(x_ik(m),λ)表示关于x_ik(m)和拉格朗日乘数λ的拉格朗日函数，h₁(x_ik(m))，h₂(x_ik(m))，h₃(x_ik(m))，h₄(x_ik(m))，h₅(x_ik(m))分别表示5个约束函数，λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅表示对应约束函数的拉格朗日乘数，并有：

h₂(x_ik(m))＝x_ik(m)-1 (9)

h₃(x_ik(m))＝S_n(i)-S_m(k) (10)

h₄(x_ik(m))＝R_i-r_ik(m) (11)

根据式(13)-(16)建立卡罗需-库恩-塔克条件，从而通过联合卡罗需-库恩-塔克条件相关等式，求出经过松弛的非线性规划问题的最优解x_relax：

h₁(x_ik(m))＝0，h₂(x_ik(m))≤0，h₃(x_ik(m))≤0，h₄(x_ik(m))≤0，h₅(x_ik(m))≤0 (14)

λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，λ₅≥0 (15)

进一步的，所述步骤4具体步骤如下：

步骤4.1，将式(2)作为问题p-1；分支定界法的输入为：满足卡罗需-库恩-塔克条件的松弛问题最优解x_relax，松弛问题最优目标函数值Z_relax，0-1任意值ε；初始化k＝0，L＝0，U＝Z_relax；

步骤4.2，从最优解x_relax中任意选择一个不符合0-1约束条件的解x_j，即：x_j∈(0,1)；

步骤4.3，若0≤x_j<ε成立，则将约束条件x_j＝0加到问题p-1中，形成子问题Ⅰ；否则，将约束条件x_j＝1加到问题p-1中，形成子问题Ⅱ，ε表示0到1内任意值；

步骤4.4，k++，继续求出子问题Ⅰ或子问题Ⅱ的松弛问题解，记为x_k，并将对应的最优目标函数值记为Z_k；

步骤4.5,找出最优目标函数最大值U作为新的上界，即：

U＝max{Z_k′|k′＝1,2,…,k},x_k′∈[0,1]；

步骤4.6,再从符合0-1条件的分支中，找出目标函数最大值L作为新的下界，即：

L＝max{Z_k′|k′＝1,2,…,k},x_k′∈{0,1}；

步骤4.7,若Z_k′<L，剪掉相应分支,否则Z_k′＞L，且不符合0-1条件,返回步骤4.3；

步骤4.8,否则就意味着所有分支的最优目标函数值等于下界：Z_k′＝L,将Z_k′赋值Z_0-1，将x_k′赋值给x_0-1，并作为问题p-1的最优解，其中，x_0-1表示符合0-1约束条件的最优解。

与上述方法对应的，本发明还提供一种5G切片接入的配电网保护优化***，包括：

建模模块，对采用5G通信网络的配电网***进行考虑通信延时的建模：

设配电网中有I个数据采样节点，S_n(i)为第i个采样节点当前服务的切片ID；在采样节点的K个可接入的接入点中，第k个接入点部署的切片集合中有切片S_m(k)，m∈{1,2,…,M}，其中M表示切片集合大小；B_m(k)为S_m(k)对应的带宽；为使***的资源利用率最高，将所有数据采样节点均匀分配资源；因此，第i个采样节点的数据传输速率如式(1)所示；

式(1)中，a_m(k)表示当前切片S_m(k)已接入的采样节点数；d_ik表示采样节点i与待接入的接入点之间的距离，其传播损耗用PL(d_ik)表示；N₀为单位带宽的噪声功率；P_k表示待接入的接入点的发射功率；δ表示待接入AP收到的总干扰；

目标函数建立模块，以最小化时延为优化目标，目标函数如式(2)所示；

其中，DS_i为第i个采样节点采样的数据包大小；

约束条件如式(3)-式(6)所示：

S_m(k)≥S_n(i) (4)

r_ik(m)≥R_i,i∈I,k∈K,m∈M (5)

式(2)中，x_ik(m)为需要求解的0-1变量，当x_ik(m)＝1时表示第i个数据采样节点接入第k个AP的第m个切片，否则表示不接入；约束条件(3)表示一个数据采样节点在某一时刻只能接入一个切片；约束条件(4)表示数据采样节点所接入切片的QoS服务等级应该不小于原服务切片；约束条件(5)表示数据采样节点接入切片后的数据传输速率应大于等于其最低速率要求R_i；约束条件(6)表示待接入切片所能容纳的节点数应该小于等于接入前的剩余节点数u_m(k)；

目标函数求解模块，用拉格朗日乘数法来求解步骤2中的目标函数，

判断模块，目标函数的解，用分支定界法得到所述目标函数的0-1求解变量x_0-1，从而根据所述求解变量决定用户是否接入相应的切片。

进一步的，所述目标函数求解模块具体步骤如下：根据式(7)建立所述非线性规划问题的拉格朗日函数：

式(7)中，L(x_ik(m),λ)表示关于x_ik(m)和拉格朗日乘数λ的拉格朗日函数，h₁(x_ik(m))，h₂(x_ik(m))，h₃(x_ik(m))，h₄(x_ik(m))，h₅(x_ik(m))分别表示5个约束函数，λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅表示对应约束函数的拉格朗日乘数，并有：

h₂(x_ik(m))＝x_ik(m)-1 (9)

h₃(x_ik(m))＝S_n(i)-S_m(k) (10)

h₄(x_ik(m))＝R_i-r_ik(m) (11)

根据式(13)-(16)建立卡罗需-库恩-塔克条件，从而通过联合卡罗需-库恩-塔克条件相关等式，求出经过松弛的非线性规划问题的最优解x_relax：

h₁(x_ik(m))＝0，h₂(x_ik(m))≤0，h₃(x_ik(m))≤0，h₄(x_ik(m))≤0，h₅(x_ik(m))≤0 (14)

λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，λ₅≥0 (15)

进一步的，所述判断模块具体步骤如下：

步骤4.1，将式(2)作为问题p-1；分支定界法的输入为：满足卡罗需-库恩-塔克条件的松弛问题最优解x_relax，松弛问题最优目标函数值Z_relax，0-1任意值ε；初始化k＝0，L＝0，U＝Z_relax；

步骤4.2，从最优解x_relax中任意选择一个不符合0-1约束条件的解x_j，即：x_j∈(0,1)；

步骤4.3，若0≤x_j<ε成立，则将约束条件x_j＝0加到问题p-1中，形成子问题Ⅰ；否则，将约束条件x_j＝1加到问题p-1中，形成子问题Ⅱ，ε表示0到1内任意值；

步骤4.4，k++，继续求出子问题Ⅰ或子问题Ⅱ的松弛问题解，记为x_k，并将对应的最优目标函数值记为Z_k；

步骤4.5,找出最优目标函数最大值U作为新的上界，即：

U＝max{Z_k′|k′＝1,2,…,k},x_k′∈[0,1]；

步骤4.6,再从符合0-1条件的分支中，找出目标函数最大值L作为新的下界，即：

L＝max{Z_k′|k′＝1,2,…,k},x_k′∈{0,1}；

步骤4.7,若Z_k′<L，剪掉相应分支,否则Z_k′＞L，且不符合0-1条件,返回步骤4.3；

步骤4.8,否则就意味着所有分支的最优目标函数值等于下界：Z_k′＝L,将Z_k′赋值Z_0-1，将x_k′赋值给x_0-1，并作为问题p-1的最优解，其中，x_0-1表示符合0-1约束条件的最优解。

本发明还提供一种处理设备，包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行上述的方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述的方法。

本发明的优点在于：

本发明提出一种5G切片接入的配电网保护优化方法。采用时延最小化的数据传输方案，得出相应的数学模型，随后根据所提方案，采用拉格朗日乘数法和分支定界法进行模型求解，使5G网络资源均匀分配。采用此种方法可降低配电网保护通信过程中产生的延时。本发明外部设备可视为干扰的一部分，融入到数据传输速率的公式中，可优化外部可移动设备接入到本5G网络时产生的抖动延时，对外部干扰具有一定的鲁棒性。本发明通过采用一种5G切片接入的配电网保护优化方法，克服由5G低延时和抖动所导致配电网保护动作误动和拒动问题，实现配电网保护动作进一步精准，使整个配电网***更加稳定安全的运行。

附图说明

图1为本发明实施例中5G切片接入的配电网保护优化方法的流程框图；

图2为本发明实施例中5G切片接入的配电网保护优化方法应用场景；

图3为本发明实施例中实例1未采用优化方法和采用本发明优化方法的效果对比；

图4为本发明实施例中实例25G传输时延在有无用户接入时的效果对比。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种5G切片接入的配电网保护优化方法，包括以下步骤：

步骤1，对采用5G通信网络的配电网***进行考虑通信延时的建模：

本实施例所考虑使用5G通信网络进行配电网差动保护的场景如图1所示。5G配电网保护包括1个5G基站和多个接入该基站的保护设备。每个保护设备都具有电流采样的能力，安装在线路的两侧，进行差动保护电流数据的采样。5G基站提供5G网络，为保护设备之间提供通信服务，同时也为其它用户接入的移动端设备提供网络服务。可通过5G通信的方式实现保护设备之间线路电流数据的对比，从而判断该线路是否要进行差动保护动作的判断。

设配电网中有I个数据采集节点，DS_i为第i个节点采样的数据包大小，S_n(i)为第i个采样节点当前服务的切片ID；在采集节点的K个可接入的接入点(access point,AP)中，第k个AP部署的切片集合中有任意的一类切片S_m(k)，m∈{1,2,…,M}，其中M表示切片集合大小；B_m(k)为S_m(k)对应的带宽。为使***的资源利用率最高，将所有数据采集节点均匀分配资源。因此，第i个节点的数据传输速率如式(1)所示。

式(1)中，a_m(k)表示当前切片S_m(k)已接入的节点数；d_ik表示节点i与待接入AP之间的距离，其传播损耗用PL(d_ik)表示；N₀为单位带宽的噪声功率；P_k表示待接入AP的发射功率；δ表示待接入AP收到的总干扰。

步骤2，为了使数据采集节点在数据传输时，最大化地利用切片资源，满足时延和吞吐量要求，以最小化时延为优化目标，目标函数如式(2)所示。

约束条件如式(3)-式(6)所示：

S_m(k)≥S_n(i) (4)

r_ik(m)≥R_i,i∈I,k∈K,m∈M (5)

式(2)中，x_ik(m)为需要求解的0-1变量，当x_ik(m)＝1时表示第i个数据采集节点接入第k个AP的第m个切片，否则表示不接入；约束条件(3)表示一个数据采集节点在某一时刻只能接入一个切片；约束条件(4)表示数据采集节点所接入切片的QoS服务等级应该不小于原服务切片；约束条件(5)表示数据采集节点接入切片后的数据传输速率应大于等于其最低速率要求R_i；约束条件(6)表示待接入切片所能容纳的节点数应该小于等于接入前的剩余节点数u_m(k)。

步骤3，用拉格朗日乘数法来求解上述模型，根据式(7)建立所述非线性规划问题的拉格朗日函数：

式(7)中，L(x_ik(m),λ)表示关于x_ik(m)和拉格朗日乘数λ的拉格朗日函数，h₁(x_ik(m))，h₂(x_ik(m))，h₃(x_ik(m))，h₄(x_ik(m))，h₅(x_ik(m))分别表示5个约束函数，λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅表示对应约束函数的拉格朗日乘数，并有：

h₂(x_ik(m))＝x_ik(m)-1 (9)

h₃(x_ik(m))＝S_n(i)-S_m(k) (10)

h₄(x_ik(m))＝R_i-r_ik(m) (11)

根据式(13)-(16)建立KKT条件(Karush-Kuhn-Tucker Conditions，卡罗需-库恩-塔克条件)，从而通过联合KKT条件相关等式，求出经过松弛的非线性规划问题的最优解x_relax：

h₁(x_ik(m))＝0，h₂(x_ik(m))≤0，h₃(x_ik(m))≤0，h₄(x_ik(m))≤0，h₅(x_ik(m))≤0 (14)

λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，λ₅≥0 (15)

步骤4，用分支定界法得到所述目标函数的0-1求解变量x_0-1，从而根据所述求解变量决定用户是否接入相应的切片。具体步骤如下：

步骤4.1，将式(2)作为问题p-1。分支定界法的输入为：满足KKT条件的松弛问题最优解x_relax，松弛问题最优目标函数值Z_relax，0-1任意值ε。初始化k＝0，L＝0，U＝Z_relax。

步骤4.2，从最优解x_relax中任意选择一个不符合0-1约束条件的解x_j，即：x_j∈(0,1)；

步骤4.3，若0≤x_j<ε成立，则将约束条件x_j＝0加到问题p-1中，形成子问题Ⅰ；否则，将约束条件x_j＝1加到问题p-1中，形成子问题Ⅱ，ε表示0到1内任意值；

步骤4.4，k++，继续求出子问题Ⅰ或子问题Ⅱ的松弛问题解，记为x_k，并将对应的最优目标函数值记为Z_k；

步骤4.5,找出最优目标函数最大值U作为新的上界，即：

U＝max{Z_k′|k′＝1,2,…,k},x_k′∈[0,1]；

步骤4.6,再从符合0-1条件的分支中，找出目标函数最大值L作为新的下界，即：

L＝max{Z_k′|k′＝1,2,…,k},x_k′∈{0,1}；

步骤4.7,若Z_k′<L，剪掉相应分支,否则Z_k′＞L，且不符合0-1条件,返回步骤4.3；

步骤4.8,否则就意味着所有分支的最优目标函数值等于下界：Z_k′＝L,将Z_k′赋值Z_0-1，将x_k′赋值给x_0-1，并作为问题p-1的最优解，其中，x_0-1表示符合0-1约束条件的最优解。

本实施例公开了一种5G切片接入的配电网保护优化方法，针对于配电网保护采集电流数据通过5G传输时产生的时延和抖动的优化问题，首先对5G通信在配电网中使用场景进行分析，并建立5G通信接入延时的数学模型；然后根据该模型，研究差动信号时延最小化的优化目标函数，并依据所提优化目标函数采用拉格朗日乘数法和分支定界法求解最大化利用通信信道资源的5G切片选择，实现差动信号传输的时延最小，从而提升电网***的安全性，保证电网***的稳定运行。

以下结合具体的实施例对以上步骤进行说明。

实例1：对采用本发明优化方法与未采用优化方法产生的时延曲线进行对比，两种情况的比较如图2所示，在没有采用本文最小化时延方法的情况下，通过5G传输产生的时延会随时间的变化而随机变化，不利于差动保护动作的判定。采用本文使用的方法后，通过5G传输产生的时延会随时间的变化逐步减小，最终趋于一个恒定值。由上述的对比，可以体现本文所提出最小化优化方法的优越性。

实例2：在采用本发明所提的优化方法下，在1s和7s分别有两次100个移动端设备接入，5G基站会分配一定的网络资源供其使用，这一过程会使差动保护传输的时延略有增大，之后由于采用算法的优化作用，会使产生的时延趋于平稳，与没有移动端设备接入的情况近乎相同，表现出所提方法的鲁棒性。具体的结果如图3所示。

本实施例还提供一种5G切片接入的配电网保护优化***，与上述方法对应，包括：

建模模块，对采用5G通信网络的配电网***进行考虑通信延时的建模：

设配电网中有I个数据采样节点，S_n(i)为第i个采样节点当前服务的切片ID；在采样节点的K个可接入的接入点中，第k个接入点部署的切片集合中有切片S_m(k)，m∈{1,2,…,M}，其中M表示切片集合大小；B_m(k)为S_m(k)对应的带宽；为使***的资源利用率最高，将所有数据采样节点均匀分配资源；因此，第i个采样节点的数据传输速率如式(1)所示；

式(1)中，a_m(k)表示当前切片S_m(k)已接入的采样节点数；d_ik表示采样节点i与待接入的接入点之间的距离，其传播损耗用PL(d_ik)表示；N₀为单位带宽的噪声功率；P_k表示待接入的接入点的发射功率；δ表示待接入AP收到的总干扰；

目标函数建立模块，以最小化时延为优化目标，目标函数如式(2)所示；

其中，DS_i为第i个采样节点采样的数据包大小；

约束条件如式(3)-式(6)所示：

S_m(k)≥S_n(i) (4)

r_ik(m)≥R_i,i∈I,k∈K,m∈M (5)

式(2)中，x_ik(m)为需要求解的0-1变量，当x_ik(m)＝1时表示第i个数据采样节点接入第k个AP的第m个切片，否则表示不接入；约束条件(3)表示一个数据采样节点在某一时刻只能接入一个切片；约束条件(4)表示数据采样节点所接入切片的QoS服务等级应该不小于原服务切片；约束条件(5)表示数据采样节点接入切片后的数据传输速率应大于等于其最低速率要求R_i；约束条件(6)表示待接入切片所能容纳的节点数应该小于等于接入前的剩余节点数u_m(k)；

目标函数求解模块，用拉格朗日乘数法来求解步骤2中的目标函数，

判断模块，目标函数的解，用分支定界法得到所述目标函数的0-1求解变量x_0-1，从而根据所述求解变量决定用户是否接入相应的切片。

所述目标函数求解模块具体步骤如下：根据式(7)建立所述非线性规划问题的拉格朗日函数：

式(7)中，L(x_ik(m),λ)表示关于x_ik(m)和拉格朗日乘数λ的拉格朗日函数，h₁(x_ik(m))，h₂(x_ik(m))，h₃(x_ik(m))，h₄(x_ik(m))，h₅(x_ik(m))分别表示5个约束函数，λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅表示对应约束函数的拉格朗日乘数，并有：

h₂(x_ik(m))＝x_ik(m)-1 (9)

h₃(x_ik(m))＝S_n(i)-S_m(k) (10)

h₄(x_ik(m))＝R_i-r_ik(m) (11)

根据式(13)-(16)建立卡罗需-库恩-塔克条件，从而通过联合卡罗需-库恩-塔克条件相关等式，求出经过松弛的非线性规划问题的最优解x_relax：

h₁(x_ik(m))＝0，h₂(x_ik(m))≤0，h₃(x_ik(m))≤0，h₄(x_ik(m))≤0，h₅(x_ik(m))≤0 (14)

λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，λ₅≥0 (15)

进一步的，所述判断模块具体步骤如下：

步骤4.1，将式(2)作为问题p-1；分支定界法的输入为：满足卡罗需-库恩-塔克条件的松弛问题最优解x_relax，松弛问题最优目标函数值Z_relax，0-1任意值ε；初始化k＝0，L＝0，U＝Z_relax；

步骤4.2，从最优解x_relax中任意选择一个不符合0-1约束条件的解x_j，即：x_j∈(0,1)；

步骤4.3，若0≤x_j<ε成立，则将约束条件x_j＝0加到问题p-1中，形成子问题Ⅰ；否则，将约束条件x_j＝1加到问题p-1中，形成子问题Ⅱ，ε表示0到1内任意值；

步骤4.4，k++，继续求出子问题Ⅰ或子问题Ⅱ的松弛问题解，记为x_k，并将对应的最优目标函数值记为Z_k；

步骤4.5,找出最优目标函数最大值U作为新的上界，即：

U＝max{Z_k′|k′＝1,2,…,k},x_k′∈[0,1]；

步骤4.6,再从符合0-1条件的分支中，找出目标函数最大值L作为新的下界，即：

L＝max{Z_k′|k′＝1,2,…,k},x_k′∈{0,1}；

步骤4.7,若Z_k′<L，剪掉相应分支,否则Z_k′＞L，且不符合0-1条件,返回步骤4.3；

步骤4.8,否则就意味着所有分支的最优目标函数值等于下界：Z_k′＝L,将Z_k′赋值Z_0-1，将x_k′赋值给x_0-1，并作为问题p-1的最优解，其中，x_0-1表示符合0-1约束条件的最优解。

本发明还提供一种处理设备，包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行上述的方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述的方法。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种5G切片接入的配电网保护优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对采用5G通信网络的配电网***进行考虑通信延时的建模：

设配电网中有I个数据采样节点，S_n(i)为第i个采样节点当前服务的切片ID；在采样节点的K个可接入的接入点中，第k个接入点部署的切片集合中有切片S_m(k)，m∈{1,2,…,M}，其中M表示切片集合大小；B_m(k)为S_m(k)对应的带宽；为使***的资源利用率最高，将所有数据采样节点均匀分配资源；因此，第i个采样节点的数据传输速率如式(1)所示；

式(1)中，a_m(k)表示当前切片S_m(k)已接入的采样节点数；d_ik表示采样节点i与待接入的接入点之间的距离，其传播损耗用PL(d_ik)表示；N₀为单位带宽的噪声功率；P_k表示待接入的接入点的发射功率；δ表示待接入AP收到的总干扰；

步骤2，以最小化时延为优化目标，目标函数如式(2)所示；

其中，DS_i为第i个采样节点采样的数据包大小；

约束条件如式(3)-式(6)所示：

S_m(k)≥S_n(i) (4)

r_ik(m)≥R_i,i∈I,k∈K,m∈M (5)

式(2)中，x_ik(m)为需要求解的0-1变量，当x_ik(m)＝1时表示第i个数据采样节点接入第k个AP的第m个切片，否则表示不接入；约束条件(3)表示一个数据采样节点在某一时刻只能接入一个切片；约束条件(4)表示数据采样节点所接入切片的QoS服务等级应该不小于原服务切片；约束条件(5)表示数据采样节点接入切片后的数据传输速率应大于等于其最低速率要求R_i；约束条件(6)表示待接入切片所能容纳的节点数应该小于等于接入前的剩余节点数u_m(k)；

步骤3，用拉格朗日乘数法来求解步骤2中目标函数的最优解，

步骤4，基于步骤3的最优解，用分支定界法得到所述目标函数的0-1求解变量x_0-1，从而根据所述求解变量决定用户是否接入相应的切片；所述x_0-1表示符合0-1约束条件的最优解。

2.根据权利要求1所述的5G切片接入的配电网保护优化方法，其特征在于，所述步骤3具体步骤如下：根据式(7)建立所述非线性规划问题的拉格朗日函数：

式(7)中，L(x_ik(m),λ)表示关于x_ik(m)和拉格朗日乘数λ的拉格朗日函数，h₁(x_ik(m))，h₂(x_ik(m))，h₃(x_ik(m))，h₄(x_ik(m))，h₅(x_ik(m))分别表示5个约束函数，λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅表示对应约束函数的拉格朗日乘数，并有：

h₂(x_ik(m))＝x_ik(m)-1 (9)

h₃(x_ik(m))＝S_n(i)-S_m(k) (10)

h₄(x_ik(m))＝R_i-r_ik(m) (11)

根据式(13)-(16)建立卡罗需-库恩-塔克条件，从而通过联合卡罗需-库恩-塔克条件相关等式，求出经过松弛的非线性规划问题的最优解x_relax：

h₁(x_ik(m))＝0，h₂(x_ik(m))≤0，h₃(x_ik(m))≤0，h₄(x_ik(m))≤0，h₅(x_ik(m))≤0 (14)

λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，λ₅≥0 (15)

3.根据权利要求1所述的5G切片接入的配电网保护优化方法，其特征在于，所述步骤4具体步骤如下：

步骤4.1，将式(2)作为问题p-1；分支定界法的输入为：满足卡罗需-库恩-塔克条件的松弛问题最优解x_relax，松弛问题最优目标函数值Z_relax，0-1任意值ε；初始化k＝0，L＝0，U＝Z_relax；

步骤4.2，从最优解x_relax中任意选择一个不符合0-1约束条件的解x_j，即：x_j∈(0,1)；

步骤4.3，若0≤x_j<ε成立，则将约束条件x_j＝0加到问题p-1中，形成子问题Ⅰ；否则，将约束条件x_j＝1加到问题p-1中，形成子问题Ⅱ，ε表示0到1内任意值；

步骤4.4，k++，继续求出子问题Ⅰ或子问题Ⅱ的松弛问题解，记为x_k，并将对应的最优目标函数值记为Z_k；

步骤4.5,找出最优目标函数最大值U作为新的上界，即：

U＝max{Z_k′|k′＝1,2,…,k},x_k′∈[0,1]；

步骤4.6,再从符合0-1条件的分支中，找出目标函数最大值L作为新的下界，即：

L＝max{Z_k′|k′＝1,2,…,k},x_k′∈{0,1}；

步骤4.7,若Z_k′<L，剪掉相应分支,否则Z_k′＞L，且不符合0-1条件,返回步骤4.3；

步骤4.8,否则就意味着所有分支的最优目标函数值等于下界：Z_k′＝L,将Z_k′赋值Z_0-1，将x_k′赋值给x_0-1，并作为问题p-1的最优解，其中，x_0-1表示符合0-1约束条件的最优解。

4.一种5G切片接入的配电网保护优化***，其特征在于，包括：

建模模块，对采用5G通信网络的配电网***进行考虑通信延时的建模：

设配电网中有I个数据采样节点，S_n(i)为第i个采样节点当前服务的切片ID；在采样节点的K个可接入的接入点中，第k个接入点部署的切片集合中有切片S_m(k)，m∈{1,2,…,M}，其中M表示切片集合大小；B_m(k)为S_m(k)对应的带宽；为使***的资源利用率最高，将所有数据采样节点均匀分配资源；因此，第i个采样节点的数据传输速率如式(1)所示；

式(1)中，a_m(k)表示当前切片S_m(k)已接入的采样节点数；d_ik表示采样节点i与待接入的接入点之间的距离，其传播损耗用PL(d_ik)表示；N₀为单位带宽的噪声功率；P_k表示待接入的接入点的发射功率；δ表示待接入AP收到的总干扰；

目标函数建立模块，以最小化时延为优化目标，目标函数如式(2)所示；

其中，DS_i为第i个采样节点采样的数据包大小；

约束条件如式(3)-式(6)所示：

S_m(k)≥S_n(i) (4)

r_ik(m)≥R_i,i∈I,k∈K,m∈M (5)

式(2)中，x_ik(m)为需要求解的0-1变量，当x_ik(m)＝1时表示第i个数据采样节点接入第k个AP的第m个切片，否则表示不接入；约束条件(3)表示一个数据采样节点在某一时刻只能接入一个切片；约束条件(4)表示数据采样节点所接入切片的QoS服务等级应该不小于原服务切片；约束条件(5)表示数据采样节点接入切片后的数据传输速率应大于等于其最低速率要求R_i；约束条件(6)表示待接入切片所能容纳的节点数应该小于等于接入前的剩余节点数u_m(k)；

目标函数求解模块，用拉格朗日乘数法来求解步骤2中的目标函数，

判断模块，目标函数的解，用分支定界法得到所述目标函数的0-1求解变量x_0-1，从而根据所述求解变量决定用户是否接入相应的切片。

5.根据权利要求4所述的5G切片接入的配电网保护优化***，其特征在于，所述目标函数求解模块具体步骤如下：根据式(7)建立所述非线性规划问题的拉格朗日函数：

式(7)中，L(x_ik(m),λ)表示关于x_ik(m)和拉格朗日乘数λ的拉格朗日函数，h₁(x_ik(m))，h₂(x_ik(m))，h₃(x_ik(m))，h₄(x_ik(m))，h₅(x_ik(m))分别表示5个约束函数，λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅表示对应约束函数的拉格朗日乘数，并有：

h₂(x_ik(m))＝x_ik(m)-1 (9)

h₃(x_ik(m))＝S_n(i)-S_m(k) (10)

h₄(x_ik(m))＝R_i-r_ik(m) (11)

根据式(13)-(16)建立卡罗需-库恩-塔克条件，从而通过联合卡罗需-库恩-塔克条件相关等式，求出经过松弛的非线性规划问题的最优解x_relax：

h₁(x_ik(m))＝0，h₂(x_ik(m))≤0，h₃(x_ik(m))≤0，h₄(x_ik(m))≤0，h₅(x_ik(m))≤0 (14)

λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，λ₅≥0 (15)

6.根据权利要求4所述的5G切片接入的配电网保护优化方法，其特征在于，所述判断模块具体步骤如下：

步骤4.1，将式(2)作为问题p-1；分支定界法的输入为：满足卡罗需-库恩-塔克条件的松弛问题最优解x_relax，松弛问题最优目标函数值Z_relax，0-1任意值ε；初始化k＝0，L＝0，U＝Z_relax；

步骤4.2，从最优解x_relax中任意选择一个不符合0-1约束条件的解x_j，即：x_j∈(0,1)；

步骤4.3，若0≤x_j<ε成立，则将约束条件x_j＝0加到问题p-1中，形成子问题Ⅰ；否则，将约束条件x_j＝1加到问题p-1中，形成子问题Ⅱ，ε表示0到1内任意值；

步骤4.4，k++，继续求出子问题Ⅰ或子问题Ⅱ的松弛问题解，记为x_k，并将对应的最优目标函数值记为Z_k；

步骤4.5,找出最优目标函数最大值U作为新的上界，即：

U＝max{Z_k′|k′＝1,2,…,k},x_k′∈[0,1]；

步骤4.6,再从符合0-1条件的分支中，找出目标函数最大值L作为新的下界，即：

L＝max{Z_k′|k′＝1,2,…,k},x_k′∈{0,1}；

步骤4.7,若Z_k′<L，剪掉相应分支,否则Z_k′＞L，且不符合0-1条件,返回步骤4.3；

步骤4.8,否则就意味着所有分支的最优目标函数值等于下界：Z_k′＝L,将Z_k′赋值Z_0-1，将x_k′赋值给x_0-1，并作为问题p-1的最优解，其中，x_0-1表示符合0-1约束条件的最优解。

7.一种处理设备，其特征在于，包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至3任一所述的方法。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至3任一所述的方法。

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