发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑负载均衡和备用的基站储能设施可调容量评估方法，建立分析了建立单个基站业务流量与功耗模型，并基于距离感知研究基站休眠与负载均衡策略，当部分基站休眠关闭后，邻近活跃基站在对休眠基站区域的用户提供通信服务前，需评估活跃基站的负载情况，避免造成基站负载不均衡，导致降低网络的服务质量的情况发生，以达到很好的节能效果，其次确定单个通信基站备用储能可调容量，并建立通信基站备用储能模型，最大化各项约束下区域内基站储能设施可调容量，为通信基站备用储能参与电力系统调度、实现可再生能源消纳提供了技术支撑。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

考虑负载均衡和备用的基站储能设施可调容量评估方法，所述评估方法包括以下步骤：

S1、建立单个基站业务流量与功耗模型。

S2、建立单个基站休眠与负载均衡模型，并确定单个通信基站备用储能可调容量。

S3、建立通信基站备用储能模型，最大化各项约束下区域内基站储能设施可调容量。

进一步的，所述S1包括：某区域内N个通信基站设施，通信基站集合 B＝{1,2,…,N}，且在未实施休眠节能策略时均处于正常工作状态，建立业务模型与功耗模型。

进一步的，所述业务模型包括：设定某区域内各基站间的业务量变化相互独立，且基站日业务量呈周期性变化，而基站资源利用率与连接到基站的用户数线性相关；基站通信网络中业务流量产生模式服从排队论中经典的M/M/s/K 多服务台排队模型：服务时间服从指数分布，平均值为1/μ；用户到达间隔服从均值为1/λ的指数分布，单位是s/call。单基站可以同时提供服务的最大业务量呼叫数为：

c＝C/R

上式中：C为单基站总带宽；R表示当一个业务量呼叫发生时，基站为用户提供服务的恒定比特率，即发射功率。

基站的状态是以用户的数目为特征的，通过M/M/s/K多服务台排队论系统状态平衡方程求得：

上式中：P_n表示有n个业务量的概率；设定ρ为通信强度，可表示相对的流量负载，ρ＝λ/cμ；α为通信率，α＝λ/μ。

进一步的，所述功耗模型包括：基站功耗包括传输功耗、计算功耗和额外功耗。传输功耗由功率放大器和射频部分的耗电量构成，占比最高；计算功耗指室内基带处理单元消耗的电量；额外功耗则是指从市电引入到基站直流供电的整个转换过程中的消耗；

基站功耗模型可模拟为线性方程，由静态功耗与动态功耗组成，动态功耗 P(t)与实时业务量相关:

上式中：P₀为处于活跃状态的基站静态功耗；P_i为有i个业务量的概率；为处于活跃状态的基站平均动态功耗；P_TR,i为基站只提供一个业务量时的功率消耗；t_TR,i为同时提供i个业务量所需时间，t_TR,i＝1/iμ；P_r为处于空闲状态的基站静态功耗；

基站同时服务i个呼叫时的发射功率P_TR,i可表示为

上式中：为基站业务量；β,γ为路径损耗系数；R_cell为基站服务半径；N₀为加性高斯白噪声功率谱密度；A为天线增益。

进一步的，所述S2包括：基站业务流量负载低于限值，根据网络流量负载情况以及用户与其关联基站的距离可动态地关闭多余的基站，需要采用基站休眠策略评估基站关闭前，其关联的活跃基站的负载情况，确保活跃基站的负载均衡；再对单基站备用储能可调容量进行评估。

进一步的，所述基站休眠策略包括：v_i、v_m分别表示基站i与基站m的工作状态，0为休眠，1为正常工作活跃状态；

令基站i下用户集合U_i，对于基站i下的用户u，其与关联基站的距离为d_u：

上式中：d_ii为基站i下的用户u与基站i中心的距离；d_im为基站i与基站m 的距离；d_ij为基站i与基站j的距离；

基站i下用户可关联的邻居基站集合为N_i，如果关闭基站i，则用户关联到可关联基站集合N_i中最临近的活跃基站，可关联到基站i的用户所属的基站集合为C_i；当基站负载量低于一定程度时将其休眠关闭，C_i中基站j关闭时，如果基站i是邻居基站j的最相邻活跃基站，则基站j卸载流量到基站i，即：

上式中：ρ_i为基站i原始负载；ρ’_i为基站i进行节能休眠操作后的负载；与基站i的工作状态及可关联到基站i的邻居基站的工作状态相关；ρ_j为基站j 原始负载；ρ’_j为基站j进行节能休眠操作后的负载；与基站j的工作状态及可关联到基站j的邻居基站的工作状态相关；Ρ_min为基站j的最小负荷；d_jm为基站 j与基站m的距离；d_ji为基站i与基站j的距离；

上式中：N_j为基站j的可关联基站集合；

采取休眠策略后，经S1中功耗模型可得基站实际功耗；

利用Jain公平指数(Jain Fairness Index)引入负荷均衡度指标LB，当活跃基站间的负载完全平衡，即每个基站的负载都相等时，LB＝1,LB的值越小，基站间的负载就越不平衡；

负荷均衡度指标LB计算方法如下：

可增加约束条件LB≥LB_min，LB_min表示最小负荷均衡度要求。

进一步的，所述单基站备用储能可调容量可分为两部分：一部分留作动态备用需求，另一部分为可供调用储能，可调度容量如下：

式中，Q_i为基站备用储能配置容量；为t时刻基站i备用需求；T_backup,i为t时刻基站i所需备用时长；Q_dispatch,i为基站i可供调用储能；P_i(tt)为tt时段 (tt-1～tt)基站i功耗。

进一步的，所述S3包括建立通信基站备用储能模型；

通信基站备用储能模型如下：

充放电功率约束：

电池容量约束：

W^min≤W^t≤W^max

用户通信质量约束：

上式中：W^t为t时刻储能设备蓄电量；W^t+1为t+1时刻储能设备蓄电量； 分别为t时段调用基站储能进行充放电操作功率；W^max、W^min为储能设备容量上下限。η_c，η_d为备用储能充放电效率；α为布尔变量，备用储能充电时为1，放电时为0；Δt为单位时段，通常取1小时；P_max，P_min表示备用储能充放电功率的上下限；SINR_iu为用户u与基站i关联时的信干噪比；R_i为基站i的发射功率；G_iu、G_ju为信道传输系数；σ₀为高斯白噪声；γ_min为用户质量最小限制。

进一步的，所述S3包括各项约束下区域内基站最大调节潜力评估：

考虑一天之内负载均衡和备用需求的基站储能设施最大调节潜力评估模型如下：

约束条件：

LB≥LB_min

W^min≤W^t≤W^max

SINR_iu≥γ_min

该模型为混合整数非线性优化问题，可采用商用软件GAMS进行求解。

本发明的有益效果：

1、本发明评估方法，建立分析了建立单个基站业务流量与功耗模型，并基于距离感知研究基站休眠与负载均衡策略，当部分基站休眠关闭后，邻近活跃基站在对休眠基站区域的用户提供通信服务前，需评估活跃基站的负载情况，避免造成基站负载不均衡，导致降低网络的服务质量的情况发生，以达到很好的节能效果；

2、本发明评估方法，确定单个通信基站备用储能可调容量，并建立通信基站备用储能模型，最大化各项约束下区域内基站储能设施可调容量，为通信基站备用储能参与电力系统调度、实现可再生能源消纳提供了技术支撑。