馮偉夏 孟安波 何雙伯

摘 ?要： 為了在不需要電網(wǎng)集中控制的前提下，實(shí)現(xiàn)自主式點(diǎn)對點(diǎn)電力傳輸，提出一種基于自組織網(wǎng)絡(luò)的智能電網(wǎng)配電技術(shù)。利用網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度的光學(xué)非線性，設(shè)計(jì)一個光電混合雙穩(wěn)態(tài)電路，同時(shí)，在每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處使用一個簡單的局部自適應(yīng)傳輸權(quán)重，以支持網(wǎng)絡(luò)的自組織功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的智能電網(wǎng)模型可以在電力分配系統(tǒng)中進(jìn)行用電均衡調(diào)整。另外，自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與太陽能光伏設(shè)備和電能存儲設(shè)備等個體供電設(shè)施相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了電力潮流的自主式控制。

關(guān)鍵詞： 自組織網(wǎng)絡(luò); 光學(xué)非線性; 智能電網(wǎng); 雙穩(wěn)態(tài)電路; 電力傳輸; 電力分配

中圖分類號： TN915.853?34; TM76 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）09?0158?05

Design of smart grid power distribution scheme based on self?organizing network

FENG Weixia1， 2， MENG Anbo1， HE Shuangbo2

（1. School of Automation， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510000， China;

2. China Southern Power Grid Guangdong Power Grid Co.， Ltd.， Guangzhou 510060， China）

Abstract： In order to realize the autonomous point?to?point power transmission without centralized control of power grid， a smart grid power distribution technology based on self?organizing network is proposed. A photoelectric hybrid bistable circuit is designed according to optical non?linearity of network signal strength. Meanwhile， a simple local adaptive transmission weight is used in each network node to support the self?organizing function of the network. The experimental results show that the proposed smart grid model can adjust the power utilization balance in power distribution system. In addition， the self?organizing network nodes are connected with individual power supply facilities， such as solar photovoltaic devices and electric energy storage devices， which can realize the autonomous control of power flow.

Keywords： self?organizing network; optical non?linearity; smart power grid; bistable circuit; power transmission; power distribution

0 ?引 ?言

智能電網(wǎng)[1]是使用通信和控制技術(shù)的電力網(wǎng)絡(luò)。由于電力企業(yè)很難實(shí)現(xiàn)對分布式電力資源[2]（例如，太陽能發(fā)電設(shè)備和風(fēng)力發(fā)電設(shè)備）的全面管理，因此，有必要使用智能電網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自主的分布式電力網(wǎng)絡(luò)[3]。而自組織光網(wǎng)絡(luò)[4]就是其中一個重要解決方案，將自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于智能電網(wǎng)逐漸成為研究熱點(diǎn)，其社會意義和商業(yè)價(jià)值重大。

電網(wǎng)應(yīng)用和光網(wǎng)絡(luò)的交叉領(lǐng)域得到了不少研究人員的關(guān)注。文獻(xiàn)[5]根據(jù)無線自組織網(wǎng)絡(luò)在智能用電居民小區(qū)應(yīng)用的情況，對其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鲆约熬W(wǎng)絡(luò)方案的設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上對路由協(xié)議進(jìn)行分析、簡化和定義，方法側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。為構(gòu)建大容量電力通信光傳輸網(wǎng)，文獻(xiàn)[6]將路由與波長分配算法作為提高網(wǎng)絡(luò)靈活性以及優(yōu)化資源配置的重要手段，結(jié)合電力通信業(yè)務(wù)的特性及需求，實(shí)現(xiàn)不同類型業(yè)務(wù)的差異化服務(wù)。文獻(xiàn)[7]提出的智能電網(wǎng)模型通過光學(xué)自組織節(jié)點(diǎn)的光學(xué)特性控制DC電流，利用自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電力傳輸。

本文提出一種能夠自主判定電力供應(yīng)的智能電網(wǎng)模型，即能夠自主判定所使用的電力來源，并自主執(zhí)行家庭的電力供應(yīng)。此外，其還能夠交換每個家庭之間多余或不足的電力。研究使用自組織節(jié)點(diǎn)作為通信控制單元，并使用功率門限單元[8]（Power Threshold Unit，PTU）作為配電設(shè)備。這些節(jié)點(diǎn)利用光學(xué)的非線性特性實(shí)現(xiàn)了一個自適應(yīng)算法。通過連接大量的自組織節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建出一個帶自組織功能的網(wǎng)絡(luò)，這些自組織功能包括自路由、自優(yōu)化、自恢復(fù)和自保護(hù)功能。

本文提出的方法使用了PTU，通過一個微型計(jì)算機(jī)確定電力的使用。通過將節(jié)點(diǎn)與PTU相連接，能夠執(zhí)行電力的有效分配，同時(shí)區(qū)分出過剩的電力信號。當(dāng)電力不足時(shí)，其能夠利用電力過剩的家庭中的電力彌補(bǔ)缺口，并實(shí)現(xiàn)高效的電力傳輸。通過將本文展示的節(jié)點(diǎn)或PTU替換為實(shí)際的家庭供電設(shè)備和電力傳輸路徑，能夠自主地實(shí)現(xiàn)電力的最優(yōu)控制。

1 ?本文自組織網(wǎng)絡(luò)

1.1 ?自組織網(wǎng)絡(luò)概述

自組織指的是自主地生成結(jié)構(gòu)[9?10]。本文中“自組織”指的是“根據(jù)不同情況和環(huán)境實(shí)現(xiàn)自主適應(yīng)”。自組織網(wǎng)絡(luò)指的是帶自組織功能的網(wǎng)絡(luò)，特別包含以下4種功能：

1） 自路由：能夠形成一個信號傳播路徑，該路徑能夠自適應(yīng)地對系統(tǒng)變化作出反應(yīng)。

2） 自優(yōu)化：即能夠自主地提升網(wǎng)絡(luò)性能的功能。對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)節(jié)以最大限度使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)資源，并分散負(fù)載。

3） 自恢復(fù)：即在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)能夠自動恢復(fù)的功能。

4） 自保護(hù)：即檢測并防止外部入侵的功能。

在實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)對不斷波動的自然能源發(fā)電量的優(yōu)化控制時(shí)，有必要使用帶自組織特征的網(wǎng)絡(luò)。本文在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)[11]時(shí)對節(jié)點(diǎn)應(yīng)用了自適應(yīng)算法，并將這些節(jié)點(diǎn)連接在一起。通過對局部信號通路的自適應(yīng)，得到信號在整個網(wǎng)絡(luò)上傳輸路徑的組織。自適應(yīng)算法在網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點(diǎn)上對傳輸權(quán)重進(jìn)行調(diào)整，該權(quán)重僅取決于通過該節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度（信號量）。以自適應(yīng)算法為基礎(chǔ)，在傳輸信號之間通過傳輸權(quán)重形成相互作用，以使得采用自適應(yīng)算法的網(wǎng)絡(luò)具備對自主信號路徑（決定信號如何傳輸）進(jìn)行控制的特征。利用信號上的光學(xué)特征，該光信號可以相對容易地控制光信號的傳輸方向。因此，個體節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)算法能夠自主地執(zhí)行處理，并在宏觀上構(gòu)建出一個自組織網(wǎng)絡(luò)。

本文自組織網(wǎng)絡(luò)框架如圖1所示。對于某個家庭用戶來說，本文設(shè)計(jì)了一個PTU設(shè)備，每個家庭均有一個PTU以進(jìn)行電力分配，且每個PTU對應(yīng)一個節(jié)點(diǎn)裝置。該節(jié)點(diǎn)裝置的核心是光?電混合型的雙穩(wěn)態(tài)光學(xué)器件，多個節(jié)點(diǎn)組成一個區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，通過光電轉(zhuǎn)換與反饋及時(shí)感知電力網(wǎng)絡(luò)的配電情況，以做出相應(yīng)操作。

1.2 ?節(jié)點(diǎn)與光電混合雙穩(wěn)態(tài)電路

本文在節(jié)點(diǎn)上應(yīng)用自適應(yīng)算法，當(dāng)節(jié)點(diǎn)端口接收到更強(qiáng)的信號時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的端口會輸出強(qiáng)度更高的信號。在此類節(jié)點(diǎn)所組成的網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)兩個信號源所輸出的信號對彼此的強(qiáng)度進(jìn)行增強(qiáng)時(shí)，會在這兩個信號源之間形成一個路徑。此類節(jié)點(diǎn)的基本模型如圖2所示。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時(shí)，本文使用了包含三個輸入?輸出端口的自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)，將節(jié)點(diǎn)的端口分別定義為port#0，port#1以及port#2。在每個端口中，[r0]，[r1]和[r2]表示接收信號強(qiáng)度;[s0]，[s1]和[s2]則表示輸出信號強(qiáng)度。其中符號的下標(biāo)為端口號。

圖1 ?自組織網(wǎng)絡(luò)框架

圖2 ?節(jié)點(diǎn)示意圖

在提出的模型中，通過自適應(yīng)算法對每個端口的輸入信號進(jìn)行加權(quán)，并將加權(quán)后的信號從每個端口輸出。下面將對節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)算法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

在節(jié)點(diǎn)中，通過負(fù)載值[w]對端口的輸入信號進(jìn)行加權(quán)。并從每個端口輸出。負(fù)載值由輸入信號強(qiáng)度產(chǎn)生，決定一個輸出信號的強(qiáng)度數(shù)值。一個節(jié)點(diǎn)的端口權(quán)重[w1]和[w2]分別定義如下：

式（3）和式（4）表達(dá)了自組織網(wǎng)絡(luò)的一個基本元素。然而，在這些公式中，當(dāng)已經(jīng)建立起一個信號傳播路徑，且另一個信號被輸入到未使用的端口時(shí)，會造成已形成傳播路徑的信號強(qiáng)度的降低。為解決該問題，本文加入一個功能，即在port#1或port#2中的信號超過某個特定的閾值后，切斷未使用端口的輸入。該功能被稱為自保護(hù)功能，具體表示如下：

式中：[α]為啟動自保護(hù)功能的閾值;[β]為足以比其他數(shù)值大的數(shù)值。當(dāng)[r1<α]時(shí)，通過式（1）執(zhí)行負(fù)載數(shù)值計(jì)算。當(dāng)[r1>α]時(shí)，則由式（5）可知，[w1=1]，由此[w2=0]。因此，當(dāng)輸入包含某個特定強(qiáng)度水平的信號時(shí)，節(jié)點(diǎn)會運(yùn)行自保護(hù)功能。節(jié)點(diǎn)的光電混合雙穩(wěn)態(tài)電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。假設(shè)[s0]最大值為9 V，將式（5）中的[r2]固定在不同的數(shù)值上，通過在同一時(shí)間內(nèi)改變[r1]值，達(dá)到對權(quán)值的度量。

實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)的關(guān)鍵是端口加權(quán)的光電非線性特性。本文使用模擬光控制的器件，即光電混合型的雙穩(wěn)態(tài)光學(xué)器件，通過正反饋機(jī)制以獲得非線性。其中，LED輸入電流時(shí)產(chǎn)生光。PD接收一些光，并以電流的形式反饋給LED，而反饋電流則可通過反饋調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)（見圖3中的反饋控制）。由此，雙穩(wěn)態(tài)光學(xué)器件的輸入?輸出特性就表現(xiàn)出不同的非線性行為。

圖3 ?反饋控制框圖

2 ?功率門限單元

電力傳輸系統(tǒng)至關(guān)重要[12]，因此，本文設(shè)計(jì)了一個PTU設(shè)備進(jìn)行電力分配。PTU的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。PTU上配備了配電設(shè)備和電力存儲設(shè)備。通過接收電力存儲信息，將電量過剩家庭中的多余電力傳輸?shù)诫娏坎蛔愕募彝ブ小Ｓ纱?，可以?shí)現(xiàn)不同家庭之間的自主式電力傳輸。

下面描述PTU的運(yùn)行，本文使用的供電設(shè)備是最大輸出為1.5 V?250 mA的太陽能板、額定6 V?4 A[?]h的蓄電池、多個PTU和電源。從供電方將電力傳輸?shù)郊彝ビ秒姸?，由PTU決定電力過?；螂娏Σ蛔愕那闆r。在電力過剩的情況下，系統(tǒng)在接收到另一個節(jié)點(diǎn)功率不足信號的PTU的方向上進(jìn)行輸電操作。在判定用電端的電力供應(yīng)情況時(shí)，按以下供電順序：太陽能板→蓄電池→其他PTU→電源。

圖4 ?功率門限單元的示意框圖

這一供電順序能夠盡可能高效地利用自然能源，從而實(shí)現(xiàn)CO2排放最小化的設(shè)計(jì)理念。

3 ?光電信號和電力傳輸實(shí)驗(yàn)

3.1 ?自組織網(wǎng)絡(luò)的信號傳輸實(shí)驗(yàn)

本文使用帶自適應(yīng)算法的自組織網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)滿足自優(yōu)化功能的要求，下面給出自組織網(wǎng)絡(luò)功能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.1.1 ?自路由功能

設(shè)形成路徑末端節(jié)點(diǎn)的port#0的輸入電壓為9 V。PTU負(fù)載上的電壓指示功率狀態(tài)，其中該電壓超過1 V時(shí)表示功率過剩。當(dāng)該電壓未超出時(shí)，則表示功率為不足狀態(tài)。設(shè)位于（a）的PTU處于功率過剩狀態(tài)，處于（l）的PTU為功率不足狀態(tài)，并在（a）和（l）的port#0的輸入上應(yīng)用9 V電壓。在節(jié)點(diǎn)（a）?（d）?（f）?（g）?（i）?（l）之間進(jìn)行信號傳輸和接收，由此形成路由。通過PTU之間的功率傳輸，解決節(jié)點(diǎn)（l）的功率不足問題。通過建立路由（a）?（d）?（f）?（g）?（i）?（l），證明所提方法具備自路由功能。自路由功能的展示如圖5所示。其中，加底紋節(jié)點(diǎn)表示功率過剩狀態(tài)。

3.1.2 ?自保護(hù)功能

下面將解釋自保護(hù)功能。為執(zhí)行自保護(hù)的驗(yàn)證，網(wǎng)絡(luò)保持已經(jīng)建立起的路由（a）?（d）?（f）?（g）?（i）?（l）。設(shè)節(jié)點(diǎn)（k）處的PTU為功率不足狀態(tài)，并在（k）的port#0的輸入上應(yīng)用9 V電壓。其后，由于自保護(hù)功能，在（a）和（k）之間并未形成路徑，網(wǎng)絡(luò)保持了之前的路由（a）?（d）?（f）?（g）?（i）?（l）。由此，自保護(hù)功能得到了證明。自保護(hù)功能的結(jié)果如圖6所示。

圖5 ?自路由功能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 ?自保護(hù)功能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1.3 ?自恢復(fù)功能

為進(jìn)行自恢復(fù)功能的驗(yàn)證，保持之前的路由（a）?（d）?（f）?（g）?（i）?（l）不變。同時(shí)，本文封鎖了節(jié)點(diǎn)（f）?（g）之間的信號。隨后，建立起了路由（a）?（c）?（e）?（g）?（i）?（l）。即使路徑之間的信號被封鎖了，本文證明通過自恢復(fù)功能，所提方法依然建立起了另一個路由。自恢復(fù)功能的結(jié)果如圖7所示。

3.2 ?功率傳輸實(shí)驗(yàn)

下面將對功率傳輸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將兩個PTU連接在一起，并測量功率交換情況。其中一個PTU處于功率過剩狀態(tài)，并被設(shè)為可傳輸功率狀態(tài)。另一個PTU處于功率不足狀態(tài)，其被設(shè)為需要來自其他PTU功率供應(yīng)的狀態(tài)。作為功率不足信號，輸入到功率過剩的PTU信號強(qiáng)度為8 V。在改變每個設(shè)備供電時(shí)，測量出每個設(shè)備的傳輸電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可以看出測量功率的交換情況以及PTU處于功率過剩狀態(tài)和可傳輸功率狀態(tài)。由此，證明了PTU之間的功率傳輸。

圖7 ?自恢復(fù)功能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 ?PTU總電壓的分類度量

4 ?結(jié) ?語

本文構(gòu)建了一個自組織網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)通過光信號自主地執(zhí)行信號傳輸。提出的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了自路由、自恢復(fù)和自保護(hù)功能，且該網(wǎng)絡(luò)能夠靈活地應(yīng)對各種突發(fā)情況，例如意外斷電和安全性問題等。通過PTU，該網(wǎng)絡(luò)還能夠根據(jù)功率傳輸來實(shí)現(xiàn)電力使用的最優(yōu)控制。另外，通過將節(jié)點(diǎn)和PTU彼此連接在一起，本文構(gòu)建了一個智能電網(wǎng)模型，并實(shí)現(xiàn)了自組織網(wǎng)絡(luò)。由此，在節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)從功率過剩端向功率不足端的自主式電力輸送，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提智能電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

未來，可能將光纖鏈路應(yīng)用在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中，由于所提方法的節(jié)點(diǎn)為電?光混合型，因此，便于應(yīng)用在光纖鏈路以進(jìn)行輸電線路控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 王偉，楊偉光，高立忠，等.基于智能電網(wǎng)調(diào)度支持的居民用電側(cè)自動需求響應(yīng)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（10）：172?174.

WANG Wei， YANG Weiguang， GAO Lizhong， et al. Research on automatic demand response system supported by smart power grid dispatching for residential electricity consumption [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（10）： 172?174.

[2] ROCABERT J， LUNA A， BLAABJERG F， et al. Control of power converters in AC microgrids [J]. IEEE transactions on power electronics， 2012， 27（11）： 34?49.

[3] ZHANG M， WANG D， YE X， et al. A path?adaptive opto?electronic hybrid NoC for chip multi?processor [C]// 2013 IEEE International Conference on Trust， Security and Privacy in Computing and Communications. Melbourne： IEEE， 2013： 1198?1205.

[4] 燕奇，翁曉東，宋占偉.基于LED光通信的傳感數(shù)據(jù)自組織自恢復(fù)系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2011，29（1）：14?20.

YAN Qi， WENG Xiaodong， SONG Zhanwei. Self?organization and self?recovery system of sensing data based on LED light communication [J]. Journal of Jilin University （Information Science Edition）， 2011， 29（1）： 14?20.

[5] 于亮亮.智能用電小區(qū)無線自組織網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)[D].北京：華北電力大學(xué)，2011.

YU Liangliang. Design of wireless self organizing network for intelligent electricity use cell [D]. Beijing： North China Electric Power University， 2011.

[6] 婁佳.電力光網(wǎng)絡(luò)路由與波長分配算法研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2015.

LOU Jia. Research on routing and wavelength assignment algorithm of power optical network [D]. Beijing： North China Electric Power University， 2015.

[7] SASAKI W. Green photonics realized by optical complex systems [C]// 2013 SPIE Conference on Optical Metro Networks and Short?Haul Systems VI. [S.l.]： SPIE， 2013： 138?145.

[8] PIPPENGER M K， GOERING G E. A note on the empirical power of unit root tests under threshold processes [J]. Oxford bulletin of economics & statistics， 2010， 55（4）： 473?481.

[9] 吳大鵬，周之楠，張炎，等.消息內(nèi)容保護(hù)的間斷連接移動自組織網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2015，37（6）：1271?1278.

WU Dapeng， ZHOU Zhinan， ZHANG Yan， et al. Message content protected forwarding mechanism for intermittent connectivity Ad Hoc networks [J]. Journal of electronics & information technology， 2015， 37（6）： 1271?1278.

[10] 李建東，滕偉，盛敏，等.超高密度無線網(wǎng)絡(luò)的自組織技術(shù)[J].通信學(xué)報(bào)，2016，37（7）：30?37.

LI Jiandong， TENG Wei， SHENG Min， et al. Self?organizing techniques in ultra?dense wireless network [J]. Journal on communications， 2016， 37（7）： 30?37.

[11] 于金輝，余辰東.無源光網(wǎng)絡(luò)中的ONU干擾問題研究[J].光通信研究，2015，41（4）：19?21.

YU Jinhui， YU Chendong. Study on interferences from faulty ONU in PON networks [J]. Study on optical communications， 2015， 41（4）： 19?21.

[12] 陳錦昌，陳興華，鐘初禮，等.提高電力穩(wěn)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)利用率方法的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，34（10）：80?85.

CHEN Jinchang， CHEN Xinghua， ZHONG Chuli， et al. Research on improving communication network utilization of regional stability control systems [J]. Power system protection and control， 2013， 34（10）： 80?85.