呂昊，何益鳴，田浩，王鐵強(qiáng)，邱小洪，馬瑞

(1. 國網(wǎng)河北省電力有限公司，河北 石家莊 050021；2. 長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

0 引言

目前，泛在物聯(lián)已開始運用到綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system, IES）各個環(huán)節(jié)[1]，加強(qiáng)了IES各部門之間的聯(lián)系。泛在物聯(lián)下感知層終端設(shè)備的不斷接入，產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)[2]，傳統(tǒng)的綜合能源信息采集、傳輸體系已不能使關(guān)鍵有效信息得到及時感知，IES中多個異質(zhì)能源子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)規(guī)劃、優(yōu)化運行、協(xié)同管理不能得到有效保障。

針對IES的協(xié)調(diào)規(guī)劃與運行的問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[3]完成“源-網(wǎng)-荷”協(xié)同規(guī)劃現(xiàn)狀分析，對綜合能源系統(tǒng)的重點和難點進(jìn)行了展望。文獻(xiàn)[4]提出依托于能源互聯(lián)網(wǎng)的新型城鎮(zhèn)能源系統(tǒng)，但信息接收延時高，系統(tǒng)調(diào)控及時性差。文獻(xiàn)[5]提出了多能源互聯(lián)站-網(wǎng)聯(lián)合模型，通過能量傳導(dǎo)器連接樞紐能源站或多個分布式能源站，但未能將物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌。文獻(xiàn)[6]提出利用數(shù)據(jù)驅(qū)動實現(xiàn)區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)多源數(shù)據(jù)融合的方法，可解決建模仿真環(huán)節(jié)中的精確度問題。以上文獻(xiàn)均對IES協(xié)調(diào)規(guī)劃進(jìn)行研究，但均未解決系統(tǒng)調(diào)控層對關(guān)鍵有效信息快速感知、低時延的問題。

在物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)與通信網(wǎng)絡(luò)傳輸問題上，文獻(xiàn)[7]采用模塊化思想，提出了一種光伏-通信聯(lián)合仿真方法，以保證仿真的精確性。文獻(xiàn)[8]提出以太網(wǎng)雙網(wǎng)通信方案，提高數(shù)據(jù)交互的實時性和可靠性。文獻(xiàn)[9]提出了用戶側(cè)物聯(lián)網(wǎng)信息交換接口的標(biāo)準(zhǔn)化需求。文獻(xiàn)[10-13]均采用了虛擬局域網(wǎng) (virtual local area network, VLAN)技術(shù)對智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，有效提高智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的實時性能。文獻(xiàn)[14]采用基于信息物理融合和理論公式的通信網(wǎng)絡(luò)流量計算。文獻(xiàn)[15-17]探究了交換機(jī)之間端到端特性的網(wǎng)絡(luò)性能。文獻(xiàn)[18]將物聯(lián)網(wǎng)仿真網(wǎng)絡(luò)與云計算相結(jié)合，實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的長期監(jiān)控、管理、共享和分析。

綜合能源電-氣-熱子系統(tǒng)存在不同延時特性問題，基于物聯(lián)網(wǎng)的園區(qū)IES快速通信網(wǎng)絡(luò)研究相對缺乏，系統(tǒng)調(diào)控性欠佳，特別是考慮基于交換機(jī)端口的VLAN劃分技術(shù)后，IES快速通信系統(tǒng)運行極限問題亟待解決。因此，本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的IES星型通信網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)行基于IES多時間尺度特性的通信網(wǎng)絡(luò)VLAN劃分，提高了通信網(wǎng)絡(luò)性能。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的IES通信網(wǎng)絡(luò)建模

1.1 網(wǎng)絡(luò)信息流建模

為實現(xiàn)IES 快速協(xié)同優(yōu)化、多能互補(bǔ)、可再生能源高效消納，本文建立基于物聯(lián)網(wǎng)的IES信息采集、傳輸、控制體系。該體系是集物理系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、能源控制系統(tǒng)以及應(yīng)用系統(tǒng)于一體的多元化復(fù)雜系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的IES信息采集、傳輸與控制體系Fig. 1 IoT-based IES information collection，transmission and control system

隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算 (stochastic network calculus,SNC)作為網(wǎng)絡(luò)演算理論的一個重要部分，不僅彌補(bǔ)了排隊論在到達(dá)和服務(wù)過程建模單一的局限性，而且在計算方式上彌補(bǔ)了固定網(wǎng)絡(luò)演算(deterministic network calculus, DNC)過于保守的不足，對于復(fù)雜場景的運用效果極佳?？紤]到IES通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的自相似性和隨機(jī)突發(fā)性，現(xiàn)采用SNC對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流進(jìn)行建模。

隨機(jī)到達(dá)曲線[19]是對系統(tǒng)到達(dá)流量的約束，也是建立IES通信網(wǎng)絡(luò)實時業(yè)務(wù)模型的關(guān)鍵。對于任意的時刻t≥ 0和流量值x≥0，某一累積輸入數(shù)據(jù)流A(t)滿足

式中：A(t) 為0～t時刻累計輸入數(shù)據(jù)流；A(s) 為0～s時刻累計輸入數(shù)據(jù)流； α (t)為A(t)的隨機(jī)到達(dá)曲線；x為某任意流量值；f(x)為隨機(jī)到達(dá)曲線的概率上界函數(shù)；P為事件發(fā)生概率；sup為取集合的上界。

式中： ρ為實時業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸速度上限； σ 為數(shù)據(jù)突發(fā)量。

SNC理論引入隨機(jī)服務(wù)曲線模型，可更準(zhǔn)確反映通信網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、路由器模塊的業(yè)務(wù)處理能力。在隨機(jī)服務(wù)曲線中，A*(t)為0～t時間內(nèi)，其業(yè)務(wù)離開某系統(tǒng)的輸出累積量，并對所有的t≥0和x≥ 0滿足

式中：A為輸入數(shù)據(jù)流； β (t)為0～t時刻系統(tǒng)S提供的隨機(jī)服務(wù)曲線；g(x)為隨機(jī)服務(wù)曲線的概率上界函數(shù)。

式中：R為 業(yè)務(wù)輸出速率。

對IES通信網(wǎng)絡(luò)端到端時延進(jìn)行建模時，引入SNC理論。

傳輸時延D(t)滿足

式中：h(α,β)為到達(dá)曲線與服務(wù)曲線間的最大水平距離。

1.2 IES3層星型通信網(wǎng)絡(luò)建模

1.2.1 IES 物理 3 層架構(gòu)

傳統(tǒng)IES對于電、氣、冷、熱能源子系統(tǒng)進(jìn)行獨立規(guī)劃，且受限于多種因素，各子系統(tǒng)間耦合程度不高[20-25]。本文IES物理架構(gòu)如圖2所示。在圖2中，現(xiàn)場級執(zhí)行對各子系統(tǒng)異質(zhì)能流數(shù)據(jù)及相關(guān)設(shè)備運行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集工作，并對能流供給進(jìn)行就地控制，如天然氣網(wǎng)絡(luò)氣體壓力測量、壓縮機(jī)控制等。控制級實現(xiàn)IES各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和指令分發(fā)功能，如設(shè)備啟停、參數(shù)修改以及控制指令下發(fā)等。優(yōu)化級作為最高決策層，在系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，以能源效率和環(huán)境效益為綜合評價指標(biāo)，采用線性規(guī)劃、遺傳算法等優(yōu)化算法，在滿足運行約束的條件下，確定現(xiàn)場級各子系統(tǒng)的最佳設(shè)定值。

圖2 IES物理3層架構(gòu)Fig. 2 IES physical three-layer architecture

1.2.2 IES 3 層星型通信網(wǎng)絡(luò)模型

本文網(wǎng)絡(luò)模型如圖3所示。最底層4個子站分別對應(yīng)IES電、氣、冷、熱子系統(tǒng)現(xiàn)場級部分，子站內(nèi)均包括一個標(biāo)準(zhǔn)交換機(jī)模型和一個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)源模型。應(yīng)用業(yè)務(wù)配置模塊配置所需通信業(yè)務(wù)及其規(guī)格，各業(yè)務(wù)均通過標(biāo)準(zhǔn)交換機(jī)模型和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)源模型模擬數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)發(fā)和處理過程。中間的路由器模塊用來接收和轉(zhuǎn)發(fā)來自子站或主站的報文，看作IES控制級。文件服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、網(wǎng)頁服務(wù)器、優(yōu)化控制中心模擬IES物理架構(gòu)中的優(yōu)化級計算分析平臺。

圖3 基于物聯(lián)網(wǎng)的IES 3層星型通信網(wǎng)絡(luò)模型Fig. 3 IoT-based IES three-layer star communication network model

2 IES快速通信網(wǎng)絡(luò)

本文建立有別于傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)配置的IES快速通信網(wǎng)絡(luò)模型，依據(jù)各子系統(tǒng)現(xiàn)場級智能終端設(shè)備重要程度和空間區(qū)域不同，進(jìn)行VLAN劃分，使?fàn)顟B(tài)感知速度在網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)節(jié)得到巨大加強(qiáng)，提高IES優(yōu)化級計算分析平臺的效率。

2.1 IES 通信數(shù)據(jù)流種類

IES通信數(shù)據(jù)主要分為2種：（1）周期性數(shù)據(jù)，包括能流參數(shù)和能源設(shè)備運行參數(shù)。（2）隨機(jī)性數(shù)據(jù)，主要包括測量信息異?；蜷_關(guān)量改變時觸發(fā)的突發(fā)型信息。2種數(shù)據(jù)在IES通信網(wǎng)絡(luò)中以不同的報文形式在通信子站和主站之間傳遞。需大量采樣的周期性數(shù)據(jù)具體包括：電網(wǎng)絡(luò)中的電壓、電流、相角、頻率等；天然氣網(wǎng)絡(luò)中的管道流量、氣體壓強(qiáng)等；冷/熱管網(wǎng)中的溫度、壓力、流量；各能源子系統(tǒng)能源設(shè)備運行參數(shù)、開關(guān)量狀態(tài)數(shù)據(jù)。突發(fā)型信息主要為IES各子系統(tǒng)中參數(shù)異常報警信號和保護(hù)動作信號。

2.2 IES現(xiàn)場級智能終端分類

考慮異質(zhì)能流不同時間尺度延遲特性，將現(xiàn)場級智能終端分為電網(wǎng)絡(luò)智能終端、天然氣網(wǎng)絡(luò)智能終端、供冷/熱系統(tǒng)智能終端。其中各子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)鏈路均存在周期性數(shù)據(jù)和突發(fā)型數(shù)據(jù)的傳輸，因此可將IES子系統(tǒng)智能終端進(jìn)行劃分。具體分為：周期性數(shù)據(jù)采集合并單元（MU）；產(chǎn)生突發(fā)型數(shù)據(jù)的能源設(shè)備控制單元（control）；產(chǎn)生突發(fā)型數(shù)據(jù)的保護(hù)裝置（protection）。

由于整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量是海量的，若不對信息流進(jìn)行規(guī)劃，則導(dǎo)致信息流中有用信息占比低。為了更好感知重要數(shù)據(jù)集，減少無用數(shù)據(jù)的干擾，對上述各子系統(tǒng)3種現(xiàn)場級智能終端都進(jìn)行進(jìn)一步劃分。依據(jù)異常能流參數(shù)和異常能源設(shè)備運行參數(shù)對系統(tǒng)安全的影響程度，可分為關(guān)鍵智能終端MU1、control1、protection1，一般智能終端 MU2、control2、protection2。

2.3 VLAN劃分

IES傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中廣播信息泛濫，經(jīng)常發(fā)生網(wǎng)絡(luò)堵塞，網(wǎng)絡(luò)延遲高，這對IES調(diào)控非常不利。應(yīng)用VLAN技術(shù)，按照現(xiàn)場級智能終端分類方式，進(jìn)行基于交換機(jī)端口的VLAN劃分操作，將現(xiàn)場級到控制級的通信網(wǎng)絡(luò)劃分為幾個不同的VLAN。這有利于減少VLAN中的廣播信息，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，保證重要數(shù)據(jù)集的高密度傳輸，確保IES優(yōu)化級計算分析平臺的高效性。

對電力網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)均配置2個VLAN，即將關(guān)鍵智能終端、一般智能終端分開配置到2個VLAN。將電、氣、冷/熱網(wǎng)共劃分成6個不同VLAN，具體配置如表1所示。

表1 VLAN配置Table 1 VLAN configuration

3 仿真分析

綜合能源各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)具備不同時間尺度特性，參數(shù)采集頻率也會不一樣，據(jù)此將各子系統(tǒng)智能終端設(shè)備數(shù)據(jù)源參數(shù)設(shè)置如表2～4所示。

表2 電網(wǎng)絡(luò)智能終端設(shè)備數(shù)據(jù)源參數(shù)設(shè)置Table 2 Data source parameter setting of intelligent terminal equipment of electric network

表3 天然氣網(wǎng)絡(luò)智能終端設(shè)備數(shù)據(jù)源參數(shù)設(shè)置Table 3 Data source parameter setting of intelligent terminal equipment of natural gas network

表4 供冷/熱系統(tǒng)智能終端設(shè)備數(shù)據(jù)源參數(shù)設(shè)置Table 4 Data source parameter setting of intelligent terminal equipment of cooling/heating network

3.1 場景分析

為了保證IES網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)在各種運行狀況下的可靠運行，建立反映系統(tǒng)在不同運行狀況下網(wǎng)絡(luò)性能的多種仿真場景具有重要意義。仿真場景主要包括VLAN劃分運行場景、流量遞增運行場景分析。VLAN劃分運行場景有利于分析IES通信網(wǎng)絡(luò)快速性。在對當(dāng)前系統(tǒng)最佳網(wǎng)絡(luò)吞吐量和任意網(wǎng)絡(luò)吞吐量的需求進(jìn)行對比分析后，可以在當(dāng)前系統(tǒng)的基礎(chǔ)上分析得到IES任意網(wǎng)絡(luò)吞吐量需求的通信系統(tǒng)規(guī)模設(shè)置。流量遞增場景參數(shù)設(shè)置如表5所示。

表5 網(wǎng)絡(luò)流量遞增參數(shù)設(shè)置Table 5 Parameter setting of network traffic increment

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 VLAN 劃分場景仿真結(jié)果分析

VLAN劃分前后的通信網(wǎng)絡(luò)延時和網(wǎng)絡(luò)吞吐量分別如圖4～5所示。由圖4可知，劃分VLAN后，系統(tǒng)中報文沖突的發(fā)生概率大大減小，報文發(fā)送更加高效，網(wǎng)絡(luò)帶寬得到合理應(yīng)用，延遲抖動較小，提高報文傳輸?shù)膶崟r性能。由圖5可知，在報文傳輸穩(wěn)定后，劃分VLAN前的感知層到控制層網(wǎng)絡(luò)通信速度僅是劃分VLAN后的60%。因此可以看出，是否劃分VLAN對網(wǎng)絡(luò)性能的影響非常大。

圖4 通信網(wǎng)絡(luò)時延仿真結(jié)果Fig. 4 Time delay simulation results of communication network

圖5 網(wǎng)絡(luò)吞吐量仿真結(jié)果Fig. 5 Throughput simulation results of communication network

3.2.2 流量遞增場景仿真結(jié)果分析

在劃分VLAN的基礎(chǔ)上，對IES通信網(wǎng)絡(luò)臨界運行狀態(tài)做進(jìn)一步仿真分析。FTP應(yīng)答時間隨流量遞增的變化如圖6～7所示，其中初始時刻為通信網(wǎng)絡(luò)飽和運行時刻。

圖6 FTP業(yè)務(wù)應(yīng)答時間變化Fig. 6 Response time of FTP service

圖7 滿足系統(tǒng)應(yīng)答時間閾值概率Fig. 7 Probability of meeting the system response time threshold

從圖6～7可以看出：在飽和運行情況下，當(dāng)流量增長15%～16%時，系統(tǒng)應(yīng)答時間變化幅度較小，且有接近一半的時間滿足應(yīng)答閾值；當(dāng)流量增長17%時，業(yè)務(wù)應(yīng)答時間會近似增多為08:00的3倍，滿足閾值的概率也趨近于零。

系統(tǒng)鏈路利用率變化及閾值概率分別如圖8～9所示。由圖8～9可以看出，隨著鏈路流量每增加1%，鏈路帶寬利用率增大10%。當(dāng)鏈路利用率到達(dá)90%，鏈路帶寬利用率隨網(wǎng)絡(luò)流量增多變化不大。滿足鏈路利用率閾值的概率在08:00時降低55%，降低到原來45%。在12:00時，滿足閾值的比例再次降低30%，僅為15%左右，表示通信鏈路基本不符合預(yù)期要求。

圖8 系統(tǒng)鏈路利用率變化Fig. 8 Changes of link utilization

圖9 10 base_T鏈路條件下滿足鏈路利用率閾值概率Fig. 9 Probability of meeting the link utilization threshold under 10 base_T link condition

若要提高IES通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度，一方面采取VLAN劃分的方式，降低時延，提高傳輸速度；另一方面改善通信網(wǎng)絡(luò)硬件性能，合理配置通信設(shè)備，創(chuàng)建最佳通信網(wǎng)絡(luò)傳輸規(guī)模。在100 base_T鏈路條件下滿足鏈路利用率閾值概率如圖10所示。由圖10可以看出，增加鏈路帶寬后，滿足網(wǎng)絡(luò)鏈路利用率閾值的概率大大提高，這使得IES通信網(wǎng)絡(luò)條件得到巨大改善。

圖10 100 base_T鏈路條件下滿足鏈路利用率閾值概率Fig. 10 Probability of meeting the link utilization threshold under 100 base_T link condition

4 結(jié)語

本文基于物聯(lián)網(wǎng)下IES的特點，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的綜合能源數(shù)據(jù)采集、傳輸、控制體系架構(gòu)。對IES物理層次結(jié)構(gòu)分析，建立了基于物聯(lián)網(wǎng)的IES 3層星型通信網(wǎng)絡(luò)模型。

基于新建模型，結(jié)合IES空間分布和多時間尺度延遲特性，對IES網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行VLAN劃分。仿真結(jié)果驗證了IES通信系統(tǒng)信息的低延時、快速傳輸。

基于實際系統(tǒng)對延時的要求，設(shè)置系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)答時間閾值和鏈路利用率閾值，在控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的情況下，獲得了通信網(wǎng)絡(luò)實時運行狀態(tài)，并分析了滿足快速性、低延時性要求下的IES通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模設(shè)置。后續(xù)將對IES快速通信網(wǎng)絡(luò)最佳運行點及臨界運行點做進(jìn)一步研究。