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(duì)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(hào)強(qiáng)度的光學(xué)非線性，設(shè)計(jì)一個(gè)光電混合雙穩(wěn)態(tài)電路，同時(shí)，在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處使用一個(gè)簡(jiǎn)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(yáng)能光伏設(shè)備和電能存儲(chǔ)設(shè)備等個(gè)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(lèi)號(hào)： TN915.853?34; TM76 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 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(duì)分布式電力資源[2]（例如，太陽(yáng)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(gè)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(huì)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(wú)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(duì)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(duì)路由協(xié)議進(jìn)行分析、簡(jiǎn)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(zhǎng)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(lèi)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(guò)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(lái)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(gè)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(mén)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(gè)自適應(yīng)算法。通過(guò)連接大量的自組織節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建出一個(gè)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(guò)一個(gè)微型計(jì)算機(jī)確定電力的使用。通過(guò)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(guò)剩的電力信號(hào)。當(dāng)電力不足時(shí)，其能夠利用電力過(guò)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(guò)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(gè)信號(hào)傳播路徑，該路徑能夠自適應(yīng)地對(duì)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(duì)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(dòng)恢復(fù)的功能。

4） 自保護(hù)：即檢測(cè)并防止外部入侵的功能。

在實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)對(duì)不斷波動(dòng)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(duì)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(guò)對(duì)局部信號(hào)通路的自適應(yīng)，得到信號(hào)在整個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)上對(duì)傳輸權(quán)重進(jìn)行調(diào)整，該權(quán)重僅取決于通過(guò)該節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度（信號(hào)量）。以自適應(yīng)算法為基礎(chǔ)，在傳輸信號(hào)之間通過(guò)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(duì)自主信號(hào)路徑（決定信號(hào)如何傳輸）進(jìn)行控制的特征。利用信號(hào)上的光學(xué)特征，該光信號(hào)可以相對(duì)容易地控制光信號(hào)的傳輸方向。因此，個(gè)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(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)。

本文自組織網(wǎng)絡(luò)框架如圖1所示。對(duì)于某個(gè)家庭用戶來(lái)說(shuō)，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)PTU設(shè)備，每個(gè)家庭均有一個(gè)PTU以進(jìn)行電力分配，且每個(gè)PTU對(duì)應(yīng)一個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)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(hào)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的端口會(huì)輸出強(qiáng)度更高的信號(hào)。在此類(lèi)節(jié)點(diǎn)所組成的網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)源所輸出的信號(hào)對(duì)彼此的強(qiáng)度進(jìn)行增強(qiáng)時(shí)，會(huì)在這兩個(gè)信號(hào)源之間形成一個(gè)路徑。此類(lèi)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(gè)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(gè)端口中，[r0]，[r1]和[r2]表示接收信號(hào)強(qiáng)度;[s0]，[s1]和[s2]則表示輸出信號(hào)強(qiáng)度。其中符號(hào)的下標(biāo)為端口號(hào)。

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(guò)自適應(yīng)算法對(duì)每個(gè)端口的輸入信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，并將加權(quán)后的信號(hào)從每個(gè)端口輸出。下面將對(duì)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(guò)負(fù)載值[w]對(duì)端口的輸入信號(hào)進(jìn)行加權(quán)。并從每個(gè)端口輸出。負(fù)載值由輸入信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生，決定一個(gè)輸出信號(hào)的強(qiáng)度數(shù)值。一個(gè)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(gè)基本元素。然而，在這些公式中，當(dāng)已經(jīng)建立起一個(gè)信號(hào)傳播路徑，且另一個(gè)信號(hào)被輸入到未使用的端口時(shí)，會(huì)造成已形成傳播路徑的信號(hào)強(qiáng)度的降低。為解決該問(wèn)題，本文加入一個(gè)功能，即在port#1或port#2中的信號(hào)超過(guò)某個(gè)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(dòng)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(guò)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(gè)特定強(qiáng)度水平的信號(hào)時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)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(guò)在同一時(shí)間內(nèi)改變[r1]值，達(dá)到對(duì)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(guò)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(guò)反饋調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)（見(jiàn)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(mén)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(gè)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(chǔ)設(shè)備。通過(guò)接收電力存儲(chǔ)信息，將電量過(guò)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(yáng)能板、額定6 V?4 A[?]h的蓄電池、多個(gè)PTU和電源。從供電方將電力傳輸?shù)郊彝ビ秒姸耍蒔TU決定電力過(guò)?；螂娏Σ蛔愕那闆r。在電力過(guò)剩的情況下，系統(tǒng)在接收到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)功率不足信號(hào)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(yáng)能板→蓄電池→其他PTU→電源。

圖4 ?功率門(mén)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(hào)和電力傳輸實(shí)驗(yàn)

3.1 ?自組織網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)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(guò)1 V時(shí)表示功率過(guò)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(guò)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(hào)傳輸和接收，由此形成路由。通過(guò)PTU之間的功率傳輸，解決節(jié)點(diǎn)（l）的功率不足問(wèn)題。通過(guò)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(guò)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(hào)。隨后，建立起了路由（a）?（c）?（e）?（g）?（i）?（l）。即使路徑之間的信號(hào)被封鎖了，本文證明通過(guò)自恢復(fù)功能，所提方法依然建立起了另一個(gè)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(duì)功率傳輸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將兩個(gè)PTU連接在一起，并測(cè)量功率交換情況。其中一個(gè)PTU處于功率過(guò)剩狀態(tài)，并被設(shè)為可傳輸功率狀態(tài)。另一個(gè)PTU處于功率不足狀態(tài)，其被設(shè)為需要來(lái)自其他PTU功率供應(yīng)的狀態(tài)。作為功率不足信號(hào)，輸入到功率過(guò)剩的PTU信號(hào)強(qiáng)度為8 V。在改變每個(gè)設(shè)備供電時(shí)，測(cè)量出每個(gè)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(cè)量功率的交換情況以及PTU處于功率過(guò)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(lèi)度量

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文構(gòu)建了一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)通過(guò)光信號(hào)自主地執(zhí)行信號(hào)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(duì)各種突發(fā)情況，例如意外斷電和安全性問(wèn)題等。通過(guò)PTU，該網(wǎng)絡(luò)還能夠根據(jù)功率傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)電力使用的最優(yōu)控制。另外，通過(guò)將節(jié)點(diǎn)和PTU彼此連接在一起，本文構(gòu)建了一個(gè)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(guò)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(lái)，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。

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