基于自組織網絡的智能電網配電方案設計

馮偉夏 孟安波 何雙伯

摘 ?要： 為了在不需要電網集中控制的前提下，實現自主式點對點電力傳輸，提出一種基于自組織網絡的智能電網配電技術。利用網絡信號強度的光學非線性，設計一個光電混合雙穩態電路，同時，在每個網絡節點處使用一個簡單的局部自適應傳輸權重，以支持網絡的自組織功能。實驗結果表明，所提出的智能電網模型可以在電力分配系統中進行用電均衡調整。另外，自組織網絡節點與太陽能光伏設備和電能存儲設備等個體供電設施相關聯，實現了電力潮流的自主式控制。

關鍵詞： 自組織網絡; 光學非線性; 智能電網; 雙穩態電路; 電力傳輸; 電力分配

中圖分類號： TN915.853?34; TM76 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： 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[1]是使用通信和控制技術的電力網絡。由于電力企業很難實現對分布式電力資源[2]（例如，太陽能發電設備和風力發電設備）的全面管理，因此，有必要使用智能電網技術實現自主的分布式電力網絡[3]。而自組織光網絡[4]就是其中一個重要解決方案，將自組織網絡應用于智能電網逐漸成為研究熱點，其社會意義和商業價值重大。

電網應用和光網絡的交叉領域得到了不少研究人員的關注。文獻[5]根據無線自組織網絡在智能用電居民小區應用的情況，對其進行網絡拓撲分析以及網絡方案的設計，并在此基礎上對路由協議進行分析、簡化和定義，方法側重于網絡層的設計與應用。為構建大容量電力通信光傳輸網，文獻[6]將路由與波長分配算法作為提高網絡靈活性以及優化資源配置的重要手段，結合電力通信業務的特性及需求，實現不同類型業務的差異化服務。文獻[7]提出的智能電網模型通過光學自組織節點的光學特性控制DC電流，利用自組織網絡實現電力傳輸。

本文提出一種能夠自主判定電力供應的智能電網模型，即能夠自主判定所使用的電力來源，并自主執行家庭的電力供應。此外，其還能夠交換每個家庭之間多余或不足的電力。研究使用自組織節點作為通信控制單元，并使用功率門限單元[8]（Power Threshold Unit，PTU）作為配電設備。這些節點利用光學的非線性特性實現了一個自適應算法。通過連接大量的自組織節點，構建出一個帶自組織功能的網絡，這些自組織功能包括自路由、自優化、自恢復和自保護功能。

本文提出的方法使用了PTU，通過一個微型計算機確定電力的使用。通過將節點與PTU相連接，能夠執行電力的有效分配，同時區分出過剩的電力信號。當電力不足時，其能夠利用電力過剩的家庭中的電力彌補缺口，并實現高效的電力傳輸。通過將本文展示的節點或PTU替換為實際的家庭供電設備和電力傳輸路徑，能夠自主地實現電力的最優控制。

1 ?本文自組織網絡

1.1 ?自組織網絡概述

自組織指的是自主地生成結構[9?10]。本文中“自組織”指的是“根據不同情況和環境實現自主適應”。自組織網絡指的是帶自組織功能的網絡，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，該路徑能夠自適應地對系統變化作出反應。

2） 自優化：即能夠自主地提升網絡性能的功能。對網絡進行調節以最大限度使用互聯網技術資源，并分散負載。

3） 自恢復：即在網絡發生故障時能夠自動恢復的功能。

4） 自保護：即檢測并防止外部入侵的功能。

在實現智能電網對不斷波動的自然能源發電量的優化控制時，有必要使用帶自組織特征的網絡。本文在構建網絡[11]時對節點應用了自適應算法，并將這些節點連接在一起。通過對局部信號通路的自適應，得到信號在整個網絡上傳輸路徑的組織。自適應算法在網絡的每個節點上對傳輸權重進行調整，該權重僅取決于通過該節點的信號強度（信號量）。以自適應算法為基礎，在傳輸信號之間通過傳輸權重形成相互作用，以使得采用自適應算法的網絡具備對自主信號路徑（決定信號如何傳輸）進行控制的特征。利用信號上的光學特征，該光信號可以相對容易地控制光信號的傳輸方向。因此，個體節點的自適應算法能夠自主地執行處理，并在宏觀上構建出一個自組織網絡。

本文自組織網絡框架如圖1所示。對于某個家庭用戶來說，本文設計了一個PTU設備，每個家庭均有一個PTU以進行電力分配，且每個PTU對應一個節點裝置。該節點裝置的核心是光?電混合型的雙穩態光學器件，多個節點組成一個區域網絡，通過光電轉換與反饋及時感知電力網絡的配電情況，以做出相應操作。

1.2 ?節點與光電混合雙穩態電路

本文在節點上應用自適應算法，當節點端口接收到更強的信號時，該節點的端口會輸出強度更高的信號。在此類節點所組成的網絡中，當兩個信號源所輸出的信號對彼此的強度進行增強時，會在這兩個信號源之間形成一個路徑。此類節點的基本模型如圖2所示。在構建網絡時，本文使用了包含三個輸入?輸出端口的自適應節點，將節點的端口分別定義為port#0，port#1以及port#2。在每個端口中，[r0]，[r1]和[r2]表示接收信號強度;[s0]，[s1]和[s2]則表示輸出信號強度。其中符號的下標為端口號。

圖1 ?自組織網絡框架

圖2 ?節點示意圖

在提出的模型中，通過自適應算法對每個端口的輸入信號進行加權，并將加權后的信號從每個端口輸出。下面將對節點的自適應算法進行詳細介紹。

在節點中，通過負載值[w]對端口的輸入信號進行加權。并從每個端口輸出。負載值由輸入信號強度產生，決定一個輸出信號的強度數值。一個節點的端口權重[w1]和[w2]分別定義如下：

式（3）和式（4）表達了自組織網絡的一個基本元素。然而，在這些公式中，當已經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，會造成已形成傳播路徑的信號強度的降低。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功能，具體表示如下：

式中：[α]為啟動自保護功能的閾值;[β]為足以比其他數值大的數值。當[r1<α]時，通過式（1）執行負載數值計算。當[r1>α]時，則由式（5）可知，[w1=1]，由此[w2=0]。因此，當輸入包含某個特定強度水平的信號時，節點會運行自保護功能。節點的光電混合雙穩態電路結構圖如圖2所示。假設[s0]最大值為9 V，將式（5）中的[r2]固定在不同的數值上，通過在同一時間內改變[r1]值，達到對權值的度量。

實現節點自適應的關鍵是端口加權的光電非線性特性。本文使用模擬光控制的器件，即光電混合型的雙穩態光學器件，通過正反饋機制以獲得非線性。其中，LED輸入電流時產生光。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節器調節（見圖3中的反饋控制）。由此，雙穩態光學器件的輸入?輸出特性就表現出不同的非線性行為。

圖3 ?反饋控制框圖

2 ?功率門限單元

電力傳輸系統至關重要[12]，因此，本文設計了一個PTU設備進行電力分配。PTU的結構圖如圖4所示。PTU上配備了配電設備和電力存儲設備。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到電量不足的家庭中。由此，可以實現不同家庭之間的自主式電力傳輸。

下面描述PTU的運行，本文使用的供電設備是最大輸出為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到家庭用電端，由PTU決定電力過剩或電力不足的情況。在電力過剩的情況下，系統在接收到另一個節點功率不足信號的PTU的方向上進行輸電操作。在判定用電端的電力供應情況時，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，從而實現CO2排放最小化的設計理念。

3 ?光電信號和電力傳輸實驗

3.1 ?自組織網絡的信號傳輸實驗

本文使用帶自適應算法的自組織網絡，該網絡滿足自優化功能的要求，下面給出自組織網絡功能與實驗結果。

3.1.1 ?自路由功能

設形成路徑末端節點的port#0的輸入電壓為9 V。PTU負載上的電壓指示功率狀態，其中該電壓超過1 V時表示功率過剩。當該電壓未超出時，則表示功率為不足狀態。設位于（a）的PTU處于功率過剩狀態，處于（l）的PTU為功率不足狀態，并在（a）和（l）的port#0的輸入上應用9 V電壓。在節點（a）?（d）?（f）?（g）?（i）?（l）之間進行信號傳輸和接收，由此形成路由。通過PTU之間的功率傳輸，解決節點（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，加底紋節點表示功率過剩狀態。

3.1.2 ?自保護功能

下面將解釋自保護功能。為執行自保護的驗證，網絡保持已經建立起的路由（a）?（d）?（f）?（g）?（i）?（l）。設節點（k）處的PTU為功率不足狀態，并在（k）的port#0的輸入上應用9 V電壓。其后，由于自保護功能，在（a）和（k）之間并未形成路徑，網絡保持了之前的路由（a）?（d）?（f）?（g）?（i）?（l）。由此，自保護功能得到了證明。自保護功能的結果如圖6所示。

圖5 ?自路由功能的實驗結果

圖6 ?自保護功能的實驗結果

3.1.3 ?自恢復功能

為進行自恢復功能的驗證，保持之前的路由（a）?（d）?（f）?（g）?（i）?（l）不變。同時，本文封鎖了節點（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功能，所提方法依然建立起了另一個路由。自恢復功能的結果如圖7所示。

3.2 ?功率傳輸實驗

下面將對功率傳輸進行實驗，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，并被設為可傳輸功率狀態。另一個PTU處于功率不足狀態，其被設為需要來自其他PTU功率供應的狀態。作為功率不足信號，輸入到功率過剩的PTU信號強度為8 V。在改變每個設備供電時，測量出每個設備的傳輸電壓。實驗結果如表1所示。由表1可以看出測量功率的交換情況以及PTU處于功率過剩狀態和可傳輸功率狀態。由此，證明了PTU之間的功率傳輸。

圖7 ?自恢復功能的實驗結果

表1 ?PTU總電壓的分類度量

4 ?結 ?語

本文構建了一個自組織網絡，該網絡通過光信號自主地執行信號傳輸。提出的網絡實現了自路由、自恢復和自保護功能，且該網絡能夠靈活地應對各種突發情況，例如意外斷電和安全性問題等。通過PTU，該網絡還能夠根據功率傳輸來實現電力使用的最優控制。另外，通過將節點和PTU彼此連接在一起，本文構建了一個智能電網模型，并實現了自組織網絡。由此，在節點之間實現從功率過剩端向功率不足端的自主式電力輸送，實驗結果驗證了所提智能電網的優點。

未來，可能將光纖鏈路應用在智能電網系統中，由于所提方法的節點為電?光混合型，因此，便于應用在光纖鏈路以進行輸電線路控制。

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