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文章目錄

• 摘要
• 1. 介紹
• 2. 智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與設(shè)計準(zhǔn)則
• 3.混合通信仿真模型
• 4. 驗(yàn)證和驗(yàn)證結(jié)果

摘要

摘要:有線通信和無線通信在融合通信技術(shù)中發(fā)揮著重要作用，是實(shí)現(xiàn)未來智能電網(wǎng)通信的必要技術(shù)。混合網(wǎng)絡(luò)利用獨(dú)立的媒體來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋和提高性能。然而，雖然個別技術(shù)已被應(yīng)用于仿真網(wǎng)絡(luò)，但據(jù)我們所知，目前對開發(fā)一套用于通信系統(tǒng)設(shè)計的混合通信仿真模型的關(guān)注有限。需要建立混合仿真模型，以便在一次仿真中獲取混合通信技術(shù)和IP地址機(jī)制。為了縮小這一差距，我們開發(fā)了一套混合通信系統(tǒng)仿真模型，以驗(yàn)證分布式太陽能光伏(PV)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，包括300 ms的單趟延遲、9.6 Kbps的吞吐量和1%的丟包率。結(jié)果表明，三種基于低功耗無線個人區(qū)域網(wǎng)(LoWPAN)的混合架構(gòu)可以滿足三種對分布式能源通信至關(guān)重要的性能指標(biāo)。

1. 介紹

分布式可再生能源(RESs)和儲能系統(tǒng)(ESSs)的日益普及，包括蓄電池和電動汽車，帶來了新的挑戰(zhàn)。這也要求配電網(wǎng)的發(fā)展，使其充分利用和有效的自動化[1]。隨著分布式電網(wǎng)在總發(fā)電量中所占的比例越來越大，而分布式電網(wǎng)同時提供高功率密度和高能量密度以適應(yīng)分布式電網(wǎng)的不確定性，它們必須承擔(dān)更多的責(zé)任，以確保配電網(wǎng)持續(xù)可靠和經(jīng)濟(jì)有效地運(yùn)行[2-4]。這些措施包括提供電壓和無功支持，以幫助本地配電系統(tǒng)的運(yùn)行，為大型電力系統(tǒng)提供綜合輔助服務(wù)，以及將負(fù)荷從高峰轉(zhuǎn)移到非高峰，并使高峰電力需求變得平緩。因此，對這些領(lǐng)先的和新興的RESs和ESSs的監(jiān)測和進(jìn)一步控制正逐步滲透到現(xiàn)代分銷網(wǎng)絡(luò)中。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，通信基礎(chǔ)設(shè)施需要允許分布式發(fā)電和存儲單元以及各級智能電網(wǎng)之間的雙向信息交換。

智能電網(wǎng)應(yīng)用的潛在通信網(wǎng)絡(luò)主要由家庭局域網(wǎng)(HAN)、鄰域網(wǎng)絡(luò)(NAN)和一個多層的廣域網(wǎng)(WAN)組成。預(yù)計混合通信系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施將使用各種通信技術(shù)。智能電網(wǎng)中協(xié)調(diào)分布式組件，特別是可再生發(fā)電的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)成為許多研究的熱點(diǎn)。到目前為止所做的大部分工作都集中在高級服務(wù)和技術(shù)需求和設(shè)計原則上，很少關(guān)注實(shí)際的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)[5-8]。雖然這些研究提供了有用的見解，但現(xiàn)有的結(jié)果不能直接推廣和應(yīng)用于實(shí)際的智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計和部署，以協(xié)調(diào)高滲透分布式ERESs和存儲設(shè)備。

無線和專用有線媒體的混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由于其投資和效益的平衡權(quán)衡，滿足智能電網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵要求，被認(rèn)為是智能電網(wǎng)通信基礎(chǔ)設(shè)施的一種有前景的解決方案。在智能電網(wǎng)試點(diǎn)城市中，開發(fā)并評估了電力線通信(PLC)、WiFi等具體的混合通信架構(gòu)[9-11]。這些研究結(jié)果在沒有考慮設(shè)計框架和工具箱開發(fā)的情況下，對特定智能電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特定混合通信實(shí)現(xiàn)提供了有限的視角。雖然在[12,13]中提出了混合通信體系結(jié)構(gòu)，但作者通過使用單一技術(shù)模擬網(wǎng)絡(luò)來評估性能。此外，利用[14]中基于隱私感知通信協(xié)議的網(wǎng)關(guān)解決了基于IEEE 802.11的廣域網(wǎng)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和廣域網(wǎng)LTE (Long-Term Evolution)網(wǎng)絡(luò)的互通IP地址問題。該機(jī)制在IEEE 802.11s和基于lte的混合仿真中與網(wǎng)絡(luò)模擬器3 (NS3)網(wǎng)絡(luò)模擬器實(shí)現(xiàn)。然而，開發(fā)一套混合通信體系結(jié)構(gòu)仿真模型來驗(yàn)證關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則的研究卻很少。

為此，利用離散事件網(wǎng)絡(luò)模擬器3 (NS3）開發(fā)了一套用于分布式智能電網(wǎng)應(yīng)用的混合通信系統(tǒng)仿真模型。之所以選擇NS3庫，是因?yàn)樗苁軞g迎，而且現(xiàn)有的模型可以用于許多網(wǎng)絡(luò)功能。設(shè)想的通信網(wǎng)絡(luò)包括家庭局域網(wǎng)(HAN)、鄰域網(wǎng)絡(luò)(NAN)和多層的廣域網(wǎng)(WAN).

如圖1所示。請注意，在本文的其余部分中，PV面板代表分布式光伏發(fā)電和存儲設(shè)備。在家庭局域網(wǎng)(HAN)中，光伏面板通過兩種可選通信技術(shù)連接到智能電表:**低功耗無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(LoWPAN)**和電力線通信(PLC)。寬帶PLC(BPLC)是一種在公共配電線路上實(shí)現(xiàn)相對高速數(shù)字傳輸?shù)腜LC方法。此外，它使用更高的頻率和更寬的頻率范圍，這導(dǎo)致更高的數(shù)據(jù)速率較短的應(yīng)用范圍。窄帶PLC (Narrowband PLC,NPLC)是指低帶寬通信，利用500kHz以下的頻段，提供數(shù)十kbps的數(shù)據(jù)速率。此外，它適用于智能家居/樓宇自動化。因此，BPLC和NPLC均可用于家庭局域網(wǎng)(HAN)。在一個鄰域網(wǎng)絡(luò)(NAN)內(nèi)部，從智能電表傳輸?shù)綌?shù)據(jù)集中器的數(shù)據(jù)，最終通過WAN邊緣路由器通過以太網(wǎng)線、WiFi或WiMAX到達(dá)廣域網(wǎng)(WAN)。

為了全面研究這五種技術(shù)的組合，我們考慮了六種可能的混合架構(gòu)，并開發(fā)了六種相應(yīng)的混合原型仿真模型。開發(fā)基于ns3的混合通信仿真模型的主要挑戰(zhàn)是將不同的通信技術(shù)和IP地址機(jī)制集成到一個仿真網(wǎng)絡(luò)中，因?yàn)樗情_源的，仍在開發(fā)過程中。為了解決這個問題，在應(yīng)用層專門設(shè)計了一個netroter轉(zhuǎn)發(fā)功能。據(jù)我們所知，這是首次創(chuàng)建混合通信仿真模型，以驗(yàn)證分布式智能電網(wǎng)應(yīng)用的混合架構(gòu)設(shè)計的有效性和可伸縮性。

請注意，我們之前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了關(guān)于分布式智能電網(wǎng)應(yīng)用程序的混合通信體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的缺失研究。本文研究的問題一是一套混合仿真模型的開發(fā)。問題二是分布式RESs和ess混合通信體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計框架，這將是我們今后的工作。本文的其余部分組織如下。第2節(jié)概述了智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。第三節(jié)討論了六個基于ns3的原型混合通信系統(tǒng)仿真模型的開發(fā)。第四部分對所開發(fā)的混合仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并在參考測試案例- a (RTC-A)電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步驗(yàn)證了每種混合架構(gòu)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。最后，第五部分總結(jié)了本文的結(jié)論，并對未來的工作進(jìn)行了討論。

2. 智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與設(shè)計準(zhǔn)則

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，公用事業(yè)通信系統(tǒng)以核心-邊緣網(wǎng)絡(luò)[15]的形式設(shè)計和部署。通過這樣做，通?；诠饫w的廣域網(wǎng)形成了系統(tǒng)的主干;而終端設(shè)備和廣域網(wǎng)之間的連接是通過NAN建立的。在這個網(wǎng)絡(luò)的邊緣，包括家用電器、電池、可再生發(fā)電機(jī)和智能電表在內(nèi)的終端設(shè)備組成了HAN，作為智能電網(wǎng)的預(yù)想通信系統(tǒng)，如圖1所示。HAN中單個終端設(shè)備直接連接到控制中心局域網(wǎng)的情況并不常見。因此，從終端設(shè)備到電網(wǎng)不同部分的控制中心的所有連接最終必須通過現(xiàn)有的、開發(fā)良好的專用或公用廣域網(wǎng)。因此，我們的研究重點(diǎn)集中在光伏板和第一個廣域網(wǎng)邊緣路由器之間的通信網(wǎng)絡(luò)。該通信網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)包括:

一，HAN將光伏面板連接到位于客戶住宅的智能電表，作為公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)。HAN的地理面積可達(dá)幾十米。在智能電網(wǎng)中，生產(chǎn)消費(fèi)者需要先進(jìn)的應(yīng)用，如低價用電和高價售電，這需要有效和可靠的HAN。

二，由多個智能電表采集數(shù)據(jù)，通過廣域網(wǎng)邊緣路由器傳輸?shù)綇V域網(wǎng)的一種網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。NAN的地理規(guī)模取決于多種因素，主要包括配電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和分布式智能電網(wǎng)應(yīng)用。它的范圍從幾百米到幾公里。

為了實(shí)現(xiàn)光伏板與WAN邊緣路由器之間的數(shù)據(jù)傳輸，所設(shè)想的通信網(wǎng)絡(luò)包括三個主要的數(shù)據(jù)流:
(1)光伏逆變器-智能電表
(2)智能電表-數(shù)據(jù)集中器;
(3)數(shù)據(jù)集中-邊緣路由器。
電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信有多種通信協(xié)議和技術(shù)[6,16,17]。
已經(jīng)根據(jù)技術(shù)的成熟程度(例如它是否是開源的和非專有的，以及它是否提供足夠的數(shù)據(jù)速率)調(diào)查和選擇了每個數(shù)據(jù)鏈的適當(dāng)技術(shù)。光伏逆變器和HAN中的智能電表之間有兩種主要的可選通信技術(shù):Zigbee/LoWPAN和PLC。智能電表與數(shù)據(jù)集中器之間的通信可以通過以太網(wǎng)線、WiFi、WiMAX等方式進(jìn)行。因?yàn)镹S3中沒有官方的ZigBee模塊，所以選擇了LoWPAN而不是眾所周知的ZigBee(它們都是基于IEEE 802.15.4)。

弗吉尼亞理工大學(xué)高級研究院提出的分布式智能電網(wǎng)概念[18,19]，是指在一個由多個HANs和一個NAN覆蓋的配電網(wǎng)中，從需求響應(yīng)的角度，可靠有效地協(xié)調(diào)分布式RESs和ess，以及可控負(fù)荷。

在此基礎(chǔ)上，分布式控制系統(tǒng)(distributed System Operator, DSO)在分布式控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用可分為以下三組:
(1)僅在分布式控制網(wǎng)絡(luò)層面上的分布式分布系統(tǒng)狀態(tài)估計和控制策略，如協(xié)調(diào)電壓控制[20]、分布式RESs的分布式最優(yōu)調(diào)度[21];
(2)通過一個NAN和多個HANs對客戶擁有的RESs和ess進(jìn)行分布式監(jiān)控;
(3)在HAN內(nèi)部，與傳統(tǒng)的需求驅(qū)動-供應(yīng)方式不同，供給驅(qū)動-需求機(jī)制必須以一種分布式的方式實(shí)現(xiàn)，通過當(dāng)?shù)仉娏蚕?、基于?yōu)先級的負(fù)荷削減和需求響應(yīng)[19]等方式，實(shí)現(xiàn)靈活負(fù)荷和可用發(fā)電量的互動匹配，并以“正確”的價格進(jìn)行匹配。

考慮到HAN和NAN[6]的完全不同的數(shù)據(jù)速率(HAN為1-100 Kbps, NAN為100 -10Mbps)和覆蓋范圍要求(HAN為1-100米，NAN為100 -10公里)，這表明研究混合通信體系結(jié)構(gòu)對于適應(yīng)上述不同區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的不同分布式應(yīng)用是非常重要的。 此外，混合通信體系結(jié)構(gòu)的使用很有趣，因?yàn)榭梢灾踩肴哂嘟Y(jié)構(gòu)，即相同的信息通過兩個或多個不同的通信媒體發(fā)送，增加了可靠性[11]。此外，對混合通信網(wǎng)絡(luò)的全面研究將有助于識別脆弱路徑，可以通過基于中間件的方法[22]繞過脆弱路徑，建立終端用戶和DSOs之間的通信。

預(yù)期的通信架構(gòu)應(yīng)該提供對分布式光伏發(fā)電的可見性和控制，它們將基于三個標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。
(一)可行性:它可以在每個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和IP地址機(jī)制，而不會造成互操作性問題;
(二)可擴(kuò)展性:既強(qiáng)調(diào)容納分布式光伏發(fā)電的光伏數(shù)據(jù)流，又強(qiáng)調(diào)容納大規(guī)模輸配電系統(tǒng)的電力系統(tǒng)狀態(tài)測量數(shù)據(jù); (三)可靠性:
(1)時延的三個性能指標(biāo)——配電網(wǎng)分布式光伏控制與監(jiān)控的預(yù)期單向時延在300 ms-2 s之間;
(2)吞吐量——分布式PV需求為9.6 ~
56 Kbps;
(3)丟包率;其分布式RES應(yīng)用的基準(zhǔn)值設(shè)置為0.01 to 1% [23, 24]

3.混合通信仿真模型

4. 驗(yàn)證和驗(yàn)證結(jié)果

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的能源路由器 ：分布式智能电网应用的混合通信体系结构的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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