网络理论在光伏充电站智能通信网络优化中的应用

马璐瑶，尹晨旭

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，河北 保定071003；2.武汉大学电气工程学院，湖北 武汉430072）

0 前 言

近年来，寻找可再生清洁能源成为人们研究的焦点，电动汽车的应用也是其中一个重要方面。本文设计了光伏储能、电动汽车充电站的监控系统，对其框架进行优化。

网络图论在电力系统中应用比较广泛，如对于系统网络的图论优化，电力电子器件的优化等。本文通过网络理论实现监控系统信息量的计算，对于监控框架的优化设计，有重要帮助。

如何使监控系统保持信息最大化、经济化、智能化流通是本文的工作重点。本文讨论未来光伏储能、电动汽车充电站［1］的监控系统，通过计算、分析监控系统的信息量及稳定性，进行比较，进而准确、快速地得出最优框架。

1 光伏储能、电动汽车充电站的监控系统介绍

1.1 光伏储能、充电站整体框架

如图1所示，光伏储能、电动汽车充电站是光伏与电网协调配合对电动汽车进行充电。本充电站在使用清洁能源对电动汽车充电的基础之上可以与电网协调配合实现“削峰填谷”的作用，符合智能电网的要求。

图1 光伏储能、充电站整体结构［2］

1.2 通信监控框架

根据光伏储能、充电站的设计要求，本通信监控系统设计如图2。

该通信监控系统分为两层结构：

第一层：数据服务器、WEB服务器、监控主机。

第二层：配电网监控系统、光伏监控系统、充电机监控系统、烟雾监控系统、视频监控系统。

1.3 通信监控系统的功能

监控所有充电机的运行数据、故障报警信号；监控所有充电电池组的单体电池电压、温度；提供充电机远程控制功能，设置运行参数、编号等；提供所有充电机紧急停机功能‘获得充电容量等数据’开关机、修改电池管理系统‘保证充电站正常运行。

图2 监控系统框架［3］

2 网络理论在通信监控系统中的应用

首先，本通信监控系统是由连接在一起的许多两端元件组成的。抛开元件本身的属性，一个系统可以用一个图来表示、描述。具体地，连接处就是节点，连接线段就是支路树枝或者连支。

若各个回路中传输的信息量已确定，则该系统的参数也就定了。现在的问题是如何选择回路，从而使该电路的参数由这些回路中的信息量所确定—这就要用到网络理论［4］中“树”和“余树”的概念。在系统对应的图中选定一棵树，然后相应地定出所谓“基本回路”［5］。基本回路就是指回路中含且仅含一个连支，其余均为树枝。构成监控系统的几种有向图分别为环状、辐射状、树状及复合状。

其各个形状的有向图如图3～图7所示。有向图中的有向线段标注如下：1代表监控主机；2代表WEB服务器；3代表数据服务器；4代表配电网子系统；5代表光伏监控子系统；6代表充电机监控子系统；7代表烟雾监控子系统；8代表视频监控子系统；后文中提到的有向图有向线段标注同本图。

图3 环状有向图

图4 辐射状有向图

图5 链状有向图

图6 树状有向图

图7 复合状有向图

3 光伏充电站智能通信网络优化方法

相关定理判据如下。

连通度：当连通图不是完全图时，定义G（点）的连通度K（G）为点数最少的顶点割集中点的数目。如图8连通度为1。

则称G是k－连通。

图8 有向图

弧容量：考虑一个有向网络，它由简单连通有向图D＝（V，A）以及在D的弧集A上定义的非负权函数c构成。在从顶点i到顶点j的弧（i，j）上，c的值记为cij，称为弧（i、j）的容量。如图8中的cij。

割容量：割中所有弧的容量称为割容量。

源集、汇集和中间点：选定V的两个不相交的非空点集合X和Y，分别称为网络的源集和汇集。X为源，如图8中的点a、b、c；Y 为汇，如图8中的点i、j、k。除去X和Y余下的点记为I，I中的点成为网络的中间点，如图8中的点d、e、f、g、h，这样一个网络称为运输网络。

弧的流：现在考虑一个网络称为运输网络N，它的弧集为A。对于每条弧（i，j）指定一个非负数fij称为弧（i，j）的流（表示从i到j 的“流量“），如图8中fij。若fij＝Cij则称弧（i，j）是饱和的。

容量限制：每条弧的流不超过这条弧的容量，即

守恒条件：从任何一个中间点出发的所有弧的流值和等于进入该点的所有流之和，即

源s的净流出量为

式中，w（f）称为流f的值。

最大割最小流定理：在运输网络中最大流的值等于最小割的值。

经济性：整个系统成本的高低由计算搭建系统线路的多少决定。

稳定性：指整个系统运行是否稳定。

4 算例分析

假设各个子系统的传输数据量相等且为m，下面对其连通度、信息量、经济性和稳定性进行分析，其分析数据如表1。

表1 连通度、信息量、经济性和稳定性分析

（1）环状图

把图1中的监控系统做出如图3的有向图，每一段有向线段代表对应的监控子系统，环状系统相当于把各个子系统首尾相接进行信息通信。由图可见信息的传递为单向数据进行控制、反馈。

连通度：本有向图为环状，根据公式（1）本有向图的最小割点数为1，即连通度为1。

割容量：本有向图根据最小割定义计算割容量为2m。

经济性：本有向图使用的通信线路为8条，经济性较好。

稳定性：由于单向传输如子系统发生故障整个系统瘫痪，稳定性较差。

（2）辐射状图

把图1的监控系统做出如图4的有向图，信息通过上面的三个主系统发送控制到下面五个子系统，下面五个子系统接受控制并提供反馈。

连通度：本有向图为辐射状，根据公式（1）本有向图为平凡图，即连通度为0。

割容量：本有向图根据最小割定义计算割容量为8m。

经济性：本有向图使用的通信线路为8条，经济性较好。

稳定性：由于单向传输如主系统发生故障使整个系统瘫痪，稳定性较差。

（3）链状图

链状图把图1的监控系统做出图5的有向图，信息通过主系统逐级传递最终传递到子系统。

连通度：根据公式（1）连通度为0。

割容量：本有向图根据最小割定义计算割容量为m。

经济性：本有向图使用的通信线路为8条，经济性较好。

稳定性：由于单向传输如主系统发生故障使整个系统瘫痪，稳定性较差。

（4）树状图

树状图的情况同辐射状相似。

（5）复合状图

把图1转换成图7的有向图，本图在辐射状的有向图进行改进使主控制系统中有信息联系。

连通度：本有向图为复合状，根据公式（1）本有向图主系统为一完全图，因此主系统的最小割点数为2，连通度为2。

割容量：本有向图根据最小割定义计算割容量为8m。

经济性：本有向图使用的通信线路为10条，经济性一般。

稳定性：由于本系统采用复合式连接，当系统线路发生通信故障时主系统可通过相互联系保持系统运行，稳定性较好。

因此复合式连接系统为最优。

5 结 论

本文通过对监控系统的连通度、割容量、经济性及稳定性的计算和分析得出最终结论。采用网络理论设计的通信系统可以更好地保证设计的稳定性、科学性和经济性。网络理论设计方法清晰、规范，大大提高了通信系统设计的效率和准确性。

［1］ 郭 栋.浅谈电动汽车充电站［J］.科技情报开发与经济，2010，20（12）：211－212.

［2］ Diego M，Robalino.Design of a Docking Station for Solar Charged Electric and Fuel Cell Vehicles［C］.International Conference on Clean Electrical Power，Italy，2009.

［3］ 腾乐天，将久春，何维国.电动汽车充电机（站）设计［M］.北京：中国电力出版社，2008.

［4］ 卜月华.图论及其应用［M］.南京：东南大学出版社，2002.

［5］ 张正寅.网络图伦［M］.北京：国防工业大学出版社，1993.

［6］ 兰家隆，刘 军.应用图论及算法［M］.成都：电子科技大学出版社，1995.