基于自组织网络的智能电网配电方案设计

冯伟夏 孟安波 何双伯

摘  要： 为了在不需要电网集中控制的前提下，实现自主式点对点电力传输，提出一种基于自组织网络的智能电网配电技术。利用网络信号强度的光学非线性，设计一个光电混合双稳态电路，同时，在每个网络节点处使用一个简单的局部自适应传输权重，以支持网络的自组织功能。实验结果表明，所提出的智能电网模型可以在电力分配系统中进行用电均衡调整。另外，自组织网络节点与太阳能光伏设备和电能存储设备等个体供电设施相关联，实现了电力潮流的自主式控制。

关键词： 自组织网络; 光学非线性; 智能电网; 双稳态电路; 电力传输; 电力分配

中图分类号： TN915.853?34; TM76                    文献标识码： A                 文章编号： 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

智能电网[1]是使用通信和控制技术的电力网络。由于电力企业很难实现对分布式电力资源[2]（例如，太阳能发电设备和风力发电设备）的全面管理，因此，有必要使用智能电网技术实现自主的分布式电力网络[3]。而自组织光网络[4]就是其中一个重要解决方案，将自组织网络应用于智能电网逐渐成为研究热点，其社会意义和商业价值重大。

电网应用和光网络的交叉领域得到了不少研究人员的关注。文献[5]根据无线自组织网络在智能用电居民小区应用的情况，对其进行网络拓扑分析以及网络方案的设计，并在此基础上对路由协议进行分析、简化和定义，方法侧重于网络层的设计与应用。为构建大容量电力通信光传输网，文献[6]将路由与波长分配算法作为提高网络灵活性以及优化资源配置的重要手段，结合电力通信业务的特性及需求，实现不同类型业务的差异化服务。文献[7]提出的智能电网模型通过光学自组织节点的光学特性控制DC电流，利用自组织网络实现电力传输。

本文提出一种能够自主判定电力供应的智能电网模型，即能够自主判定所使用的电力来源，并自主执行家庭的电力供应。此外，其还能够交换每个家庭之间多余或不足的电力。研究使用自组织节点作为通信控制单元，并使用功率门限单元[8]（Power Threshold Unit，PTU）作为配电设备。这些节点利用光学的非线性特性实现了一个自适应算法。通过连接大量的自组织节点，构建出一个带自组织功能的网络，这些自组织功能包括自路由、自优化、自恢复和自保护功能。

本文提出的方法使用了PTU，通过一个微型计算机确定电力的使用。通过将节点与PTU相连接，能够执行电力的有效分配，同时区分出过剩的电力信号。当电力不足时，其能够利用电力过剩的家庭中的电力弥补缺口，并实现高效的电力传输。通过将本文展示的节点或PTU替换为实际的家庭供电设备和电力传输路径，能够自主地实现电力的最优控制。

1  本文自组织网络

1.1  自组织网络概述

自组织指的是自主地生成结构[9?10]。本文中“自组织”指的是“根据不同情况和环境实现自主适应”。自组织网络指的是带自组织功能的网络，特别包含以下4种功能：

1） 自路由：能够形成一个信号传播路径，该路径能够自适应地对系统变化作出反应。

2） 自优化：即能够自主地提升网络性能的功能。对网络进行调节以最大限度使用互联网技术资源，并分散负载。

3） 自恢复：即在网络发生故障时能够自动恢复的功能。

4） 自保护：即检测并防止外部入侵的功能。

在实现智能电网对不断波动的自然能源发电量的优化控制时，有必要使用带自组织特征的网络。本文在构建网络[11]时对节点应用了自适应算法，并将这些节点连接在一起。通过对局部信号通路的自适应，得到信号在整个网络上传输路径的组织。自适应算法在网络的每个节点上对传输权重进行调整，该权重仅取决于通过该节点的信号强度（信号量）。以自适应算法为基础，在传输信号之间通过传输权重形成相互作用，以使得采用自适应算法的网络具备对自主信号路径（决定信号如何传输）进行控制的特征。利用信号上的光学特征，该光信号可以相对容易地控制光信号的传输方向。因此，个体节点的自适应算法能够自主地执行处理，并在宏观上构建出一个自组织网络。

本文自组织网络框架如图1所示。对于某个家庭用户来说，本文设计了一个PTU设备，每个家庭均有一个PTU以进行电力分配，且每个PTU对应一个节点装置。该节点装置的核心是光?电混合型的双稳态光学器件，多个节点组成一个区域网络，通过光电转换与反馈及时感知电力网络的配电情况，以做出相应操作。

1.2  节点与光电混合双稳态电路

本文在节点上应用自适应算法，当节点端口接收到更强的信号时，该节点的端口会输出强度更高的信号。在此类节点所组成的网络中，当两个信号源所输出的信号对彼此的强度进行增强时，会在这两个信号源之間形成一个路径。此类节点的基本模型如图2所示。在构建网络时，本文使用了包含三个输入?输出端口的自适应节点，将节点的端口分别定义为port#0，port#1以及port#2。在每个端口中，[r0]，[r1]和[r2]表示接收信号强度;[s0]，[s1]和[s2]则表示输出信号强度。其中符号的下标为端口号。

图1  自组织网络框架

图2  节点示意图

在提出的模型中，通过自适应算法对每个端口的输入信号进行加权，并将加权后的信号从每个端口输出。下面将对节点的自适应算法进行详细介绍。

在节点中，通过负载值[w]对端口的输入信号进行加权。并从每个端口输出。负载值由输入信号强度产生，决定一个输出信号的强度数值。一个节点的端口权重[w1]和[w2]分别定义如下：

式（3）和式（4）表达了自组织网络的一个基本元素。然而，在这些公式中，当已经建立起一个信号传播路径，且另一个信号被输入到未使用的端口时，会造成已形成传播路径的信号强度的降低。为解决该问题，本文加入一个功能，即在port#1或port#2中的信号超过某个特定的阈值后，切断未使用端口的输入。该功能被称为自保护功能，具体表示如下：

式中：[α]为启动自保护功能的阈值;[β]为足以比其他数值大的数值。当[r1<α]时，通过式（1）执行负载数值计算。当[r1>α]时，则由式（5）可知，[w1=1]，由此[w2=0]。因此，当输入包含某个特定强度水平的信号时，节点会运行自保护功能。节点的光电混合双稳态电路结构图如图2所示。假设[s0]最大值为9 V，将式（5）中的[r2]固定在不同的数值上，通过在同一时间内改变[r1]值，达到对权值的度量。

实现节点自适应的关键是端口加权的光电非线性特性。本文使用模拟光控制的器件，即光电混合型的双稳态光学器件，通过正反馈机制以获得非线性。其中，LED输入电流时产生光。PD接收一些光，并以电流的形式反馈给LED，而反馈电流则可通过反馈调节器调节（见图3中的反馈控制）。由此，双稳态光学器件的输入?输出特性就表现出不同的非线性行为。

图3  反馈控制框图

2  功率门限单元

电力传输系统至关重要[12]，因此，本文设计了一个PTU设备进行电力分配。PTU的结构图如图4所示。PTU上配备了配电设备和电力存储设备。通过接收电力存储信息，将电量过剩家庭中的多余电力传输到电量不足的家庭中。由此，可以实现不同家庭之间的自主式电力传输。

下面描述PTU的运行，本文使用的供电设备是最大输出为1.5 V?250 mA的太阳能板、额定6 V?4 A[?]h的蓄电池、多个PTU和电源。从供电方将电力传输到家庭用电端，由PTU决定电力过剩或电力不足的情况。在电力过剩的情况下，系统在接收到另一个节点功率不足信号的PTU的方向上进行输电操作。在判定用电端的电力供应情况时，按以下供电顺序：太阳能板→蓄电池→其他PTU→电源。

图4  功率门限单元的示意框图

这一供电顺序能够尽可能高效地利用自然能源，从而实现CO2排放最小化的设计理念。

3  光电信号和电力传输实验

3.1  自组织网络的信号传输实验

本文使用带自适应算法的自组织网络，该网络满足自优化功能的要求，下面给出自组织网络功能与实验结果。

3.1.1  自路由功能

设形成路径末端节点的port#0的输入电压为9 V。PTU负载上的电压指示功率状态，其中该电压超过1 V时表示功率过剩。当该电压未超出时，则表示功率为不足状态。设位于（a）的PTU处于功率过剩状态，处于（l）的PTU为功率不足状态，并在（a）和（l）的port#0的輸入上应用9 V电压。在节点（a）?（d）?（f）?（g）?（i）?（l）之间进行信号传输和接收，由此形成路由。通过PTU之间的功率传输，解决节点（l）的功率不足问题。通过建立路由（a）?（d）?（f）?（g）?（i）?（l），证明所提方法具备自路由功能。自路由功能的展示如图5所示。其中，加底纹节点表示功率过剩状态。

3.1.2  自保护功能

下面将解释自保护功能。为执行自保护的验证，网络保持已经建立起的路由（a）?（d）?（f）?（g）?（i）?（l）。设节点（k）处的PTU为功率不足状态，并在（k）的port#0的输入上应用9 V电压。其后，由于自保护功能，在（a）和（k）之间并未形成路径，网络保持了之前的路由（a）?（d）?（f）?（g）?（i）?（l）。由此，自保护功能得到了证明。自保护功能的结果如图6所示。

图5  自路由功能的实验结果

图6  自保护功能的实验结果

3.1.3  自恢复功能

为进行自恢复功能的验证，保持之前的路由（a）?（d）?（f）?（g）?（i）?（l）不变。同时，本文封锁了节点（f）?（g）之间的信号。随后，建立起了路由（a）?（c）?（e）?（g）?（i）?（l）。即使路径之间的信号被封锁了，本文证明通过自恢复功能，所提方法依然建立起了另一个路由。自恢复功能的结果如图7所示。

3.2  功率传输实验

下面将对功率传输进行实验，将两个PTU连接在一起，并测量功率交换情况。其中一个PTU处于功率过剩状态，并被设为可传输功率状态。另一个PTU处于功率不足状态，其被设为需要来自其他PTU功率供应的状态。作为功率不足信号，输入到功率过剩的PTU信号强度为8 V。在改变每个设备供电时，测量出每个设备的传输电压。实验结果如表1所示。由表1可以看出测量功率的交换情况以及PTU处于功率过剩状态和可传输功率状态。由此，证明了PTU之间的功率传输。

图7  自恢复功能的实验结果

表1  PTU总电压的分类度量

4  结  语

本文构建了一个自组织网络，该网络通过光信号自主地执行信号传输。提出的网络实现了自路由、自恢复和自保护功能，且该网络能够灵活地应对各种突发情况，例如意外断电和安全性问题等。通过PTU，该网络还能够根据功率传输来实现电力使用的最优控制。另外，通过将节点和PTU彼此连接在一起，本文构建了一个智能电网模型，并实现了自组织网络。由此，在节点之间实现从功率过剩端向功率不足端的自主式电力输送，实验结果验证了所提智能电网的优点。

未来，可能将光纤链路应用在智能电网系统中，由于所提方法的节点为电?光混合型，因此，便于应用在光纤链路以进行输电线路控制。

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