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文章目錄

• 摘要
• 1. 介紹
• 2. 智能電網通信網絡體系結構與設計準則
• 3.混合通信仿真模型
• 4. 驗證和驗證結果

摘要

摘要:有線通信和無線通信在融合通信技術中發揮著重要作用，是實現未來智能電網通信的必要技術。混合網絡利用獨立的媒體來擴展網絡覆蓋和提高性能。然而，雖然個別技術已被應用于仿真網絡，但據我們所知，目前對開發一套用于通信系統設計的混合通信仿真模型的關注有限。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和IP地址機制。為了縮小這一差距，我們開發了一套混合通信系統仿真模型，以驗證分布式太陽能光伏(PV)通信系統的關鍵系統設計標準，包括300 ms的單趟延遲、9.6 Kbps的吞吐量和1%的丟包率。結果表明，三種基于低功耗無線個人區域網(LoWPAN)的混合架構可以滿足三種對分布式能源通信至關重要的性能指標。

1. 介紹

分布式可再生能源(RESs)和儲能系統(ESSs)的日益普及，包括蓄電池和電動汽車，帶來了新的挑戰。這也要求配電網的發展，使其充分利用和有效的自動化[1]。隨著分布式電網在總發電量中所占的比例越來越大，而分布式電網同時提供高功率密度和高能量密度以適應分布式電網的不確定性，它們必須承擔更多的責任，以確保配電網持續可靠和經濟有效地運行[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的運行，為大型電力系統提供綜合輔助服務，以及將負荷從高峰轉移到非高峰，并使高峰電力需求變得平緩。因此，對這些領先的和新興的RESs和ESSs的監測和進一步控制正逐步滲透到現代分銷網絡中。為了實現這些目標，通信基礎設施需要允許分布式發電和存儲單元以及各級智能電網之間的雙向信息交換。

智能電網應用的潛在通信網絡主要由家庭局域網(HAN)、鄰域網絡(NAN)和一個多層的廣域網(WAN)組成。預計混合通信系統基礎設施將使用各種通信技術。智能電網中協調分布式組件，特別是可再生發電的通信網絡架構已經成為許多研究的熱點。到目前為止所做的大部分工作都集中在高級服務和技術需求和設計原則上，很少關注實際的設計和實現挑戰[5-8]。雖然這些研究提供了有用的見解，但現有的結果不能直接推廣和應用于實際的智能電網通信系統設計和部署，以協調高滲透分布式ERESs和存儲設備。

無線和專用有線媒體的混合網絡架構由于其投資和效益的平衡權衡，滿足智能電網應用的關鍵要求，被認為是智能電網通信基礎設施的一種有前景的解決方案。在智能電網試點城市中，開發并評估了電力線通信(PLC)、WiFi等具體的混合通信架構[9-11]。這些研究結果在沒有考慮設計框架和工具箱開發的情況下，對特定智能電網拓撲結構的特定混合通信實現提供了有限的視角。雖然在[12,13]中提出了混合通信體系結構，但作者通過使用單一技術模擬網絡來評估性能。此外，利用[14]中基于隱私感知通信協議的網關解決了基于IEEE 802.11的廣域網網狀網絡和廣域網LTE (Long-Term Evolution)網絡的互通IP地址問題。該機制在IEEE 802.11s和基于lte的混合仿真中與網絡模擬器3 (NS3)網絡模擬器實現。然而，開發一套混合通信體系結構仿真模型來驗證關鍵系統設計準則的研究卻很少。

為此，利用離散事件網絡模擬器3 (NS3）開發了一套用于分布式智能電網應用的混合通信系統仿真模型。之所以選擇NS3庫，是因為它很受歡迎，而且現有的模型可以用于許多網絡功能。設想的通信網絡包括家庭局域網(HAN)、鄰域網絡(NAN)和多層的廣域網(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電和存儲設備。在家庭局域網(HAN)中，光伏面板通過兩種可選通信技術連接到智能電表:**低功耗無線個人區域網絡(LoWPAN)**和電力線通信(PLC)。寬帶PLC(BPLC)是一種在公共配電線路上實現相對高速數字傳輸的PLC方法。此外，它使用更高的頻率和更寬的頻率范圍，這導致更高的數據速率較短的應用范圍。窄帶PLC (Narrowband PLC,NPLC)是指低帶寬通信，利用500kHz以下的頻段，提供數十kbps的數據速率。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(HAN)。在一個鄰域網絡(NAN)內部，從智能電表傳輸到數據集中器的數據，最終通過WAN邊緣路由器通過以太網線、WiFi或WiMAX到達廣域網(WAN)。

為了全面研究這五種技術的組合，我們考慮了六種可能的混合架構，并開發了六種相應的混合原型仿真模型。開發基于ns3的混合通信仿真模型的主要挑戰是將不同的通信技術和IP地址機制集成到一個仿真網絡中，因為它是開源的，仍在開發過程中。為了解決這個問題，在應用層專門設計了一個netroter轉發功能。據我們所知，這是首次創建混合通信仿真模型，以驗證分布式智能電網應用的混合架構設計的有效性和可伸縮性。

請注意，我們之前已經發現了關于分布式智能電網應用程序的混合通信體系結構設計的缺失研究。本文研究的問題一是一套混合仿真模型的開發。問題二是分布式RESs和ess混合通信體系結構的設計框架，這將是我們今后的工作。本文的其余部分組織如下。第2節概述了智能電網通信網絡。第三節討論了六個基于ns3的原型混合通信系統仿真模型的開發。第四部分對所開發的混合仿真模型進行了驗證，并在參考測試案例- a (RTC-A)電力系統的基礎上進一步驗證了每種混合架構的設計標準。最后，第五部分總結了本文的結論，并對未來的工作進行了討論。

2. 智能電網通信網絡體系結構與設計準則

在現代電力系統中，公用事業通信系統以核心-邊緣網絡[15]的形式設計和部署。通過這樣做，通常基于光纖的廣域網形成了系統的主干;而終端設備和廣域網之間的連接是通過NAN建立的。在這個網絡的邊緣，包括家用電器、電池、可再生發電機和智能電表在內的終端設備組成了HAN，作為智能電網的預想通信系統，如圖1所示。HAN中單個終端設備直接連接到控制中心局域網的情況并不常見。因此，從終端設備到電網不同部分的控制中心的所有連接最終必須通過現有的、開發良好的專用或公用廣域網。因此，我們的研究重點集中在光伏板和第一個廣域網邊緣路由器之間的通信網絡。該通信網絡的層次結構包括:

一，HAN將光伏面板連接到位于客戶住宅的智能電表，作為公用事業網絡的網關。HAN的地理面積可達幾十米。在智能電網中，生產消費者需要先進的應用，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據，通過廣域網邊緣路由器傳輸到廣域網的一種網絡控制系統。NAN的地理規模取決于多種因素，主要包括配電系統拓撲結構和分布式智能電網應用。它的范圍從幾百米到幾公里。

為了實現光伏板與WAN邊緣路由器之間的數據傳輸，所設想的通信網絡包括三個主要的數據流:
(1)光伏逆變器-智能電表
(2)智能電表-數據集中器;
(3)數據集中-邊緣路由器。
電力系統的數據通信有多種通信協議和技術[6,16,17]。
已經根據技術的成熟程度(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據速率)調查和選擇了每個數據鏈的適當技術。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:Zigbee/LoWPAN和PLC。智能電表與數據集中器之間的通信可以通過以太網線、WiFi、WiMAX等方式進行。因為NS3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)。

弗吉尼亞理工大學高級研究院提出的分布式智能電網概念[18,19]，是指在一個由多個HANs和一個NAN覆蓋的配電網中，從需求響應的角度，可靠有效地協調分布式RESs和ess，以及可控負荷。

在此基礎上，分布式控制系統(distributed System Operator, DSO)在分布式控制網絡中的應用可分為以下三組:
(1)僅在分布式控制網絡層面上的分布式分布系統狀態估計和控制策略，如協調電壓控制[20]、分布式RESs的分布式最優調度[21];
(2)通過一個NAN和多個HANs對客戶擁有的RESs和ess進行分布式監控;
(3)在HAN內部，與傳統的需求驅動-供應方式不同，供給驅動-需求機制必須以一種分布式的方式實現，通過當地電力共享、基于優先級的負荷削減和需求響應[19]等方式，實現靈活負荷和可用發電量的互動匹配，并以“正確”的價格進行匹配。

考慮到HAN和NAN[6]的完全不同的數據速率(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構對于適應上述不同區域網絡的不同分布式應用是非常重要的。 此外，混合通信體系結構的使用很有趣，因為可以植入冗余結構，即相同的信息通過兩個或多個不同的通信媒體發送，增加了可靠性[11]。此外，對混合通信網絡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。

預期的通信架構應該提供對分布式光伏發電的可見性和控制，它們將基于三個標準設計。
(一)可行性:它可以在每個網絡內使用不同的協議標準和IP地址機制，而不會造成互操作性問題;
(二)可擴展性:既強調容納分布式光伏發電的光伏數據流，又強調容納大規模輸配電系統的電力系統狀態測量數據; (三)可靠性:
(1)時延的三個性能指標——配電網分布式光伏控制與監控的預期單向時延在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應用的基準值設置為0.01 to 1% [23, 24]

3.混合通信仿真模型

4. 驗證和驗證結果

總結

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容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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