團隊介紹

孟廣雨，碩士研究生，研究方向為電力通信，曾參與國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等科技項目。

于潔瀟，天津大學副教授，碩士研究生導(dǎo)師，博士，IEEE member。第十一屆天津市高校青年教師教學基本功競賽（工科組）一等獎。致力于陣列信號處理、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及RFID定位技術(shù)的研究，主持并參與包含國家自然科學基金、天津市自然科學基金、天津市濱海新區(qū)高新技術(shù)企業(yè)培育基金、國家社會科學基金委員會重大項目、中興通訊股份有限公司產(chǎn)學研合作項目等。

楊挺，天津大學電氣與自動化工程學院教授/博導(dǎo)，國家“分布式能源與微電網(wǎng)”國際科技合作基地副主任，天津市“能源互聯(lián)網(wǎng)國際聯(lián)合研究中心”副主任。第一完成人獲得省部級科技進步獎2項以及企業(yè)科技進步獎等科技獎勵。在國內(nèi)外頂級學術(shù)期刊上發(fā)表SCI/EI檢索論文100余篇，出版專著4部，授權(quán)國際發(fā)明專利2項。

擔任多個IEEE國際會議分會主席。擔任多個國際SCI期刊和國內(nèi)核心期刊編委和特刊主編，曾獲年度“杰出特約主編獎”。現(xiàn)為中國電子學會電路與系統(tǒng)分會副主任，中國電機工程學會理論電工專委會委員，中國儀器儀表學會傳感器分委會委員。主要研究方向為智能電網(wǎng)信息物聯(lián)系統(tǒng)、電力物聯(lián)網(wǎng)及人工智能。

導(dǎo)語

本文提出了一種分布式能源調(diào)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延邊界計算方法，通過建立自相似業(yè)務(wù)流量模型，利用隨機網(wǎng)絡(luò)演算理論將隨機服務(wù)曲線具體化，推導(dǎo)出分布式能源調(diào)控系統(tǒng)中通信業(yè)務(wù)的端到端傳輸延時邊界，有效克服了傳統(tǒng)基于排隊論的網(wǎng)絡(luò)延時計算方法僅能獲取平均延時而造成網(wǎng)絡(luò)控制失效的潛在風險。所提方法為精確分析不同通信體系架構(gòu)的傳輸特性和分布式能源網(wǎng)絡(luò)化控制提供了通信層面的理論支撐。

項目研究背景

近年來，分布式可再生能源由于具備分散性、靈活性、環(huán)保性等良好特性，在能源消費結(jié)構(gòu)中占比越來越重。分布式能源特有的間歇性和波動性不能保證完全地自發(fā)自用，而公共電網(wǎng)的集中式調(diào)控過于粗?；瑹o法直接用于分布式能源系統(tǒng)。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源和現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)儼然已經(jīng)成為電力系統(tǒng)的“中樞神經(jīng)”，有助于分布式能源系統(tǒng)調(diào)控尺度的精細化，通信傳輸延時的可確定性和網(wǎng)絡(luò)控制成為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。因此，分布式能源調(diào)控系統(tǒng)亟需一種完備可靠的通信時延計算方法作為保證。

論文方法及創(chuàng)新點

本文基于隨機網(wǎng)絡(luò)演算理論，首先分析分布式能源調(diào)控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖1所示。通過對分布式能源調(diào)控系統(tǒng)的雙向通信分析可知，系統(tǒng)的排隊時延依賴于流量類型以及節(jié)點設(shè)備的調(diào)度策略，如果網(wǎng)絡(luò)中流量過大，則會出現(xiàn)擁塞，致使排隊時間無法預(yù)測，成為傳輸時延不確定性的主要因素。

圖1 分布式能源調(diào)控系統(tǒng)通信架構(gòu)圖

隨機網(wǎng)絡(luò)演算理論在分析單服務(wù)器系統(tǒng)時的模型如圖2所示，數(shù)據(jù)流A(t)經(jīng)過服務(wù)S(t)后輸出數(shù)據(jù)流A*(t)。

圖2 基于隨機網(wǎng)絡(luò)演算理論的系統(tǒng)模型

從分布式能源調(diào)控系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流層面上來看，常常是周期型、隨機型以及突發(fā)型這三種數(shù)據(jù)流并存，由數(shù)據(jù)流的統(tǒng)計特性分析可知，突發(fā)特性往往會導(dǎo)致系統(tǒng)時延抖動，使得系統(tǒng)產(chǎn)生較大的時延冗余，甚至有可能阻塞網(wǎng)絡(luò)，影響分布式能源調(diào)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和調(diào)控任務(wù)的正常進行。

因此，突發(fā)型數(shù)據(jù)是影響整個系統(tǒng)時延的關(guān)鍵流量。由于大量突發(fā)性流量在聚合后呈現(xiàn)出自相似性，且不會隨時間尺度的放大而平滑，因此可利用α穩(wěn)定自相似流量模型得到基于隨機網(wǎng)絡(luò)演算的流量到達模型，模擬流量與仿真流量的統(tǒng)計特性對比分析如圖3所示。

圖3 流量統(tǒng)計特性分析對比

對于分布式能源調(diào)控系統(tǒng)的服務(wù)模型，根據(jù)隨機網(wǎng)絡(luò)演算理論，將各個通信環(huán)節(jié)模塊化，抽象為由若干個服務(wù)節(jié)點串聯(lián)而成的分層級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，如下圖4所示。

節(jié)點服務(wù)模型采取加權(quán)公平排隊調(diào)度機制，將分布式能源調(diào)控系統(tǒng)中的多業(yè)務(wù)按照各自的時延要求劃分成特定的業(yè)務(wù)等級，并將關(guān)鍵流量設(shè)為高優(yōu)先級，以便時延敏感型數(shù)據(jù)得到可靠的服務(wù)保證。

圖4 端到端傳輸鏈路模型

根據(jù)隨機網(wǎng)絡(luò)演算理論的數(shù)據(jù)流疊加定理和剩余服務(wù)定理，以及建立好的流量模型和服務(wù)模型，推導(dǎo)出分布式能源調(diào)控系統(tǒng)傳輸時延概率分布，以此作為時延邊界設(shè)計分布式能源調(diào)控系統(tǒng)最優(yōu)控制器。

為了證明邊界的準確性和有效性，本文基于通信網(wǎng)絡(luò)仿真軟件建立了的分布式能源調(diào)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)加以仿真驗證，如圖5所示。

圖5 分布式能源調(diào)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)拓撲

同時，本文對比了四種場景（包含三種不同比例背景流量和鏈路故障）下的概率時延分布理論分析結(jié)果和通信網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果，如圖6所示。

結(jié)論

本文考慮實際環(huán)境干擾因素和聚合數(shù)據(jù)流競爭服務(wù)帶來的隨機性因素，提出一種基于隨機網(wǎng)絡(luò)演算理論的分布式能源調(diào)控系統(tǒng)傳輸時延上界的計算方法。并通過計及分布式能源物理設(shè)備與通信網(wǎng)絡(luò)緊耦合分析模型的實驗，驗證了所提出的時延邊界數(shù)值計算結(jié)果的準確性。

基于理論研究，本文還探究了帶寬和分布式能源調(diào)控系統(tǒng)中節(jié)點數(shù)量對通信端到端時延邊界的影響，為構(gòu)建滿足低時延高可靠性的分布式能源通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計提供了理論支撐。