面向智能电网通信的可靠路由研究

李志婷 要章勇 魏媛

国网朔州供电公司，山西省 朔州市 036002

摘要：传统路由算法虽然可以简单地实现通信要求，但是在不同范围内对各级电网通信系统的结构特征适用性较差，路径选择无法同时满足邻域网通信可靠性和广域网控制实时性的最优化要求。因此，采用多种路由选择技术相结合的方式应用于智能电网通信是大势所趋。基于此，本文主要探讨了面向智能电网通信的可靠路由。

关键词：智能电网；邻域网；广域网；路由算法

引言

目前，由于电力通信网络的可靠性和实时性问题，导致通信中断或稳定控制失败，从而引起电网故障、级联停电等潜在危险，给工业、商业以及居民的用电造成很大威胁和不便。随着电网的覆盖范围迅速扩大，安全稳定控制日趋困难，建立高速、双向、实时、可靠、集成的电力通信系统是实现智能电网的前提和关键。因此，电网通信系统也已成为智能电网发展研究的核心部分。

1智能电网通信路由研究现状

1.1单播路由

单播是指“一对一”的点到点通信方式，网络中从源节点到目的节点，找一条满足 QoS 约束的最优可行路径进行信息传输，其特点是服务器能够及时响应客户机的请求，并且能够针对每个客户的不同请求发送不同数据，从而实现个性化服务，单播路由有可用于解决无线传感器网络（WSN）中节点的能量均衡问题。 目前，智能电网邻域网通信场景中，WSN 作为通信网络拓扑，由于其传感器节点采用电池供电，节点部署若在人力接触困难的恶劣环境下时，其电池更换也存在较大难度，一旦电池能量耗尽，将导致链路中断，使网络出现拥塞状态，影响电网通信可靠性，因此无线传感器网络中的单播路由旨在减少节点的能耗、平衡网络的剩余能量、延长网络生命周期，从而避免网络拥塞，提高 WSN 的通信路由可靠性。为了均衡无线传感器网络的能量消耗，能量感知路由算法作为最常见的路由策略之一应用于 WSN 中。

然而这些路由算法多是点到点通信的簇路由算法和集中式路由算法，由于计算和通信负载更多的落在簇头节点，因而簇头节点会承受更多的数据流量、消耗更多能量，导致簇头节点的能量优先耗尽，对于因节点链路断裂而造成的网络拥塞不能达到最优的控制效果^[1]。

1.2多播路由

多播路由是指“一对多”的点到多点通信方式，通信网络中从源节点到目的节点集，找一颗满足 QoS 约束的最优树进行通信。由于单播路由通信在客户数量大、网络流量大的多媒体应用中，服务器负担大，引起较大延迟，从而采用多播路由来解决单播路由效率低的缺点。随着 Internet 多播主干网(Multicast Bone)的出现，互联网工程任务组 IETF (Internet Engineering Task Force) 利用它在 1992 年 3月成功举行第一次网络会议以来，多播路由的研究得到学者们的重视^[2]。

智能电网广域网控制中为了满足通信时延较短的需求，控制中心需要同时向多个用户发送电力控制信息，采用传统的点到点单播通信方式显然是低效率的，而且极大地占用了带宽、降低了频带的利用率。多播技术能够实现点到多点的信息传输，信息只需发送一次就能到达所有规定的接收者，这样无疑能够提高网络资源的利用率，因此多播路由被广泛用于解决信息传输实时性问题。

在智能电网广域控制中，已有的多播路由算法并没有考虑到实际智能电网通信中，具有大功率负载的目的智能设备常常分布在距离控制中心较远的郊区，需求响应（DR）时延大会影响电网频率的稳定性，传统的基于时延约束的多播路由算法不再适用于智能电网广域控制，因此需要结合智能电网中的 DR 实时性设计更加合理的路由策略^[3]。

2面向电网通信的可靠路由测试系统

2.1 频率控制系统的设计

2.1.1 频率控制回路

智能电网中需求侧的有功功率变化会引起电力系统频率的变化，而路由算法引起的时延变化会导致电网中负载功率曲线的变化。频率偏差是由于发电机功率与负载侧负荷功率的不平衡而导致，短时间的频率偏差可以通过一次、二次和三次调频使系统频率恢复稳定状态。其中一次调频主要调节系统中较小的频率偏差；二次调频主要调节较大的频率偏差（非正常运行），可以通过系统中的可用电量储备进行调节，二次调频又称为负荷功率可控制（LFC）；而三次调频主要是在一、二次调频无法发挥作用时启动，调节严重的电力系统故障，如电力频率发生快速波动变化，此时采用三次调频或紧急控制以及保护预案（如低频减载）来避免电力系统发生级联故障^[4]。

2.1.2 一次与二次控制回路

智能电网电力系统中的频率是否稳定，主要取决于有功功率是否平衡，需求侧任何短暂的有功功率变化（供需不平衡）都会引起系统频率的即时变化，但这些变化将会被发动机调速系统所增加的动能抵消。如果系统响应过程中功率变化太大，没有足够的动能补给，可能会产生极其严重的频率波动，影响发电机运行。

因此，大型的同步发电机系统除了配有一次调频回路以外还具备二次调频回路，其中二次调频回路常指负荷频率控制（LFC）是自动发电控制系统（AGC）的主要调频回路，负责发电与频率的控制。

同步发电机的框图中速度调节器通过一次调频回路和二次调频回路检测发电机转速（频率）的变化，速度调节器为原动机提供一个稳定的有功输出整定值，通过液压放大器的机械装置来调节气阀/水阀大小，从而实现功率调节。然而在大型区域互联的电力系统中，一次调频不足以将电力频率稳定在设定值，需要通过二次调频回路的变速电机来调节频率偏差。

2.1.3 频率响应建模

智能电网的电力系统具有高度非线性和时变性质。然而，为了在存在负载扰动的情况下进行频率综合控制分析，需要采用可根据系统变量波动而改变仿真补偿的复杂数学方法。与电压和转子角度动态特性相比，频率响应的动态特性相对较慢，时间常数通常在几秒到几分钟的范围内。因此，忽略快速动态变化（电压及转子角度变化）能够降低建模复杂度，可以建立一个简单的低阶线性化模型，能够减小运算量以及简化仿真结果分析^[5]。

2.2 不同多播路由的时延对频率的影响

在 Simulink 中建立频率响应控制系统模型，根据网络中每个目的节点随机生成的功率和不同算法仿真所得到的各个目的节点的端到端时延，得到负荷偏差-响应时延曲线，不同算法对各个目的节点的响应时延不同，导致了负载偏差曲线具有差异。如图所示 DRCM 算法对应的负载偏差曲线从负载变化处开始形状稍微凸起，优先响应负载偏差较大的目的设备；KPP 算法对应的负载偏差比较接近直线，需求响应时没有考虑带负载的情况；MST 算法所对应的负载曲线稍接近凹曲线，对负载偏大的目的节点响应时间靠后，响应不及时^[6]。

结束语

根据电网智能化的需求，电力通信网络的邻域网和广域网对通信路由的可靠

性有不同的要求。智能电网邻域通信，其路由可靠性要求在于提高无线传感器网

络的性能，避免节点能耗不均匀、延长网络寿命；智能电网广域通信，其路由可

靠性主要在于减小广域网控制和保护等控制信息的传输时延。通过对算法的仿真和测试，其结果表明本文所设计的路由算法能够较好地满足智能电网通信系统对可靠性的要求，虽然还未在实际智能电网通信系统中实际应用，但是为实现电网的智能化通信提供了理论参考依据。随着智能电网通信技术的快速发展，以及电力用户对智能电网通信可靠性和实时性的要求越来越高。

参考文献

[1] 万琪, 许永琨, 赵晨. 智能电网电力无线蜂窝网络选址规划机制研究[J]. 自动化与仪器仪表, 2017(12): 31-34.

[2] 熊小伏,吴玲燕,陈星田.满足广域保护通信可靠性和延时要求的路由选择方法[J].电力系统自动化, 2011, 35(3): 44-48.

[3] 熊小萍,谭建成,林湘宁.基于 MPLS 的广域保护通信系统路由算法[J].电工技术学报, 2013, 28(6):257-263.

[4] 王兴财,石鑫.提高配电网管理水平的配电自动化系统[J].中国科技信息, 2015(21): 103-104.

[5]基于物联网技术智能电网在线监测系统研究[D]. 李瑞华.河南科技学院 2018

[6]电力无线专网的可行性分析及应用研究[D]. 刘伟东.南昌大学 2018