CN108365638B - 基于无线传感器网络的能源微网分布式功率控制系统 - Google Patents

基于无线传感器网络的能源微网分布式功率控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的能源微网分布式功率控制系统，包括下层能量传输网络和上层无线传感器通讯网络；所述下层能量传输网络包括负载和分布式电源，所述可控节点则用于收集其所对应的可控分布式电源和负载的功率及负荷等信息、接受周围的可控或半可控节点传递的信息，并根据收集到的信息对系统整体进行输出功率和负载平衡的协调控制。本发明在保证控制系统稳定性运行的情况下通过引入无线传感器网络，以光伏发电、风力发电和电池储能装置为主要受控对象，并搭建基于无线传感器网络的能源微网分布式控制系统，使其适用于任意拓扑结构，并具备高灵活性和可拓展性。

Description

基于无线传感器网络的能源微网分布式功率控制系统
技术领域
本发明涉及一种基于无线传感器网络的能源微网分布式功率控制系统。
背景技术
对能源微网中各分布式电源、储能装置及负载进行协调控制，保证系统功率平衡和功率均分，从而保证能源微网的电压与频率稳定，既有助于清洁可再生能源的高效利用，同时又能提高能源微网在运行时的稳定性、可靠性和经济性。而传统的能源微网集中式控制系统主要通过有线通信网络对设备进行控制，虽能取得一定的控制效果，但是当能源微网中的设备较多且地理位置分布较广时，其存在着可靠性较低、网络复杂化、建设成本高和可拓展性差等问题，并且在能源微网和通信网络拓扑结构发生变化时，需要对算法进行重新设计，普适性和灵活性也有待加强。
传统的集中式控制系统与能源微网分布式发电的本质相冲突，当能源微网中的设备较多且地理位置分布较广时，集中式控制存在着可靠性较低、网络复杂化、建设成本高和可拓展性差等问题，不能契合能源微网的分布式特性。
本发明将结合无线传感器网络，设计出一种围绕任意拓扑结构下能源微网的通用分布式功率控制系统，使其具备更好的灵活性、普适性、可拓展性和可靠性。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种基于无线传感器网络的能源微网分布式功率控制系统，在保证控制系统稳定性运行的情况下通过引入无线传感器网络，以光伏发电、风力发电和电池储能装置为主要受控对象，并搭建基于无线传感器网络的能源微网分布式控制系统，使其适用于任意拓扑结构，并具备高灵活性和可拓展性。
本发明所采用的技术方案是：一种基于无线传感器网络的能源微网分布式功率控制系统，包括下层能量传输网络和上层无线传感器通讯网络；所述下层能量传输网络包括负载和分布式电源，所述上层无线传感器通讯网络包括可控节点和半可控节点；所述半可控节点用于收集其所对应的半可控分布式电源和负载的功率及负荷信息，并将所收集到的信息传递给周围的可控节点；所述可控节点用于收集其所对应的可控分布式电源和负载的功率及负荷信息、接收周围的可控或半可控节点传递的信息，并根据收集到的信息对分布式电源和负载进行输出功率和负载平衡的协调控制。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：同现有能源微网控制系统相比，本发明具备以下优势：
1、采用无线传感器网络作为系统控制的通信方式，节点位置灵活，适应任意拓扑结构，使系统具备更好的灵活性和可拓展性；
2、通过对功率平衡和无功功率均分直接进行分布式实时控制，保证能源微网运行过程中电压频率保持稳定，使系统具备更好的稳定性和可靠性；
3、无线传感器网络节点在对数据进行传输前会通过压缩感知算法对数据进行压缩，能有效降低传输数据量，减少冗余数据，减少传输延迟，使系统具备更好的实时性和能效性。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为基于无线传感器网络的能源微网分布式功率控制系统的拓扑结构示意图；
图2为基于无线传感器网络的能源微网分布式功率控制系统的控制流程图；
图3为压缩感知和传统采样的信号处理过程对比；
图4为压缩感知算法的数据压缩过程。
具体实施方式
如图1所示，在本发明中，将构建基于无线传感器网络的能源微网双层分布式控制系统，其中下层为能量传输网络，上层则是由多个传感器节点所构成的无线传感器通讯网络。在下层结构中，方形代表负载，圆形代表分布式电源。在能源微网中，如储能电源等可以直接对其进行控制的电源属于可控分布式电源；如风力发电和光伏发电等分布式电源受自然条件的影响具较大，具有很强的随机性，只能通过控制其他可控电源的方式来实现对此类电源的间接控制的设备，则属于半可控分布式电源。因此，在上层通讯网络中，将采用菱形来代表对应可控电源的可控节点，采用椭圆形代表对应半可控电源的半可控节点，并且系统中每一个节点分别只对应一个分布式电源或者负载。
在这个双层控制系统中，椭圆形半可控节点将仅仅收集所对应的半可控分布式电源和负载的功率及负荷信息，并将所收集到的信息传递给周围的菱形节点，而不对信息进行处理，且半可控节点也不会对电源和负载进行控制；而菱形可控节点不仅收集所对应的可控分布式电源和负载的功率及负荷信息，也会接受半可控节点所传递过来的数据。其后，菱形可控节点会根据收集到的信息和输入的控制方法对可控和半可控的电源及负载进行输出功率和负载平衡的协调控制。
本控制系统具体控制流程如图2所示：
功率平衡控制方式：在能源微网中，电压频率控制(v/f控制)下的储能电源根据网络中瞬时不平衡功率调整其输出功率，从而维持电压和频率在允许范围内波动。因此，可以通过调整可控电源的输出功率的方式，来实现对半可控电源输出功率的间接调整。遵循这个思路，将半可控电源的输出功率值通过无线传感器网络节点传递给对应的半可控节点，半可控节点再将信息传递给周围的可控节点。当能源微网出现功率波动的时候，可控节点将实时控制储能电源进行瞬时的充电或放电，此时半可控节点给周围可控节点发送信息，其后可控节点根据所接收到的信息对可控电源的输出功率进行调整，最终使得系统达到功率平衡状态。
无功功率均分控制方式：在能源微网中，无功功率均分控制过程与功率平衡控制过程类似。首先无线传感器网络中的可控和半可控节点收集对应的电源无功功率信息，并计算出无功功率输出比；其后，可控和半可控节点根据无线传感器网络拓扑结构和周围节点交换无功功率输出比的信息；最后，控制系统根据前文所述控制律对所收集到的局域信息进行处理，并根据计算结果对可控电源下一时刻的无功输出功率进行协调控制，从而实现能源微网的无功功率均分。
无线传感器网络节点在对数据进行传输前会通过压缩感知算法对数据进行压缩，压缩感知方式：压缩感知技术通过稀疏矩阵对原始信号进行稀疏，从而降低信号的维度，使其能够在远小于原始信号奈奎斯特采样率的条件下，采集到信号的离散样本，以达到压缩数据的目的，然后在接收时通过信号重构算法重建信号，精确的恢复原始信号。压缩传感理论突破了传统香农定理的局限性，通过改变数据采集模式，改善了整个网络的通信容量、延时以及网络生存寿命等问题。图3很好的诠释了压缩感知和传统采样在信号处理过程中的区别，图4为压缩感知算法的数据压缩过程。
可以看出，传统信号采样过程是信号先采样，再利用一些变换手段(如傅里叶变换)计算出信号的稀疏性并进行数据压缩，最后再进行解压缩；而压缩感知采样过程是在采样的同时就通过信号稀疏的方式对原始信号进行压缩，最后再利用信号重构算法实现原始信号的重构，即解压缩。在无线传感器网络中采用数据压缩技术不仅能够降低节点的能耗，同时还可以在一定程度上降低网络通信的时延，降低网络拥塞，保证无线传感器网络的高效、稳定运行。

Claims (7)

1.一种基于无线传感器网络的能源微网分布式功率控制系统，其特征在于：包括下层能量传输网络和上层无线传感器通讯网络；所述下层能量传输网络包括负载和分布式电源，所述上层无线传感器通讯网络包括可控节点和半可控节点；所述半可控节点用于收集其所对应的半可控分布式电源和负载的功率及负荷信息，并将所收集到的信息传递给周围的可控节点；所述可控节点用于收集其所对应的可控分布式电源和负载的功率及负荷信息、接收周围的可控或半可控节点传递的信息，并根据收集到的信息对分布式电源和负载进行输出功率和负载平衡的协调控制；所述节点在对数据进行传输前采用压缩感知算法对数据进行压缩：通过稀疏矩阵对原始信号进行稀疏，从而降低信号的维度，使其能够在远小于原始信号奈奎斯特采样率的条件下，采集到信号的离散样本，然后在接收时通过信号重构算法重建信号，精确地恢复原始信号。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的能源微网分布式功率控制系统，其特征在于：每一个半可控节点仅对应一组半可控分布式电源和负载；每一个可控节点仅对应一组可控分布式电源和负载。
3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的能源微网分布式功率控制系统，其特征在于：所述可控分布式电源包括储能电源。
4.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的能源微网分布式功率控制系统，其特征在于：所述半可控分布式电源包括风力发电机和光伏发电机。
5.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的能源微网分布式功率控制系统，其特征在于：所述可控节点对分布式电源和负载进行输出功率和负载平衡的协调控制方式包括：功率平衡控制方式和无功功率均分控制方式。
6.根据权利要求5所述的基于无线传感器网络的能源微网分布式功率控制系统，其特征在于：所述功率平衡控制方式为：
(1)当能源微网出现功率波动的时候，可控节点实时控制可控分布式储能电源进行瞬时的充电或放电；
(2)各节点收集其所对应的分布式电源和负载的功率及负荷信息，其中半可控节点将其所收集到的信息传递给周围的可控节点；所述可控节点收集其所对应的分布式电源和负载的功率及负荷信息，并接受周围的可控或半可控节点传递的信息；
(3)可控节点利用第(2)步收集到的信息对可控分布式电源的输出功率进行调整，最终使得系统达到功率平衡状态。
7.根据权利要求5所述的基于无线传感器网络的能源微网分布式功率控制系统，其特征在于：所述无功功率均分控制方式为：
(1)无线传感器网络中的可控和半可控节点收集对应的电源无功功率信息，并计算出无功功率输出比；
(2)可控和半可控节点根据无线传感器网络拓扑结构和周围节点交换无功功率输出比的信息；
(3)控制系统对所收集到的局域信息进行处理和计算，并根据计算结果对可控分布式电源下一时刻的无功输出功率进行协调控制，从而实现能源微网的无功功率均分。
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