TWI520523B - 智慧型節能電力系統之路由容錯通訊方法 - Google Patents

智慧型節能電力系統之路由容錯通訊方法 Download PDF

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  • Cable Transmission Systems, Equalization Of Radio And Reduction Of Echo (AREA)

Description

智慧型節能電力系統之路由容錯通訊方法
本發明係關於一種路由容錯[Fault Tolerant Routing]通訊方法；特別是關於一種智慧型節能電力系統[Smart Grid Electric Power System]之路由容錯通訊方法。
習用智慧型電力系統，例如：中華民國專利公開第201123669號〝智慧型電力偵測系統〞之發明專利申請案，其揭示一種智慧型電力偵測系統包含一處理單元、一量測單元、一設定單元及一顯示單元。使用者可藉由該設定單元設定一預設用電值，當電力系統的耗電量超過預設用電值時，該處理單元所產生的警示訊號會通知使用者，而能夠即時掌握電力系統用電過量的狀況，以加强管制該電力系統的耗電量。
另一習用智慧型電力系統，例如：中華民國專利公開第200803211號〝用於電力線傳輸之智慧型家電系統〞之發明專利申請案，其揭示一種用於電力線傳輸之智慧型家電系統係透過電力線通訊技術[PLC]將電力線系統構成一網路，並將家電系統連接有電力線轉換裝置，即可藉由電力線轉換裝置來提供家電系統之供電電源及網路連線，使家電系統內部所設之網路控制器的網路通訊介面可透過網路通訊協定而設定一網路位址，並由該網路位址讓遠端主機可藉由電力線系統與家電系統連線。如此，僅需將家電系統連接至市電插座上，便可進行網路連線，進而讓使用者由遠端對家電系統進行預約設定控制。
關於智慧型電力系統亦揭示於少數美國專利及專利申請公開案，例如：美國專利第6,005,367號之〝Smart power system〞、美國專利公開第20110163603號之〝Smart-grid combination power system〞、第20110156484號之〝Reliable photovoltaic power system employing smart virtual low voltage photovoltaic modules〞、第20110127841號之〝Smart virtual low voltage photovoltaic module and photovoltaic power system employing the same〞及第20110126732號之〝Auxilliary smart power system for equipped train〞。前述諸專利及專利申請公開案僅為本發明技術背景之參考及說明目前技術發展狀態而已，其並非用以限制本發明之範圍。
然而，雖然習用智慧型電力系統已應用於各種技術領域，但其並不具有路由容錯通訊[fault tolerant routing]或提升通訊可靠度[reliability enhancement for communication]之功能，因此習用智慧型電力系統必然存在進一步提供路由容錯通訊或提升通訊可靠度之需求。
有鑑於此，本發明為了滿足上述需求而提供一種智慧型節能電力系統之路由容錯通訊方法，其在電力系統中達成容許通訊錯誤，以避免發生停電或跳電，以解決習用智慧型電力系統的各種容錯技術問題。
本發明之主要目的係提供一種智慧型節能電力系統之路由容錯通訊方法，其在電錶與末端設備之間進行路由容錯，並尋找優先電錶，以便在電力系統中達成容許通訊錯誤，因而具有避免發生停電或跳電之功能，因而具有改善電能供應可靠度及提升電能傳輸效率之功效。
為了達成上述目的，本發明之智慧型節能電力系統之路由容錯通訊方法包含步驟：電錶通訊距離最佳化步驟；電錶與末端設備之間最佳化連接步驟；路由容錯選擇步驟；及尋找優先電錶步驟。
另外，本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統之路由容錯通訊方法包含步驟：在數個電錶之間進行通訊距離最佳化；將該電錶與數個末端設備之間進行最佳化連接；在該電錶與末端設備之間進行路由容錯；及在該電錶之間尋找至少一優先電錶。
本發明較佳實施例之該通訊距離最佳化採用最小跨度樹狀方法。
本發明較佳實施例之該最佳化連接採用有線通訊及無線通訊。
本發明較佳實施例之該有線通訊選自電力線通訊，而該無線通訊選自Zigbee通訊。
本發明較佳實施例之該最佳化連接採用匈牙利方法。
本發明較佳實施例之該路由容錯採用廣義de Brujin graph方法及K shortest演算法。
本發明較佳實施例在PLC通訊路徑發生錯誤時，利用該廣義de Brujin graph方法以Zigbee無線通訊路徑做為彈性路徑。
本發明較佳實施例在Zigbee無線通訊路徑發生錯誤時，利用該K shortest演算法以另一Zigbee無線通訊路徑做為彈性路徑。
本發明較佳實施例之該尋找優先電錶採用上線及離線演算法。
本發明較佳實施例之該數個電錶包含數個主電錶及數個次電錶。
為了充分瞭解本發明，於下文將例舉較佳實施例並配合所附圖式作詳細說明，且其並非用以限定本發明。
一般而言，典型的智慧電網系統與其周邊設施具有潛力更加有效地傳輸電力。其中，典型的智慧電網系統之周邊設施主要包含：蓄電池、電源網絡監控與電錶系統、主電錶、次[分支]電錶等。智慧電網系統能收集新的綠色能源[green energy]，例如：風力發電及太陽能發電。
在智慧型控制上，電源網絡監控與電錶系統能用以保持監控在智慧電網系統內的所有電力傳輸軌跡，並藉由該智慧電錶監控測量的結果適當調整控制各種設施。如此，電能即可有效率地使用及可進行智慧型控制。
舉例而言，為了節約電力，當電力需求不在高峰[一般費率期間]時，在備用模式下電力用戶能允許智慧電網選擇打開或關閉已指定的家電設備[home appliances]。相對的，在用電高峰[高費率]期間，用戶為了避免不當消耗電力，將已指定的家電設備選擇依其優先[priority]順序關閉，以減低負擔高費率電費。
本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統之路由容錯通訊方法可應用於各種智慧型節能電力系統或其它特殊應用智慧型電力系統，例如：車輛智慧型節能電力系統，但其並非用以限定本發明之應用範圍。本發明之智慧型節能電力系統之路由容錯通訊方法可改善電能供應可靠度及提升電能傳輸效率之功效。
第1圖揭示本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統之路由容錯通訊方法之方塊示意圖。請參照第1圖所示，本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統之路由容錯通訊方法主要包含：[一]、電錶通訊距離最佳化步驟[communication distance optimization]；[二]、電錶與末端設備之間最佳化連接步驟[optimal link latency]；[三]、路由容錯選擇步驟[fault-tolerant routing]；[四]、尋找優先電錶步驟[meter priority]。
第2圖揭示本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統之路由容錯通訊方法之流程步驟示意圖，其對應於第1圖。請參照第1及2圖所示，本發明之智慧型節能電力系統之路由容錯通訊方法之第一步驟S1：在數個電錶之間進行通訊距離最佳化，以提升在該電錶之間通訊效率。
第3圖揭示本發明較佳實施例採用智慧型節能電力系統之結構示意圖。第4圖揭示本發明較佳實施例採用智慧型節能電力系統連接電力用戶之示意圖。請參照第2、3及4圖所示，該智慧型節能電力系統結構自電力公司經城市及區域連接變電所，再由變電所經變電箱T及超節點S1,S2,…S2n-1,S2n連接電力用戶，其包括數個主電錶[main meter]M、數個次電錶[sub-meter]R及數個末端設備D[end device]，其中該主電錶M做為協調器[coordinator]，即做為主控制站，而該次電錶做為路由器[router]，即做為資訊傳輸通道。
請再參照第3及4圖所示，該主電錶M或協調器將控制訊號傳輸至該次電錶R及末端設備D。電力消費資訊[power consumption information]或數據自該末端設備D上傳至該次電錶R或路由器，經由該主電錶M或協調器進行分析及計算，並產生控制訊號。此時，該智慧型節能電力系統之路由容錯通訊方法提供智慧型彈性容錯功能。
第5圖揭示本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統採用電錶之間以PLCs及Zigbee雙重連接之連接關係示意圖，其對應於第4圖。請再參照第4及5圖所示，該最佳化連接採用有線通訊，例如：電力線通訊[power line communication，PLC]及採用無線通訊，例如：Zigbee。
第6圖揭示本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統之電錶之間通訊距離最佳化採用最小跨度樹狀方法之連接關係示意圖。請再參照第6圖所示，為了節約電能目的，該通訊距離最佳化採用最小跨度樹狀[minimum spanning tree，MST]方法，在電力線通訊[PLC]結構內在所有電錶之間選取最短通訊距離之連接拓撲結構。
請再參照第1及2圖所示，本發明之智慧型節能電力系統之路由容錯通訊方法之第二步驟S2：接著，將該電錶與對應[corresponding]末端設備D之間進行最佳化連接，以便尋找最低連接成本[lowest cost]。
第7圖揭示本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統之電錶與數個末端設備之間最佳化連接採用匈牙利方法之連接關係示意圖。請參照第7圖所示，本發明利用該匈牙利方法在該次電錶R與對應末端設備D之間以PLC或Zigbee進行最佳化連接。
請再參照第1及2圖所示，本發明之智慧型節能電力系統之路由容錯通訊方法之第三步驟S3：接著，在該電錶與末端設備之間進行PLC及Zigbee之路由容錯[fault-tolerant routing]，以便利用一無線彈性結構[wireless resilience shceme]避免電錶損壞或無線通訊錯誤，如此可提高該智慧型節能電力系統之通訊錯誤容許度。在PLC通訊路徑發生錯誤時，利用Zigbee無線通訊路徑做為彈性路徑。相對的，在Zigbee無線通訊路徑發生錯誤時，利用另一Zigbee無線通訊路徑做為彈性路徑。
本發明較佳實施例之該路由容錯採用廣義de Brujin graph方法及K shortest演算法，其中該廣義de Brujin graph方法對於PLC及Zigbee為靜態的[static]，而該K shortest演算法對於Zigbee為動態的[dynamic]。舉例而言，在PLC通訊路徑發生錯誤時，利用該廣義de Brujin graph方法選擇以Zigbee無線通訊路徑做為彈性路徑。相對的，在Zigbee無線通訊路徑發生錯誤時，利用該K shortest演算法選擇以另一Zigbee無線通訊路徑做為彈性路徑。
第8圖揭示本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統之路由容錯採用廣義de Brujin graph[GDB]方法之連接關係示意圖。請參照第8圖所示，該廣義de Brujin graph方法定義n個節點[node]，且每個節點做為電錶，且具有雙輸入[dual input]及雙輸出[dual output]。舉例而言，該廣義de Brujin graph方法定義節點n0至n7，其中節點n0為起始點[start point]，節點n7為終點[end point]。在執行該廣義de Brujin graph方法上，假設在路徑{e(0,1)}發生錯誤時，在節點n0及n7上發生自身迴路[self-loop]問題。
第9圖揭示本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統之路由容錯採用廣義de Brujin graph方法可避免self-loop問題之連接關係示意圖。請參照第9圖所示，本發明之該廣義de Brujin graph方法在節點i至j之間採用方程式為：
j=i‧d+r(mod n)，0≦r≦d-1，
其中n為節點，d為輸入度[input degree]及輸出度[output degree]，r為路由器，0為路由器之PLC模式，1為路由器之Zigbee模式。
當路徑e(3,1)發生錯誤時，利用路徑e(3,2)、e(2,4)、e(4,8)及e(8,1)做為彈性路徑[resilient path]。
第10圖揭示本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統之路由容錯採用廣義de Brujin graph方法再產生self-loop問題之連接關係示意圖。請參照第10圖所示，本發明之另一廣義de Brujin graph方法在節點i至j之間採用方程式為：
j=d‧(n-1-i)+r(mod n)，0≦r≦d-1，
然而，假設當節點數量為偶數時，仍在節點n1及n2上發生自身迴路[self-loop]問題。
第11圖揭示本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統以容錯廣義de Brujin graph[FT-GDB]方法完成路由容錯之連接關係示意圖。請參照第11圖所示，PLC通訊以實線表示，而Zigbee通訊以虛線表示。舉例而言，本發明之容錯廣義de Brujin graph[fault-tolerant GDB]方法在節點i至j之間採用方程式為：
j=((i+1)+2r) mod n，0≦r≦d-1。
為了路由容錯目的，當PLC有線通訊發生損壞或錯誤時，本發明改採用Zigbee無線通訊。舉例而言，自節點0至4之PLC通訊需要利用經過路徑e(0,1)、e(1,2)、e(2,3)及e(3,4)。當PLC通訊之路徑e(3,4)發生錯誤時，依FT-GDB方程式利用Zigbee無線通訊路徑e(1,4)做為彈性路徑。
第12圖揭示本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統以K shortest演算法完成路由容錯之連接關係示意圖。請參照第12圖所示，本發明採用K shortest演算法在起始節點[source node]及目標節點[target node]之間尋找最短的通訊路徑，且依邊緣[edge]數量計算通訊路徑。一旦在Zigbee無線通訊路徑發生錯誤時，利用該K shortest演算法選擇以另一Zigbee無線通訊路徑做為彈性路徑。
請再參照第1及2圖所示，本發明之智慧型節能電力系統之路由容錯通訊方法之第四步驟S4：接著，在該電錶之間尋找至少一優先電錶，以尋找電錶優先關閉順序[shut-down sequence]。將電錶在超節點內進行分類，以確保在任何用電尖峰狀況下最優先電錶，且不能切離斷電該最優先電錶。本發明較佳實施例之該尋找優先電錶採用上線[on-line]及離線[off-line]演算法。
前述較佳實施例僅舉例說明本發明及其技術特徵，該實施例之技術仍可適當進行各種實質等效修飾及/或替換方式予以實施；因此，本發明之權利範圍須視後附申請專利範圍所界定之範圍為準。
S1,S2,S3,S4．．．步驟
M．．．主電錶
R．．．次電錶
D．．．末端設備
T1,T2,…Tn-1,Tn．．．變電箱
S1,S2,…S2n-1,S2n．．．超節點
第1圖：本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統之路由容錯通訊方法之方塊示意圖。
第2圖：本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統之路由容錯通訊方法之流程步驟示意圖。
第3圖：本發明較佳實施例採用智慧型節能電力系統之結構示意圖。
第4圖：本發明較佳實施例採用智慧型節能電力系統連接電力用戶之示意圖。
第5圖：本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統採用電錶之間以PLCs及Zigbee雙重連接之連接關係示意圖。
第6圖：本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統之電錶之間通訊距離最佳化採用最小跨度樹狀方法之連接關係示意圖。
第7圖：本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統之電錶與數個末端設備之間最佳化連接採用匈牙利方法之連接關係示意圖。
第8圖：本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統之路由容錯採用廣義de Brujin graph[GDB]方法之連接關係示意圖。
第9圖：本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統之路由容錯採用廣義de Btujin graph方法可避免self-loop問題之連接關係示意圖。
第10圖：本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統之路由容錯採用廣義de Brujin graph方法再產生self-loop問題之連接關係示意圖。
第11圖：本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統以容錯廣義de Brujin graph[FT-GDB]方法完成路由容錯之連接關係示意圖。
第12圖：本發明較佳實施例之智慧型節能電力系統以K shortest演算法完成路由容錯之連接關係示意圖。
M．．．主電錶
R．．．次電錶
D．．．末端設備
T1,T2,…Tn-1,Tn．．．變電箱
S1,S2,…S2n-1,S2n．．．超節點

Claims (10)

  1. 一種智慧型節能電力系統，其包含：至少一第一智慧型電錶，其為一主電錶，且該主電錶做為一協調器或一主控制站；至少一第二智慧型電錶，其為一次電錶，且該次電錶做為一路由器，以便由該路由器形成一資訊傳輸通道；及至少一末端設備，其連接至該第二智慧型電錶；其中在該第一智慧型電錶及第二智慧型電錶之間以一通訊距離演算法進行通訊距離最佳化，且該通訊距離演算法選取一最短通訊距離之連接拓撲結構；將該第一智慧型電錶及第二智慧型電錶與末端設備之間以一第一演算法進行最佳化連接，而該第一演算法採用一最低連接成本法，且該最佳化連接採用一有線通訊及無線通訊法；在該第一智慧型電錶及第二智慧型電錶與末端設備之間以一第二演算法進行路由容錯，而該第二演算法採用一路由容錯法，且該路由容錯法包含實際路線應用、排程及最佳化的演算；在該第一智慧型電錶及第二智慧型電錶之間以一第三演算法尋找至少一優先電錶，且該第三演算法採用一上線及離線演算法。
  2. 一種智慧型節能電力系統之路由容錯通訊方法，其包含：在數個智慧型電錶之間以一通訊距離演算法進行通訊距離最佳化，且該通訊距離演算法選取一最短通訊距離之連接拓撲結構，其中該數個智慧型電錶包含至少一主電錶及至少一次電錶，而該主電錶做為一協調器或一主控制站，且該次電錶做為一路由器，以便由該路由器形成一資訊傳輸通道；將該智慧型電錶與數個末端設備之間以一第一演算法進行最佳化連接，而該第一演算法採用一最低連接成本法，且該最佳化連接採用一有線通訊及無線通訊法；在該智慧型電錶與末端設備之間以一第二演算法進行路由容錯，而該第二演算法採用一路由容錯法，且該路由容錯法包含實際路線應用、排程及最佳化的演算；及 在該智慧型電錶之間以一第三演算法尋找至少一優先電錶，且該第三演算法採用一上線及離線演算法。
  3. 依申請專利範圍第2項所述之路由容錯通訊方法，其中該通訊距離最佳化採用最小跨度樹狀方法。
  4. 依申請專利範圍第2項所述之路由容錯通訊方法，其中該智慧型電錶具有雙輸入及雙輸出。
  5. 依申請專利範圍第2項所述之路由容錯通訊方法，其中該有線通訊選自電力線通訊，而該無線通訊選自Zigbee通訊。
  6. 依申請專利範圍第2項所述之路由容錯通訊方法，其中該第一演算法之最佳化連接採用匈牙利方法。
  7. 依申請專利範圍第2項所述之路由容錯通訊方法，其中該第二演算法之路由容錯採用廣義de Bruijn graph方法及K shortest演算法。
  8. 依申請專利範圍第2項所述之路由容錯通訊方法，其中該路由容錯在電力線通訊技術〔PLC〕之通訊路徑發生錯誤時，利用Zigbee無線通訊路徑做為彈性路徑；在Zigbee無線通訊路徑發生錯誤時，利用另一Zigbee無線通訊路徑做為彈性路徑。
  9. 依申請專利範圍第2項所述之路由容錯通訊方法，其中該路由容錯在PLC通訊路徑發生錯誤時，利用廣義de Bruijn graph 方法以Zigbee無線通訊路徑做為彈性路徑；在Zigbee無線通訊路徑發生錯誤時，利用該K shortest演算法以另一Zigbee無線通訊路徑做為彈性路徑。
  10. 依申請專利範圍第2項所述之路由容錯通訊方法，其中該第三演算法之尋找優先電錶採用一電錶優先關閉順序。
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