摘要
摘要:有线通信和无线通信在融合通信技术中发挥着重要作用，是实现未来智能电网通信的必要技术。混合网络利用独立的媒体来扩展网络覆盖和提高性能。然而，虽然个别技术已被应用于仿真网络，但据我们所知，目前对开发一套用于通信系统设计的混合通信仿真模型的关注有限。需要建立混合仿真模型，以便在一次仿真中获取混合通信技术和IP地址机制。为了缩小这一差距，我们开发了一套混合通信系统仿真模型，以验证分布式太阳能光伏(PV)通信系统的关键系统设计标准，包括300 ms的单趟延迟、9.6 Kbps的吞吐量和1%的丢包率。结果表明，三种基于低功耗无线个人区域网(LoWPAN)的混合架构可以满足三种对分布式能源通信至关重要的性能指标。
1. 介绍
分布式可再生能源(RESs)和储能系统(ESSs)的日益普及，包括蓄电池和电动汽车，带来了新的挑战。这也要求配电网的发展，使其充分利用和有效的自动化[1]。随着分布式电网在总发电量中所占的比例越来越大，而分布式电网同时提供高功率密度和高能量密度以适应分布式电网的不确定性，它们必须承担更多的责任，以确保配电网持续可靠和经济有效地运行[2-4]。这些措施包括提供电压和无功支持，以帮助本地配电系统的运行，为大型电力系统提供综合辅助服务，以及将负荷从高峰转移到非高峰，并使高峰电力需求变得平缓。因此，对这些领先的和新兴的RESs和ESSs的监测和进一步控制正逐步渗透到现代分销网络中。为了实现这些目标，通信基础设施需要允许分布式发电和存储单元以及各级智能电网之间的双向信息交换。
智能电网应用的潜在通信网络主要由家庭局域网(HAN)、邻域网络(NAN)和一个多层的广域网(WAN)组成。预计混合通信系统基础设施将使用各种通信技术。智能电网中协调分布式组件，特别是可再生发电的通信网络架构已经成为许多研究的热点。到目前为止所做的大部分工作都集中在高级服务和技术需求和设计原则上，很少关注实际的设计和实现挑战[5-8]。虽然这些研究提供了有用的见解，但现有的结果不能直接推广和应用于实际的智能电网通信系统设计和部署，以协调高渗透分布式ERESs和存储设备。
无线和专用有线媒体的混合网络架构由于其投资和效益的平衡权衡，满足智能电网应用的关键要求，被认为是智能电网通信基础设施的一种有前景的解决方案。在智能电网试点城市中，开发并评估了电力线通信(PLC)、WiFi等具体的混合通信架构[9-11]。这些研究结果在没有考虑设计框架和工具箱开发的情况下，对特定智能电网拓扑结构的特定混合通信实现提供了有限的视角。虽然在[12,13]中提出了混合通信体系结构，但作者通过使用单一技术模拟网络来评估性能。此外，利用[14]中基于隐私感知通信协议的网关解决了基于IEEE 802.11的广域网网状网络和广域网LTE (Long-Term Evolution)网络的互通IP地址问题。该机制在IEEE 802.11s和基于lte的混合仿真中与网络模拟器3 (NS3)网络模拟器实现。然而，开发一套混合通信体系结构仿真模型来验证关键系统设计准则的研究却很少。
为此，利用离散事件网络模拟器3 (NS3）开发了一套用于分布式智能电网应用的混合通信系统仿真模型。之所以选择NS3库，是因为它很受欢迎，而且现有的模型可以用于许多网络功能。设想的通信网络包括家庭局域网(HAN)、邻域网络(NAN)和多层的广域网(WAN).
如图1所示。请注意，在本文的其余部分中，PV面板代表分布式光伏发电和存储设备。在家庭局域网(HAN)中，光伏面板通过两种可选通信技术连接到智能电表:**低功耗无线个人区域网络(LoWPAN)**和电力线通信(PLC)。宽带PLC(BPLC)是一种在公共配电线路上实现相对高速数字传输的PLC方法。此外，它使用更高的频率和更宽的频率范围，这导致更高的数据速率较短的应用范围。窄带PLC (Narrowband PLC,NPLC)是指低带宽通信，利用500kHz以下的频段，提供数十kbps的数据速率。此外，它适用于智能家居/楼宇自动化。因此，BPLC和NPLC均可用于家庭局域网(HAN)。在一个邻域网络(NAN)内部，从智能电表传输到数据集中器的数据，最终通过WAN边缘路由器通过以太网线、WiFi或WiMAX到达广域网(WAN)。
为了全面研究这五种技术的组合，我们考虑了六种可能的混合架构，并开发了六种相应的混合原型仿真模型。开发基于ns3的混合通信仿真模型的主要挑战是将不同的通信技术和IP地址机制集成到一个仿真网络中，因为它是开源的，仍在开发过程中。为了解决这个问题，在应用层专门设计了一个netroter转发功能。据我们所知，这是首次创建混合通信仿真模型，以验证分布式智能电网应用的混合架构设计的有效性和可伸缩性。
请注意，我们之前已经发现了关于分布式智能电网应用程序的混合通信体系结构设计的缺失研究。本文研究的问题一是一套混合仿真模型的开发。问题二是分布式RESs和ess混合通信体系结构的设计框架，这将是我们今后的工作。本文的其余部分组织如下。第2节概述了智能电网通信网络。第三节讨论了六个基于ns3的原型混合通信系统仿真模型的开发。第四部分对所开发的混合仿真模型进行了验证，并在参考测试案例- a (RTC-A)电力系统的基础上进一步验证了每种混合架构的设计标准。最后，第五部分总结了本文的结论，并对未来的工作进行了讨论。
2. 智能电网通信网络体系结构与设计准则
在现代电力系统中，公用事业通信系统以核心-边缘网络[15]的形式设计和部署。通过这样做，通常基于光纤的广域网形成了系统的主干;而终端设备和广域网之间的连接是通过NAN建立的。在这个网络的边缘，包括家用电器、电池、可再生发电机和智能电表在内的终端设备组成了HAN，作为智能电网的预想通信系统，如图1所示。HAN中单个终端设备直接连接到控制中心局域网的情况并不常见。因此，从终端设备到电网不同部分的控制中心的所有连接最终必须通过现有的、开发良好的专用或公用广域网。因此，我们的研究重点集中在光伏板和第一个广域网边缘路由器之间的通信网络。该通信网络的层次结构包括:
一，HAN将光伏面板连接到位于客户住宅的智能电表，作为公用事业网络的网关。HAN的地理面积可达几十米。在智能电网中，生产消费者需要先进的应用，如低价用电和高价售电，这需要有效和可靠的HAN。
二，由多个智能电表采集数据，通过广域网边缘路由器传输到广域网的一种网络控制系统。NAN的地理规模取决于多种因素，主要包括配电系统拓扑结构和分布式智能电网应用。它的范围从几百米到几公里。
为了实现光伏板与WAN边缘路由器之间的数据传输，所设想的通信网络包括三个主要的数据流:
(1)光伏逆变器-智能电表
(2)智能电表-数据集中器;
(3)数据集中-边缘路由器。
电力系统的数据通信有多种通信协议和技术[6,16,17]。
已经根据技术的成熟程度(例如它是否是开源的和非专有的，以及它是否提供足够的数据速率)调查和选择了每个数据链的适当技术。光伏逆变器和HAN中的智能电表之间有两种主要的可选通信技术:Zigbee/LoWPAN和PLC。智能电表与数据集中器之间的通信可以通过以太网线、WiFi、WiMAX等方式进行。因为NS3中没有官方的ZigBee模块，所以选择了LoWPAN而不是众所周知的ZigBee(它们都是基于IEEE 802.15.4)。
弗吉尼亚理工大学高级研究院提出的分布式智能电网概念[18,19]，是指在一个由多个HANs和一个NAN覆盖的配电网中，从需求响应的角度，可靠有效地协调分布式RESs和ess，以及可控负荷。
在此基础上，分布式控制系统(distributed System Operator, DSO)在分布式控制网络中的应用可分为以下三组:
(1)仅在分布式控制网络层面上的分布式分布系统状态估计和控制策略，如协调电压控制[20]、分布式RESs的分布式最优调度[21];
(2)通过一个NAN和多个HANs对客户拥有的RESs和ess进行分布式监控;
(3)在HAN内部，与传统的需求驱动-供应方式不同，供给驱动-需求机制必须以一种分布式的方式实现，通过当地电力共享、基于优先级的负荷削减和需求响应[19]等方式，实现灵活负荷和可用发电量的互动匹配，并以“正确”的价格进行匹配。
考虑到HAN和NAN[6]的完全不同的数据速率(HAN为1-100 Kbps, NAN为100 -10Mbps)和覆盖范围要求(HAN为1-100米，NAN为100 -10公里)，这表明研究混合通信体系结构对于适应上述不同区域网络的不同分布式应用是非常重要的。 此外，混合通信体系结构的使用很有趣，因为可以植入冗余结构，即相同的信息通过两个或多个不同的通信媒体发送，增加了可靠性[11]。此外，对混合通信网络的全面研究将有助于识别脆弱路径，可以通过基于中间件的方法[22]绕过脆弱路径，建立终端用户和DSOs之间的通信。
预期的通信架构应该提供对分布式光伏发电的可见性和控制，它们将基于三个标准设计。
(一)可行性:它可以在每个网络内使用不同的协议标准和IP地址机制，而不会造成互操作性问题;
(二)可扩展性:既强调容纳分布式光伏发电的光伏数据流，又强调容纳大规模输配电系统的电力系统状态测量数据; (三)可靠性:
(1)时延的三个性能指标——配电网分布式光伏控制与监控的预期单向时延在300 ms-2 s之间;
(2)吞吐量——分布式PV需求为9.6 ~
56 Kbps;
(3)丢包率;其分布式RES应用的基准值设置为0.01 to 1% [23, 24]
