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面向微电网的无线传感器网络能效和时滞特性研究

李珂  
【摘要】:微电网,又称微网,是智能电网建设和发展的重要组成部分,能够对大电网中分布式电源的管理提供有效的支持,而无线传感器网络的引入能够给微网通信系统的灵活性和延拓性带来显著提升。但由于无线传感器网络节点能量有限,微网中无线传感器网络的引入也面临着诸如数据传输量大、频谱资源匮乏、节点定位开销大等因素对节点能耗的严峻考验。节点能量一旦耗尽,就会停止工作,对整个无线传感器网络的正常工作造成影响,这不仅会给微网通信系统的稳定工作造成干扰,甚至还会对微网控制系统的调控速度带来负面影响,削弱了微网运行的稳定性。因此微网中无线传感器网络的构建必须要把提高节点能量效率作为重要目标,并且在此基础上满足电网实时、稳定的通信需求。本文将从提升无线传感器网络在微网中的能效性出发,对无线传感器网络在微网稳定运行中所起的作用进行分析,并针对无线传感器网络中的数据压缩、频谱分配和节点定位的能效提升问题建立模型,提出相应的改进方法。同时,针对无线通信中普遍存在的时滞问题,还将通过自主研发的无线传感器网络试验箱对微网中的传输时滞数据进行采集,并通过算例分析和仿真实验的方式论证时滞因素对微网控制系统稳定运行造成的确切影响,为后续反馈控制策略的研究提供时滞参数修订的依据。论文的主要工作有:①针对微网中,无线传感器网络所面临的数据量过大导致节点能耗过快和数据拥塞的问题,采用基于压缩感知理论的数据压缩技术,减少数据处理量,以达到减轻节点能耗、降低拥塞延迟的目的。并对自适应压缩感知算法计算信息熵来选择观测向量过程中只考虑观测性能,而不考虑节点能量的问题进行了改进。提出将节点能量也作为了观测向量选择的判定因素,从而避免了算法由于重复选择相同的传输路径造成网络中个别节点由于能量消耗过快而停止工作的情况出现,改进的算法在降低整体数据传输量的同时,均衡了无线传感器网络中各节点的负载,达到延长网络生存时间,满足微网能耗要求的目的。最后,在微网仿真模型下对算法的数据压缩率、收敛速度、重构数据精度和网络生存时间进行了比较验证。②针对微网中,无线传感器网络所频谱资源缺乏问题,论文采用认知无线电技术,通过寻找空闲频谱达到优化频谱传输效率、提升传输能效的目的;并对基于合作博弈频谱分配算法收敛性不佳的问题进行了改进,引入了时隙变量和判定函数对效用函数的时域收敛性进行约束,从而避免了多重纳什均衡的产生,使得算法在优化了频谱资源分配的同时,能够达到快速收敛,有效降低了传输能耗。随后通过数字微网实验对改进算法和传统算法在不同数量空闲频道下算法收敛性和能效性进行了验证。③针对微网中,在线监测和故障定位等功能对设备位置信息的精确性要求高,和传感器节点能耗要求低的特性,对无线传感器网络节点定位技术进行了研究;论文对传统的APIT定位算法复杂度太高、能耗大的缺点进行改进,提出了以未知节点和锚节点的信号强度指示测距值为边构造三角形对未知节点进行定位的改进方法,有效降低了定位算法的复杂度,并提升了相同条件下的定位精度,对满足微网中节点定位需求有着重要帮助。随后通过仿真实验对APIT算法和改进后算法在相同条件下的定位精度和收敛速度进行了论证。④研究了无线传感器网络的反馈时滞问题对电力系统运行的稳定性影响。论文分析时滞产生的原因和种类,并利用自主研发的微网试验控制台和无线传感器网络传输试验箱进行对时滞数据进行了采集,在此基础上通过算例分析了时滞对系统状态响应的影响;参考IEEE9节点系统模型搭建了控制系统仿真平台,研究了时滞因素对节点负荷的影响,为微网控制系统的时滞条件下稳定性控制策略提供了理论支撑。


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