團隊介紹

孟廣雨，碩士研究生，研究方向為電力通信，曾參與國家重點研發計劃、國家自然科學基金等科技項目。

于潔瀟，天津大學副教授，碩士研究生導師，博士，IEEE member。第十一屆天津市高校青年教師教學基本功競賽（工科組）一等獎。致力于陣列信號處理、無線傳感器網絡及RFID定位技術的研究，主持并參與包含國家自然科學基金、天津市自然科學基金、天津市濱海新區高新技術企業培育基金、國家社會科學基金委員會重大項目、中興通訊股份有限公司產學研合作項目等。

楊挺，天津大學電氣與自動化工程學院教授/博導，國家“分布式能源與微電網”國際科技合作基地副主任，天津市“能源互聯網國際聯合研究中心”副主任。第一完成人獲得省部級科技進步獎2項以及企業科技進步獎等科技獎勵。在國內外頂級學術期刊上發表SCI/EI檢索論文100余篇，出版專著4部，授權國際發明專利2項。

擔任多個IEEE國際會議分會主席。擔任多個國際SCI期刊和國內核心期刊編委和特刊主編，曾獲年度“杰出特約主編獎”。現為中國電子學會電路與系統分會副主任，中國電機工程學會理論電工專委會委員，中國儀器儀表學會傳感器分委會委員。主要研究方向為智能電網信息物聯系統、電力物聯網及人工智能。

導語

本文提出了一種分布式能源調控系統通信網絡的傳輸時延邊界計算方法，通過建立自相似業務流量模型，利用隨機網絡演算理論將隨機服務曲線具體化，推導出分布式能源調控系統中通信業務的端到端傳輸延時邊界，有效克服了傳統基于排隊論的網絡延時計算方法僅能獲取平均延時而造成網絡控制失效的潛在風險。所提方法為精確分析不同通信體系架構的傳輸特性和分布式能源網絡化控制提供了通信層面的理論支撐。

項目研究背景

近年來，分布式可再生能源由于具備分散性、靈活性、環保性等良好特性，在能源消費結構中占比越來越重。分布式能源特有的間歇性和波動性不能保證完全地自發自用，而公共電網的集中式調控過于粗粒化，無法直接用于分布式能源系統。

隨著“互聯網+”智慧能源和現代通信技術的發展，通信網絡儼然已經成為電力系統的“中樞神經”，有助于分布式能源系統調控尺度的精細化，通信傳輸延時的可確定性和網絡控制成為保證系統穩定運行的關鍵。因此，分布式能源調控系統亟需一種完備可靠的通信時延計算方法作為保證。

論文方法及創新點

本文基于隨機網絡演算理論，首先分析分布式能源調控系統的通信網絡架構，如圖1所示。通過對分布式能源調控系統的雙向通信分析可知，系統的排隊時延依賴于流量類型以及節點設備的調度策略，如果網絡中流量過大，則會出現擁塞，致使排隊時間無法預測，成為傳輸時延不確定性的主要因素。

圖1 分布式能源調控系統通信架構圖

隨機網絡演算理論在分析單服務器系統時的模型如圖2所示，數據流A(t)經過服務S(t)后輸出數據流A*(t)。

圖2 基于隨機網絡演算理論的系統模型

從分布式能源調控系統的業務流層面上來看，常常是周期型、隨機型以及突發型這三種數據流并存，由數據流的統計特性分析可知，突發特性往往會導致系統時延抖動，使得系統產生較大的時延冗余，甚至有可能阻塞網絡，影響分布式能源調控系統的穩定性和調控任務的正常進行。

因此，突發型數據是影響整個系統時延的關鍵流量。由于大量突發性流量在聚合后呈現出自相似性，且不會隨時間尺度的放大而平滑，因此可利用α穩定自相似流量模型得到基于隨機網絡演算的流量到達模型，模擬流量與仿真流量的統計特性對比分析如圖3所示。

圖3 流量統計特性分析對比

對于分布式能源調控系統的服務模型，根據隨機網絡演算理論，將各個通信環節模塊化，抽象為由若干個服務節點串聯而成的分層級聯網絡，如下圖4所示。

節點服務模型采取加權公平排隊調度機制，將分布式能源調控系統中的多業務按照各自的時延要求劃分成特定的業務等級，并將關鍵流量設為高優先級，以便時延敏感型數據得到可靠的服務保證。

圖4 端到端傳輸鏈路模型

根據隨機網絡演算理論的數據流疊加定理和剩余服務定理，以及建立好的流量模型和服務模型，推導出分布式能源調控系統傳輸時延概率分布，以此作為時延邊界設計分布式能源調控系統最優控制器。

為了證明時延邊界的準確性和有效性，本文基于通信網絡仿真軟件建立了的分布式能源調控系統通信網絡加以仿真驗證，如圖5所示。

圖5 分布式能源調控系統通信網絡拓撲

同時，本文對比了四種場景（包含三種不同比例背景流量和鏈路故障）下的概率時延分布理論分析結果和通信網絡仿真結果，如圖6所示。

結論

本文考慮實際環境干擾因素和聚合數據流競爭服務帶來的隨機性因素，提出一種基于隨機網絡演算理論的分布式能源調控系統傳輸時延上界的計算方法。并通過計及分布式能源物理設備與通信網絡緊耦合分析模型的實驗，驗證了所提出的時延邊界數值計算結果的準確性。

基于理論研究，本文還探究了帶寬和分布式能源調控系統中節點數量對通信端到端時延邊界的影響，為構建滿足低時延高可靠性的分布式能源通信網絡設計提供了理論支撐。

引用本文

孟廣雨, 于潔瀟, 楊挺. 基于隨機網絡演算的分布式能源調控系統時延上界計算[J]. 電工技術學報, 2020, 35(11): 2360-2371. Meng Guangyu, Yu Jiexiao, Yang Ting. Upper Bound Calculation of Delay of Distributed Energy Resource Coordinated-Control System Based on Stochastic Network Calculus. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(11): 2360-2371.