網絡理論在光伏充電站智能通信網絡優化中的應用

馬璐瑤，尹晨旭

（1.華北電力大學電氣與電子工程學院，河北 保定071003；2.武漢大學電氣工程學院，湖北 武漢430072）

0 前 言

近年來，尋找可再生清潔能源成為人們研究的焦點，電動汽車的應用也是其中一個重要方面。本文設計了光伏儲能、電動汽車充電站的監控系統，對其框架進行優化。

網絡圖論在電力系統中應用比較廣泛，如對于系統網絡的圖論優化，電力電子器件的優化等。本文通過網絡理論實現監控系統信息量的計算，對于監控框架的優化設計，有重要幫助。

如何使監控系統保持信息最大化、經濟化、智能化流通是本文的工作重點。本文討論未來光伏儲能、電動汽車充電站［1］的監控系統，通過計算、分析監控系統的信息量及穩定性，進行比較，進而準確、快速地得出最優框架。

1 光伏儲能、電動汽車充電站的監控系統介紹

1.1 光伏儲能、充電站整體框架

如圖1所示，光伏儲能、電動汽車充電站是光伏與電網協調配合對電動汽車進行充電。本充電站在使用清潔能源對電動汽車充電的基礎之上可以與電網協調配合實現“削峰填谷”的作用，符合智能電網的要求。

圖1 光伏儲能、充電站整體結構［2］

1.2 通信監控框架

根據光伏儲能、充電站的設計要求，本通信監控系統設計如圖2。

該通信監控系統分為兩層結構：

第一層：數據服務器、WEB服務器、監控主機。

第二層：配電網監控系統、光伏監控系統、充電機監控系統、煙霧監控系統、視頻監控系統。

1.3 通信監控系統的功能

監控所有充電機的運行數據、故障報警信號；監控所有充電電池組的單體電池電壓、溫度；提供充電機遠程控制功能，設置運行參數、編號等；提供所有充電機緊急停機功能‘獲得充電容量等數據’開關機、修改電池管理系統‘保證充電站正常運行。

圖2 監控系統框架［3］

2 網絡理論在通信監控系統中的應用

首先，本通信監控系統是由連接在一起的許多兩端元件組成的。拋開元件本身的屬性，一個系統可以用一個圖來表示、描述。具體地，連接處就是節點，連接線段就是支路樹枝或者連支。

若各個回路中傳輸的信息量已確定，則該系統的參數也就定了?，F在的問題是如何選擇回路，從而使該電路的參數由這些回路中的信息量所確定—這就要用到網絡理論［4］中“樹”和“余樹”的概念。在系統對應的圖中選定一棵樹，然后相應地定出所謂“基本回路”［5］。基本回路就是指回路中含且僅含一個連支，其余均為樹枝。構成監控系統的幾種有向圖分別為環狀、輻射狀、樹狀及復合狀。

其各個形狀的有向圖如圖3～圖7所示。有向圖中的有向線段標注如下：1代表監控主機；2代表WEB服務器；3代表數據服務器；4代表配電網子系統；5代表光伏監控子系統；6代表充電機監控子系統；7代表煙霧監控子系統；8代表視頻監控子系統；后文中提到的有向圖有向線段標注同本圖。

圖3 環狀有向圖

圖4 輻射狀有向圖

圖5 鏈狀有向圖

圖6 樹狀有向圖

圖7 復合狀有向圖

3 光伏充電站智能通信網絡優化方法

相關定理判據如下。

連通度：當連通圖不是完全圖時，定義G（點）的連通度K（G）為點數最少的頂點割集中點的數目。如圖8連通度為1。

則稱G是k－連通。

圖8 有向圖

弧容量：考慮一個有向網絡，它由簡單連通有向圖D＝（V，A）以及在D的弧集A上定義的非負權函數c構成。在從頂點i到頂點j的?。╥，j）上，c的值記為cij，稱為?。╥、j）的容量。如圖8中的cij。

割容量：割中所有弧的容量稱為割容量。

源集、匯集和中間點：選定V的兩個不相交的非空點集合X和Y，分別稱為網絡的源集和匯集。X為源，如圖8中的點a、b、c；Y 為匯，如圖8中的點i、j、k。除去X和Y余下的點記為I，I中的點成為網絡的中間點，如圖8中的點d、e、f、g、h，這樣一個網絡稱為運輸網絡。

弧的流：現在考慮一個網絡稱為運輸網絡N，它的弧集為A。對于每條弧（i，j）指定一個非負數fij稱為?。╥，j）的流（表示從i到j 的“流量“），如圖8中fij。若fij＝Cij則稱?。╥，j）是飽和的。

容量限制：每條弧的流不超過這條弧的容量，即

守恒條件：從任何一個中間點出發的所有弧的流值和等于進入該點的所有流之和，即

源s的凈流出量為

式中，w（f）稱為流f的值。

最大割最小流定理：在運輸網絡中最大流的值等于最小割的值。

經濟性：整個系統成本的高低由計算搭建系統線路的多少決定。

穩定性：指整個系統運行是否穩定。

4 算例分析

假設各個子系統的傳輸數據量相等且為m，下面對其連通度、信息量、經濟性和穩定性進行分析，其分析數據如表1。

表1 連通度、信息量、經濟性和穩定性分析

（1）環狀圖

把圖1中的監控系統做出如圖3的有向圖，每一段有向線段代表對應的監控子系統，環狀系統相當于把各個子系統首尾相接進行信息通信。由圖可見信息的傳遞為單向數據進行控制、反饋。

連通度：本有向圖為環狀，根據公式（1）本有向圖的最小割點數為1，即連通度為1。

割容量：本有向圖根據最小割定義計算割容量為2m。

經濟性：本有向圖使用的通信線路為8條，經濟性較好。

穩定性：由于單向傳輸如子系統發生故障整個系統癱瘓，穩定性較差。

（2）輻射狀圖

把圖1的監控系統做出如圖4的有向圖，信息通過上面的三個主系統發送控制到下面五個子系統，下面五個子系統接受控制并提供反饋。

連通度：本有向圖為輻射狀，根據公式（1）本有向圖為平凡圖，即連通度為0。

割容量：本有向圖根據最小割定義計算割容量為8m。

經濟性：本有向圖使用的通信線路為8條，經濟性較好。

穩定性：由于單向傳輸如主系統發生故障使整個系統癱瘓，穩定性較差。

（3）鏈狀圖

鏈狀圖把圖1的監控系統做出圖5的有向圖，信息通過主系統逐級傳遞最終傳遞到子系統。

連通度：根據公式（1）連通度為0。

割容量：本有向圖根據最小割定義計算割容量為m。

經濟性：本有向圖使用的通信線路為8條，經濟性較好。

穩定性：由于單向傳輸如主系統發生故障使整個系統癱瘓，穩定性較差。

（4）樹狀圖

樹狀圖的情況同輻射狀相似。

（5）復合狀圖

把圖1轉換成圖7的有向圖，本圖在輻射狀的有向圖進行改進使主控制系統中有信息聯系。

連通度：本有向圖為復合狀，根據公式（1）本有向圖主系統為一完全圖，因此主系統的最小割點數為2，連通度為2。

割容量：本有向圖根據最小割定義計算割容量為8m。

經濟性：本有向圖使用的通信線路為10條，經濟性一般。

穩定性：由于本系統采用復合式連接，當系統線路發生通信故障時主系統可通過相互聯系保持系統運行，穩定性較好。

因此復合式連接系統為最優。

5 結 論

本文通過對監控系統的連通度、割容量、經濟性及穩定性的計算和分析得出最終結論。采用網絡理論設計的通信系統可以更好地保證設計的穩定性、科學性和經濟性。網絡理論設計方法清晰、規范，大大提高了通信系統設計的效率和準確性。

［1］ 郭 棟.淺談電動汽車充電站［J］.科技情報開發與經濟，2010，20（12）：211－212.

［2］ Diego M，Robalino.Design of a Docking Station for Solar Charged Electric and Fuel Cell Vehicles［C］.International Conference on Clean Electrical Power，Italy，2009.

［3］ 騰樂天，將久春，何維國.電動汽車充電機（站）設計［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［4］ 卜月華.圖論及其應用［M］.南京：東南大學出版社，2002.

［5］ 張正寅.網絡圖倫［M］.北京：國防工業大學出版社，1993.

［6］ 蘭家隆，劉 軍.應用圖論及算法［M］.成都：電子科技大學出版社，1995.