唐婷婷，譚大鵬

(浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點實驗室，浙江杭州310014)

0 引 言

隨著21 世紀(jì)全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對能源的需求越來越大，傳統(tǒng)的石油、煤等能源逐漸枯竭，清潔且無污染的可再生能源的發(fā)展和應(yīng)用越來越受到世界各國的廣泛關(guān)注［1-3］。20 世紀(jì)就有專家學(xué)者語言:21 世紀(jì)將是人類進(jìn)入直接使用太陽作為能源的一個新世紀(jì)。太陽能光伏發(fā)電具有清潔、環(huán)保、可再生性的特點成為世界各國發(fā)展的重點，因此由其組成的光伏微網(wǎng)具有廣闊的應(yīng)用情景［4-7］。

微網(wǎng)［8］是指由分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負(fù)荷和監(jiān)控以及保護(hù)裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)以及管理的自治系統(tǒng)，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可以離網(wǎng)運行，是智慧電網(wǎng)的重要組成部分。光伏微網(wǎng)屬于微網(wǎng)的一個分支，卻又是很重要的一部分，光伏板組件為光伏微網(wǎng)提供電能，其由幾片或幾十片光伏板組成，常年工作于露天環(huán)境，其性能的穩(wěn)定性關(guān)乎到光伏電站的穩(wěn)定運行。王成山等人［9］對實際小型光伏微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，文中提到了通過上層控制器通過RS-485 總線對光伏微網(wǎng)系統(tǒng)的性能參數(shù)進(jìn)行采集和控制。馬定宇等人［10］通過使用DSP 控制器對光伏電站進(jìn)行了遠(yuǎn)程控制，張海良等人［11］通過Modem 通信對光伏電站進(jìn)行了遠(yuǎn)程的監(jiān)控，然而只是對單個光伏電站進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控，并未對多個光伏電站進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控。盡管目前國內(nèi)外專家學(xué)者對光伏微網(wǎng)進(jìn)行了深入的研究，但是對于分布在不同區(qū)域的光伏微網(wǎng)的監(jiān)控并未見相關(guān)文獻(xiàn)的報導(dǎo)。

本研究提出一種基于小世界模型的查詢光伏板組件性能參數(shù)的策略(QueryWSN)。該策略通過單片機(jī)采集光伏板組件的性能參數(shù)，將其抽象為小世界網(wǎng)絡(luò)模型中的節(jié)點，并輔助于關(guān)聯(lián)節(jié)點，能夠降低查詢網(wǎng)絡(luò)的特征路徑長度，提高查詢的效率。基于小世界模型的查詢算法能夠?qū)崿F(xiàn)對于分布式的光伏板組件進(jìn)行全方位的監(jiān)控，是保證光伏微網(wǎng)系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)，并為光伏微網(wǎng)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 網(wǎng)絡(luò)模型和問題描述

1．1 網(wǎng)絡(luò)模型

光伏板組件是光伏微網(wǎng)系統(tǒng)的供電裝置，因此需要對光伏板組件的狀態(tài)信息進(jìn)行采集和監(jiān)控，以保證整個光伏微網(wǎng)系統(tǒng)能夠在長期無人值守的情況下連續(xù)可靠的運行。系統(tǒng)主要的監(jiān)測參量為光伏板組件的輸出電壓。遠(yuǎn)程監(jiān)控終端采用單片機(jī)為核心的監(jiān)控裝置，光伏板組件的輸出電壓經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后儲存在單片機(jī)中，同時將單片機(jī)抽象為小世界網(wǎng)絡(luò)模型的節(jié)點，并將該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)稱為單片機(jī)節(jié)點查詢網(wǎng)絡(luò)。

本研究論述的單片機(jī)節(jié)點查詢網(wǎng)絡(luò)符合下述特點:

(1)所有單片機(jī)節(jié)點均勻地部署在一個二維、邊長為h 和w 的監(jiān)控區(qū)域X 內(nèi)，X 足夠大。

(2)節(jié)點采用布爾感知模型，即每個節(jié)點的感知范圍是以節(jié)點為圓心、通信半徑R 為半徑的圓，在通信范圍內(nèi)的所有節(jié)點都可以接收到其發(fā)送的消息，否則接收不到其發(fā)送的消息。

(3)所有節(jié)點部署后不再移動，無需人為進(jìn)行看護(hù)，而且是同構(gòu)的。

(4)節(jié)點不配備GPS 等任何能夠確定節(jié)點具體地理位置、距離和方向的設(shè)備。

1．2 問題描述

單片機(jī)節(jié)點上存儲的數(shù)據(jù)(光伏板組件輸出電壓、輸出電流、溫度、風(fēng)速)稱為資源。查詢策略是某個單片機(jī)節(jié)點能夠獲得其他節(jié)點上資源的方法，屬于分布式查詢。QueryWSN 策略設(shè)計的目的是實現(xiàn)較高的查詢成功率，以便對光伏板組件進(jìn)行切實有效的監(jiān)控。難點在于:

(1)源節(jié)點不知道目標(biāo)資源的位置和方向;

(2)需要盡量實現(xiàn)較高的查詢成功率。

1．3 評價指標(biāo)

基于HELMY A．的研究成果［12-13］，本研究選取查詢成功率(query success rate)作為評價查詢策略性能的標(biāo)準(zhǔn)，其定義為:

查詢成功率=能夠查詢到的節(jié)點數(shù)量/總節(jié)點數(shù)。

2 QueryWSN 查詢策略

2．1 理論依據(jù)

QueryWSN 查詢策略的理論基礎(chǔ)為小世界網(wǎng)絡(luò)(Small World Networks)模型［14］。20 世紀(jì)60年代，美國哈佛大學(xué)的心理學(xué)家Stanley Milgram 實驗發(fā)現(xiàn)，地球上任意兩個人之間的平均距離是6，也就是說中間通過平均5 人次傳遞就可以把地球上任意兩個人聯(lián)系起來，這就是著名的六度分離推斷，這種現(xiàn)象被稱之為小世界現(xiàn)象。小世界現(xiàn)象表明，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)某種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，僅利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的局部信息就可以實現(xiàn)高效的分布式信息搜索。WS 和NW 是兩種典型的小世界模型，本研究以WS 為基礎(chǔ)設(shè)計監(jiān)控光伏微網(wǎng)的單片機(jī)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的查詢策略。

WS 模型［14］的算法實現(xiàn)為:①規(guī)則圖:一個含有n個節(jié)點的最近鄰耦合網(wǎng)絡(luò)，它們圍成一個環(huán)，其中每個節(jié)點都與它左右相鄰的各m/2 個節(jié)點相連(m 是偶數(shù)，也就是節(jié)點的度);②隨機(jī)化重連:以概率p 隨機(jī)地重新連接網(wǎng)絡(luò)中的每個邊，即將邊的一個端點保持不變，而另一個端點取為網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)選擇的一個節(jié)點。并且規(guī)定任意兩個不同節(jié)點之間至多只能有一條邊，每一個節(jié)點都不能有邊與自身相連。這樣就會產(chǎn)生pnm/2 條長程邊把一個節(jié)點和遠(yuǎn)處的節(jié)點聯(lián)系起來。

記D(i，j)為節(jié)點i 和j 之間的路徑長度，特征路徑長度L 的計算公式如下:

特征路徑長度描述了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的分離程度，即網(wǎng)絡(luò)有多小。

當(dāng)p≈0 時，L =n/2m，此時網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)規(guī)則的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。當(dāng)p=0 時，網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)完全規(guī)則的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)p=1，網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)完全隨機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1(c)所示。

當(dāng)0．001 ＜p ＜0．01 時，L =lnn/lnm，p =0．1 時網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，此時網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅與其相鄰節(jié)點存在連接，還與遠(yuǎn)處的節(jié)點建立了少量的長程連接，正是這些長程連接的存在有效地縮短了網(wǎng)絡(luò)的特征路徑長度，使得整個網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)小世界的特性。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)演變圖

單片機(jī)節(jié)點查詢網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點只能與處在通信半徑范圍內(nèi)的節(jié)點進(jìn)行通信，基本符合規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征路徑較長。如果要使單片機(jī)節(jié)點查詢網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈現(xiàn)小世界特性，需要在其中引入長程連接，以縮短網(wǎng)絡(luò)的特征路徑長度，使其網(wǎng)絡(luò)特性符合小世界模型的特征。長程連接有兩種:邏輯長程連接和物理長程連接［15］，物理連接會增加硬件的成本、系統(tǒng)的能耗以及維護(hù)成本，因此QueryWSN 策略采用邏輯長程連接。

2．2 相關(guān)定義

定義1 節(jié)點。單片機(jī)查詢網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點由單片機(jī)抽象而得，且節(jié)點具有一定的通信能力。

定義2 信息資源。單片機(jī)采集和存儲光伏板組件的狀態(tài)信息，同時節(jié)點存儲其鄰居節(jié)點的資源信息，并周期性和觸發(fā)性的方式更新節(jié)點的信息，以保證查詢資源的有效性和時效性。

定義3 鄰居節(jié)點。能夠與源節(jié)點直接進(jìn)行通信的節(jié)點，其定義為:

定義4 關(guān)聯(lián)節(jié)點最大距離r。關(guān)聯(lián)節(jié)點距離源節(jié)點的最大距離，為了避免重疊，滿足如下條件:

定義5 最大關(guān)聯(lián)節(jié)點數(shù)量N。即每個源節(jié)點可以選擇關(guān)聯(lián)節(jié)點的最大數(shù)量。

定義6 最大搜索深度D。即源節(jié)點查詢目標(biāo)資源時，搜索關(guān)聯(lián)節(jié)點級數(shù)(如關(guān)聯(lián)的關(guān)聯(lián))的最大值。

2．3 QueryWSN 查詢原理

QueryWSN 查詢策略的實現(xiàn)原理是:首先，在單片機(jī)節(jié)點網(wǎng)路中加入輔助的關(guān)聯(lián)節(jié)點(即邏輯長程連接)，使其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈現(xiàn)小世界網(wǎng)絡(luò)模型的特征，以便在單片機(jī)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中使用小世界模型;其次，利用小世界模型的小世界特征實現(xiàn)對單片機(jī)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定高效的資源查詢。基本實施步驟如下:

(1)當(dāng)某個單片機(jī)節(jié)點產(chǎn)生資源查詢請求時，執(zhí)行資源查詢機(jī)制。該節(jié)點首先檢索鄰居資源內(nèi)是否存在目標(biāo)資源(以下簡稱T)。如果存在，則查詢成功;否則，則產(chǎn)生查詢消息(以下簡稱QM)，將QM 發(fā)送到所有輔助的關(guān)聯(lián)節(jié)點。QM 中包含:源節(jié)點的ID、目標(biāo)資源T以及資源的查詢深度(以下簡稱dq)，初始時dq=0。

(2)如果QM 在傳遞過程中出現(xiàn)了斷路，則執(zhí)行路徑修復(fù)。如未修復(fù)成功則向源節(jié)點返回錯誤信息。

(3)當(dāng)關(guān)聯(lián)節(jié)點收到QM，首先執(zhí)行查詢環(huán)路與重復(fù)查詢的檢查，如果存在則拋棄QM。否則，查詢鄰居資源中是否存在T，若存在，則返回查詢結(jié)果;否則，令QM中的dq=dq+1，然后將更新后的dq轉(zhuǎn)發(fā)至其關(guān)聯(lián)節(jié)點。

(4)重復(fù)第2 步和第3 步，若查詢到目標(biāo)資源T，則查詢成功，并向源節(jié)點返回查詢結(jié)果;若dq達(dá)到D而未找到T，則向源節(jié)點返回查詢失敗的信息。

QueryWSN 查詢策略模型以及上述的相關(guān)定義的直觀描述如圖2 所示。QueryWSN 策略最重要的部分是使監(jiān)控光伏微網(wǎng)的單片機(jī)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)符合小世界網(wǎng)絡(luò)模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其實現(xiàn)方法是通過在單片機(jī)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中引入輔助的關(guān)聯(lián)節(jié)點來縮短網(wǎng)絡(luò)的特征路徑長度，使其符合小世界模型的特征，從而利用小世界的特性實現(xiàn)資源的高效查詢，實現(xiàn)過程中最重要的問題是如何選擇輔助的關(guān)聯(lián)節(jié)點。

在QueryWSN 查詢策略中，單片機(jī)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點不僅僅存儲自身采集到的光伏板組件的信息，且保存鄰居節(jié)點的資源信息，并周期性和觸發(fā)性地更新，以保證節(jié)點存儲的資源的時效性。

QueryWSN 查詢策略的查詢策略主要包括如下兩個步驟:①路徑查詢，該階段采用迭代的方法，基本原理是給定查詢的最大搜索深度，源節(jié)點在其鄰居中未查詢到目標(biāo)資源的情況下，以關(guān)聯(lián)節(jié)點的級數(shù)遞增的次數(shù)，依次查詢輔助的關(guān)聯(lián)節(jié)點的鄰居中是否存在目標(biāo)資源。②路徑回復(fù)，該階段指的是上述機(jī)制查詢到目標(biāo)資源后，將其返回到查詢信息返回到源節(jié)點的過程。

圖2 QueryWSN 查詢策略基本原理圖

輔助的關(guān)聯(lián)節(jié)點的選擇是QueryWSN 查詢策略的核心，它的前提是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點存儲其鄰居信息。選擇關(guān)聯(lián)節(jié)點的時候需要滿足的兩個條件為:①源節(jié)點的鄰居與其任意關(guān)聯(lián)節(jié)點的鄰居之間未發(fā)生重疊;②同一個源節(jié)點的不同關(guān)聯(lián)節(jié)點的鄰居之間未發(fā)生重疊。這兩個條件的實現(xiàn)可以降低系統(tǒng)的冗余度，提高查詢的效率。

3 QueryWSN 查詢策略仿真分析

本研究提出的QueryWSN 查詢策略的仿真程序的流程圖如圖3 所示。主要包括:①光伏板組件各項性能參數(shù)的搜集，即單片機(jī)節(jié)點的生成(正常工作的單片機(jī)、異常工作的單片機(jī)即目標(biāo)資源T);②選取某一塊光伏板組件某項性能參數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)中的源節(jié)點，并查詢源節(jié)點的ID 設(shè)置，即查詢消息QM 的生成;③通信半徑R、關(guān)聯(lián)節(jié)點最大距離r、最大搜索深度D、最大關(guān)聯(lián)節(jié)點數(shù)量N 的設(shè)置;④輔助的關(guān)聯(lián)節(jié)點的設(shè)置，需滿足上述的兩個條件。

本研究采用NS-2 及其擴(kuò)展程序作為仿真實驗平臺，場景的長h 和寬w 分別為400 m 和160 m，在該區(qū)域中產(chǎn)生300 個節(jié)點(即300 塊光伏板組件的性能參數(shù))，并通過隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生狀態(tài)有誤的節(jié)點(即異常工作的光伏板組件)。仿真實驗結(jié)果如圖4 所示，反映出參數(shù)選擇與查詢成功率之間的關(guān)系。生成圖4 的各曲線的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)選擇是依據(jù)文獻(xiàn)［13］的研究經(jīng)驗選取的，各曲線的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)選擇如下:①D 與查詢成功率的關(guān)系曲線:r =2R +1，R =3，N =4;②R 與查詢成功率的關(guān)系曲線:r=2R +1，D =1，N =4;③N 與查詢成功率的關(guān)系曲線:r=2R+1，D=1，R =3;④r 與查詢成功率的關(guān)系曲線:D=1，R=3，N=4。

圖3 QueryWSN 查詢策略的仿真程序流程圖

圖4 參數(shù)變化對與QueryWSN 策略查詢成功率的關(guān)系

由圖4 所示的仿真實驗結(jié)果可得出，隨著D、R 和N參數(shù)值的增大，查詢成功率迅速提高，其中D 對查詢成功率的影響最大，參數(shù)r 對查詢成功率的影響較小。

4 結(jié)束語

本研究提出的QueryWSN 查詢策略能夠成功地應(yīng)用于光伏板組件網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息查詢，屬于分布式的查詢策略，該策略通過引入輔助的關(guān)聯(lián)節(jié)點，使得單片機(jī)節(jié)點查詢網(wǎng)絡(luò)的特征路徑顯著縮短，呈現(xiàn)小世界的特性，從而提高了查詢的效率。同時，研究成果為光伏微網(wǎng)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

QueryWSN 查詢策略的優(yōu)勢在于其將關(guān)聯(lián)節(jié)點的引入使得網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本符合小世界網(wǎng)絡(luò)模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了高效的分布式信息搜索。同時，在不需要節(jié)點地理位置信息的前提下，本研究通過獲得邊節(jié)點的相對位置，提高了選擇關(guān)聯(lián)節(jié)點的質(zhì)量和搜索資源的效率。

［1］潘銘航，蘇秀蓉，王正仕．基于反激拓?fù)涞母咝侍柲芪⑿蛦渭壊⒕W(wǎng)逆變器［J］．機(jī)電工程，2013，30(4):485-488．

［2］劉楊華，吳政球，涂有慶，等．分布式發(fā)電及其并網(wǎng)技術(shù)綜述［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(15):71-76．

［3］STEEMAN R A． Photovoltaics:From Alternative Energy to Mature Industry［C］//Proceeding of the 2010 IEEE 17th International Symposium on the Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits． Singapore:［s．n．］，2010:1-4．

［4］張 淳，潘再平．逆變電源在微網(wǎng)中的控制策略［J］．機(jī)電工程，2013，30(4):472-475．

［5］NORIDZUAN I，AHMAD M O，SHAARI S． Stand-Alone Photovoltaic Power System applications in Malaysia［C］//4th International Power Engineering and Optimization Conference，PEOCO．Shah Alam:［s．n．］，2010:474-479．

［6］吳小云，顧廣娟．用戶側(cè)光伏微電網(wǎng)發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)［J］．大功率變流技術(shù)，2011(6):39-43．

［7］FUNABASHI T，YOKOYMA R． Micro grid field test experiences in Japan［C］//2006 IEEE Power Engineering Society General Meeting，PES． Montreal:［s．n．］，2006:1-2．

［8］MANOLAKOS D，PAPADAKIS G，PAPANTONIS D，et al．A stand-alone photovoltaic power system for remote villages using pumped water energy storage［J］． Energy，2009，29(1):57-69．

［9］王成山，楊占剛，武 震．一個實際小型光伏微網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］．電力自動化設(shè)備，2011，31(6):6-10．

［10］馬定宇． 基于DSP 的光伏發(fā)電遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究［D］．天津:南開大學(xué)信息技術(shù)科學(xué)學(xué)院，2010．

［11］張海良．光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和研究［D］． 秦皇島:燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，2006．

［12］HELMY A． Mobility-assisted resolution of queries in largescale mobile sensor network(MARQ)［J］．Computer Networks Joumal，2003，43(4):437-458．

［13］HELMY A． CAPTURE: Location-free contact-assisted power-efficient query resolution for sensor networks［J］．ACM SIGMOBLE Mobile Computing and Communications Review，2004，8(1):27-47．

［14］WATTS D J，STROGATZ S H． Collective dynamics of‘small-world’networks［J］． Nature，1998，393(4):440-442．

［15］SHARMA G，MAZUMDAR R． Hybrid sensor networks-A smallworld［C］//Proceedings of the 6th ACM international symposium on Mobile Ad Hoc networking and computing．Urbana2Champaign:ACM Press，2005:366-377．