一种微电网小信号稳定性分析并参数协调整定系统的制作方法

本发明属于微电网技术领域，尤其涉及一种微电网小信号稳定性分析并参数协调整定系统。

背景技术：

微电网(Micro-Grid)也译为微网，是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。微电网的提出旨在实现分布式电源的灵活、高效应用，解决数量庞大、形式多样的分布式电源并网问题。开发和延伸微电网能够充分促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，实现对负荷多种能源形式的高可靠供给，是实现主动式配电网的一种有效方式，使传统电网向智能电网过渡。然而，现有的微电网参数协调不准确，协调速度慢；同时投入电器成本高，电能利用率低，架构复杂。

由于微电网中的传感器节点经常被置于人类无法到达的恶劣环境中去感知并且传输数据，由于节点的能耗以及外部环境、攻击的因素，节点极易失效，如果大量的节点过早的死亡势必到时网络链路、拓扑的损坏，因此使无线传感器网络在具有一定鲁棒性的前提下最大限度的延长其寿命成为热点研究问题之一。鲁棒优化是近十年来发展起来的一种处理不确定参数优化问题的重要方法，充分考虑了不确定因素对节点的影响。

目前大部分路由方法在具有较强的鲁棒性，并且可以有效地延长网络生命周期。但是这些方法仍然存在以下一些缺点：

1)有些算法难于进行分布式实现，并且在考虑数据聚合时，数据在路径交叉节点进行聚合，由于传感器节点独立选择数据回传路径，路径交叉点是随机形成的，不能够实现数据的有效聚合。

2)路径选择时可能导致局部信息量过大，并且产生回路，使得局部节点能量消耗过快，严重影响网络的连通性。

3)在网络受到攻击时由于网络抗毁性较弱数据容易丢失。

基于此背景，本发明公开了一种基于蚁群算法的鲁棒优化算法，旨在能够解决现有技术限制了无线传感器网络的性能，导致能耗增加，生命周期缩短和网络延迟增大，安全性能降低，影响无线传感器网络应用性能。

无线通信和超宽带技术的迅速发展需要很宽的频带，这使得频谱越来越拥挤。为了充分利用有限频谱资源，一定的频带宽度内必须存在多种应用，满足微波电路系统对多波段多信道选频的需求。因此跳频、扩频、动态频率分配等技术得到发展，而可调滤波器作为这些技术的重要器件受到了高度重视。根据研究报道，可调滤波器的结构主要有微带、悬置线、介质谐振器、基片集成波导(SIW)等形式。可调的实现方式主要有变容二极管、PIN二极管、RF MEMS技术等。根据调谐的方式可分为：1、机械调谐；2、电调谐；3、声光调谐。根据调谐内容可以分为：1、中心频率可调滤波器；2、带宽可调滤波器；3、中心频率和带宽同时可调滤波器。

目前，国内外对可调滤波器进行了一系列研究工作，并取得了一些成果。但是，报道出来的滤波器普遍面临着以下一些缺陷：

(1)可调滤波器由于一般通过控制多阶谐振器间的耦合，对带宽进行调谐，使得带宽调谐范围很小，不能满足实际应用中对带宽调谐范围的要求。

(2)可调滤波器由于一般采用多阶谐振器结构，并且使用耦合输入输出方式等，使得滤波器的插入损耗较大。

(3)在中心频率调谐过程中通带的绝对带宽发生变化，不能满足实际应用中频率电调时绝对带宽保持恒定的要求。

(4)对中心频率或者带宽进行调谐过程中，不能保持稳定的滤波性能，主要表现在回波损耗和插入损耗时大时小，通带纹波不均匀等方面，影响了系统整体响应的稳定性。

现有的可调带通滤波器存在可调过程中插损大、绝对带宽改变、滤波特性不稳定的问题。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的微电网参数协调不准确，协调速度慢；同时投入电器成本高，电能利用率低，架构复杂。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种微电网小信号稳定性分析并参数协调整定系统。

本发明是这样实现的，一种微电网小信号稳定性分析并参数协调整定系统，所述微电网小信号稳定性分析并参数协调整定系统包括：

中央控制模块，与电网参数调整模块连接，用于调度网参数调整模块进行正常工作；所述中央控制模块通过内置有用于调度网参数调整模块运行数据中，对所述运行数据进行恒定处理的滤波器，所述滤波器为由输入微带线、输入匹配调谐网络、谐振器、输出匹配调谐网络、输出微带线依次连接组成的上层微带结构；通过输入微带线和输出微带线馈电给谐振器，输入匹配调谐网络和输出输入匹配调谐网络实现与谐振器的匹配，满足所需的外部Q值，在可调过程中保证绝对带宽不变、滤波特性稳定；输入匹配调谐网络和输出输入匹配调谐网络由变容二极管组成，分别连接输入输出微带线与谐振器；所述微带谐振器、输入微带线、输出微带线印制在带通滤波器中间层的介质基板上；

电网参数调整模块，与中央控制模块连接，用于对微电网小信号稳定性分析并参数协调整；其中，利用粒子群算法进行参数优化，协调整定；

1)在面积为S＝L×L的平面区域内，随机抛撒N个同构的无线传感器节点，其中并将网关节点SINK布置在网络中心，其坐标为(0，0)，该网关节点SINK用于接收并处理整个无线传感器网络收集的数据；

2)定义斯坦纳最小树，斯坦纳最小树包括斯坦纳节点，所述斯坦纳节点中子节点可以连接的其他节点；

3)对网络中的恶意攻击节点进行检测；

4)根据步骤2)-3)并考虑能量E_ij、传输距离d_ij、信道安全B_ij、k值综合因素更新粒子群算法公式；

5)按照步骤3)-4)建立好熟的路径之后进行数据传输，树中子节点将其收集到的数据传送给父节点，父节点对其收集到的数据以及子节点发送到的数据进行聚合操作，然后将汇聚到的数据传送给自己父节点直至Sink节点；

6)运行一段周期后按照步骤(3)-(5)进行树的自适应维护更新，继续进行数据的传送；

7)重复步骤(3)-(6)直至无线传感器网络中出现一定比例的节点能量耗尽，网络生命周期结束。

所述中央处理器接收的时频重叠信号的表达式如下：

y(t)＝x₁(t)+x₂(t)+L x_p(t)+n(t)；

其中x_i(t)表示第i个分量信号，p为分量信号个数，n(t)表示高斯噪声信号，y(t)表示接收的时频重叠信号，其三阶累积量的表达式如下：

C_3y(τ₁,τ₂)＝E[y(t)y(t+τ₁)y(t+τ₂)]

其中，τ₁，₂τ为两个不同时延；由三阶累积量的性质，高斯噪声的三阶累积量恒等于零，上式可以表示为：

令即C_3y(τ₁,τ₂)＝C_3x(τ₁,τ₂)；

对C_3y(τ₁,τ₂)进行二次傅里叶变换可得到时频重叠信号的双谱B_3y(ω₁,ω₂)：

B_3y(ω₁,ω₂)＝B_3x(ω₁,ω₂)＝X(ω₁)X(ω₂)X^*(ω₁+ω₂)；

其中，ω₁，ω₂为两个不同频率。

进一步，

步骤2)中所述的斯坦纳最小树在欧式平面上，每颗斯坦纳最小树T都满足以下三个性质：

A.任意两条相邻边形成的夹角至少为120°；

B.每个顶点的度数最多是3；

C.每个斯坦纳点的度数恰为3，而且两条相邻边之间的夹角恰为120°；

步骤2)中所述斯坦纳节点采用减小邻居数量k值方法，减小算法计算量；

步骤3)中所述的而恶意攻击节点为节点v_i的投票值与本身的贝叶斯投票均值WR(v_i)的差值超过一定的阈值，即：|WR(v_i)-v_i_voting|>Threshold；

步骤4)中所述更新蚁群算法公式采取的方法为：将蚁群算法蚂蚁寻路概率公式：中的η_ij改进为：

步骤5)所述的父节点将收集到的数据与自己感知的数据进行数据聚合，是父节点将自己感知的数据和子节点发送来的数据合并成一个数据包。

进一步，所述输入微带线和输出微带线均为50Ω微带线；

所述谐振器由二分之一波长微带线加载T型开路枝节，其中二分之一波长微带线两端分别加载第一变容二极管和第二变容二极管；T型开路枝节的水平微带线的两端分别加载第三变容二极管和第四变容二极管；

所述输入微带线和谐振器之间设置输入匹配调谐网络，输入匹配调谐网络是由第一变容二极管和第五变容二极管组成；

所述谐振器和输出微带线之间设置输出匹配调谐网络，输出匹配调谐网络是由第二变容二极管和第六变容二极管组成；

所述第一变容二极管、第二变容二极管、第三变容二极管、第四变容二极管、第五变容二极管和第六变容二极管均设置偏置电路；

所述输入微带线与谐振器之间分别加载第一隔直电容和第五变容二极管；所述谐振器与输出微带线之间分别加载第六变容二极管和第二隔直电容；五变容二极管和第一隔直电容，第六变容二极管和第二隔直电容通过边长为0.7mm的方形微带贴片级联而成。

进一步，所述微电网小信号稳定性分析并参数协调整定系统进一步包括：

分布式发电模块，与电能变换模块连接，用于产生电能，并将产生电能发送给电能变换模块；

电能变换模块，与分布式发电模块、电源管理模块连接，用于接收分布式发电模块产生的电能，并将接收到的电能转化为稳定的直流电压输出到电源管理模块；

电源管理模块，与电能变换模块、储电模块、中央控制模块连接，用于控制储电模块的充电及放电，并给中央控制模块供电；

无线通信模块，与中央控制模块连接，用于将中央控制模块控制信息通过无线形式发送给工作人员；实现远程控制操作；

异常报警模块，与中央控制模块连接，用于对电网异常数据信息进行报警；

储电模块，与中央控制模块连接，用于对分布式发电模块产生的电能进行存储，并供电。

进一步，电网参数调整模块调整方法如下：

首先，建立需要参数优化设计的微电网的数学模型，包括网络及负荷小信号模型和逆变器小信号模型；

其次，用根轨迹法先确定微电网中各个参数，作为粒子群算法的初始值；

接着，通过特征值进行灵敏度分析，确定主导参数；

然后，确定各参数的取值范围或各参数间的数学关系，作为运用粒子群算法求解过程中的约束条件；

最后，在确定了初值、需要优化的参数和约束条件的基础上，利用粒子群算法进行参数优化，协调整定。

本发明的优点及积极效果为：本发明通过电网参数调整模块不仅可以快速准确、具有协调性地确定各个参数，还可以根据稳定性要求和参数约束，灵活地调整目标函数和边界条件，大大缩短了工作时间，提高了效率；同时本发明采用全直流输出给电器设备供电，电器设备无需设计整流桥电路和功率因素校正电路或者无需配备额外的适配器，降低了电器设备的成本，并且提升了电能的利用率；可以采用更细的电力传输线，系统成本降低。本发明架构简单、更加微小化，适用于家庭使用，以及适用于未架设电网的偏远地区使用。

本发明在多跳的无线传感器网络中对粒子群算法进行了更进一步的改善，综合考虑了距离因素、剩余能量因素以及网络安全等因素，因此在均衡网络能耗的同时拥有更强的鲁棒性，更重要的是具有很好的可扩展性。

本发明动态的维护了树的结构，并且对最优维护轮数进行了实验，能更好的均衡能量的消耗。并且在维护树的过程中以每个节点的负载作为更新的依据，这样就可以更好的提高网络的性能。

本发明在完全符合无线传感器通信特征的前提下，没有涉及有线链路、移动节点的条件，因此使得本发明可在不提高网络构建、维护、通信成本的前提下提高网络的性能。

本发明提供的基于SLR结构的频率和带宽全可调带通滤波器，上层采用微带结构；采用使T型开路枝节两端的变容二极管对称放置方式，共用接地孔和偏置电路，减少直流控制电路，使其控制简单；谐振器与输入输出线间的恒值电容起隔直的作用；谐振器的二分之一波长微带线和T型枝节进行合适的弯折，减小了尺寸，整体呈对称结构；实现了频率和带宽的全可调，在较宽范围的频率可调过程中绝对带宽保持恒定，在较宽范围的带宽可调过程中中心频率保持恒定，保证频率可调过程中滤波特性稳定。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明采用微带结构，设计紧凑，加工简单，成本低廉，易于集成。

本发明在带宽调谐过程中，中心频率保持不变，绝对带宽调节范围为150MHz-450MHz，实现了宽范围带宽可调。

本发明电调滤波器在比较宽的中心频率调谐范围内，滤波器特性非常稳定，插入损耗保持在0.95dB左右，回波损耗保持在25dB左右。

本发明滤波器在比较宽的中心频率调谐范围内，绝对带宽仍可基本保持恒定，满足对于绝对带宽不变的要求。

本发明采用在谐振器与输入输出端之间加载输入输出匹配调谐网络，方便灵活的调谐馈电网络与谐振器间的阻抗匹配，提供可调谐的外部Q值，满足频率、带宽可调时对匹配的要求。

能根据实际需求进行自适应改进，通过改变谐振器长度、变容二极管的型号来调节谐振工作频段，满足不同频段通信标准的需求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的微电网小信号稳定性分析并参数协调整定系统结构图。

图中：1、分布式发电模块；2、电能变换模块；3、电源管理模块；4、中央控制模块；5、无线通信模块；6、电网参数调整模块；7、异常报警模块；8、储电模块。

图2是本发明实施例提供的滤波器原理图。

图3是本发明实施例提供的匹配调谐网络示意图。

图4是本发明实施例提供的匹配调谐网络等效电路示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的微电网小信号稳定性分析并参数协调整定系统包括：分布式发电模块1、电能变换模块2、电源管理模块3、中央控制模块4、无线通信模块5、电网参数调整模块6、异常报警模块7、储电模块8。

分布式发电模块1，与电能变换模块2连接，用于产生电能，并将产生电能发送给电能变换模块2；

电能变换模块2，与分布式发电模块1、电源管理模块3连接，用于接收分布式发电模块1产生的电能，并将接收到的电能转化为稳定的直流电压输出到电源管理模块3；

电源管理模块3，与电能变换模块2、储电模块8、中央控制模块4连接，用于控制储电模块的充电及放电，并给中央控制模块4供电；

中央控制模块4，与电源管理模块3、无线通信模块5、电网参数调整模块6、异常报警模块7、储电模块8连接，用于调度各个模块进行正常工作；

无线通信模块5，与中央控制模块4连接，用于将中央控制模块4控制信息通过无线形式发送给工作人员；实现远程控制操作；

电网参数调整模块6，与中央控制模块4连接，用于对微电网小信号稳定性分析并参数协调整；

异常报警模块7，与中央控制模块4连接，用于对电网异常数据信息进行报警；

储电模块8，与中央控制模块4连接，用于对分布式发电模块1产生的电能进行存储，并供电。

所述中央处理器接收的时频重叠信号的表达式如下：

y(t)＝x₁(t)+x₂(t)+L x_p(t)+n(t)；

其中x_i(t)表示第i个分量信号，p为分量信号个数，n(t)表示高斯噪声信号，y(t)表示接收的时频重叠信号，其三阶累积量的表达式如下：

C_3y(τ₁,τ₂)＝E[y(t)y(t+τ₁)y(t+τ₂)]

其中，τ₁，₂τ为两个不同时延；由三阶累积量的性质，高斯噪声的三阶累积量恒等于零，上式可以表示为：

令即C_3y(τ₁,τ₂)＝C_3x(τ₁,τ₂)；

对C_3y(τ₁,τ₂)进行二次傅里叶变换可得到时频重叠信号的双谱B_3y(ω₁,ω₂)：

B_3y(ω₁,ω₂)＝B_3x(ω₁,ω₂)＝X(ω₁)X(ω₂)X^*(ω₁+ω₂)；

其中，ω₁，ω₂为两个不同频率。

本发明提供的电网参数调整模块6调整方法如下：

首先，建立需要参数优化设计的微电网的数学模型，包括网络及负荷小信号模型和逆变器小信号模型；

其次，用根轨迹法先确定微电网中各个参数，作为粒子群算法的初始值；

接着，通过特征值进行灵敏度分析，确定主导参数；

然后，确定各参数的取值范围或各参数间的数学关系，作为运用粒子群算法求解过程中的约束条件；

最后，在确定了初值、需要优化的参数和约束条件的基础上，利用粒子群算法进行参数优化，协调整定。

本发明工作时，由分布式发电模块1产生电能，并将产生电能发送给电能变换模块2；电能变换模块2接收分布式发电模块1产生的电能，并将接收到的电能转化为稳定的直流电压输出到电源管理模块3；通过电源管理模块3控制储电模块8的充电及放电，并给中央控制模块4供电；通过中央控制模块4调度各个模块进行正常工作；工作人员通过无线通信模块5控制中央控制模块4；通过电网参数调整模块6对微电网小信号稳定性分析并参数协调整；如果电网异常通过异常报警模块7进行报警。

下面结合具体分析对本发明作进一步描述。

如图2，本发明的中央控制模块，与电网参数调整模块连接，用于调度网参数调整模块进行正常工作；所述中央控制模块通过内置有用于调度网参数调整模块运行数据中，对所述运行数据进行恒定处理的滤波器，所述滤波器为由输入微带线、输入匹配调谐网络、谐振器、输出匹配调谐网络、输出微带线依次连接组成的上层微带结构；通过输入微带线和输出微带线馈电给谐振器，输入匹配调谐网络和输出输入匹配调谐网络实现与谐振器的匹配，满足所需的外部Q值，在可调过程中保证绝对带宽不变、滤波特性稳定；输入匹配调谐网络和输出输入匹配调谐网络由变容二极管组成，分别连接输入输出微带线与谐振器；所述微带谐振器、输入微带线、输出微带线印制在带通滤波器中间层的介质基板上；

电网参数调整模块，与中央控制模块连接，用于对微电网小信号稳定性分析并参数协调整；其中，利用粒子群算法进行参数优化，协调整定；

1)在面积为S＝L×L的平面区域内，随机抛撒N个同构的无线传感器节点，其中并将网关节点SINK布置在网络中心，其坐标为(0，0)，该网关节点SINK用于接收并处理整个无线传感器网络收集的数据；

2)定义斯坦纳最小树，斯坦纳最小树包括斯坦纳节点，所述斯坦纳节点中子节点可以连接的其他节点；

3)对网络中的恶意攻击节点进行检测；

4)根据步骤2)-3)并考虑能量E_ij、传输距离d_ij、信道安全B_ij、k值综合因素更新粒子群算法公式；

5)按照步骤3)-4)建立好熟的路径之后进行数据传输，树中子节点将其收集到的数据传送给父节点，父节点对其收集到的数据以及子节点发送到的数据进行聚合操作，然后将汇聚到的数据传送给自己父节点直至Sink节点；

6)运行一段周期后按照步骤(3)-(5)进行树的自适应维护更新，继续进行数据的传送；

7)重复步骤(3)-(6)直至无线传感器网络中出现一定比例的节点能量耗尽，网络生命周期结束。

步骤2)中所述的斯坦纳最小树在欧式平面上，每颗斯坦纳最小树T都满足以下三个性质：

A.任意两条相邻边形成的夹角至少为120°；

B.每个顶点的度数最多是3；

C.每个斯坦纳点的度数恰为3，而且两条相邻边之间的夹角恰为120°；

步骤2)中所述斯坦纳节点采用减小邻居数量k值方法，减小算法计算量；

步骤3)中所述的而恶意攻击节点为节点v_i的投票值与本身的贝叶斯投票均值WR(v_i)的差值超过一定的阈值，即：|WR(v_i)-v_i_voting|>Threshold；

步骤4)中所述更新蚁群算法公式采取的方法为：将蚁群算法蚂蚁寻路概率公式：中的η_ij改进为：

步骤5)所述的父节点将收集到的数据与自己感知的数据进行数据聚合，是父节点将自己感知的数据和子节点发送来的数据合并成一个数据包。

所述输入微带线和输出微带线均为50Ω微带线；

所述谐振器由二分之一波长微带线加载T型开路枝节，其中二分之一波长微带线两端分别加载第一变容二极管和第二变容二极管；T型开路枝节的水平微带线的两端分别加载第三变容二极管和第四变容二极管；

所述输入微带线和谐振器之间设置输入匹配调谐网络，输入匹配调谐网络是由第一变容二极管和第五变容二极管组成；

所述谐振器和输出微带线之间设置输出匹配调谐网络，输出匹配调谐网络是由第二变容二极管和第六变容二极管组成；

所述第一变容二极管、第二变容二极管、第三变容二极管、第四变容二极管、第五变容二极管和第六变容二极管均设置偏置电路；

所述输入微带线与谐振器之间分别加载第一隔直电容和第五变容二极管；所述谐振器与输出微带线之间分别加载第六变容二极管和第二隔直电容；五变容二极管和第一隔直电容，第六变容二极管和第二隔直电容通过边长为0.7mm的方形微带贴片级联而成。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。