区间上界保证机制的微电网数据通信无线传感器网络跨层协同控制模型与优化策略研究

The data communication for distributed and collaborative control is the key factor of optimal scheduling and economic operation in Micro-grid. Recently, employing Wireless Sensor Networks (WSNs) for Micro-grid control communication arouse wide concern in the world, especially in America, and the roadmap is also developed. Based on the research results the proposer obtained in the past few years, this applying project is aim to solve the following issues: the convergence, robustness and overhead optimization problem for WSNs synchronization protocol within the upper bound of accuracy requirement of Micro-grid communication standards, the maximum transmission delay optimization problem during the uncertain process of WSNs communication within the upper bound of Micro-grid control command requirement, and the Multiple optimization problem for quality of service of WSNs cross-layer cooperation driving by requirement of complex control communication in the processing of Micro-grid multi-mode distribution collaboration. By researching the theory of WSNs cross-layer control model and protocol, this applying project try to develop a way from layered optimal to cross-layer optimal coordination control for WSNs. Those researches enrich the achievement of satisfying high performance data communication requirement for Micro-grid collaborative control. This project has significant meaning for theory development of optimization in uncertain end-to-end process with multi-objective constraint of interval upper bound.

控制数据通信是微电网优化调度和经济运行的关键。近年来,国际上特别是美国开始关注无线传感器网络在微电网数据通信中的应用，并制定了发展规划。申请人对该领域进行了探索，在已取得的初步成果基础上申报该项目。拟通过研究有区间上界保证性机制的无线传感器网络通信服务质量跨层控制与优化的理论方法，以期解决：微电网通信标准时间同步精度区间上界约束的无线传感器网络时间同步协议算法收敛性、鲁棒性和通信开销优化问题；满足性能指标区间上界要求的无线传感器网络数据通信不确定过程端到端最大延迟时间优化问题；微电网控制通信需求驱动的无线传感器网络服务质量跨层协调控制多目标优化决策问题。该项目的研究可为无线传感器网络从分层优化向跨层协调控制优化拓展提供思路，并进一步丰富微电网多模态分布协同控制高性能数据通信应用基础理论研究成果。对有区间上界多性能指标约束的端到端不确定过程多目标寻优求解理论研究发展具有一定意义。

在有限的网络资源下，实现微电网监控设备高精度的分布协调同步，以及符合微电网多模态分布协同复杂控制动态需求的高性能通信，需要在网络拓扑架构固定的控制通信应用中，解决一类具有不确定过程和确定性服务质量性能区间上界保证性指标要求的无线传感器网络端到端多目标协调优化问题。为此，本项目开展无线传感器网络通信过程中具有区间上界保证机制的协同控制模型与优化策略研究。项目的主要研究内容包括①基于IEC61850 标准精度的无线传感器网络时间同步研究，通过粗同步和细同步两阶段同步方法，使待同步节点与基准节点时钟保持一致，并研究基于分布式卡尔曼滤波的状态估计策略，通过接收到的部分节点状态数据，估计同一时刻所有节点状态是否达到同步控制要求；②无线传感器网络端到端数据通信最大延迟时间优化研究，通过无线链路质量评估模型的物理链路预测算法，提供物理层链路质量信息，并研究基于多优先级数据竞争接入信道的MAC层协议，保证网络数据通信的最大延迟时间满足电力工业通信规范的要求；③微电网多模态分布协同复杂控制数据通信需求驱动的无线传感器网络质量控制跨层协调控制多目标优化研究，通过跨层信息交互，实现动态的路由协议算法，并且以通信需求为约束，研究无线传感器网络跨层协调控制算法。通过三年的研究工作，项目的达到了预期研究目标，取得的研究成果可为无线传感器网络服务质量的提升和未来智能电网中的应用提供了重要的理论支持和技术参考。