MATLAB与控制系统仿真实践
MATLAB与控制系统仿真实践,适合学习自动制方向的用MATLAB进行仿真的人士学习和参考内容简介本书以 MATLAB R2007a为仿真平台,以清新、简洁的风格介绍了 MATLAB语言基础及基于 MATLAB的控制系统仿真。本书在结构上包括上下两篇共17章。上篇介绍 MATLAB语言基础,并简要介绍了 MATLAB GUI程序设计和 MATLAB的混合编程知识,共7章;下篇介绍控制系统的 MATLAB仿真,并提供了两个课程设计实例供学习参考,共10章全书结构清晰,内容翔实,图文并茂,以丰富的实例突岀实践性,通过紧密联系实际突出实用性。本书可作为自动控制等相关专业的教学参考用书,也可作为相关领域工程技术人员和研究人员的参考资料。书中 MATLAB语言的介绍较为全面,可供 MATLAB语言入门者学习参考。书中所给综合实例则对相关课程设计、毕业设计等有重要参考价值图书在版编目(CIP)数据MATLAB与控制系统仿真实践/赵广元编著.一北京北京航空航天大学出版社,2009.8( MATLAB开发实例系列图书)ISBN978-7-81124-787-9Ⅰ.M…·Ⅱ.赵…Ⅲ.①自动控制系统一计算机辅助计算一软件包, MATLAB7.4—教材②自动控制系统一计算机仿真一软件包, MATLAB7.4—教材Ⅳ.TP273TP391.9中国版本图书馆CIP数据核字(2009)第073080号MATLAB与控制系统仿真实践赵广元编著责任编辑陈守平刘亚军北京航空航天大学出版社出版发行北京市海淀区学院路37号(100191)发行部电话:(010)82317024传真:(010)82328026http://www.buaapress.comcnE-mail:bhpress@263.net北京市印刷有限公司印装各地书店经销开本:787mm×1092mm1/16印张:20字数:512千字2009年8月第1版2009年8月第1次印刷印数:5000册ISBN978-7-81124-787-9定价:34.00元前言MATLAB被称为 The Language of Technical computing,它面向理工科不同领域,功能强大、使用方便,而更大的优点在于它的高度开放性。正因如此, MATLAB在理工多个学科的仿真中成为首选工具。作者结合“ MATLAB语言与控制系统仿真”的教学实践与研究成果,以 MATLAB R2007a为系统仿真平台,以清新、简洁的风格编写了本书。1.本书结构与内容安排本书在结构上包括上下两篇。上篇为 MATLAB语言基础,共7章;下篇为控制系统的MATLAB仿真,共10章。上篇主要内容有: MATLAB环境认识与操作, MATLAB语言数据类型和运算符等基础知识, MATLAB的数学运算与符号运算, MATLAB语言的程序设计, MATLAB语言的二维图形、三维图形和符号函数的绘制等绘图基础。同时,以基于GUⅠ设计工具 GUIDE的开发为例简要介绍了 MATLAB GUI程序设计,初步介绍了 MATLAB的混合编程知识,并给出了应用 MATLAB Builder for Java进行混合编程的实例。下篇主要内容有:自动控制及其仿真概述;对 MATLAB仿真集成环境— Simulink的较全面介绍,包括基本操作与设置、子系统及封装技术和S函数的编写等高级应用;基于MATLAB的控制系统数学建模包括了不同函数模型的建立及各种系统模型之间的转换,方框图模型的连接化简等;分别从直接判定和图解判定两方面来进行控制系统的稳定性分析;对控制系统的时域分析分别从动态性能指标和稳态性能指标的分析岀发进行描述;对控制系统的根轧迹分析及基于根轨迹的系统校正;对控制系统的频域分析与基于频域法的校正;控制系统的PID控制器设计主要包括了PI控制器的作用分析及设计举例;非线性控制系统分析中首先给出了非线性特性模块的构建举例,之后分别对使用相平面法和描述函数法进行了仿真分析。各章的原理要点起提纲作用,也供回顾之用;同时对所使用的 MATLAB函数给出简明用法说明。最后一章以两个课程设计综合实例演示了实践教学中 MATLAB的系统仿真应用。2.本书的特点本书结构清晰,内容翔实,图文并茂,并突出以下三点:第一,适当扩展介绍 MATLAB。上篇对 MATLAB的介绍除尽可能满足控制系统仿真需要,直接为下篇做铺垫外,作为扩展还简要介绍了 MATLAB GUⅠ程序设计和 MATLAB的混合编程知识,这有利于读者更全面地认识 MATLAB。学生在其他课程的学习、参加竞赛以及毕业设计等活动中主动应用了这两部分内容,证明以适当的篇幅进行 MATLAB的扩展介绍是必要和有效的。第二,以丰富的实例突出实践。通篇以大量实例展示 MATLAB操作及其在控制系统仿真中的应用。各章中避免太多理论的重复讲解,而仅适当地对自动控制原理的已有结论作简要介绍。对于不同例题的分析有助于引导读者对自动控制原理的深入理解,避免仅作函数的使用介绍与举例。建议读者在使用本书时最好手头有一本自动控制原理的教材作参考第三,紧密联系实际突出应用。通过课程设计综合实例的介绍,突出仿真的实际应用,达到将书本知识与实际系统设计联系起来的目的。这两篇课程设计报告源于学生课程设计的优秀作品,经进一步整理完善而形成3.本书的适用对象本书可作为自动控制、机电一体化、计算机仿真等专业的大专院校学生和研究生的教学参考用书,也可作为自动控制相关领域工程技术人员和研究人员的参考资料。本书对 MATLAB语言的介绍较为全面,也可供学习使用 MATLAB语言参考。书中所给综合实例则对相关课程设计、毕业设计等有重要参考价值4.致谢本书成稿过程中,在结构安排方面得到陕西师范大学傅钢善教授的指点。对傅老师的指点与鼓励表示诚挚的谢意本书成稿后,东北大学人工智能与机器人硏究所潘峰博士仔细阅读了主体内容,提岀了诸多宝贵意见。作者已按照其意见进行了修改。在此表示感谢本书是西安邮电学院课程建设项目(院教[2007]26号)的部分成果。本门课程于2009年被评为校级优秀课程。这里对课程建设小组其他成员的不懈努力表示感谢,对教务处的大力支持表示感谢感谢西安邮电学院信息与控制系主任范九伦教授的鼓励与大力支持,感谢自动化实验室全体老师的无私帮助。本书编写过程中,郑祺、魏美荣、张爱妮等做了部分仿真实验工作,马宏宇、白建华、赵晓莉等做了大量资料查阅、文字校对工作,对他们的辛勤付出表示感谢最后特别感谢妻子马泓波博士的全力支持书中所有程序的源代码可在北京航空航天大学出版社(htp:/www.buaapres.com.cn/)下载中心下载。同时,北京航空航天大学出版社联合MATLAB中文论坛(http://wwwiLoveMatlab.cn)为本书设立了在线交流版块,网址http://www.ilOveMatlab.cn/forum156-1.html,有问必答!作者会第一时间在 MATLAB中文论坛勘误,也会根据读者要求陆续上传更多案例和相关知识链接,还会随着 MATLAB版本的升级增添必要的内容以满足读者的需求。希望这本不断“成长”的书能最大限度地解决您在学习、研究、工作中遇到的MATLAB控制系统仿真相关问题由于作者水平有限,加之时间仓促,书中的不足与疏忽之处,敬请读者批评指正编者2009年5月目录上篇 MATLAB语言基础第1章 MATLAB环境认识与操作1.1 MATLAB环境认识1.1.1命令窗口33351.1.2命令历史记录窗口1.1.3工作空间…1.1.4帮助窗口……………………………………………………………………………81.1.5图形窗口101.1.6编辑/调试窗口111.2 MATLAB notebook及其使用…111.2.1 MATLAB Notebook的启动121.2.2 Notebook的菜单命令…121.2.3输出单元的格式控制131.2.4使用M-book模板的技巧14本章小结14第2章 MATLAB语言基础152.1 MATLAB语言的常量与变量鲁·2.1.1 MATLAB语言的常量2.1.2 MATLAB语言的变量162.2 MATLAB语言的运算符……172.2.1算术运算符…172.2.2关系运算符172.2.3逻辑运算符…………………………………172.3 MATLAB语言的数据类型…2.3.1 MATLAB语言的数据类型概述8882.3.2稀疏矩阵2.3.3单元数组222.3.4结构数组252.4 MATLAB语言的基本语句结构………………………………………………284.1直接赋值语句282.4.2调用函数语句29本章小结29第3章 MATLAB的数值运算与符号运算基础3.1数组与矩阵的基本操作…···鲁··,鲁·,·,·,··鲁·鲁…303.1.1数组与矩阵的输入……………303.1.2数组与矩阵元素的操作343.1.3数组与矩阵的输出………………3.2 MATLAB的基本数值运算∴373.2.1算术运算3.2.2关系运算3.2.3逻辑运算433.2.4运算优先级443.3 MATLAB的基本符号运算453.3.1符号运算基本函数453.3.2符号代数方程求解463.3.3符号微积分运算483.3.4 Laplace变换及其反变换、Z变换及其反变换49本章小结∴51第4章 MATLAB语言的程序设计524.1 MATLAB语言的流程结构524.1.1if,else和 elseif组成的条件转移结构…524.1.2 switch,case和 otherwise组成的开关结构534.1.3 while/for循环结构544.1.4try和 catch组成的试探结构544.1.5 MATLAE程序设计举例554.2 MATLAB函数的编写584.2.1 MATLAB函数基本结构……···.··..·;···.····4.2.2 MATLAB函数编写举例3 MATLAB程序设计中的一些问题本章小结……∴65第5章 MATLAB语言的绘图基础665.1二维图形的绘制661.1绘制二维图形的基本函数及示例66图形的修饰及示例5.1.3多图绘制函数及示例特殊应用二维图形的绘制5.2三维图形的绘制805.2.1三维图形绘制函数805.2.2三维图形绘制举例805.3图形的图形化编辑………825.4符号函数绘制图形835.4.1符号函数绘制图形的函数及示例………835.4.2符号函数的图形化绘制方式84本章小结·鲁85第6章 MATLAB GUI程序设计初步866.1GUI设计工具 GUIDE简介866.1.1 GUIDE的启动866.1.2GUI界面的创建6.2GUI程序设计示例876.2.1“ Hello world”程序的设计曹·,·非876.2.2控制系统典型环节的演示程序…………………………………………………89本章小结94第7章 MATLAB的混合编程初步…………957.1 MATLAB的混合编程形式简述957.2常用 MATLAB混合编程方法957.2.1使用 MATLAB的 MATLAB Compiler957.2.2利用 MATLAB引擎( MATLAB Engine)967.2.3利用 ActiveX技术967.2.4利用MAT文件967.2.5使用MEX文件977.2.6利用 MatrixVB实现与 Visual basic的混合编程977.2.7利用 MATLAB Builder系列工具∴977.3示例— MATLABG Builder forJava应用987.3.1生成魔方矩阵的演示程序……987.3.2输出函数曲线的演示程序102本章小结…………∴…105下篇控制系统的 MATLAB仿真第8章自动控制及其仿真概述8.1自动控制系统概述8.1.1自动控制系统的基本形式及特点8.1.2自动控制系统的分类1108.1.3对自动控制系统的要求及性能评价8.2控制系统仿真概述8.2.1仿真的基本概念……………………………………………………………1108.2.2仿真的不同分类1118.2.3仿真技术的应用及发展1128.2.4计算机仿真的要素及基本步骤1132.5控制系统仿真软件本章小结….114第9章 MATLAB的仿真集成环境—— Simulink∴1159.1 Simulink概述……1159.2 Simulink的基本界面操作………1159.3 Simulink的功能模块及其操作1179.3.1 Simulink的功能模块9.3.2功能模块的基本操作1219.3.3功能模块的连接操作1249.4 Simulink仿真环境的设置1249.5子系统及封装技术1269.5.1子系统的建立……………………………………………………………………1269.5.2子系统的封装1279.6用 Simulink建立系统模型示例1299.7 Simulink的高级应用—S函数的编写1329.7.1S-函数的工作原理1329.7.2S-函数的设计实例…138本章小结……·········.···143第10章基于 MATLAB的控制系统数学建模14410.1控制系统的传递函数模型14410.1.1系统传递函数模型简述14410.1.2传递函数的 MATLAB相关函数……14510.1.3建立传递函数模型实例∴………………14610.2控制系统的零极点函数模型14910.2.1零极点函数模型简述鲁·要10.2.2零极点函数的 MATLAB相关函数14910.2.3建立零极点函数模型实例∴……………………15010.3控制系统的状态空间函数模型15310.3.1状态空问函数模型简述………………15310.3.2状态空间函数的 MATLAB相关函数15310.3.3建立状态空间函数模型实例…15410.4系统模型之间的转换15610.4.1系统模型转换的 MATLAB相关函数15610.4.2系统模型之间转换实例10.5方框图模型的连接化简16110.5.1方框图模型的连接化简简述…………………………………………………16110.5.2系统模型连接化简的 MATLAB相关函数16310.5.3系统模型连接化简实例16310.6 Simulink图形化系统建模实例…166本章小结………………167第∏1章控制系统的稳定性分析16811.1系统稳定性的 MATLAB直接判定……16911.1.1 MATLAB直接判定的相关函数16911.1.2 MATLAB直接判定实例………………16911.2系统稳定性的 MATLAB图解判定…17211.2.1 MATLAB图解判定的相关函数17211.2.2 MATLAB图解判定实例17211.3 MATLAB LTI Viewer稳定性判定实例………………174本章小结176第12章控制系统的时域分析7712.1控制系统的动态性能指标分析12.1.1控制系统的动态性能指标7712.1.2控制系统动态性能指标 MATLAB求取实例12.2控制系统的稳态性能指标分析18512.2.1系统的稳态性能指标………18512.2.2控制系统稳态性能指标 MATLAB求取实例…18512.3 MATLAB时域响应仿真的典型函数应用18812.3.1 MATLAB时域响应仿真的典型函数18812.3.2 MATLAB时域响应仿真的典型函数应用实例………………………………18812.4 MATLAB/ Simulink图形化时域分析19212.4.1 MATLAB LTI Viewer时域分析实例19212.4.2 Simulink时域分析实例194本章小结196第13章控制系统的根轨迹分析与校正19713.1控制系统的根轨迹法分析19913.1.1 MATLAB根轨迹分析的相关函数…13.1.2 MATLAB根轨迹分析实例19913.2控制系统的根轨迹法校正21113.2.1根轨迹法超前校正及基于 MATLAB的实例21213.2.2根轨迹法滞后校正及基于 MATLAE的实例……21613.3 MATLAB图形化根轨迹法分析与设计22013.3.1 MATLAB图形化根轨迹法分析与设计工具 rltool∴…∴22013.3.2基于图形化工具 rltool的系统分析与设计实例221本章小结223
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“4G 改变生活，5G 改变社会”。作为新一轮移动通信技术发展方向，5G 把人与人的连接拓展到万物互联，为智能电网发展提供了一种更优的无线解决方案。5G 时代不仅能给我们带来超高带宽、超低时延以及超大规模连接的用户体验，其丰富的垂直行业应用将为移动网络带来更多样化的业务需求，尤其是网络切片、能力开放两大创新功能的应用，将改变传统业务运营方式和作业模式，为电力行业用户打造定制化的“行业专网”服务，可更好地满足电网业务差异化需求，进一步提升了电网企业对自身业务的自主可控能力和运营效率。目录目录5G助力智能电网应用白皮书5G助力智能电网应用白支书1智能电网发展、趋势及新挑战02→>45G智能电网端到端网络切片解决方案271.1智能电网定义4.1总体体系智能电网发展现状42终端部分13智能电网发展趋势4.2.1业务类型与网络切片间映射关系1.4智能电网对电力通信网的新挑战4225G电力通信终端形态展望4.3网络部分43.1电力业务测络切片杯运25G+智能电网典型业务场景43.2电力业务络切片隔离方案08433电力业务络切片可靠性保障方案2.15G+智能电网应用述434电力业务网络切片能力开放方案22共型业务场景分析094.4电力业务通信管理支撑平台22.1控制类业务441申力业务通信管理支擤平台总体架构22.2采集类业务442电力业务遥信管理支撑平台功能模块23业务指标小结45安全体系3645.1智能电网安全体系整体要求452管側安全方案3|5G概述及其对智能电网的价值2145.3端侧安全方案3.15G的概念与特征325G网络切片关键技术335G对智能电网的价值25>5|总结与展望1.智能电网发展、趋势及新挑战1)国外智能电网发展概况美国、欧洲、日本、韩囯等国家和地区开展了大量智能电网的硏究工作。欧美智能电网主要关注点在用电側电能分析与管理:配网主要着重点在于分布式能源接入、微网1.1智能电网定义运行管理,根据各自的国情,确定了不同的发展愿景和计划方案,启动一系列的研究O助力国家发展改革委、国家能源局联合印发《关于促进智能电网发展的指导意见》(发示范和平台项目。日韩等亚洲发达国家主要关注新能源的研究及使用,加大对光伏、风改运行〔2015〕1518号),眀确指出“智能电网是在传统电力系统基础上,通过集成新能和可燃冰、储能、电动汽车方面的硏发应用,通过政府釣顶层设计及立法保障,保障力智能电网应用白皮书能派、新材料、新设和先进传感技术、信恳技术、控制技术、储能技术等新技术,形智能电网基础设施的有序建设的新一代电力系统,具有高度信忘化、自动化、互动化等特征,可以更好地实现电网安仝、可靠、经济、高效运行。”智能电网的概念涵盖了提高电网科技含量,提高能源综合利用效率,提高电网供电(2)国内智能电网发展概况用日皮书可靠性,促进节能减排,促进新能源利用,促进资源优化配置等内容,是一项社会联动南方电网公司:公司以促进电网向更加智能、高效、可靠、绿色的方向转变为标的系统工程,最终实现电网效益和社会效益的大化,代表着未来发展方向。智能电网以应用先进计算机、通信和控制技术升级改造电网为发展主线,在大电网安全稳定还行以包括发电、输电、配电、储能和用电的电力系统为对象,应用数字信息技术和自动控分布式能源耦合系统、新能源并网、输变电眢能化、配电智能化、智能用电等领域开展制技术,实现从发电到用电所有环节信息的双向交流,系统地优化电力的玍产、输送和了广泛技术研究和诸多示范工程建设,建成了世界首个±800千伏特高压直流输电示范使用。总体来看,未来的智能电网应该是一个自煎、安全、经济、清洁的并且能够提供工程,建成了世界上容量大、电压等级最高的±20万千瓦 STATCOM工程,建设了适应数字时代的优质电力网络世界笫一糸多端柔性直流输电工程,通过永富直流、鲁西背靠背实现云南电网与南方主异步互联等;在广东佛山、贵州贵阳等地区开展集成分布式可再生能涼釣主动配电网智能电网示范,试点应用智能配电网自愈控制技术,实现了智能配电网约“自我感知、自我诊断自我决策、自我恢复”:在广西南宁开展了灵活互动的智能用电关键技术研究示范,实现电力用户与供电系统的信息交互、智能家庭能效评测、客户用电优化调度、节能澘力优清洁友好化分析、充放电与储能接入管理以及分布式电派接入管埋等功能建设;建成匾内首个兆发电多样互动用电瓦级电池储能电站,开展大规模间歐式新能涼消纲示范安全高效灵活可靠国内电网公司:公司于2009年5月提出了立足自主创新,加快建设特高压电网为骨干网架,各级电网协调发展,具有信息化、自动化、互动化特征的统一的堅弨智能电的发展口标,力图打造“坚强可靠、经济高效、清洁环保、遷明开放、友好互动的现代电网”,2009-2010年为规划试点阶段,2011-2015年为全面建设阶段,2016-2020图1-1智能电网基本环节年为引领提升阶段。公司在特高压电网、输电设备运行监测、智能变电站准广、配电自动化、信息化平台、电动汽车充换电网络、大规模可再生能泺接纳等方面开展了相关建设1.2智能电网发展现状已建成充换站超过1500座,充电桩3万个,建立了风电研究检测中心和太阳能发电研智能电网楒念自2001年较为明确地提出以来,得到世界范围的广泛认同。十几年来,究检测中心,延成了世昦上规模最大的弘北风光储翰联合示范工程,完成了大规模风电世界各国政府、电力全业、科研机构结合各自经济社会发辰水平、能涼资源禀赋特点和功率预测及运行控制系统的全面推广建设电力工业发展阶段,进行了深入研究和实践探索,智能电网的概念和特征、内涵与外延不断得到丰富发展。特别是随着全球新一轮科技革命和产业变革的兴起,先进信息技术1.3智能电网发展趋势互联网理念与能源产业深度巸合,推动着能源新技术、新模式和新业态的兴起:发展智根据国家《能源发展“十三五”规划》、《电力发展“十三五"规划》、《关于促进智能电网成为保障能源安全、应对气候变化、保护自然环境、实现可持续发展的重耍共识能申网发展的指导意见》、《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意見》等指导文件02为实现“安全、可靠、绿色、高效”的总体目祘,围绕智能电网发翰用全环节,未来发柔性化建设,实现配电网可观可控,澌足多元负荷“即即用"的接入耑求,提升电网供展趋势包括五大重点领域,分别为清洁友好的发电、安全高效的输变电、灵活可靠的配电电可葦性、电能质量和服务水平。城市内申动汽车、充电桩等新能源业务及农村更多的多样互动的用电、智慧能源与能游互联网。光伏扶贯、农光互补、渔光互等新能涼需保降接入和消纳将逐步普及,配电网需适配吏多元负荷的“泛在接入”、“即插即用”的需求。同时,匯着智能分层分布式控制体系逐步建立,配电网自动化水平将全而提升,其精准控制的能力将进一步加强。清洁友好的发电力智能电网应用白皮书(4)多样互动的用电关键特征为“多元友好、双向互动、灵活多样、节约高效";核心作用是打造全方位智惠能源与能安全、可靠安全高效的输客户服务互动平台,全方位加强客户互动,满足智慧用能的需求,提高终端能源利用效率,源互联网绿色、高效推动能涼消费草命。电动汽车、电供暖{冷)、港口岸电等终将逐步普及,电能占终用日皮书端能涼消费比重将不断上升:随着未来高级量測体系将被广泛部著,智能家居与智能小区业务将进一步丰富,随着阶梯申价、实时申价、用电负荷需求側响应等业务将浮步渗透多样互动的用灵活可靠的配用户将可更多地参与到自身的用电管理中。(5)智慧能源与能源互联网图1-2智能电观发展写标及重点方向关键特征为“多能互补、高效协同、开放共享、价值创新":核心作用是打造具有独特竞争力的新型综合能源服努商,创新企业价值,促进互联网技术与能源系统深度融(1)清洁友好的发电促进能源耦合系统基础设施建设,推动能源市场开放和产业升级,支撑低碳、清洁、高关键特征为“清洁低碳、网源协同、灵活高效”。核心作用是增强系统灵活性,提升效的社会发展。随着传感、信息、逦信、控制抆术与能源系统的深入融合,传统单一能非化石能源消费比重,推动能源结构转型升级。以风能、太阳能为主的可再生能泺开发络向多能互补、能源与信息通信技术深度融合的智能化方向发展,电、热(冷令)利用技术日益成熱,成本不断降低,逐渐成为芢代传统化石能源的重要选择,末来可再等各领虓的能源需求将逐步统筹,从而实现多能协同供应和能源缐合梯级利用。同时,生能源逐步晳代化石能源。另一方酉,随着储能、分布式能源、微网等技术发展,能源随着综合能源服务业务、智能源的发展、及互联网技术的深入应用,能源耦合系统基供给形态将从集中式、一体化的能源供给向集中与分布协同、供需双向互动的能源供给础设施将逐步完莤,能源市场将逐步开放,能瀛产业将进一步转型升级,转变1.4智能电网对电力通信网的新挑战(2)安全高效的输变电电力通信网作为支撑智能电网发展的重要基础设池,保证了各类电力业务的安全性、关键特征为“安全高效、态势感知、柔性可控、协调优化”。核心作用是提升翰变电实时性、准确性和可靠性要求。构建大容量、安全可的光纤骨干通信网,以及泛在多设傜的智能化水平,构建全生命周期管理体系,提升电安全防御能力、资源配置能力业务灵活可信接入的配电遲信网,这是通信网络建设的两个重要组成部分。在骨干通信和瓷产利用效率。随着电力一次设各与在线监测传感器及过程层智能设备的有机整合,网侧,经过多年建设,35k∨以上的主网通信网已具备完善的全光骨干网络和可靠高效数翰变电环节将趋于測垦数宇化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信崽互动化等据网络,光纤瓷源已实现35k∨及以上厂站、目有物业办公场所/宮业所全盖。在配进而输电智能化水平、智能变电站智能运维水平将全面提升。同时,为保障城市在台风、电通信网侧,由于点多面广,海量设备需要实时监测或控制,信息双向交互频案,且现低温、雨雪、凝冻等严重自然灾情下的基本运转,,需枃建纵深防街、安全可靠的城市有光纤覆盖建设成本高、运维难庹大,公网承载能力有限,难以有效支撑配电网各类终保底电网为保隴建设城市防灾保底电网端可观可测可控。陡着大规模配电网自动化、高级计量、分布式能源接入、用户双向互动等业务快速发展,各电网设音、电方终端、用电客户的通信需求爆发式增长,迫切(3)灵活可靠的配电需要构建安全可信、接入灵活、双向实时互动的"泛在化、全覆盖”配电通信接入网,并采用先进、可靠、稳定、高效的新兴通信技术及系统予以支撑,这是智能电网发展对配关键特征为灵活可靠、可观可控、开放兼容、经济适用核心作用是加强配电刘自动化、电网通信提出的新需求0405因此,从发展趋势看,未来智能电网的大量应用将集中在配电网侧,应采用先进、可靠、能源间协调、泺网荷储互动、双向互动充电桩等稳定、高效的新兴通信技术及系统,丰富配电网侧的通信接入方式,从简单的业务需求被动满足转变为业务需求主动引领,提供雯泛在的终接入能力、面向多样化业务的强(3)通信网络需具备更强大的承载能力,差异化的安全隔离能力及更高大承载能力、差异化安全隔离能力及更高效灵活的运营管理能力。,lll效灵活的运营管理能力(1)电力通信网络是支撑智能电网发展的基础平台为满足智能电网的五大发展重点,通信网络需具备更强大的承载能力(如百万智能电网的发展强调多种能源、信息的互连,通信网终将作为网络信息总线,承担干万级的连按能力、单站具备n10Mps的带宽承载能力,具备毫秒级的时延能力)电网应用白皮书着智能电网源、网、荷、储各个环节的信息釆集、网络控制的承载,为智能电网基础对电刀不同生产区业豸能提供差异化的安全隴离能刀,同时能针对不同终端:提供终端、施与各类能源脹务平台捉供,安全、可靠、高效的信息传送通道,实现电力生产、输送、连接甚至网络资源的灵活开放的运营管理能力。消费各环节的信息流、能量流及业务流的贯迸,促进电力系统整体高效协调运用日皮书能楼宇洁友好的安全就的多互动的智能与输变G能源互联网笔电智能变电站污能家居更多的连接数量更大的信宽带更可霏及更低的网络时延百万、干万级n10bps级时廷ms级)更高效的网鲳运营终连接管②能电表网络运行台理资源管理等更安全的隔承载电力通信网支安伞保护及冯分在式光伏冬1-4面向智能电网的逆信网經体功能需求俗》白电动汽充电4)通信网作为统一的通信平台,实现业务的集约化承载,进一步促进智能电网的数据共享及业务发展通信网络需尽可能多地解决各类业务的接入需求,最大限度地利用电网自身资源图1-3电力通信络在智能电网中的定位遥过统一的通信平台,提供可雪、安全的遥信通道,提高网络效率。同时,通过通信网(2)通信网络需要从被动的需求满足,转变为主动的需求引领提供的灵活便捷的接入方式,进一步促进能源互动、数据共享或有假服务等能源互联网目前业务系统通信耑求均基于设备的生产控制为主,未兼顾人、车、物等综合的管业务的发展提供帮助。理场景需求。随着智能电网的发展,通信的需求及业务类型具有多样性、复杂性及未知性等特点,通信网络需适度超前,提前储备,提前满足未来多元化的业务承载需求,如智能化移动作业、巡检机器人、数字化仓储物流、綜合用能优化服务、电能质量在线监测062.5G+智能电网典型业务场景2.2典型业务场景分析2.2.1控制类业务2.15G+智能电网应用概述22.1.1智能分布式配电自动化助力智能电网应用白皮书智能电网无线通信应用场景总体上可分为控制、采集两大类。其中,控制类包含智智能分布式配申自动化终端,主实现对配电网的保护控制,通过继电保护自动装能分布式配电自动化、用电负荷需求侧昫应、分冇式能源调控等:采集类主要包括高级置检测配电网线路或设备状忞信息,快实现配网线路区段或配网设各的故障判斷及准计呈、智能电网大视频应用确定位,快速嗝离配网线路詨暲区段彧炇障设备,后恢复正常区淢供电。该终鲔后绠」控制类业务场景:当前整体通信特点为釆用子站/主站的连接模式,星型连接拓扑,集成三選、配网差动保护等功能。主站扫对集中,一般控制的时延要求为秒级。天来匯着昝能分布式配网终端的广泛应用,(1)业务现状及发展趋势用日皮书连接模式将出现更多的分布式点到点连接,匯着用电负荷需求恻昫应、分布式能源调控①当前现状及未来的发辰趋势等应用,主站系统将逐步下沉,出现更多的本地就近控制,且与主网控制联动的需求早期的配网保护多采用简荜的过流、过压逻辑,不依赖通信,其不足之处在于不能时延需求将达到亳秒采集类业务场景:未来采集频次、內容、双向互动方面将有较大变化。实现分段隔离,停电影响范围扩大。为实现故障的精准隔离,需要获取扫邻元件的运行采集频次:当前基本按照月、天、小时为单位采集,未来为满足负荷精确控制,用信息,可采用集中式或分布式原理户实时定价等应用的发展,采集频次将趋于分钟级,达到准实时能力集中控制型,中心逻辑单元负责主要保护逻辑运算及发出保护跳闸指令。就地逻辑采集内容:当前主要以基础数据、图像为主,码率为100kps級。随岧智能电网、单元负责就地的信息采集并处理、执行就地保护珧阑指令,将处理后的就地信息传送给物联网的迅速发展,采集对象将展至电力二次设备及各类环境、温湿度、物联劂、多中心逻辑单元媒体场景,连接数量预计至少翻一倍;中远期若在产业驱动下,集抄方式下沉至用户采集内容将深入到户内用电设备的信息,连接数预计50-100倍;另外,采集内容亦从原有的简单数据化趋于视频化、高清化,尤其在无人巡检、视频监控、应急现场自组网综合应用等场景将出现大量高清视频的回传耑求,局部带宽需求在4-100Mbos级就地逻捐元保护遥信关联鸟网就地湿单双向互动:随着家庭能源管理应用的推广,通过智能电表实现家电用电信息采集;通过智能交互终端,以APP的方式,给用户提供实时电价和用申信息,实现对用户室内用电装置的负荷控制等冬类互动服务与电力谱值服务功能,达到需求侧管理的三的。(就把逻单(就地送仁单元)表2-1智能电网应用场景及整仁发展趋势业务架型典型场景当前通信特点末来道信趋势网深(就逻板单兀就地逻仁甲元)1、迕接模式:子如/±1、迕接模式:分布式点对点迕接智能分有式配也目动化、篮模式,主篮控制类用电负荷需求侧[应站式,主集中,星型号子站主站棵式并存,主站下沉连为主本地就近控制图?-1集中控制型保护典型拓扑2、时要求:秒级延要求:毫秒级1、采集次:月、天、1、采集烦次:分钟级,准实时视频化、高清化分布式控制型,根据网架结构划分设各组,分组内的每台终端都可以起到中心逻輯高级计最、暂能电网大视小时级烦应用(包括变电站巡检2、采集内容:基础数揖带机影入、输电线路无人机图像为主,单终端码塞为在4-100Ms不等单元的作用,就地执行跳闸操作。各终端处埋后的就圯信息传送给运维中心。采集类巡检、配电房视频综合监10kb0s级采集范围:近期扩展到电力控、移动式现场施工作业采集范彐:电力一次次设备及各类环控、物联网,多体场景,迕接效致计至少劃在配网领域推广应用差动儇护,可以进一步缩短故障持续时间,提高供电可靠性管控、应急现场自组网综设备,配观计一般用合应用等集抄方式,迕接数量百个倍;中远斯若产业驱动将下沉至用户,并深入到户内,连接数00倍08市电力需求侧管理平台配网保护数据交互助力智能电网应用白皮书护通信关联保护通信关O供电局需求响应管理系统配网保护配网保护配网保护配网保护咳定负荷产品生成块负荷产品交易模块核定用日皮书需求响应集成服务公司2企业或负荷控制服务平台企业n回配网保护圉2-2分冇式控制型保护典型拓扑图2-3用电久荷求侧响应示意图(2)来的通信需求(1)业务现状及发展趋势带宽:差动保护带览要求2Mps。①当前现状②2)时延:差动保护要求延时小于10ms,时间同步精度为10us,电流差动保护装置传统需求侧响应对负荷的控制指令在终端与主之间交互,终端樻向之间无数据交所在变电站距离
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