53、分布式潮流控制器性能分析与工业物联网 MQTT 协议 M2M 通信建模策略

分布式潮流控制器性能分析与工业物联网 MQTT 协议 M2M 通信建模策略

1. 分布式潮流控制器（DPFC）性能分析

DPFC 装置用于减少电压骤降和骤升问题，其结构与统一潮流控制器（UPFC）类似，可能会影响系统参数。DPFC 有三个控制回路：中央、并联和串联。研究的系统是光伏 - 风力混合系统，负载附近的骤升和骤降近似动态性能。

通过使用模糊逻辑和基于遗传的模糊逻辑的内部控制机制研究了 DPFC 装置的性能。此外，还在 0.2 - 0.6 秒的间隔内评估了谐波含量。以下是负载电压波形的总谐波失真（%THD）值：
|时间|无 DPFC 时 Vload 的 %THD|带模糊逻辑控制器（FLC）的 DPFC 时 Vload 的 %THD|带基于遗传的 FLC 的 DPFC 时 Vload 的 %THD|
|----|----|----|----|
|t = 0.2 s|6.26|0.31|0.03|
|t = 0.6 s|4.17|0.30|0.03|

模拟结果表明，两种控制器都能完全抵消骤降和骤升谐波，但基于遗传的模糊逻辑控制器具有更高的补偿能力，并减少了谐波失真。

2. 工业物联网（IIoT）系统 MQTT 协议的 M2M 通信建模

2.1 引言

物联网在各种行业和应用中得到广泛应用，尤其关注机器对机器（M2M）通信。在工业物联网应用场景中，设备传感器由可编程逻辑控制器（PLC）逻辑表示。通过 PLC 设计可以实现工业单元/组件的自动化。以下是工业自动化系统的主要组件：
- 变压器 ：用于增加和降低电路中的电流和电压水平，减少线路传输损耗。
- 整流器 ：将交流电（AC）转换为直流电（DC），也用作无线电信号检测器和电源组件。
- 调节器 ：避免电压波动和控制损坏，维持电压在电器可承受的范围内。
- Wi - Fi 调制解调器 ：工业无线网络可用于 M2M 通信，通过接入点或桥接器实现。
- 继电器驱动器 ：一种电磁开关，用于低电压电路控制高电压设备。
- 8051 微控制器 ：用于 PLC 通信，具有 40 引脚集成电路和四个并行 8 位端口。
- 继电器 ：作为开关，可通过磁力操作，用于控制远程设备。
- 负载 ：可以是电机、锅炉、混合器等各种机器，需要 PLC 编程才能理解微控制器通信。
- PLC 编程 ：PLC 程序包含可写成文本或图形形式的指令集，梯形逻辑是最简单的编程语言。

2.2 M2M 建模方法

使用系统配置编辑器自定义自动化所需的硬件，具体步骤如下：
1. 在系统资源管理器中选择系统配置树节点，打开系统配置编辑器。
2. 从调色板中拖放资源、设备和段类型。
3. 在 IEC 61499 设备上配置各种 IEC 61499 资源。
4. 连接设备时，点击一个设备并将其拖向另一个设备。

graph LR
    A[打开系统配置编辑器] --> B[拖放资源、设备和段类型]
    B --> C[配置 IEC 61499 资源]
    C --> D[连接设备]

为一个设备添加名为 EMB_RES（嵌入式资源）的资源，该设备将在 IP: PORT（localhost: 61499）上运行。

2.3 资源配置

点击系统配置中显示的 M2M_run 资源，打开资源编辑器。START 功能块是 M2M_test 的默认启动功能块，根据 PLC 状态触发不同事件：
- 当 PLC 设置为 START 状态时，触发 COLD 事件。
- 当 PLC 设置为 STOP 状态时，触发 STOP 事件。
- 当 PLC 的 MQTT 请求从 STOP 状态变回 RUN 状态时，触发 WARM 事件。

将 WARM 和 COLD 连接到 E_CYCLE.START。事件到达 E_CYCLE.START 时，根据条件触发不同输出。

2.4 应用监控

使用 4diac 的监控功能观察应用输出：
1. 点击调试透视图按钮。
2. 转到系统资源管理器，右键单击系统并选择“监控系统”。

要监视变量，可以右键单击变量或功能块并选择“监视”。

2.5 添加设备

从系统配置编辑器的调色板中拖放添加另一个设备，将其命名为 counter，设置本地主机为 61500，并将资源名称设置为 Counter_RES。

2.6 设置传感器闪烁部分

在 M2M_test 资源编辑器中插入 PUBLISH_1 功能块，并进行连接。将 INIT 事件直接连接到 START 事件，设置 PUBLISH_COUNT 功能块的 ID 输入数据为 239.0.0.1:61000。

2.7 设置计数部分

在 Counter_RES 资源编辑器中插入 SUBSCRIBE_1 功能块，进行连接并初始化。设置 SUBSCRIBE_COUNT 功能块的 ID 输入数据为 239.0.0.1:61000。

2.8 通信功能块背景

PUBLISH_X 功能块通过网络发送消息，由 SUBSCRIBE_X 功能块接收。消息根据 ID 输入发送，X 表示要传递的数据项数量。使用 IEC 61499 合规性配置文件指定网络协议，选择 UDP 多播地址 239.0.0.1 和端口 61000。

3. 结果与讨论

3.1 测试

展示了 M2M 通信的测试结果，包括观察变量值、发布计数和订阅计数。

3.2 延迟模型

为 IIoT 提出了延迟模型，考虑请求离开、请求到达和故障延迟与预定的预期到达周期。假设最大延迟为 60 秒，以下是延迟计算示例：
|请求|故障请求延迟（MRD）(ms)|请求离开延迟（RDD）(ms)|预期请求到达周期（ERA）(ms)|计算延迟（ms）|
|----|----|----|----|----|
|1|3|2|3|0.25|
|2|1|3|2|0.13|
|3|2|3|4|0.33|
|4|3|2|2|0.16|

请求延迟（Dr）计算公式为：
[Dr = (Rmd + Rd) \times \frac{60}{Ra}]

4. 结论

DPFC 装置在减少电压骤降和骤升方面表现良好，基于遗传的模糊逻辑控制器具有更好的补偿能力。在工业物联网中，通过 PLC 可以实现机器自动化。对于 MQTT 协议的 M2M 通信，定义了系统中的设备，使用系统配置编辑器建模自动化硬件。同时，为了安全考虑，提出了延迟模型来计算 M2M 通信中的延迟。

分布式潮流控制器性能分析与工业物联网 MQTT 协议 M2M 通信建模策略

5. 分布式潮流控制器与工业物联网 M2M 通信的关联与应用前景

分布式潮流控制器（DPFC）和工业物联网（IIoT）的 M2M 通信虽然属于不同的技术领域，但在实际应用中却有着紧密的关联和广阔的应用前景。

5.1 关联分析

• 电网智能化需求 ：随着电网的发展，对电网的智能化管理和控制要求越来越高。DPFC 可以优化电网的潮流分布，提高电网的稳定性和可靠性。而 IIoT 的 M2M 通信则可以实现电网中各种设备之间的实时数据交互和远程控制，为 DPFC 的控制提供更准确的数据支持。例如，通过 M2M 通信，DPFC 可以实时获取负载的电压、电流等信息，从而更精准地调整潮流。
• 新能源接入 ：在光伏 - 风力混合系统中，新能源的接入会带来电压波动等问题。DPFC 可以有效解决这些问题，而 IIoT 的 M2M 通信可以实现新能源设备与电网的高效集成。通过 M2M 通信，新能源设备可以将自身的发电状态、功率等信息实时传输给电网，DPFC 可以根据这些信息进行相应的控制，提高新能源的消纳能力。

5.2 应用前景

• 智能电网建设 ：结合 DPFC 和 IIoT 的 M2M 通信技术，可以构建更加智能的电网。在智能电网中，各种设备可以实现自动化控制和协同工作，提高电网的运行效率和可靠性。例如，通过 M2M 通信，DPFC 可以与其他智能设备（如智能电表、分布式电源等）进行实时通信，实现对电网的动态优化控制。
• 工业自动化升级 ：在工业领域，IIoT 的 M2M 通信可以实现工业设备的智能化管理和自动化控制。DPFC 可以为工业设备提供稳定的电力供应，保证工业生产的正常进行。两者的结合可以推动工业自动化向更高水平发展，提高工业生产的效率和质量。

6. 技术挑战与解决方案

在应用 DPFC 和 IIoT 的 M2M 通信技术时，也面临着一些技术挑战，需要相应的解决方案。

6.1 技术挑战

• 通信可靠性 ：IIoT 的 M2M 通信需要在复杂的工业环境中实现可靠的数据传输。工业环境中存在着大量的电磁干扰、信号遮挡等问题，可能会影响通信的可靠性。
• 数据安全 ：M2M 通信涉及到大量的敏感数据，如设备的运行状态、控制指令等。这些数据的安全至关重要，如果数据被泄露或篡改，可能会导致严重的后果。
• 系统兼容性 ：DPFC 和 IIoT 的 M2M 通信系统可能来自不同的供应商，存在着系统兼容性的问题。不同系统之间的接口标准、通信协议等可能不一致，影响系统的集成和协同工作。

6.2 解决方案

• 通信可靠性解决方案 ：采用冗余通信链路、自适应调制解调等技术，提高通信的可靠性。例如，在工业环境中可以同时使用有线和无线通信方式，当一种通信方式出现故障时，自动切换到另一种通信方式。
• 数据安全解决方案 ：采用加密技术、身份认证技术等，保障数据的安全。例如，对传输的数据进行加密处理，只有经过授权的设备才能解密和访问数据。同时，对设备进行身份认证，防止非法设备接入系统。
• 系统兼容性解决方案 ：制定统一的接口标准和通信协议，促进不同系统之间的兼容性。例如，采用国际标准的通信协议（如 IEC 61499），确保不同供应商的设备可以实现互联互通。

graph LR
    A[技术挑战] --> B[通信可靠性]
    A --> C[数据安全]
    A --> D[系统兼容性]
    B --> E[冗余通信链路]
    B --> F[自适应调制解调]
    C --> G[加密技术]
    C --> H[身份认证技术]
    D --> I[统一接口标准]
    D --> J[统一通信协议]

7. 总结与展望

DPFC 在解决电压骤降和骤升问题上具有显著的效果，基于遗传的模糊逻辑控制器更是提升了其补偿能力。而工业物联网的 M2M 通信通过 PLC 实现了机器自动化，并且为工业系统的智能化管理提供了可能。两者的结合为电网智能化和工业自动化带来了新的机遇。

未来，随着技术的不断发展，DPFC 和 IIoT 的 M2M 通信技术将不断完善。我们可以期待在智能电网建设、工业自动化升级等领域看到更多的创新应用。同时，也需要不断解决技术挑战，保障系统的可靠性、安全性和兼容性，推动这两项技术在更多领域的广泛应用。

以下是对整个技术体系的一个简单总结表格：
|技术领域|关键技术|优势|面临挑战|解决方案|
|----|----|----|----|----|
|分布式潮流控制器（DPFC）|模糊逻辑控制、基于遗传的模糊逻辑控制|减少电压骤降和骤升，优化潮流分布|控制精度提升|不断优化控制算法|
|工业物联网 M2M 通信|PLC 编程、MQTT 协议|实现机器自动化和数据交互|通信可靠性、数据安全、系统兼容性|采用冗余通信、加密认证、统一标准协议|