復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)效能評估指標(biāo)體系研究

李超然，肖 飛，劉計龍，張偉偉

（艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室，武漢430033）

隨著電力電子技術(shù)不斷地發(fā)展和進(jìn)步，基于多個標(biāo)準(zhǔn)模塊單元組合或多相多電平拓?fù)涞膹?fù)雜電力電子系統(tǒng)得到越來越廣泛的開發(fā)和應(yīng)用[1-2]。為實現(xiàn)復(fù)雜電力電子系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間的通信，國內(nèi)外已經(jīng)展開大量針對復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的研究[3-7]。復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)效能評估作為分析判斷所提方案優(yōu)劣的一種手段，能夠從可選范圍中遴選出最佳方案，減少反復(fù)工作量，縮短設(shè)計周期，為項目最終定型提供可靠科學(xué)的依據(jù)有著重要的意義。

為對復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)效能進(jìn)行評估，需要制定復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)效能評估指標(biāo)體系。本文在借鑒電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域評估指標(biāo)體系[8-11]的基礎(chǔ)上，結(jié)合復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的功能和特點，提出了復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)效能評估指標(biāo)體系，對評估指標(biāo)進(jìn)行物理定義，并從有效性、可靠性兩個方面分析了本文所提評估指標(biāo)體系的正確性。

1 復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的功能和特點

目前，電力電子裝置已經(jīng)具備了數(shù)據(jù)傳輸、信息監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制等功能，但復(fù)雜電力電子系統(tǒng)是由大量互聯(lián)電力電子裝置構(gòu)成的，必須通過建立合理的通信網(wǎng)絡(luò)，才能實現(xiàn)復(fù)雜電力電子系統(tǒng)能量和數(shù)據(jù)信息集成一體化。復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)將獨立的電力電子裝置視為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，各節(jié)點通過通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，實時收集各電力電子裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，控制器處理后實時發(fā)送控制指令，從而對電力電子裝置進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)能量流動和信息的傳輸，達(dá)到節(jié)能和提高用電質(zhì)量的目的。

隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)開始在現(xiàn)在電力電子裝置中大規(guī)模推廣應(yīng)用，無論是對裝置控制器內(nèi)部信息的實時監(jiān)控調(diào)試，還是遠(yuǎn)程查看和管理裝置運行狀態(tài)，都需要通過通信來完成。按照應(yīng)用需求劃分，復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)所實現(xiàn)的功能可以分為系統(tǒng)監(jiān)控、協(xié)調(diào)控制和實時控制。系統(tǒng)監(jiān)控是在復(fù)雜電力電子系統(tǒng)中一項常用功能，這類通信方式以完成檢測功能為主、控制功能為輔，通常只是為了查看裝置內(nèi)部信息，便于人工操作施加控制；協(xié)調(diào)控制是一種介于系統(tǒng)監(jiān)控和實時控制之間的控制方式，是一個系統(tǒng)內(nèi)部各個控制器之間彼此共享部分狀態(tài)信息以便于提高控制性能的控制方式，最常見的例子是2臺并聯(lián)運行的裝置彼此共享功率信息，以實現(xiàn)各臺裝置功率均分，彼此知道對方是否出現(xiàn)了運行故障，也便于多臺裝置實現(xiàn)協(xié)調(diào)動作，共同完成整個系統(tǒng)電能變換的功能；實時控制是對通信速率要求最高的通信方式，是電力電子裝置內(nèi)部應(yīng)用控制器和底層控制器之間實現(xiàn)高速通信的控制方式。這種用于電力電子系統(tǒng)實時控制的通信方式是隨著微電子技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展較晚才出現(xiàn)的，這種控制方式最早由美國電力電子應(yīng)用中心為了實現(xiàn)PEBB項目[12]提出，并應(yīng)用在電力電子裝置中實現(xiàn)控制器之間的高速通信。其中，應(yīng)用控制器負(fù)責(zé)計算和應(yīng)用控制，底層控制器負(fù)責(zé)采樣、驅(qū)動和保護(hù)。

復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)作為一種專用通信網(wǎng)絡(luò)，為滿足復(fù)雜電力電子系統(tǒng)特殊的用途和要求，還具有以下特點：①具有復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。復(fù)雜電力電子系統(tǒng)大多采用分布式控制，電力電子裝置布局分散且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用由星形網(wǎng)絡(luò)、總線形網(wǎng)絡(luò)、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)等基本網(wǎng)絡(luò)組成的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[13]。實際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)往往需要根據(jù)復(fù)雜電力電子系統(tǒng)的供電性能、建設(shè)成本、裝配要求等因素綜合考慮選?。虎诎喾N通信協(xié)議。目前，還沒有任何一種單一的通信協(xié)議能夠在功能或者性價比上，全面地滿足各種規(guī)模電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的需要，往往需要多種通信協(xié)議混合使用；③需要滿足不同控制層的通信時間尺度。參照計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的TCP/IP體系結(jié)構(gòu)，復(fù)雜電力電子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可以劃分成系統(tǒng)控制層、應(yīng)用控制層、電力電子變換器控制層、開關(guān)控制層、硬件控制層，是一個由多層結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，各個控制層的通信時間尺度如表1所示[14]；④會受到電磁干擾和諧波的影響。由于電力電子裝置采用高頻斬波技術(shù)，較高的dv/dt、di/dt會對復(fù)雜電力電子系統(tǒng)造成明顯的電磁干擾和諧波污染，對通信質(zhì)量造成較大的影響。在實際工程中，一般采用EMC和軟開關(guān)技術(shù)來減小對通信質(zhì)量造成的影響。

表1 復(fù)雜電力電子系統(tǒng)各控制層通信時間尺度Tab.1 Communication temporal scale of architecturefor complex power electronics system

2 評估指標(biāo)體系

用戶判斷復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)效能的依據(jù)是該方案實際功能的完成能力，基于復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的功能和特點，設(shè)計復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)效能評估指標(biāo)體系將更有現(xiàn)實意義。對于復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)效能評估指標(biāo)體系的構(gòu)建，本文一方面采用劃分層次的設(shè)計理念，一方面力求突出復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的功能和特點，從通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)的能力出發(fā)，考慮通信網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)功能和體現(xiàn)作用的能力，對評估指標(biāo)進(jìn)行劃分并提出復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)效能評估指標(biāo)體系，如圖1所示。

本文所提復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)效能評估指標(biāo)體系為兩層結(jié)構(gòu)，分別為性能層和參數(shù)層。參數(shù)層評估指標(biāo)從通信網(wǎng)絡(luò)的具體參數(shù)出發(fā)，考慮通信網(wǎng)絡(luò)的具體通信能力，屬于復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程中底層模塊設(shè)計制造人員最為關(guān)注的；性能層評估指標(biāo)從通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的性能出發(fā)，考慮通信網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)的效果，屬于復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程中網(wǎng)絡(luò)平臺搭建人員最為關(guān)注的。

圖1 復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)效能評估指標(biāo)體系Fig.1 Efficiency evaluation index system of complex power electronics system communication net

3 評估指標(biāo)定義

3.1 響應(yīng)能力

復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)能力指的是，對通信網(wǎng)絡(luò)從接受信息開始到處理信息結(jié)束過程，反應(yīng)速度的描述，包含往返時間、時延和同步精度3個二級指標(biāo)。

（1）往返時間：從發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到發(fā)送方收到來自接收方的確認(rèn)（接收方收到數(shù)據(jù)后便立即發(fā)送確認(rèn)），總共經(jīng)歷的時間。在網(wǎng)絡(luò)中，往返時間一般是由各個節(jié)點處的時延累計產(chǎn)生的，與節(jié)點數(shù)目和單個節(jié)點處的時延有關(guān)。

（2）時延：數(shù)據(jù)（一個報文或分組，甚至比特）從網(wǎng)絡(luò)或者鏈路的一端傳送到另一端所需的時間。時延是個很重要的性能指標(biāo)，它有時也稱為延遲或者遲延，其通常為發(fā)送延時、傳播時延、處理時延、排隊時延之和。

（3）同步精度：用來描述復(fù)雜電力電子系統(tǒng)中各模塊間，因時延而造成的滯后動作程度。模塊間的時延越小，同步精度越高，在評估過程中往往認(rèn)為時延的意義等價于同步精度。

3.2 傳輸能力

復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力指的是，網(wǎng)絡(luò)按照某種規(guī)定的傳輸協(xié)議，在一系列傳輸媒介上進(jìn)行通信的能力，包含速率、通信帶寬和吞吐量3個二級指標(biāo)。

（1）速率：對每秒通過信道可傳輸數(shù)字信息量的度量。數(shù)據(jù)傳輸速率在數(shù)值上等于每秒鐘傳輸構(gòu)成數(shù)據(jù)代碼的位數(shù)，單位為比特/s或位/s，用比特率表示，記作bps，其表達(dá)式為

式中：S為數(shù)據(jù)傳輸速率；T為信號發(fā)送周期；N為信號所有可能的狀態(tài)數(shù)，為2的正冪數(shù)。

（2）通信帶寬：在給定時間等條件下流過特定區(qū)域的最大數(shù)據(jù)位數(shù)，代表數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲髠鬏斔俾?。在?fù)雜電力電子系統(tǒng)中，“帶寬”與“速率”幾乎成了同義詞。

（3）吞吐量：在規(guī)定時間、空間、路徑等前提下，網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時的實際帶寬。由于多方面原因，吞吐量往往比傳輸介質(zhì)所標(biāo)稱的最大帶寬小得多。

3.3 資源利用能力

復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的資源利用能力是指在一個通信周期內(nèi)，參與數(shù)據(jù)通信的鏈路或節(jié)點占全部鏈路或節(jié)點的比例，包括鏈路利用率和節(jié)點利用率。

（1）鏈路利用率：復(fù)雜電力電子系統(tǒng)在一個通信周期內(nèi)，參與數(shù)據(jù)通信的鏈路的數(shù)量占全部鏈路的數(shù)量之比，即

式中：ηlink為鏈路利用率；n'link為參與數(shù)據(jù)通信的鏈路的數(shù)量；nlink為網(wǎng)絡(luò)全部鏈路的數(shù)量。

（2）節(jié)點利用率：復(fù)雜電力電子系統(tǒng)在一個通信周期內(nèi)，參與數(shù)據(jù)通信的節(jié)點占全部節(jié)點的比例，即

式中：ηnode為節(jié)點利用率；n'node為參與數(shù)據(jù)通信的節(jié)點的數(shù)量；nnode為網(wǎng)絡(luò)全部節(jié)點的數(shù)量。

3.4 生存抗毀能力

復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的生存抗毀能力是指系統(tǒng)能夠保證正常運行以及在遭受打擊后進(jìn)行恢復(fù)的能力，包含連通度、網(wǎng)絡(luò)故障率、網(wǎng)絡(luò)冗余度和恢復(fù)力等二級指標(biāo)。

（1）連通度：點（邊）連通度最早被作為用來刻畫網(wǎng)絡(luò)抗毀性的測度指標(biāo)，被定義為使得圖變成不連通或平凡圖所去掉的最少節(jié)點（邊）數(shù)。換句話說，一個具有n0個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，在去掉任意k-1個節(jié)點后所得的子圖仍然連通，而去掉k個頂點后的圖不連通，則稱該圖是k連通的，k稱為該圖的連通度，其中1≤k≤n0-1。

（2）網(wǎng)絡(luò)故障率：單個節(jié)點失效造成整個復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信失效的概率，可以直接反映復(fù)雜電力電子系統(tǒng)的連續(xù)工作能力。網(wǎng)絡(luò)故障率計算方法的核心思想通過搜索主節(jié)點到從節(jié)點的全部通信路徑，計算各支路的平均故障率，通過搜索因支路出現(xiàn)故障造成通信故障的關(guān)鍵支路集，從而計算整個復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的故障率。

（3）網(wǎng)絡(luò)冗余度：網(wǎng)絡(luò)在出現(xiàn)故障時通過備份來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)正常運行，確保網(wǎng)絡(luò)功能暢通的能力，簡單地說，冗余量就是從安全角度出發(fā)而考慮設(shè)置的多余量，以備出現(xiàn)故障時使用。

（4）恢復(fù)力：在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)安全故障時表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)的故障恢復(fù)能力。它包括網(wǎng)絡(luò)的安全故障診斷能力、網(wǎng)絡(luò)的安全自我恢復(fù)和安全故障恢復(fù)能力，故障恢復(fù)時間和故障恢復(fù)程度。可以采用保護(hù)方式，更改維護(hù)策略，路由算法等方法來提高網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)能力。

3.5 經(jīng)濟(jì)適用性

復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)適用性指的是，在滿足復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計功能正常使用同時，將所耗費資源降到最低的能力，包括建造費用、標(biāo)準(zhǔn)化程度和提升空間3個二級指標(biāo)。

（1）建造費用：復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的價格包括設(shè)計和實現(xiàn)的費用，是必須考慮的，因為通信網(wǎng)絡(luò)的性能與其價格密切相關(guān)。通信網(wǎng)絡(luò)為獲得越高的性能、越快的速率，其價格也必然越高。因此，在工程實踐中要結(jié)合實際需要進(jìn)行合理的取舍，不能刻意追求高性能而忽視經(jīng)濟(jì)效益。

（2）標(biāo)準(zhǔn)化程度：復(fù)雜電力電子系統(tǒng)采用“模塊化”設(shè)計思路，需要遵循特定的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，最好采用通用的國際設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計不僅可以得到更好的互操作性，易于升級換代和維修，也更便于得到技術(shù)支持，從而降低研發(fā)成本。

（3）提升空間：在“工業(yè)4.0”大背景下，復(fù)雜電力電子系統(tǒng)進(jìn)入高速發(fā)展時期，因此在通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計之初就應(yīng)該考慮到今后的規(guī)模擴(kuò)大和性能升級。若沒有強大的可拓展性和可升級性支撐，重新設(shè)計、制造更新的通信網(wǎng)絡(luò)將會使費用大增，從而造成資源的浪費。通信網(wǎng)絡(luò)的性能越高，其拓展、升級費用往往也更高，難度也會相應(yīng)增加。

4 有效性和可靠性分析

在提出復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)效能評估指標(biāo)體系后，本文從有效性、可靠性兩個方面分析其正確性。

4.1 有效性分析

本文提出的復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)效能評估指標(biāo)體系，應(yīng)保證評估指標(biāo)體系和其中每個評估指標(biāo)都能夠?qū)υu估對象進(jìn)行真實反映。本文借鑒統(tǒng)計學(xué)中的效度系數(shù)，來分析所提復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)效能評估指標(biāo)體系的有效性。效度系數(shù)是一個能夠衡量評估認(rèn)識偏離程度的量，能夠分析評估指標(biāo)或者評估指標(biāo)體系的有效性。其效度系數(shù)絕對值越小，說明評估專家采用該評估指標(biāo)體系對目標(biāo)進(jìn)行評估時，對該目標(biāo)的認(rèn)識越趨于一致，該評估指標(biāo)體系的有效性越高，越能夠真實反映評估對象的真實情況，反之亦然。

假設(shè)評估指標(biāo)體系為F={f1,f2,…,fn}，F(xiàn)中包含n個評估指標(biāo)。參加評估的專家人數(shù)為S，某位專家j對評估目標(biāo)的評估分?jǐn)?shù)集為Xj={x1,x2j,…,xnj}，定義第i個評估指標(biāo)的效度系數(shù)為αi，則有

式中：M為第i個評估指標(biāo)fi的評分最優(yōu)值，xˉi為第i個評估指標(biāo)fi的評分平均值，即

定義評估指標(biāo)體系F={f1,f2,…,fn}的效度系數(shù)為α，即

8位專家采用“3分制”評分法進(jìn)行評分得到的評分結(jié)果如表2所示，計算得出α1=0.166 6、α2=0、α3=0.156 2、α4=0.125、α4=0.25、α5=0.234 3、α6=0.125、α7=0.072 9、α8=0.083 3、α9=0.125、α10=0.187 5、α11= 0.187 5、α12=0.234 3、α=0.1498 4。按照統(tǒng)計學(xué)中的定義，當(dāng)效度系數(shù)α∈（0.05，0.20）時，可認(rèn)為所研究的對象可靠性較高。本文中 α=0.149 84∈（0.05，0.20），因此，可以認(rèn)為本文所提評估指標(biāo)有效性較高。

表2 評估指標(biāo)體系評分表Tab.2 Score table of evaluation index system

4.2 可靠性分析

復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)效能評估指標(biāo)體系不僅需要具有有效性，真實反映評估對象，還應(yīng)該保證不同評估專家主觀認(rèn)識上的差異最小化。本文借鑒了統(tǒng)計學(xué)中的相關(guān)系數(shù)來分析所提復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)效能評估指標(biāo)體系的可靠性。相關(guān)系數(shù)作為一個反映不同量間相關(guān)關(guān)系密切程度的統(tǒng)計指標(biāo)，能夠反映不同評估專家采用某一評估指標(biāo)體系進(jìn)行評估時評估結(jié)論的差異，即分析評估結(jié)論的可靠性。其相關(guān)系數(shù)越大，說明評估專家評估結(jié)論的差異小，該評估指標(biāo)體系可靠性高，反之亦然。

假設(shè)xˉi=yi，則評估專家評分平均數(shù)據(jù)組為Y= {yi,y2,…,yn}，其中yi為第i個評估指標(biāo)fi的評分平均值，表示為

定義評估專家j對評估目標(biāo)各評估指標(biāo)評分的相關(guān)系數(shù)為βi，其表達(dá)式為

式中：xˉj為評估專家j對評估目標(biāo)各評估指標(biāo)評分的平均值；yˉ為評估專家評分平均數(shù)據(jù)組Y={yi,y2,…,yn}中各元素的平均值。求和表達(dá)式為

定義專家對評估指標(biāo)體系F={f1,f2,…,fn}各評估指標(biāo)評分的相關(guān)系數(shù)為β，其表達(dá)式為

按照統(tǒng)計學(xué)中的定義， 當(dāng)相關(guān)系數(shù) β∈（0.80，0.95）時，可認(rèn)為所研究的對象可靠性較高。按照表2的數(shù)據(jù)計算得出β1=0.942 7，β2=0.825 7，β3=0.864 6，β4=0.876 6，β5=0.849 7，β6=0.634 6，β7=0.742 8，β8=0.785 3，β=0.815 2。本文中相關(guān)系數(shù)β=0.815 2∈（0.80,0.95），因此，可以認(rèn)為本文所提評估指標(biāo)可靠性較高。

從有效性和可靠性的計算結(jié)果可見，評估指標(biāo)體系效度系數(shù)和相關(guān)系數(shù)滿足統(tǒng)計學(xué)要求。通過有效性、可靠性兩方面的分析，本文所提評估指標(biāo)體系可以作為復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)效能評估研究指標(biāo)體系。

5 結(jié)語

通信技術(shù)在復(fù)雜電力電子系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用不但帶來了性能上的提升，還形成了能量和信息的集成一體化，針對復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)效能評估開展研究，具有較大的工程意義。本文提出的復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)效能評估指標(biāo)體系，在一定程度上解決了評估指標(biāo)體系缺失和其評估指標(biāo)不統(tǒng)一、不規(guī)范的問題，為提出復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)效能評估方法提供基礎(chǔ)。要實現(xiàn)復(fù)雜電力電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)效能評估還面臨著許多挑戰(zhàn)，但它作為能夠根據(jù)需求選擇通信網(wǎng)絡(luò)的有效方法，在未來復(fù)雜電力電子系統(tǒng)設(shè)計中將起到十分重要的作用。

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