分布式控制范文

分布式控制范文（精选11篇）

分布式控制 第1篇

统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller,UPFC)是目前功能最为强大的潮流控制装置[1,2,3,4]。但是由于其成本及可靠性问题而没有在电力系统推广应用。研究一种既具有UPFC的强大功能,其可靠性和成本又能被电力系统广泛接受的潮流控制方法对我国电力经济持续发展有着极为重要的意义[5,6,7]。文献[7]中提出了一种同时在UPFC拓扑结构和控制方法上做改进的潮流控制器分布式潮流控制器(Distributed Power Flow Controller,DPFC),它将UPFC原有结构中通过直流电容连接的串并联变流器分开并利用分布式静止串联补偿器(Distributed Static Series Compensator,DSSC)的思想将串联侧分布化[8,9,10],在该拓扑结构基础上,通过三次谐波在串并联变流器之间交换有功功率从而达到综合调节线路潮流的目的,如图1所示。并联侧由两个背靠背的变流器组成,变流器VSC1为三相变流器,VSC2为单相变流器,二者由一个公共直流电容相连。通过一个耦合变压器将电网电压接入到VSC1的交流侧,VSC1吸收电网的有功功率来稳定直流电容电压;变流器VSC2输出一定大小的三次谐波电流,该电流经由首端Y-△变压器Y侧的中性点均匀分布到输电线路中。串联侧根据其控制器的指令,一方面吸收线路上的三次谐波电流,用以维持自身电容电压的稳定;另一方面按照实际的功率补偿需求,产生一定幅值和相位的基频交流电压,串联变流器电压和线路首端电压叠加在一起,以此来改变线路的潮流。

由于三次谐波电流被变压器△侧阻隔,无法流通,因而经过末端Y-△变压器Y侧的中性点接地后形成回路。

由于大大减少了部分装置的容量,节省了相间的低压绝缘和开关管的成本,较之UPFC而言更加经济可靠。

目前,国外只有Zhi-hui等人所在的研究小组在进行研究[7,11],本课题组采用等效电压源的模型对DPFC进行了初步的研究[12]。文献[7]对DPFC的潮流控制范围进行了分析,并在DQ平面中画出了DPFC对线路潮流的控制范围图,但并没有仿真数据验证控制范围的正确性;文献[10]中串联侧变流器的基波电压参考信号由中央控制器产生,中央控制器如何产生基波电压参考信号、产生的基波电压参考信号是如何实现对线路的有功功率和无功功率进行控制等没有进行深入研究;文献[12]在仿真过程中,仅仅改变基波电压参考信号的D轴和Q轴分量来验证DPFC对潮流的控制能力,并没有加入控制器。本文将对DPFC的潮流控制范围进行详细分析,计算出DPFC对系统潮流的控制范围,并探讨潮流控制范围的正确性;对串联侧控制器的设计进行深入研究,并探讨该控制器对系统潮流和串联变流器直流侧电压的控制效果。

1 等效数学模型

1.1 DPFC系统模型

如图1所示,DPFC由并联侧和串联侧组成,并联侧有两个变流器,分别为VSC1与VSC2;串联侧有一个或多个变流器。

实际运行中,变频器的工作频率很高,如果计及开关频率,需要很小的步长。因为研究目的是DPFC对潮流的控制能力,所以,本文忽略开关管动作,根据能量传递关系建立DPFC的暂态模型。由文献[7,11-12]可知,所有不同频率分量叉乘的积分为零,不同频率下的有功功率彼此独立,所以,本文对基波和三次谐波分别建模。由文献[13]中的单相模型等效法可得其基波等效电压源模型如图2所示。

图中,Us为线路首端线电压,Ur为线路末端线电压,Use1,a、Use1,b、Use1,c为串联侧变流器逆变电压的基波分量,Z1,a、Z1,b、Z1,c为线路基波等效电抗,I1为线路基波电流。

对图2系统可写出基波电压方程如式(1)。

式中:Us,a、Us,b、Us,c分别为输电线路首端A、B、C相电压;Ur,a、Ur,b、Ur,c为输电线路末端各相电压;I1,a、I1,b、I1,c为线路电流中的基波分量。

为减小装置容量,并联侧变流器VSC2只与串联侧交换串联变流器直流电容所需的三次谐波有功功率,所以VSC2可用等效电压源Ush,3代替,由文献[13-14]可知,串联侧各变流器也由电压源等效,如图3所示。

图中,Use3,a、Use3,b、Use3,c为串联侧变流器逆变电压的三次谐波分量,Z3,a、Z3,b、Z3,c为线路三次谐波等效电抗,I3为线路三次谐波电流。

同理,对图3系统可写出三次谐波电压方程如式(2)所示。

式中,I3,a、I3,b、I3,c为线路电流中的三次谐波分量。

1.2 DPFC串联侧模型

如前所述,为减小装置容量,并联侧变流器VSC2只与串联侧交换串联变流器直流电容所需的三次谐波有功功率,所以VSC2可用电压源Ush,3近似等效[13]。串联侧变流器以单相形式分别接入各相系统,其单相原理图如图4所示。

图中,refU,se1和refU,se3分别为控制器提供的串联侧变流器基波参考电压与三次谐波参考电压;Use,dc为串联侧变流器直流电容母线电压;Ise,dc为串联侧变流器直流侧电流;Cse为串联侧变流器直流电容值;I为线路电流,其值为基波和三次谐波电流的叠加,即:I=I1+I3;串联侧变流器等效电压为Use,且

由此,串联侧变流器吸收的有功功率Pse可表示为

式中:φ1为串联侧产生的基波电压与线路基波电流的相角差;φ3为串联侧产生的三次谐波电压与线路三次谐波电流的相角差。

串联侧变流器的工作模态主要有两个[7,11]:其一为吸收并联侧提供的三次谐波对直流电容进行充电,吐出系统需要的基波功率;其二为吸收系统基波对直流电容充电,吐出并联侧需要的三次谐波。因此,串联侧变流器吸收的有功功率Pse需用直流电容参数表示,如式(7)所示

2 控制系统

2.1 基波控制

DPFC能否发挥其作用的关键在于控制的优劣,尤其是如何控制和利用好新引入的三次谐波,这也是DPFC区别于UPFC的关键所在。

如上所述,本文建模时忽略了线路中电阻的影响,只保留线路阻抗的虚部j X,由此可以得到线路自然潮流为

由于串联变流器对系统呈现的为基波电压,而其三次谐波电压仅用于与并联变流器进行有功功率交换,由此,加入串联侧补偿的电压后线路潮流可表示为

将式(8)减式(9)可得DPFC补偿功率的大小为

假设首端和末端的电压幅度均是U,则可得DPFC的控制范围如图5所示。

图5中,没有DPFC补偿的潮流轨迹是一个半径为|U|2/|X1|并绕其中心(定义坐标为P=0,Q=|U|2/|X1|)的圆。圆上的每一点都对应着在传输角θ下线路的有功功率Pr0和无功功率Qr0。DPFC的补偿范围是一个以自然潮流(Pr0,Qr0)半径等于|Ur||Use1|/X1的圆,图中ψ为Use1与Ur的相角差。因此式(10)可写为

由式(11)可知,将串联侧电压Use1分解为与Ur同相位的横向量Use1,d和与Ur垂直90°的纵向量Use1,q,通过改变Use1,d、Use1,q的值将改变补偿功率Prc、Qrc的值[15]。由此可得串联侧的控制框图如图6所示。

图中:PL、QL为实际测得的线路有功和无功;PLref、QLref为给定的有功和无功;kP1、kT1、kP2、kT2分别为PI控制器的比例系数与积分系数[4,5,11];θr为线路末端电压Ur的相角。

2.2 三次谐波控制

串联侧变流器稳定工作的前提是其直流电压的恒定。由式(7)可知:直流电压的波动反映的是变流器与输电线路有功交换的变化,变流器所需的有功功率是由线路中的三次谐波电流提供。由于线路中的三次谐波电流维持恒定,可将串联侧电压Use3分解为与I3同相位的横向量Use3,d和与I3垂直90的纵向量Use3,q,通过改变Use3,d将改变直流电压,这与式(7)一致,由此可得串联侧三次谐波控制框图如图7所示。

图中:Udc SE、Udc SEref为直流电压实际测量值与给定值;kP3、kT3分别为PI控制器的比例系数与积分系数;θ3为线路三次谐波电流I3的相角。

3 仿真实验

3.1 系统参数设置

在PSCAD中建立DPFC仿真模型,如图8所示。为简化实现,并联侧变流器等效为与等效电压源Ush,3对应的频率为150 Hz的电流源I3,串联侧则由图2和图3所示的基波电压Use1,a、Use1,b、Use1,c和三次谐波电压Use3,a、Use3,b、Use3,c相串联进行等效,其幅值和相位由图6和图7所示的控制器计算得出。

取线路首端、末端电压380 V,首端电压相角领先8.92°。线路等效电抗为16Ω,并联侧等效电流源相变压器T1的Y型绕组中性点注入3 A电流。DPFC串联直流电压设定为60 V。

由式(8)、式(10)计算得出有功调节范围为-346.07~3 144.37 W,无功调节范围为-1 854.57~1 636.37 VA。

当不加控制器,直流电压恒定为60 V,改变基波电压的横向量Use3,d和纵向量Use3,q分别为(0,1)、(0,-1)、(-1,0)、(1,0)时,线路功率分别为图9(a)、图9(b)、图9(c)、图9(d)波形所示。

由图可以看到:有功最小可到-340 W,最大可到3 140 W;无功最小可到-1 850 VA,最大可达1 630VA,与计算结果一致,验证了系统仿真模型的正确性。

加入控制器,设定kP1=0.75、kT1=0.025、kP2=0.8、kT2=0.06、kP3=1、kT3=0.4,分别进行如下稳态及暂态仿真实验。

3.2 有功功率调节特性仿真实验

系统运行2 s时启动控制器,直流电压给定值为60 V,有功给定值为2.1 k W,无功给定值为0k VA;5 s时有功给定值变为0.9 k W,无功给定值不变,得到的系统各参数如图10所示。

从图10(a)可见:经过0.5 s无功稳定在给定值0k VA,经过1 s有功稳定在给定值2.1 k W;5 s时线路有功无功重新调整,无功继续稳定在给定值0 k VA,经过1 s有功稳定在给定值为0.9 k W。从图10(b)可看到,2 s时由于控制器的作用,直流电压开始波动,经过1.5 s稳定在给定值60 V,5 s时直流电压又开始波动,经过1.5 s稳定在给定值60 V。对图10(d)、图10(e)比较可以看出(图中Ir1为电流瞬时值,I1r M、I3r M分别为基频电流和三次谐波电流有效值)在变压器Y侧线路电流中含有基频电流和三次谐波电流分量,而在变压器△侧线路电流中只含有基频电流。

3.3 无功功率调节特性仿真实验

直流电压给定值为60 V,有功给定值为1.4 k W,无功给定值为0.3 k VA;5 s时有功给定值不变,无功给定值变为-0.3 k VA,得到的各参数如图11所示。

从图11(a)可见:经过1 s无功稳定在给定值0.3k VA,有功稳定在1.4 k W;5 s时线路无功重新调整,经过0.5 s无功稳定在给定值-0.3 k VA,有功稳定在系统自然潮流为1.4 k W。从图11(b)可看到,2s时由于控制器的启动,直流电压开始波动,经过2s稳定在给定值60 V,5 s时直流电压又开始波动,经过1.5 s稳定在给定值60 V。

3.4 单相短路接地暂态仿真实验

在同样的初始值下,3 s时在线路L1末端发生A相接地短路,短路持续时间为0.5 s。图12、图13分别为没装DPFC及装有DPFC时系统各参数曲线。

从图12和图13对比可以看出,未加DPFC的系统在短路发生后0.1 s时,线路有功功率无功功率达到峰值2.17 k W、-0.44 kvar,线路电流达到A相3.4 A、B相2.4 A、C相2.6 A;3.5 s时短路故障消失,经0.15 s,线路有功功率无功功率稳定在1.4 k W、-0.2 kvar,线路电流稳定在2.1 A。加入DPFC时,系统短路0.05 s后,线路无功达到峰值-0.37 kvar,线路有功达到2.04 k W,线路电流达到A相3.4 A、B相2.4 A、C相2.6 A。此后有功下降无功上升,3.5 s时短路故障消失,线路有功无功出现振荡,在3.9 s时稳定在在1.4 k W、-0.2 kvar,线路电流稳定在2.1 A。直流电容电压在故障发生时刻开始波动,并在5 s时稳定在给定值60 V。

3.5 线路功率波动暂态仿真实验

由于仿真系统采用的电源是理想电压源,为了使线路上传输的功率发生一定频率的振荡,本文令线路首端电压Us的相角θs发生小范围的波动,发生波动的相角为θs′,它的变化满足公式

图14所示为线路上传输的有功功率发生2 Hz的频率波动时线路上有功功率的振荡过程。图中Pr为装有DPFC的线路有功功率,Po为未装DPFC的线路有功功率。

由图14可见,未加DPFC时,线路有功功率的波动幅值为±300 W,而加入DPFC后,线路有功功率的振荡被减小到±200 W。

4 结语

1)本文用等效电压源法分别对基波和三次谐波进行了系统建模;建立了串并联变流器交换的三次谐波有功功率与直流电容电压的关系模型。

2)推导了DPFC的最大调节能力,并由此设计了串联侧基波控制器;由电压的有功无功分量设计了三次谐波的控制器。

分布式电气控制系统改造分析论文 第2篇

【关键词】现场总线；分布式；电气控制系统

引言

现场总线，是以厂内检测与控制技术部分为主导的，数字化通讯网络结构，该种信息传输方式，是借助数字化传感器、终端接收操作、以及控制器等结构，构建网络通信信号模式，进而确保信息传输过程，能够达到高质量、高效率、便捷化的传输效果。为了充分发挥现场总线设计优势，就必须准确把握实践应用要点，从而达到全面升级传输结构的目的。

1当前分布式电气控制系统中存在的问题

为了对当前电气生产企业中控制系统深层探究，本文主要以A企业为例，对电气控制系统中分布式程序进行探究。

1.1A电厂基本概况

A厂主要以电子设备零件加工为主导，采用厂电子模拟屏，对全场操作程序进行远程控制。该厂内当前分布式电气控制系统，主要分为远程控制结构、电气自动化控制程序、可调节指示灯、以及遥感测量仪器等。当A厂内电气控制系统正常运行时，系统分布式指示灯将处于稳定状态。一旦程序中出现通信故障，A程序，将按照电子模拟屏与现场设备提示方式，进行电气控制分布调节。

1.2A电厂中分布式电气控制系统不足

1.2.1外部设备问题结合A厂电气控制系统分布基本设计要点来说，该厂内电气控制设备，主要集中厂内电力信息控制的主体部分，而在各个小端口处，却始终存在着欠缺，因而，程序控制操作的实际效果并不理想；同时，该厂内电气控制设备，电气控制软件组态与外部控制开关之间的关系较为密切，且缺少与之相互匹配的程序辅助结构。一旦厂内电气控制中，某一部分出现连接故障，很容易发生局部影响整体的问题，导致厂内分布式电气控制实际应用问题重重。1.2.2程序内部问题A厂内分布式电气控制系统实际应用，也存在着内部程序问题。其一，分布式电气控制系统，以I/O系统为主，DCS系统为辅助实行电力信息的控制系统传输。当电子程序开发与应用时，内部通信与外部通信的关联性较低，一旦外部通信信息量较大，控制系统的内部运行效果将受到影响，很容易出现分布式控制系统瘫痪的情况。其二，A厂内电气控制系统终端程序与总线控制部分的程序开发不同步。当总体程序升级后，终端接收程序未能得到匹配升级，两者电气控制系统运作时，终端无法正常接受到总体系统的控制信息，电气控制传输可靠性受到影响。其三，A厂内DCS系统与FECS系统通信功能匹配不够合理，弱化了分布控制系统实际应用操控能力，电气控制系统的电力传输速率较低。

2基于现场总线下分布式电气控制系统改造

2.1电气控制系统总体改造

基于现场总线下分布式电气控制系统改造，能够有效提升厂内电气控制自动化的信息传输效率，也规避了信息传输相互干扰的问题。从厂内电气控制体系的总体分布格局而言，电气控制系统总体改造方案应落实到外部设备调控，以及内部程序总体设计上。2.1.1外部设备调控厂内现有分布式控制结构设计，主要集中在厂内电气控制的主体部分，且以终端信息监控为主。后期改造时，可在现有基础上，继续完善电气控制系统外部设备终端接收结构，从而形成主体控制与各部分分布控制相互协调的设备分布状态。例如；A厂在进行电气控制体系改造时，在DCS主体传输系统之上，继续延伸出多个与FECS相互匹配的子端口。厂内信息传输时，系统将自主寻求与其相互对应的电气控制子端口，进而实现了，厂内程序协调控制的效果。2.1.2内部程序调控电气控制系统总体改造结构规划，是指将分布式系统各个部分的远程操控模型，都调节到最佳状态，并以I/O为主导，实行更可靠的信传输运行模式，确保厂内电气控制系统，更新效果达到最佳化发展趋向。例如；A厂内未来电气分布控制系统实际改造时，不仅设定了电气传输的总体控制层，也将采取远程携带式调控方法，启动DCS系统分布式信息传输结构，并建立一套与DCS相互匹配的辅助性系统。一旦主体系统出现控制故障，辅助系统将继续进行程序调节，加强程序控制之间关联密切程度。

2.2站控层改造

2.2.1站控层“合并”站内控制层改造，是基于现场总线结构之上，形成的首个分布式电气控制改造方面。A厂站内控制层变革，将分布式可控程序，分为监视联络结构、电气设备检测结构、以及网络信息传输结构三部分。运用现场总线路体系，兼并了厂内原有单个电力传输分支，但依旧保留分布式程序控制联络监视结构、电气信息传输检测、以及网络信息高效率传输的优势，并以以太网为基础，增加两台空间信息传输转换站，实现双服务器下，电气自动化控制体系体系协调传输。与A厂内原有的分布式电气控制体系相比，新型电气传输控制方式，不仅实现了电气控制系统的综合传输，也能够“规避”冗余式传输信息带来的站内信息传输阻碍，从而达到站内信息高效率、高质量的传输分析[1]。2.2.2站控层“扩充”站内控制新层改造，也将单机一控方式，改为双机调控体系，并且建立了站内信息传输过渡空间。这样，当A厂内电气控制系统外部终端口，接收到相应较多的信息资源时，系统可先将信息整理为私有部分，公共应用部分，然后再具体结合站控层操作的需求，寻求与其相互匹配的电气控制信息。与A厂现有分布式控制结构相比，信息传输的可靠性相对更高，且信息传输的速率也将大大提升。

2.3内部控制层改造

2.3.1理论分析内部控制层改造，也是A厂内分布式程序，在现场总线路基础上需调控的一部分。主控单元调节与改造，主要是对I/O控制系统，实行通信和传输功能的更新。一般而言，主控单元结构变革，需定时扩充主控单元程序中的数据资源，确保厂内主控单元数据与现有电气设备程序保持一致，进而保障厂内电气控制总程序发出命令后，内部程序能够顺利实行电气控制操作。同时，内部控制层改造，也应对外部网络设备组成部分进行改造，更新终端检测窗口，实行相应的经济结构调配体系，并自主开展稳定的信息处理系统革新，确保智能通讯设备稳定性传输[2]。2.3.2实践探究举例来说，A厂现有的分布式控制结构，是按照厂内电气控制的主体部分，实行厂内智能化控制设备调节，但系统各部分的关联性较低。实行厂内分布式控制结构的改造时，首先要改变当前电气智能化控制设备，相互“分离”的分布结构，加强主控单元与辅助性网络设备之间的关联密切性。其次，全面更新A厂内I/O程序下，电气分布控制数据，加强系统中资源控制信息安全率，形成新的厂内数据传输应用保障。A厂在现场总线下分布式电气控制系统改造后，系统不仅实现了内部控制数据的集中性更新，也能够保障主体控制与各个终端控制之间的关联紧密度，进而实现了，A厂内分布式电气控制结构内部信息高效率传输，这是现代信息体系传输中，最为可靠的信息更新传导方法，在新时期信息传输过程中，发挥着不可忽视的替代作用。

2.4间隔层改造

间隔层改造，是确保分布式控制系统实际应用安全的主要环节，间隔层改造与调控，需对当前分布式电气控制体系下的传输体系，按照程序调控的基本需求，建立相对稳定、且自我保护能力较高的自动化控制程序。与传统的电气控制结构相比，间隔层本身就具有监控与通信信息保护的作用，实行分布式控制体系下将分层改造，将进一步增加其安全检测灵敏度，进而提升电气资源调控的质量[3]。例如：A厂内实行电气控制间隔层更改时，设计人员首先对程序的检测保护能力进行检测，然后再按照其安全程序高低，适当的进行间隔层后期改造趋向调节，始终确保厂内电气控制信息传输，与当前信息传输相互匹配，并有效弥补其原有电气控制安全层面的不足。同时，改造后的电气结构，能够将负荷开关调控的可靠性增强，具有自动感应与调节的能力，一旦电气设备传输效果处于不稳定状态，间隔层将在第一时间内进行问题处理，保障电气控制系统传输的可靠性。

3结论

综上所述，基于现场总线下分布式电气控制系统改造的分析，是电力传输自动化技术在实践中应用的具体体现，对于新型电力传输体系的规划具有指导性作用。在此基础上，为了有效突破分布式电气控制系统存在的问题，应通过电气控制系统总体改造、站控层改造、内部控制层改造、以及间隔层改造，实现分布式电气控制模式逐步优化。因此，浅析基于现场总线下分布式电气控制系统改造，将为当代电力传输模式整合创新提供引导。

参考文献

分布式控制 第3篇

关键词分布式发电故障并网控制策略

引言

分布式发电(Distributed Generation，DG)一般是指为满足某些终端用户的需求、采用接在用户侧附近的小型发电机组进行发电的一种方式。这些小型发电机组规模一般不大，大约在几十千瓦到几十兆瓦。一般而言，分布式电源是直接接入配电系统(380V或10kV配电系统)并网运行或采取独立运行的方式。与传统的高压远距离输电系统的大型电站相比，分布式发电系统更靠近用户，不需要高压输电系统，从而可使基础设施的投资大大减小，并且建设快，运行费用低，提高了供电的可靠性和电力质量。常见的DG的形式包括了一些采用天然气、氢气、太阳能、风能等具有环境友好特性的能源，因此这种发电技术是一种可利用多种能源的技术。此外，为了提高能源的利用效率和降低成本，往往采用冷热电三联供(Coinbmed，Cooling，Heather and Power，CCHP)的形式，因此从能源利用、节能和环保角度来看，这种发电技术都被认为是一种极有发展前途的发电技术。

1电网中常见的故障

1.1故障概述

电力系统可能发生的故障类型比较多，其中短路故障是电力系统中最常见、危害最严重的故障。短路是指电力系统正常运行情况以外的一切相与相之间或相与地之间的短接。在电力系统正常运行时，除中性点外，相与相或相与地之间是绝缘的，如果由于某种原因使其绝缘破坏而构成了通路，就称电力系统发生了短路故障。产生短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏。

1.2故障主要的种类及分析

电力系统中可能发生的短路有两类：对称短路和不对称短路。对称短路即为三相短路；不对称短路则包含单相接地短路、两相短路和两相接地短路。电力系统的运行经验表明，短路故障主要是单相接地短路。

(1)单相接地短路

单相接地短路是最常见的故障，约占全部故障的80％以上。对于中性点直接接地系统，发生单相接地时，要求迅速切除故障点。对于中性点不接地或中性点经消弧线圈接地的系统，发生单相接地时，允许短时间带电运行，但要求尽快寻找接地点，将接地部分退出运行并进行处理。

(2)两相接地短路

两相接地短路一般不会超过全部故障机率的10％。

在中性点直接接地系统中，这种故障多在同一地点发生；在中性点非直接接地系统中，常见情况是先发生一点接地，而后其他两相对地电压升高，在绝缘薄弱处形成第二接地点，此两点多数不在同一点。

(3)两相短路及三相短路

两相短路及三相短路相对较少，一般不超过全部故障机率的5％，但这种故障比较严重，故障发生后要求更迅速的切除。

(4)转换性故障、重叠故障

当发生以上几种故障后，往往由于故障的演变和扩大，可能由一种故障转换为另一种故障，或发生两种或两种以上的重叠性故障，这种故障约占全部故障机率的5％以下。

1.3故障带来的危害

随着短路类型、发生地点和持续时间的不同，短路的后果可能只破坏局部地区的正常供电，也可能威胁整个系统的安全运行。短路的危险后果一般有以下几个方面：

(1)短路点的电弧有可能烧坏电气设备，同时很大的短路电流通过设备会使其发热增加，当短路持续时间较长时，可能使设备过热而损坏。

(2)很大的短路电流通过导体时，将引起导体问很大的机械应力，如果导体和它们的支架不够坚固，则可能遭到破坏。

(3)短路时，系统电压大幅度下降，对用户工作影响很大。系统中最主要的负荷是异步电动机，它的电磁转矩同它的端电压平方成正比，电压下降时，电磁转矩将显著降低，使电动机停转，以致造成产品报废以及设备损坏等严重后果。

(4)当电力系统中发生短路时，有可能使并列运行的发电厂(发电机)失去同步，破坏系统的稳定性，使整个系统的正常运行遭到破坏，引起大片地区的停电，这是短路故障最严重的后果。

(5)不对称接地短路所造成的不平衡电流，将产生零序不平衡磁通，会在邻近的平行线路(如通信线路、铁道信号系统等)内感应出很大的电动势，这将造成对通信的干扰，并危及设备和人身的安全。

2针对电网常见故障情况下的并网控制策略

一个电网系统一般连接有多个分布式电源，这样很容易导致系统的不稳定。而电网中最严重的故障是短路故障，包括单相短路、两相短路、两相接地短路和三相短路，因此研究电网短路故障下的并网控制是很有意义的。

2.1统一功率因数控制方式

电网故障时分布式发电系统可以采用的一种控制策略就是在故障期间保持统一的功率因数。向网端输送最大有功功率时，其电流设置可以按下式计算：

I=gu (1)

g=p／u²

式中：g——逆变器输出端的等效瞬态电导；

u——三相电压向量u的模，u的值在三相电压均为正弦波，且三相平衡时是一个常数。

然而，当电网故障时，逆序分量将产生一个二倍频的波动。从而注入电网的电流将不再保持正弦波形，而是含有大量高频谐波信号。

由(1)式知，电流向量每个瞬时均与电压向量保持正比关系，不包含任何与电网电压正交的分量，因此只向电网输送有功功率，而不向电网输送无功功率。故在这种控制方式下，有功功率和无功功率在故障期间都保持恒定，功率因数是常数。

2.2正序跟踪控制方式

故障时另一种可行的控制策略是随动态式跟踪电压的正序电压。与统一功率因数控制相反，在这种控制策略中，需要一个PLL系统来检测电网的不平衡状态。另外，该系统也需要对故障引起的非平衡充分鲁棒并且能够检测出电网电压的正序分量。同步锁相环PLL即为满足这种要求的一种方式。此时的唯一问题是直流侧电压的二次谐波扰动，它对正序参考电流的产生有一定影响。不过我们可以采用数字滤波器来滤除这些扰动信号，从而不对系统引入任何延迟。不管在哪种情形下，当故障发生时在直流侧部分采用电容来消除二次谐波扰动都是必须的，否则，极易发生设备故障。

在这种控制策略下，分布式电源电流在故障时将始终保持平衡的正弦波形，只因电网电压的衰减，分布式电源的电压幅值会升高。不过，不管在哪种情形下，整个故障期间无功功率和有功功率都会有二倍频的波动。

2.3恒定有功功率控制方式

还有一种在故障情形下可采用的控制策略是保持有功功率恒定控制方式。在非平衡故障时，电网电压将同时包含正序和负序分量。类似的，电网电流也将变成非平衡的，从而无功功率和有功功率同时都包含有二次谐波分量的波动。此时，若在参考电流中注入一定的负序分量，可以方便地得到对二次谐波的补偿，从而使有功功率在故障期间保持恒定。

I_n=I_PU_n／U_pi(2)

式中下标p和n表示正序和负序分量。

考虑到这种控制方式有可能应用到采用比例一积分(PI)控制器对电流进行校正的控制结构中，一般还需要单独的负序电流控制器对负序电流进行额外的校正。

基于PR控制器的控制结构中，负序电流分量可以非常方便地引入参考电流中，这是因为这种控制器能够同时对正序和负序信号进行校正，这为系统的实现提供了很大的方便。然而，需要指出的是，在功率(无功或有功)恒定的控制策略中，电网电流在故障期间是非平衡的，而且在有功功率恒定的控制方式中，无功功率将承受大幅度的二次波动。

2.4恒定无功功率控制方式

在恒定无功功率控制方式下用于消除二次谐波波动的无功功率表达式和在恒定有功功率控制时非常相似，因为此时很容易通过计算得到正交于电网电压向量的电流向量，所以当需要在分布式发电系统和电网之间交换无功功率时，可以方便地对无功功率进行独立的控制。当检测到电网故障时，无功功率的参考信号要从O变换到设定值。

3结束语

分布式并发控制技术 第4篇

随着传统的数据库技术日趋成熟、计算机网络技术的飞速发展和应用范围的扩充,数据库应用已经普遍建立于计算机网络之上。这时集中式数据库系统表现出它的不足:数据按实际需要已在网络上分布存储,再采用集中式处理,势必造成通信开销大;应用程序集中在一台计算机上运行,一旦该计算机发生故障,则整个系统受到影响,可靠性不高;集中式处理引起系统的规模和配置都不够灵活,系统的可扩充性差。在这种形势下,以分布式为主要特征的数据库系统的研究与开发受到人们的注意。

分布式数据库是数据库技术与网络技术相结合的产物,它有效地扩展了数据库应用的空间,使得不同地域的用户可以共享数据库,提高了办事效率。但是分布式处理却有一个先天缺陷,就是设计的复杂性,设计一个好的分布式数据库非常困难。本文从数据库并发控制角度, 介绍几种常用分布式并发控制方法,了解分布式并发控制技术的实现途径和控制协议,探讨其在现实中的具体应用。

1 问题的引入

下面先来看一个例子,说明并发操作带来的数据的不一致性问题。

考虑飞机订票系统中的一个活动序列:

(1) 甲售票点(甲事务)读出某航班的机票余额A,设A=16。

(2) 乙售票点(乙事务)读出同一航班的机票余额A,也为16。

(3) 甲售票点卖出一张机票,修改余额A←A-1.所以A为15,把A写回数据库。

(4) 乙售票点也卖出一张机票,修改余额A←A-1.所以A为15,把A写回数据库。

结果明明卖出两张机票,数据库中机票余额只减少1。由此可以看出并发控制对分布式数据库的重要性。

2 分布式并发控制技术

2.1 封锁法

封锁法是并发控制一个非常重要的技术。所谓封锁就是事务T对某个数据项操作之前,先向并发控制中心申请加锁请求,如果不和其他事务冲突,加锁成功;且在事务T释放该锁之前,其他事务不得更新该数据项。锁分为读锁(共享锁)和写锁(排它锁)。即对同一数据项在同一时刻可以有多个事务持有对其的读锁,但对同一数据项在任何时刻只能有一个事务持有对其的写锁。

在封锁法中实现并发的最著名的算法是两段锁协议。

两段封锁协议规定:

(1) 在对任何数据进行读、写操作之前,事务首先要获得对该数据的封锁,而且;在释放一个封锁之后,事务不再获得任何其他封锁。

(2) 所谓“两段”锁的含义是,事务分为两个阶段,第一阶段是获得封锁,也称为扩展阶段,第二阶段是释放封锁,也称为收缩阶段。

可以证明,若并行执行的所有事务均遵守两段锁协议,则对这些事务的所有并行调度策略都是可串行化的。因此我们得出如下结论:所有遵守两段锁协议的事务,其并行的结果一定是正确的。遵守两段锁协议,在集中式数据库管理系统中可以破坏死锁的形成条件,以保证事务调度的正确性。但是在分布式管理系统中并不能保证不发生死锁。

在分布式环境下,如果分布式数据库系统中没有重复存储的数据,可以使用分布式锁技术。其实现方法是,对每个结点保留一个局部锁管理器,处理对存储在本地的数据加锁和释放锁的请求。当分布式数据库系统中有多处重复存储的数据时,可采用集中式锁技术,即仅有一个锁管理器,该管理器放在惟一一个结点上,所有的加锁和释放锁的请求都在该结点上处理。此外,在分布式环境下的锁方法,还有混合锁技术、主副本锁协议等。这些方法都可以有效地避免死锁。

其次,基于封锁的并发控制方法在分布式环境下还必须解决全局死锁问题。所谓全局死锁是指包括两个场地以上的死锁。分布式数据库系统是采用数据库图协议来避免死锁的。数据库图协议是建立在数据库图基础上的一种无死锁协议。一种简单的数据库图协议称为树协议。树协议中只可以有一种锁,即互斥锁。每个事务t对一个数据项只能加锁一次,且必须遵循以下规则:

a) T的第一个锁可以加到任何数据项上;

b) 数据项可以由T加锁的前提是其父节点已被加锁;

c) 数据项在任何时刻都可以被解锁;

d) 一个已经被T加锁并解锁的数据项不能由T再加锁。

可以证明任何满足树协议的事务调度是冲突可串行的,同时也能保证无死锁。但树协议也有缺点:在某些情况下,事务对不需要存储的数据项也要加锁。

2.2 时间印法

所谓时间印法就是在每个事务启动运行时,并发控制机制赋予其惟一一个时间印(通常为事务的启动时间),以实现多事务的可串行性。

时间印基本算法:

每个数据项都有时间印,分为读时间印和写时间印。读时间印即数据上一次被读出的时间,写时间印即数据最近被写入的时间。只有当时间印比数据项上的时间印大或者相当的事务才能执行对数据的操作并在操作完成后置数据项的时间印为事务和数据项时间印的最大值,否则拒绝,并撤销发出此操作的事务。并重新启动。这种方法使事务的并行等价于特定的串行序列,即按时间印递增的序列,一般不会产生死锁。

在分布式策略中,每个结点都使用本地的逻辑计数器或时钟产生局部的时间印,全局的时间印通过在局部的时间印前加上各结点的标识符来获得,这样获得的时间印是惟一的。

2.3 悲观并发控制

锁定系统阻止用户以影响其他用户的方式修改数据。如果用户执行的操作导致应用了某个锁,则直到这个锁的所有者释放该锁,其他用户才能执行与该锁冲突的操作。该方法主要用在数据争夺激烈的环境中,以及出现并发冲突时用锁保护数据的成本比回滚事务的成本低的环境中,因此称该方法为悲观并发控制。

2.4 乐观并发控制

在乐观并发控制中,用户读数据时不锁定数据。在执行更新时,系统进行检查,查看另一个用户读过数据后是否更改了数据。如果另一个用户更新了数据,将产生一个错误。一般情况下,接收错误信息的用户将回滚事务并重新开始。该方法主要用在数据争夺少的环境内,以及偶尔回滚事务的成本超过读数据时锁定数据的成本的环境内,因此称该方法为乐观并发控制。

3 分布式并发控制性能分析[1]

3.1 性能评价指标

3.1.1 通信开销

分布式处理往往涉及到不同的地域,通信开销是不可避免的。

3.1.2 局部处理开销

一般这种开销很难估计,可以通过对局部资源的占用情况来分析。维护和使用同步信息的情况(加锁,时间印)。

3.1.3 事务重新启动的次数和费用

事务重新启动是影响系统效率的重要指标。事务重新启动的次数愈多,系统的有效反应时间就下降,系统的吞吐量也降低。

3.1.4 事务阻塞的数量

许多同步技术都会阻塞事务,记挂起或有意延长事务的执行。

3.2 两段锁算法性能分析

通信开销在处理读写同步时,需要格外读锁,释放锁操作。局部处理开销主要是维护和利用锁和多版本的费用;重新启动开销取决于死锁解决技术的选择;阻塞开销直接与死锁解决技术有关。

3.3 时间印算法性能分析

基本的时间印算法不引起额外的超过基本要求的通信开销。局部处理开销主要是同步信息的处理和利用。由于时间印方法发生冲突时,总是重新启动,因此开销较大。阻塞开销受到各种优化方案的影响。

3.4 乐观,悲观算法性能分析

乐观,悲观都是极端情况,大多数应用需要尽可能考虑所有费用因素,但由于缺少定量的性能数据,很难给出简单的结果。

4 结束语

鉴于每种分布式控制方法都有一定的局限性,在实际的数据库设计和使用中,必须根据现实需求和外部系统对数据库的操作,来选择一个最适合实现数据库资源共享的并发操作及控制的方法,从而大大提高工作的生产率和效率。

参考文献

室内分布系统建设中控制点 第5篇

一、投资控制：在市场经济条件下，如何控制建设项目的工程投资，实施全 过程的工程监理是一个有效途径。而我国目前建设项目的管理正处于转轨变型期，监理单位基本上只是进行施工阶段的监理。对投资的“控制”也仅仅限于对已完工程量的测量与工作量的计价。所以，目前建设项目中概算超估算，预算超概算，决算超预算“三超”现象仍然存在。由于工程投资始终贯穿于建设项目的全过程，监理工程师要想动态地、有效地控制好工程投资，就必须在设计、施工、竣工三个阶段的每一步都加强控制。而目前只能做到施工阶段的监理工作（控制材料用量、核实工作量、合理确定材料价格），在设计和竣工环节对投资控制是我们以后突破的重点。

二、质量控制：严格按照具体的施工规范结合现场的实际情况要求施工单位 进行施工。分别从有源设备安装；无源器件安装；天线安装；线缆布放；线槽、PVC管、钢管；室内分布系统及直放站编码及标签规范等不同的方面进行检查和指导，从而保证工程的工艺质量。

三、进度控制：在室内分布系统的建设中，进度控制是一项首要的任务。室内分布系统建设中超工期，不能在指定的时间内完成工程的建设是各个分公司面临的主要难题，针对这一情况我监理方对工程建设中出现的问题进行了汇总，并提出相应的解决方案，仅供各个分公司参考。

①传输资源不到位。室内分布系统布线完成后，由于传输资源不能及时到位严重影响室内分布系统的建设工期。建议：i、在室分工程会审前施工方必须签订传输进线确认单，否则不允许会审。ii、室内分布系统工程立项前，必须确保传输接入工程已经立项，并能保证1个月工期传输建好。

②不能及时领到主设备。由于主设备是集团直接采购材料，目前大库严重缺料，采购的设备供不应求，各个分公司因为不能及时领取到主设备而影响开通的进度。解决方案：这一问题我监理方已经向网发部的孙宏韬反映上去，以后可能在确保能领到设备的情况下再立项。

③不具备施工条件。施工方在工程建设中，很多已经立项的室分站点不具备施工条件（大楼没有完全建好等原因），电梯的覆盖是尤为突出的问题。建议：在站点具备施工条件的情况下再立项。

④设备加电困难。部分站点由于设备无法加电（加临时电验收时代维不能通过）影响工期。建议：施工方提前做好加电的协调工作，签订用电协议书。

⑤与业主协调施工困难。在工程建设中，业主对具体的施工时间，或者施工条件（比如:必须穿指定工作服施工）要求较为苛刻，影响施工进度。建议：i、施工方一定与业主提前协调好，做好人员安排（加大人员投入，最短时间内完成布线和设备安装）。ii、考虑晚上施工。

在条件①－③满足的情况下，我监理方通过甘特图来对工程的进度进行控制，从立项日期开始，我们将工程分成6个模块来控制：

通过AdeptTracker软件绘制甘特图来对整个项目的进度进行控制。室内分布系统进度控制甘特图.lzc，下面是具体的截图：

i、室分系统布线、设备安装施工：这个是监理控制进度的关键，一旦发现施工进度缓慢，及时督促施工方并向分公司负责人及时反映（通过定期组织开会督促施工方或解决相关问题来加快施工进度）。此外，如果传输接入工程在建，在室内分布系统建设工程中及时关注传输接入工程进度，核实其是否跟得上室内分布工程的建设进度。如果出现问题及时向分公司汇报解决。

ii、室分系统的开通：在传输到位的情况下，预计需要7天时间完成站点的开通工作。

iii、室分系统设备调测（包括监控调测）：根据室内分布系统规模的大小不同，设备的数量也有所不同，正常情况按每天调3-4台设备进度估算，平均规模的十分系统预计时间4天。（开工前根据工程的规模征求厂家确定具体所需的时间更为合理）

iv、室分系统的优化、自检：这两个步骤可同时进行，一般室内分布系统的优化需要2天的时间。

v、验收、交维：室内分布站点具备验收条件后，验收、交维至少需要3天时间。（验收一次性通过的情况下）

vi、送审、工程结算、资产转固等工作（直到项目关闭）：必须保证监理方和施工方的资料提供齐全、及时。预留时间至少25天时间。附：针对分公司的验收情况，结合网管和网优的相关要求，所有的站点必须通过下列程序才能报验：

1、自检（通过监理的自检并签字确认，提高网管验收的通过率）。

2、华为第三方优化（网优明确要求第三方已提前优化并签字确认才能报验）。

现在部分施工厂家忽略系统优化与自检这道流程，系统优化不只是发现信号问题，期间是要调改参数（例如设备输出功率，切换等问题），电信网优要求华为第三方优化必须先出优化报告才能申报验收，所以说优化是必须的。

3、在验收前提前将电子档的竣工文件发送监理方，监理方核实后发送网管中心。

4、验收当天带①竣工文件（必须包含第三方优化报告）②有源设备接电信息表 ③光纤路由图

④代维接收表

（网管中心要求）

分布式控制 第6篇

一 快速城市化下的地表水环境问题

近几十年来，伴随经济的高速持续增长，我国的城市化水平也处于快速稳步提高的阶段。在城市化为迅速我们带来丰富的物质和文化财富的同时，城市不断扩张、建设后的各种问题也愈发凸显。其中一些最令人头疼不已的问题就出现在城市的水环境方面。古语云，“水可载舟，亦可覆舟”。这句古代先贤和帝王时常用于告诫众人“以此思危”的至理名言，现如今用于形容当下的城市水环境问题却是再恰当不过。

1、城市化与城市内涝问题的加剧

近些年来，我国大中城市出现了大量的城市内涝事件，经济社会损失十分惨重。与过去几十年间我国大量的由于江河湖水泛滥造成的洪灾事件不同，近年造成巨额经济财产和人员损失的城市内涝事件数量显著上升。2011年6月18日，武汉市遭受强暴雨袭击，市区内多处严重的道路渍水、交通堵塞、房屋倒塌，直接经济损失达数亿元人民币。2012年7月21日至22日，北京及其周边地区遭遇61年来最强暴雨及洪涝灾害，暴雨导致北京市内城区发生内涝灾害，公路、铁路、民航等交通方式均受到不同程度影响。市区范围内多处严重积水、车辆被淹，京港澳高速公路最深处积水深达6米。全市受灾人口160.2万人，死亡61人，因灾造成经济损失116.4亿元。

城市内涝问题加剧的主要原因，除极端暴雨天气的不可控因素外，更重要的问题是城市化过程中的一些问题处理不当。其一是城市排水系统建设滞后。目前我国一些城市排水管网欠账比较多，管道老化，排水标准严重偏低。其二是城市排水过于依赖地下管网，开放地表水体的作用被忽视，河流水面因城市地价因素被盖板或填埋，管网瓶颈效应显现。其三是新建城区的选址受各方面因素影响，迅速向一些地势比较低洼的区域扩展，同时大量挤占可调蓄雨水面积如水塘、河渠等水体，使这些地方尤其容易形成内涝。其三，城市建设的不透水面积如道路、广场、建筑物的比例大增，渗透性面积的大幅减少，造成降水形成径流大量汇集。与此同时，城市内涝问题造成的经济损失，又因为人口的高度聚集和生活及出行方式的改变变得更加敏感。

综上可见，我国快速的城市化进程未能形成对城市提升排水能力的驱动作用。众多的内涝事件暴露了我国城市从规划理念、设计方法、建设模式和运营管理等多个方面存在诸多问题，警醒我们必须在未来的城市化道路上调整思路和发展模式。

2、城市化与城市水环境恶化趋势

水所具有的两面性，还表现在水质方面。洁净的水是生命和健康之源，是经济发展的重要支撑因素。相反，受到污染的水会造成疾病和死亡，环境质量下降，甚至毁坏经济和社会发展的成果，乃至断送一个地方的未来发展之路。当前我国城市地表水污染水平居高不下，也成为城市居民生活质量大打折扣、产业升级受阻的祸源之一。

城市建设水平的提升，一个重要的方面是排污管网和污水处理能力的提高。在许多经济较发达的大型城市，城市污水问题已经得到基本解决。而此时，城市水环境的另一个重要威胁又显现出来，这个挑战同样来自降水。

在降水过程中，城市下垫面上各种污染物受冲刷作用，进入地表径流，使雨水受到不同程度的污染。随后进入城市排水系统，最终排入外部环境水体，使城市地表水环境受到污染。其中一个并不为公众熟知的现象是，一次降水过程中的初期雨水，其污染程度甚至超过城市的生活污水。有学者对北京城区1998～2004年多场降雨产生的屋面和路面径流雨水水质监测数据进行分析，一场降雨产生的径流污染负荷总量平均达化学需氧量280～630吨，悬浮颗粒物440～670吨，总氮近30吨，总磷近8吨，全年每年降雨径流污染物总量化学需氧量和悬浮颗粒物分别可达1.2～2.3万吨和0.9～1.9万吨。这样的污染负荷约相当于65～125万人口每年产生的生活污水携带的污染物总量。这些污染物随地表径流通过雨水管网直接排放到受纳水体，对城市地表水产生严重污染。

可见，在工业污水和生活污水等点源污染基本实现控制的情况下，雨水径流污染对城市环境水体的影响程度愈发凸出。这一问题与前述的城市内涝问题，是当前我国城市的水环境问题集中表现的两个方面，亟待研究并提出应对方案。

二 应对理论和方法原则

1、水敏感城市理论

城市内涝问题和地表水环境质量问题的涌现，并非我国城市化过程中独有。纵观全球城市化发展历程，城市的水环境问题和其他城市环境问题类似，都有一个发展的过程。

澳大利亚学者列贝卡·布朗于2008年综合一系列基于澳大利亚城市水管理（urban water management）的研究和实践，提出水敏感城市的概念，将城市水管理政策演化和服务状态划分为六个阶段，分别是“供水城市”、“排污城市”、“排涝城市”、“河道城市”、“水循环城市”，以及最终实现的“水敏感城市”。该项研究意在帮助城市的水环境管理者们充分理解水务与城市社会发展之间的关联性，从而建立一种确定当前发展容量和阶段性发展目标的框架，为最终全面建立理想的水管理模式而努力（见图1）。

通过理解上述理论，我们可以清晰地认识到，任何一座城市的发展过程中，涉及到水的相关问题，都有一个逐步演进发展的过程。只需对巴黎、伦敦、纽约等世界城市的发展历史略作了解，便能够理解世界上没有一座城市能在一诞生就具备所有能力，水环境相关问题更是如此。

结合水敏感城市理论中所述的各个阶段特征，可以认为我国的许多大城市正处在从“排污城市”向“排涝城市”发展的重要过渡阶段。城市中与雨水有关的灾害现象的持续加剧，以及近年各地城市明确提出提高管理能力的目标，加大城市排涝基础设施建设投资，正是这一总体发展趋势的现实表现。借助水敏感城市理论的阶段论观点，我们可以更加有效地对城市发展中的水环境问题展开分析，在明确相关决策中远期定位的基础上，更合理地研究阶段性的发展目标。

nlc202309030401

2、低影响开发理论

低影响开发（LID，Low Impact Development）是一种场地设计策略，主要体现的是一种场地开发模式，它通过采用分散的、小型的雨水设施对雨水径流进行就地处理和源头控制，其目标是最大程度上减少和降低土地开发对周围生态环境的影响，建造出一个具有良好水文功能的场地。为了控制雨水径流污染，基于LID原理的分散式地表排水系统越来越得到关注，以期在源头和传输过程中对径流污染进行控制和处理。

2013年3月25日国务院办公厅发布的《关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知》中也强调积极推行低影响开发建设模式，指出在城区建设时要与园林绿地、道路建设统筹协调，因地制宜配套建设雨水滞留、渗蓄等设施，增加植草沟、人工湿地、下凹绿地、可渗透路面等等雨水分散处理设施的使用。

如上所述，LID有很多相应的控制措施，如果能将不同措施组合的设计规模和能达到的处理效果进行量化和评估，将对场地开发的规划阶段和开发实践阶段具有实际指导意义。

三 城市水环境控制的空间规划设计模式

水敏感城市理论清楚的为我们指明了一个方向，即开放式的排水体系是城市排涝的一种重要模式，是对相对集中管理的地下排水管网的积极补充；尤其是在我国年内雨量分配不均的前提下，城市建设尤其容易忽略开放空间和开放水体，理解水敏感城市中的阶段理论有助于建立对城市水环境控制的这一全局性判断。于此同时，LID理论为我们澄清了雨水径流的污染问题应如何通过分散式的处理模式得到解决。因此，我们探索的聚焦点就在于，如何能够将开放空间规划与分散式的雨洪管理过程有机结合起来。

1、以城市绿地作为雨洪管理与空间规划的结合点

为了应对雨洪控制相关问题，许多发达国家已经形成了比较成熟的理论技术体系，但是目前仍然面临的情况是，我们对雨水径流污染控制措施缺乏一些空间规划层面的系统性设计方法，导致低影响开发（LID）理念在空间规划中得不到充分体现。也就是说，应该将城市降雨径流管理与城市规划、排水系统规划以及景观规划密切地相互结合起来。

城市绿地系统作为城市生态环境的重要组成部分，有着诸多效益。尽管我国城市对绿地系统建设已经十分关注，但是在城市绿地规划、设计和建设中，对绿地在水文循环中的作用却重视不足。事实上，城市绿地既可以是一种雨水收集面，又可以作为雨水净化和渗透的主要设施之一。尽管已有很多学者对绿地系统通过渗蓄和过滤过程，对雨水径流的控制和处理作用进行过研究，实际工程应用却仍比较少见。

同时，大部分的城市规划和设计人员尚未建立起将绿地系统与水文学过程联系起来的基本观点。如果能够建立起一套更具实践指导意义的方法和模式，供规划设计人员参考和使用，必将更有助于绿地系统充分发挥其对雨水径流的控制和处理作用。

2、城市绿地分布式排水系统模式的提出

城市绿地是城市用地的重要组成部分，它不仅自己产生自身径流，还承接来自其它用地硬化地表或者建筑屋面产生的径流。地表径流可以通过各种下凹式绿地结构，被滞蓄、引导以及处理，从而最大程度缓解地表径流造成洪涝和污染问题。

常用的控制措施有透水路面、下凹绿地、植草沟，雨水花园、雨水塘、人工湿地等，其中各种措施可以根据现场条件进行不同组合应用于不同的控制环节，以达到更好的控制效果。植草沟和人工湿地是径流污染控制措施中应用最为广泛的两种，如植草沟技术既可以应用在源头，收集和过滤汇水面上的径流雨水，也可以应用在污染物传输途中，代替传统的排水管网，人工湿地既可用在径流输送途中，也可以作为末端处理措施利用径流雨水营造水体景观。

在此，我们提出城市绿地分布式排水系统的概念，它可以由城市和小区绿地系统中的植草沟、滞蓄塘和人工湿地等组成。系统中各措施可根据场地地形布置，如植草沟与绿化带结合，坡度尽量与地形坡度一致，滞蓄塘利用原有的水池或设在低洼处等。系统运行方式如下：首先建筑屋面及地表产生的径流由植草沟收集到小区内景观渠道，然后传输至滞蓄塘，经滞蓄塘沉淀后进入人工湿地，最后处理后的地表径流由湿地排放到附近的河流或市政干管。无雨期可将附近河水部分引入湿地或用再生水补给湿地，维持湿地正常运行（见图2）。

（1）小区植草沟系统

植草沟是指种植植被的景观性地表沟渠排水系统。地表径流以较低流速经植草沟持留、植物过滤和渗透，使雨水径流中的多数悬浮颗粒污染物和部分溶解态污染物有效去除。在完成输送功能的同时达到雨水的收集与净化处理作用。植草沟可以设在小区内、停车场附近、公路边或其他开放空间，取代传统的排水管道，由于植草沟中的污染物可见，可有效避免管道错接和混接问题。植草沟可以有效地减少悬浮固体颗粒有机污染物及TN、TP。植草沟常见的断面形式有梯形、抛物线形和三角形。其中梯形和抛物线形断面植草沟适用于用地紧张地段，三角形断面植草沟占地面积较大，视觉效果最好。

（2）片区滞蓄塘系统

城市可以通过结合片区公园绿地，建立雨水滞蓄塘。滞蓄塘可分为干式塘和湿式塘。可以干塘为基础，估算不同大小汇水面积为滞蓄一定重现期下的径流量所需的滞蓄塘体积或占地面积。一定宽度和长度的植草沟可以服务一定规模的汇水面积，该汇水面产生的径流量即所需的滞蓄塘体积。进一步的可以根据滞蓄塘的合理水深，推算其占地面积，从而明确其在规划中的占地大小。滞蓄塘应设置在片区较为低洼的地段中。

（3）公园人工湿地系统

滞蓄塘为了达到一定的水质处理效果，需要一定的水力停留时间，随后应进一步输送到城市公园中的人工湿地进行深度处理。人工湿地是一种高效的控制地表径流污染的措施，不仅投资低、处理效果好，更重要的是能够和景观、地表水系结合，达到水质控制目的的同时实现雨水的综合利用。在人工湿地的应用中塘和湿地的组合应用最为常见，塘不仅起到储存，调节湿地进水量的作用，还有很好的污染物去除效果。四结论

根据目前的阶段性研究，合理布置的城市绿地分布式排水系统可以成为传统的排水管网的积极补充，其本身的容量足以满足小重现期降雨事件条件下的排水要求；城市绿地分布式排水系统占地面积不大，若场地综合径流系数为0.6，重现期为3年时，由宽为1米的植草沟组成的绿地分布式排水系统占地面积约6%左右，远远小于城市绿化率30%左右的要求，因此该系统在理论上是可以结合绿地系统，在不影响绿地系统景观要求的情况下，实现对径流水质的控制；另外，经过该系统收集处理后的小区内径流雨水基本满足《城市污水再生利用景观环境用水水质标准》和《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A标准。

综上可见，城市绿地分布式排水系统的提出，有助于消除当前城市空间规划和设计方面存在的盲区，将城市的开放空间规划与雨洪管理的众多问题结合起来，为我们应对城市雨洪灾害和地表水环境污染问题提供一种新的解决方案。

DCS分布式控制系统接地 第7篇

关键词：DCS,保护地,防静电接地,防雷接地,接地母排,接地电阻,直流电源负端接地

目前分布式控制系统DCS己经成为工厂控制中的重要控制系统,从控制系统风险的角度来保证分布式控制系统的安全,促其有效运行,是保证工厂安全稳定运营的关键,所以,全面提升分布式控制系统DCS的安全性能,己成为工厂发展过程中以待解决的技术问题。在以往DCS设计使用不当所引起的各种问题中,DCS接地所引起的问题也不可忽视。本文从DCS接地角度出发,论述DCS接地方法,分析由DCS接地引起的质量问题。

1 DCS系统接地的主要目的

DCS系统接地不仅能够抑制干扰,而且能有效提高控制系统接地端的安全性,例如通过静电屏蔽层接地可一很好的抑制瞬变的电场干扰。相反如果电磁屏蔽导体没有有效的接地措施,就会容易增强静电耦合,从而产生负静电屏蔽效应。还会加强影响对系统的干扰。系统中的切换操作所产生的系统内部的干扰,通过适当的接地处理,可以抑制这些干扰的产生。另外,通过接地可以消除或减少系统的各个部分之间的电位差干扰。

2 DCS常见的接地类型

(1)保护接地:保护性接地中主要对象是控制系统的盘、操作台、机柜、电气设备等,仪表及控制系统的外露导电部分应做保护接地。

(2)工作接地:包括信号电路接地、屏蔽接地。使用接地,可以减少电磁干扰。屏蔽电缆、排气路由、屏幕组件,如屏蔽接地,屏蔽接地端子应该是一个单点。DCS控制系统的工作原理的单点接地,就是一个独特的组合接地基准。

(3)本安系统接地:采用隔离栅的本安系统不需要专门接地,采用齐纳式安全栅的本安系统要设置接地连接系统。

(4)防静电接地:控制系统控制室、机柜室、工程师站室,导静电地面、活动地板上的桌子等,必须考虑防静电接地。已作了保护接地和工作接地的设备,不需要静电接地。

(5)防雷接地:防雷分布式控制系统,信号、通信和电源线从室外铺设进入室内时,需要设置防雷接地连接。

3 接地系统的主要组成

接地连接和接地装置:在DCS分布式控制系统的接地系统中由两部分组成:首先,接地连接包括:接地汇流排、接地连线、接地干线、接地分干线、接地汇总板等。其次,接地装置包括:接地总干线、总接地板、接地极等见附图1所示。

DCS分布式控制系统的接地连接使用分类汇总,最终是一点地平面连接。建筑物或设备的金属结构,基本钢种、金属设备、管道、进线、配电箱的PE(保护性接地)母排,形成等电位连接,各类控制系统的接地应汇总到地上,总的是实现等电位连接,接地装置与电气设备的组合与大地连接。但是,控制系统接地点和连接避雷针,高电流或高电压设备接地点需要保持15米以上的距离,或者说控制系统接地点周围15米内不得有大的电流接地。如果现场条件没有形成一个有限的等电位连接,控制系统可以单独使用接地,应避开电气接地15米。使用一个单独的地面,依然采用分类汇总的方式连接,严禁在各种地面接入交换机或保险丝。

4 接地连接的方法

(1)对控制台、柜等接地方法:在对控制台、柜进行接点时应首先将保护接地母排和工作接地母排设置。控制系统通过各自的接地端子和屏蔽保护接地端子连接到保护接地母排和工作接地母线。如果系统的通信线路没有电隔离装置,远程站(控制站,操作员站)工作接地板应该被连接到主的控制系统接地板上;保护接地总线汇总起来,接到最近的电气保护接地上。

(2)现场仪表接地连接方法:各接地线、接地干线、接地汇流排除正常的连接外,应是绝缘的。信号屏蔽侧接地应是单点接地。

(3)接地线与接地标志,接地线长度如果超过10m或在强磁场的设备周围,应采取措施,屏蔽接地线采用钢的抗磨损保护,或使用屏蔽电缆。如果接地线和室外步行距离超过1米,应该是双层屏蔽,内单点接地与地面的外端,防止雷电电磁脉冲干扰。接地线颜色分类,接地系统的颜色应该是绿色或黄色。

5 接地连接要求

DCS接地电阻是指从DCS控制系统总的接地板到大地之间的电阻。DCS控制系统总的接地板到地面接地极之间应采用大于22平方毫米的铜质接地带屏蔽导体连接,导线电阻应小于1欧,一般称作总接地母线。总接地母线两端的接地板对地绝对电阻对DCS品质都有干扰。因此地面接地极的选址就显得非常重要,海拔1800米以上的地面接地极的选址应该经过DCS厂家的认可。DCS控制系统的接地电阻高频接地电阻一般应小于4欧,也有高于10欧姆的DCS产品。

6 直流电源负端接地

一般情况,直流电源的外壳采取保护接地,直流电源的负端应该采取悬空设计。

有些项目为了满足系统中统一零电位要求,采取直流负端接工作地的方式。直流电源的实际正负线回路往往距离大的电压端子很近,因现场接线失误,容易将高电压信号从直流线路回路引入到DCS系统直流回路。如果直流电源负端悬空设计,高电压信号没有形成放电回路,不容易发生事故;如果直流电源负端接地设计,高电压信号就会找到放电回路,引起端子板故障或卡件故障。这种情况在系统调试阶段容易发生,投运之后很少发生。

7 总结

分布式区域交通信号自适应控制 第8篇

城市交通信号具有极强随机性, 利用经典控制方法, 如定时控制[1], 交通信号配时很难达到一个比较优化的结果, 尤其是当交通流出现较大随机波动时。为了实现区域交通网的有序控制, 需要将各路口的控制协调起来, 以防止交通拥塞。在交通信号协调控制研究方面, 绿波带方法最先得到发展[2]。但是, 绿波带方法要达到良好的控制效果有许多假定性约束, 限制了绿波带方法的实际使用效果。近几十年研究者尝试将不同的人工智能技术应用于交通信号控制, 如神经网络[3]、模糊逻辑[4], 其中的一些算法结构复杂且有大量参数需要调整, 使其难以达到很好的控制效果。

Werbos将强化学习和动态规划相结合, 提出了一种新的优化技术自适应动态规划 (ADP) [5]。在自适应优化期间, 自适应动态规划网络除了期望目标, 不需要任何优化路径信息, 这使得它更适合随机应用环境。

一般来说, 城市区域内各个交叉路口的交通流是相互关联的, 因此, 实施交叉路口间的协调控制能够获得更好的效果。为此, 设计一种不依赖模型的自适应动态规划算法 (ADHDP) 来解决多路口交通信号协调控制问题。所提出的算法能应用于不同种类信号控制路口的协调。算法采用分布式组织方式, 数据传输量小, 便于应用。实际应用中, 每个路口配置一个ADHDP信号控制机, 根据本地和周边路口的实际交通流变化情况调整本地信号配时, 以达到区域近似最优的控制效果。学习优化期间, 各个路口同时考虑本地和周边路口的控制效果, 实现不同路口间的协调优化, 做到区域优化控制的目的。

1 交叉路口基本模型

通常交通信号控制的目标是最小化车辆通过路口的平均延误。一个典型的十字交叉路口交通流示意图如图1所示。为简化情况, 右转车流可以不加考虑, 因此, 考虑4个控制相位 (南北直行、南北左转、东西直行、东西左转) , 此4个相位定义如图2所示。

假定1s内最多只有一辆车到达, 因此在某1s内车辆的到达状态定义为:

所涉及的交通状态变量, 如道路队列长度和等待时间仿照Pappis的定义[6]。

在时间区间 (t, t+Δt) 内进入某一车道的车辆数为:

假设车辆以s辆/秒的速度通过路口, 时间区间 (t, t+Δt) 内离开某条道路的车辆数为:

时间区间 (t, t+Δt) 内处于红灯状态的任一条车道的车辆队列数为:

时间区间 (t, t+Δt) 内处于红灯状态的任一条车道的车辆总体延误时间为:

时间区间 (t, t+Δt) 内处于绿灯状态的任一条车道的车辆队列数为:

时间区间 (t, t+Δt) 内处于绿灯状态的任一条车道的车辆总体延误时间为:

某一时段的平均车辆延误时间为:

2 基于自适应动态规划的交通信号协调控制算法设计

图3为所设计的在线学习式控制算法的结构图, x (t) 是输入向量, 由每个相位中车道最大排队长度组成;r (t) 是算法学习的强化信号量;实线代表信号的流向;虚线代表修正参数的流向。执行网络实现对相位的控制, 评价网络用来评价控制效果, 并以此调整两个网络的参数, 以实现优化控制的目的。

所设计控制算法中, 假设由相位i开始控制, 首先分配最小绿灯时间 (min Green) , 当相位i所分配的绿灯时间快用完时, 由Action模块进行交通信号决策, 决定是延长当前绿灯相位的绿灯时间还是结束此绿灯相位。如果算法决定终止当前绿灯相位或当前绿灯相位累积分配的绿灯时间达到最大绿灯时间 (max Green) , 则将绿灯切换到下一个相位。Critic模块根据所采集的交通数据和控制效果对Critic模块和Action模块进行参数优化。

为了将ADHDP交通信号控制算法用于区域多路口协调控制, 设计的控制算法通过综合考虑本地路口和周边路口的控制效果指标来指导本地路口ADHDP控制算法的优化学习。

2.1 Action模块

在ADHDP信号控制算法中, 执行网络和评价网络都采用三层人工神经网络来实现。其中执行网络由4个输入层节点、6个中间层节点和1个输出层节点组成, 如图4所示。输入变量为每个相位中最长的车辆队列长度, 为保证正确的控制策略的制定, 输入变量按照相位A相位B相位C相位D相位A的顺序进行循环变化。执行网络的输出变量u (t) 用以决定是否延长当前绿灯相位的绿灯时间。

训练目标为使系统性能指标J赞 (t) 逼近控制目标Uc (t) , 需最小化如下误差:

执行网络权值调整采用如下方式:

式中, wa为执行网络权值向量;la>0, 为执行网络的学习率。

对于交通信号控制问题, 控制目标是取得最小的平均车辆延误Tdelay (t) 。为了考虑在不同交通流状况下取得最小车辆等待时间Tdelay (t) , 又不至于使学习过程盲目, 采取逐步降低目标值的思路。ADHDP交通信号控制算法的控制输出u* (t) 定义如下:

式中, u (t) 为执行网络的输出, 0表示终止当前的绿灯相位, 反之1表示延长当前绿灯相位。

2.2 Critic模块

多路口情况如图5所示。每个路口的ADHDP控制算法借助综合瞬时效用函数来协调本地受控路口和相邻路口的交通性能, 并以此综合指标来指导本地交叉路口中自适应交通信号控制算法的学习, 制定合理的本地受控交叉路口交通信号控制策略。为此, 构造瞬时效用函数:

式中, rl0 (t) 和rli (t) 分别是本地受控交叉路口和相邻路口的交通控制性能评价函数。第i个交叉路口的交通控制性能评价函数定义为:

每个交叉路口的性能评价函数rli (t) 的值越小, 反映交通信号控制算法的控制效果越好。r0 (t) 则反映了本地受控路口及其相邻路口的综合控制性能。αi>0, i∈{0, 1, ..., n}是对各个交叉路口交通控制性能评价函数值所取的影响因子。α0=1表示本地交叉路口的控制策略在控制本地交通信号时只考虑本地受控路口的交通性能, 即不与相邻路口进行协调控制。带有4个相邻交叉路口的本地受控交叉路口的信号流图如图6所示。

用于增强较好控制策略的选择机率, 为了使逼近状态x (t) 的性能指标函数值J (t) , 通过训练执行网络和评价网络参数, 不断减小可以达到降低区域总体平均延误的目的。训练评价网络需最小化如下误差:

式中, γ为折扣算子, 0<γ<1, 这里选择γ=0.85。

评价网络的权值调整可采用如下形式:

式中, wc为评价网络权值向量;lc>0, 为评价网络的学习率。

3 仿真研究和分析

在如图7所示的四交叉路口情况下, 仿真验证提出的基于ADHDP的多交叉路口协调控制算法, 考虑由北向南和由东向西的交通流。4个外部交通流入口:SNB、SNA、SEA、SED。4个外部入口交通流的交通流量按车辆平均到达率λ的泊松分布规律生成, λ为不同的入口流量与饱和交通流量之比。

对感应控制在相同状况下进行仿真比较。对于感应控制和提出的ADHDP算法, 绿灯延时为20s, 最小绿灯时间为20s, 最大绿灯时间为120s, 每个相位的延误时间为1s, 每个道路最大的可测车辆排队长度为40。

先在3种不同的交通流状况下, 对不同αi的取值进行实验。为了简化, 选取, 仿真结果如图8所示, 由仿真试验结果可见α0=0.6对于四交叉路口协调控制的结果较好。

在不同交通流状况下, 采用感应控制、提出的协调控制 (以参数α0=0.6为例) 以及非协调控制 (即α0=1) 的仿真试验结果如图9所示。仿真试验结果显示, 对于提出的交通信号协调控制, 当交通流量增大时, 协调控制性能相对感应控制提高约20%, 相对非协调控制提高9%~10%。感应控制只考虑本地路口各相位是否有车到达, 而不考虑车的多少, 因此无法估计本地交通信号配时对其他路口的影响, 在交通流量较大时造成整体控制效果下降。

参考文献

[1]于德新, 高鹏, 杨兆升.基于遗传神经网络的区域交通控制的效果评价[J].北京工业大学学报, 2010, 36 (4) :490-494

[2]许卫明, 潘国安.城市交通干线双向绿波带智能控制研究[J].自动化博览, 2008, (Z1) :84-87

[3]邱伟康, 王伟智.基于模糊神经网络的交通信号控制[J].江苏电器, 2008, (4) :22-26

[4]臧利林, 贾磊, 林忠琴.基于模糊逻辑的交通信号控制与仿真研究[J].公路交通科技, 2008, 23 (4) :22-26

[5]赵冬斌, 刘德荣, 易建强.基于自适应动态规划的城市交通信号优化控制方法综述[J].自动化学报, 2009, 35 (6) :666-681

城市景观照明的分布式控制方法 第9篇

在传统的城市景观照明系统中,一般只通过手动或时间继电器方式进行手工开关灯或根据既定时间实现开关灯的操作。这一方面造成了能耗的极大浪费,缩短了灯具的使用寿命,另一方面也大大增加人工负担,难于营造一个舒适的视觉环境。随着计算机控制技术、网络技术、以及物联网技术的发展,使分布式智能控制技术引入城市景观照明成为可能,以充分发挥其在节能、管理和部署实施方面的优势,提高业主的科学管理水平。为此,文献[1]介绍了一种基于ZigBee传感网的楼宇智能照明控制系统;文献[2]介绍了基于Zigbee技术的LED智能照明系统的设计,以实现普通调光、定时调光和自适应调光等功能;文献[3]的专利发明了一种无线场景式智能照明控制系统,利用GPRS和2.4G免费频段实现单灯控制;文献[4]的专利发明了一种远程智能照明控制系统,以利用Web方式方便地实现对照明控制终端的数据采集与控制。上述工作虽然为城市景观照明的智能控制提供了一种有效的手段,然而,它们并没有从照明控制的可靠性、安全性等方面提供必要的保障措施,为此,本文给出了一个基于Zigbee和3G技术两级组网架构的大规模城市景观照明智能控制系统,并在此基础上引入了两级组网、分布控制、VPDN传输等技术手段,在实现了对城市景观照明设备的科学管理和监控的同时,有效地保障了照明控制系统的安全性和可靠性。

2 系统硬件架构

在城市景观照明控制工程的实施过程中,很多面向的是已安装到位的照明设备,这给有线组网带来了很大的难度,为此,我们给出了一种基于Zigbee和3G技术的两级无线组网的大规模城市景观照明控制系统结构,如图1所示。整个城市景观照明控制系统分为控制中心和控制现场两级架构。

控制中心各种设备组成相对封闭的局域网,主要包括中心服务器、GPS授时设备、控制终端、显示终端等。控制现场利用Zigbee技术组成现场总线网,主要包括照明协调器、照明控制器和视频监测终端等组成。控制中心与控制现场的相关设备,主要指视频监测终端和照明协调器,可以采用3G无线网络或光纤互连,并在此基础上建立VPDN专网,实现交换信息。

照明协调器主要由主控MCU、3G网关模块、Zigbee模块、以太网网口模块和电源模块组成。照明协调器作为控制网关向上通过3G网关可与控制中心实现信息交互;向下通过zigbee模块与照明控制器组网互连。

照明控制器主要由主控MCU、zibgee模块、照度传感器模块、电压电流监测模块、灯具驱动模块和电源模块组成。照明控制器通过zigbee技术把各灯具和照明协调器互连起来组成现场总线网,使得照明控制器可与照明协调器实现信息交互。

3 分布式控制策略

由传统的照明控制方法过渡到智能化控制,人们首先追求的如何实现可管、可控,例如"三遥"系统[5],其实,在智能化景观照明控制具体应用中,如何确保系统安全可靠运行也是系统实施的关键。为此,我们提出了一种面向大规模城市景观照明智能控制的分布式控制方法。整个控制可以分为三级,如图 2所示。照明协调器和照明控制器上都带有flash,用于存储本地运行策略。

3.1 控制中心与照明协调器通信方法

系统控制中心上位机控制界面采用B/S架构,用户控制界面通过web浏览器实现。这使得控制更为方便灵活,拥有权限的管理者只要在有网络覆盖的地方就可以对系统进行实时监控。上位机界面的控制结合了地理信息系统[6],在获取了街道、景区建筑物灯具的位置和形状等特征信息后设计一个以灯具为主题的虚拟现场图,可在控制中心大屏幕上动态显示景观照明效果,并可以通过平移、放大、缩小等操作观察整个受控区域。

系统运行模式分为正常模式和故障模式:在正常模式下用户可通过上位机GUI控制界面发送控制命令或运行策略给照明协调器。照明协调器收到控制命令或运行策略后返回目标数据,并把控制中心下发的运行策略存储到本地的FLASH中。具体的,控制中心和照明协调器之间的通信时序图如图 3所示。首先,用户在上位机主控PC界面设置系统策略,形成系统策略库文件。然后,主控PC把运行策略下发给相应的照明协调器,照明协调器收到后把运行策略存储到本地FLASH中,并返回一个确认帧。

为确保系统时钟信号同步,控制中心定时向照明控制器发送时钟同步帧。系统服务器从GPS设备获得校准时间作为系统同步时钟,并定时向照明协调器发送一同步帧,协调器收到后校正自己的系统时间,并返回一个确认帧。

控制中心主控PC每隔一分钟发送一次"状态采集命令",即控制中心监视屏幕上各个节点状态每隔一分钟更新一次。协调器收到状态采集命令后,通过zigbee网络下发给各个控制器。协调器在收到控制器的返回数据后,通过3G网络或以太网上传到控制中心,显示到监控屏幕上。

上位机在一定时间内收到确实帧后表明信道畅通,系统正常。最终如果在规定时间内上位机未收到节点状态,则在大屏幕显示故障节点。如果协调器在一定时间未收到上位机的同步帧,则自动进入离线模式,同时协调器从本地FLASH中读取并自行执行最近一次保存策略。协调器上配有液晶显示屏,用以显示当前系统时间、工作状态和受控控制器数目等系统运行状态参数。

3.2 照明协调器与照明控制器通信方法

照明协调器和照明控制器通过Zigbee网络互连。协调器为Zigbee网络的创建者和管理者。控制器为终端节点。具体的照明协调器和照明控制器通信时序图如图 4所示。照明协调器收到控制中心的控制命令或运行策略后,产生相应的控制命令或站点策略通过Zigbee网络下发给相应的照明控制器。照明控制器收到后会回复一确认帧,同时把站点策略存储到本地FLASH。

照明协调器在收到"状态采集命令"后,转发给所连接的照明控制器,控制器把当前运行状态、灯具电参数(电压、电流)和当前环境照度信息返回给协调器,由协调器上传到控制中心。如果有新加入的控制器(网络节点),也会返回其状态并显示到控制中心大屏幕上。

4 系统安全性保障方法

为了保证客户数据传输的安全,用户可向运营商申请提供专线APN(Access Point Name)传输方式,为用户提供专用的接入点名称,并提供用户名、密码、IMSI的多重安全认证功能[7]。LNS为用户总部端设备(路由器、VPN设备)通过专线与运营商网络互连,在分支网点配置3G模块,使用企业申请的专用APN名称、用户名密码接入3G网络。

通信隧道建立过程如下所述:无线终端通过3G网络连入运营商LAC服务器。LAC服务器通过用户名,密码或APN名称识别出为系统授权VPDN用户后,就和LNS进行连接验证。基于从LAC请求中获得的名字和隧道密钥,LNS会通过查找本地的VPDN配置,检查该LAC是否允许建立隧道。如果认证通过,终端和LNS之间进入IPCP( IP Control Protocol )阶段,路由被建立起来,对话也开始在终端和LNS之间进行。LSC负责转发数据帧。LAC和LNS之间的数据帧会在VPDN隧道中传输。VPDN用户与LNS成功建立连接,开始进行通信。

此外,控制中心采用用户鉴权方式来保证系统操作的安全。对用户而言,有两种登陆账号:管理员账号和一般用户账号。使用管理员账号登陆可以实现通过主控PC实时监控系统运行状态,同时控制整个系统运行;使用一般用户账号登陆则只能实现对系统的监视。

4.1 Zigbee网络数据传输的安全性

Zigbee安全机制有加密、数据完整性检查和认证功能,可以施加在MAC层、网络层或应用层上,采用AES-128加密技术保证秘密性,并基于AES算法生成一系列的安全机制,用来保证完整性和真实性[8]。为了避开相同设备的干扰,防止被其他设备监听,本系统启用了已在Zigbee 的Z-stack中实现的128bit的AES加密算法用于网络中数据传输。

AES(The Advanced Encryption Standard)是美国国家标准与技术研究所用于加密电子数据的规范。它被预期能成为人们公认的加密包括金融、电信和政府数字信息的方法。AES 是一个新的可以用于保护电子数据的加密算法。

Zigbee网络中数据传输采用AES加密算法后,网络中所有的设备都需要开启这个算法,而且这个设备中的KEY必须相同,否则会导致网络无法正常通讯。

4.2 通信异常事件处理方法

本系统采用分布式控制策略,一方面,把系统运行策略下发到协调器和各控制器;另一方面,通过3G和Zigbee网络从控制器获取系统状态。

如果控制中心上位机出现异常:如意外断电等情况,协调器会自动进入异常模式,自动加载运行最近一次系统控制策略,并通过3G模块向指定的用户和控制中心发送短信,及时告知相关人员。

如上所述,主控PC每一分钟发送一次状态采集命令,这意味着控制中心大屏幕上内容每一分钟更新一次。如果有节点运行出现故障,会及时显示到监控大屏幕上,并且可初步断定确定故障节点的位置和故障类型。

此外,如图 1所示,控制中心可通过网络摄像头远程监控现场设备及其周围的状况。这样一方面可以加强系统的故障检测功能,另一方面可以起到一定的防盗作用。

5 结 论

景观照明不仅可以改善城市和景观的夜景照明环境,同时也提升了景观本身的可观赏性和满足了人们日益增长的生活需求。本文提出了一种基于3G无线网络和Zibee无线网络的景观照明控制系统的设计方案。利用了3G技术和物联网技术,不仅实现了对景观照明系统的灵活的管理控制,同时保证了系统运行的安全性和可靠性。

摘要：针对目前城市景观照明智能控制系统在系统安全性、可靠性等方面存在的不足,提出了一种基于物联网技术的大规模城市景观照明分布式智能控制方法,并在此基础上引入了两级组网、分布式控制、Zigbee、3G和VPDN等传输技术手段,在实现了对城市景观照明设备的科学管理和监控的同时,有效地保障了照明控制系统的安全性和可靠性。

关键词：Zigbee,3G,分布式控制,城市景观照明

参考文献

[1]周晓伟.基于ZigBee传感网的楼宇智能照明控制系统的设计与实现[J].计算机工程与科学.2009,Vol.131(18):150-152.

[2]殷骏,王巍.基于Zigbee的LED智能照明系统设计[J].照明工程学报.2011.8,Vol.22(4):75-78.

[3]廖应成,孙长征.一种无线场景式智能照明控制系统[P].中国专利:CN201571233U,2010.09.01.

[4]周明杰,赵安辉.远程智能照明控制系统及其控制方法[P].中国专利:CN101925219A,2010.12.22.

[5]张晋斌.智能无线互联网照明控制器[P].中国专利:CN202077245U,2011.12.14.

[6]浦敏,李云飞,王宜怀.基于物联网的无线照明控制系统[J].照明工程学报.2010.04,Vol.21(2):87-90.

分布式电源的本地电压控制策略 第10篇

随着技术的进步和政策的扶持,我国分布式发电产业发展迅速,分布式光伏发电的发展尤其迅猛,截至2015年底,我国分布式光伏发电累计装机容量已经达到6.06 GW,其中新增1.39 GW,同比增长29.8%[1]。分布式发电产业的快速增长,对社会经济发展起着良好的推动作用,但同时也给电网的安全稳定运行带来了隐患。由于分布式电源(DG)装机容量占总装机容量的比例仍然较低,对主网的影响仍十分有限,但对局部配电网的影响日益突出。DG的接入对配电网的影响[2]主要表现在电能质量[3,4]、继电保护[5]和可靠性[6]等方面。由于DG一般经过升压变压器并网,因此其谐波影响问题并不突出;由于DG容量不大且多为逆变器或异步机并网型,因此其对短路电流和继电保护的影响较小也容易应对;影响DG消纳的关键在于因其引起的电压偏高问题,因此应对DG接入对配电网电压的影响、提高其消纳能力成为当前的一个研究热点。

文献[7,8]通过对电源、负荷和配电网的主动协调控制和管理提高配电网对DG的消纳能力,为提高配电网对DG的消纳能力提供了一种可行的解决方案,是未来配电网的发展方向之一。但该控制技术依赖高速可靠的通信和先进的计量设施,而我国配电网的信息化建设基础相对薄弱,短期内难以满足要求。另外,过分依赖高速可靠的通信通道,也会使配电网十分脆弱而不够安全可靠。基于配电网建设现状,采取简单有效的措施以提高配电网对DG的消纳能力显得十分必要和迫切。

本地控制技术是根据接入点的电气量对配电网中的可控元件进行就地控制的技术,因不进行多个对象的协调控制而不依赖通信手段(甚至可以不建设通信通道),仅在控制点加装本地控制组件即可。现阶段,对配电网中DG实施有效的本地控制是提高配电网运行水平和对DG消纳能力的切实可行的解决方案。

国外许多学者已经展开了含DG配电网的本地电压控制研究。文献[9]对基于逆变器并网的DG的本地电压控制展开研究,建立两自由度的控制器动态模型,可使DG具有不间断电源的运行特性。文献[10]提出一种电压自适应控制器以实现含光伏发电配电网的本地电压控制,并通过电磁仿真验证所提方法的有效性。文献[11]针对高渗透率分布式光伏接入的配电网,提出了基于热泵式热水器的本地电压控制策略。文献[12]提出基于光伏发电和储能的本地电压控制技术,通过控制储能的充放电和光伏的弃光来实现电压的控制目标。但现有的研究大多基于储能装置,这会大幅增加建设成本,使得方案的经济可行性较低。因此,简单有效的本地控制策略还有必要进一步深入研究。

1 DG接入对配电网局部电压的影响

不失一般情况,考虑配电网主馈线如图1(a)所示,图中0、1、2、…、i、j、k、…、n为节点序号,节点0代表母线,设于j点接入DG,i和k分别为其上游和下游相邻的无DG接入的节点,沿线电压幅值分布如图1(b)所示。

设母线额定电压为UN,ΔUy为综合考虑DG和负荷时节点较母线的电压变化幅值,ΔULyz为负荷在节点y和z之间造成的电压降落幅值,ΔUVyz为DG在节点y和z之间造成的电压升高幅值。由于实际负荷的功率因数较高,因此总是引起电压幅值降落,即可以认为有ΔULyz>0;由于DG引起的电压幅值升高是限制其接入容量的瓶颈,因此分析中仅考察其引起电压幅值升高的情形,也即ΔUy>0、ΔUVyz>0。

因此,节点k的电压偏差可表示为:

节点j的电压偏差可表示为:

其中,ΔU0jL(j,n)为节点j下游的负荷在母线和节点j之间造成的电压降落幅值。

由于ΔUj>0,因此有:

其中,L0j为母线到节点j的距离;Δu(j,n)为DG与节点j下游的负荷在母线和节点j之间造成的单位长度电压降落幅值。则有:

节点i的电压偏差可表示为:

其中,Lij为节点i和节点j之间的距离。

综上所述,当配电网中存在电压越上限风险时,DG接入点的电压最高。

将配电网中负荷看作恒功率节点,则配电网为线性系统。于是,对于馈线上接入多个DG的情形,根据叠加定理[13],各个DG接入点的电压抬升作用最大,沿线在各个DG的接入点形成多个[13]电压极大值点,只需要消除DG接入点处电压偏差越上限的状况,即可消除整个配电网电压偏差越上限的状况,这为DG的本地电压控制可行性提供了理论基础。

2 本地电压控制策略

DG并网方式可以分为电力电子逆变器接口和常规旋转电机接口,由于前者性能更加优越,所以目前主要并网装置是并网逆变器[14],其输出有功功率通常采用最大功率点追踪(MPPT)控制,而无功功率通常采用脉宽调制(PWM)控制,控制方式可以分为恒功率因数、恒电压、有功和无功解耦控制3类[15]。并网逆变器灵活的控制方式为实现本地电压控制提供了极大便利。

2.1 本地电压控制策略

本地电压控制策略只需针对较大容量的DG即可,不必借助通信网络和协调控制,而仅仅根据DG本地采集到的接入点实时电压信息,对其输出的无功功率或有功功率进行本地调节,以满足轻载或重载条件下的电压偏差不致越限的要求。

由于调节无功功率对电压幅值的调节效果比较明显,而且为了充分利用自然资源提供有功功率和保护DG业主的利益,本地控制宜在保证有功功率的前提下,在剩余容量允许的范围内优先调节DG的无功功率,在无功功率调节到剩余容量极限还不能解决电压偏差问题(或该DG只能提供有功功率)的情况下,再对DG的有功功率进行调节。为了避免各个DG之间出现无功振荡现象,并且考虑到影响DG消纳能力的主要矛盾是接入点电压越上限问题,因此本地控制中只考虑令各个DG根据需要适当提供容性无功功率支撑,即QDG<0。

本文所提出的控制策略按固定时间间隔对DG的出力进行调整。当接入点电压越上限时进行无功功率调节并在有必要时配合以有功功率调节以消除电压越限;当接入点不出现电压越上限时,计算该点实时可继续接纳的DG的有功功率,并释放相应的受限上网出力以实现最大化接纳DG;另外在电压不越限的条件下调节并网的无功功率,以减小DG无功功率带来的损耗并释放无功功率所占用的并网逆变器容量。

2.2 本地无功控制与本地有功控制

2.2.1 本地无功功率调节

(1)电压越限时的本地无功功率调节。

设节点m处DG当前的无功功率输出为QDG,m,该处观测到的电压偏差为ΔUm%(ΔUm%=(Um-UN)÷UN×100%,Um为节点m处测量电压),则当ΔUm%越上限ΔUs+%和越下限ΔUs-%时,可对该DG的无功功率进行调节。

以ΔUm%越上限的情形为例进行分析,由叠加定理可知,调整后的电压偏差ΔUm~%为:

其中,ΔQDG,m为节点m处DG的无功调节量;Xi为第i段线路的电抗值。

期望ΔUm~%<ΔUs+%,则最小无功调节量为:

其中,,对于给定的配电网,a和c都是常量;Um可直接测量得到。

本轮调节后,该DG的无功功率出力为:

其中,上标〈k〉和〈k+1〉分别表示第k轮和第k+1轮调节;α为范围为0~1的参数,用来防止过于剧烈的调整。

若QDG,m超过了DG的能力,即:

则令:

其中,Qm,max为当前节点m处DG所能提供的最大无功功率;Sm为该DG的容量;Pm,max为最大功率点跟踪方式下该DG的有功出力。

为了避免DG间无功振荡,可采取避免DG发出容性无功功率的措施,即若QDG,m>0,则令:

DG的无功功率对于减少电压偏差的作用可以根据式(6)计算得出,但尚未调整到位,剩余部分电压偏差需要调节有功功率来配合完成。

(2)电压处于正常范围时的本地无功功率调节。

若|QDG,m|<ε(ε为给定的极小值),则不进行无功功率调节;否则,根据当前量测数据和当前电压与电压上限的差,由式(7)计算出ΔQDG,m,按照式(8)—(11)调节DG的无功功率输出。

2.2.2 本地有功功率调节

(1)电压偏差越限时的本地有功功率调节。

设节点m处DG当前的有功功率输出为PDG,m,该处观测到的电压偏差为ΔUm%,与无功控制的推导过程类似,可得最小有功调节量为:

其中,,Ri为第i段线路的电阻值,c同式(7),b和c都是常量;Um可直接测量得到。

本轮调节后,该DG的有功功率出力为:

其中,β为范围为0~1的参数,作用同式(8)中的α。该DG的有功功率出力能力范围为:

若PDG,m超过了DG的最大或最小有功出力能力,则令PDG,m=Pm,max或PDG,m=0。

(2)电压处于正常范围时的本地有功功率调节。

为了充分利用清洁能源,当电压处于正常范围时,若还有继续增大DG有功功率输出的潜力,则应调节DG接入电网的有功功率,尽量发挥其潜力。

为了保证调节后的电压仍满足要求,增大的有功功率不应该超过根据实时观测信息由式(12)所得的ΔPDG,m,由此可得该DG的有功功率出力为:

其中,ΔPp为该DG可增大的有功功率;β与式(13)中相同,亦可根据实际情况选取不同的值。

2.3 本地电压控制的实现

配电网中若在多处DG并网点处安装本地电压控制装置,各处本地控制装置各自以固定的时间间隔自动执行,各本地控制装置之间无需同步。本地电压控制装置的单轮控制流程如图2所示。在一轮本地控制启动后,若监测到电压越上限,则优先执行该轮电压偏差越限时的本地无功功率控制,若仍存在越限,则执行该轮电压偏差越限时的本地有功功率控制;若监测到电压越下限,则优先执行该轮电压偏差越限时的本地有功功率控制,若仍存在越限,则执行该轮电压偏差越限时的本地无功功率控制;若监测到电压在正常范围,则优先执行该轮电压处于正常范围时的本地有功功率控制,若QDG>ε,则执行该轮本地无功功率控制。如此反复进行,不断跟踪DG出力变化和负荷变化,进行电压调节。

值得注意的是,在消除电压越上限时,由式(7)所求得的是实现控制目标的最小调节量,在实际应用中为了保证控制的稳定性和鲁棒性,控制目标应略低于配电网运行要求的电压上限值。另外,实际应用中可同时加入积分环节以增加控制系统的稳定性。

3 算例分析

本文采用IEEE 33节点配电网为算例,验证所提出本地电压控制策略的有效性。IEEE 33节点配电网的拓扑结构如图3所示,有32条支路,网络首端电压为12.66 k V,总负荷为(3.715+j2.300)MV·A,负荷大致均匀分布于各负荷节点,详细参数见文献[16]。主馈线和分支馈线上接入的各DPV额定容量分别为0.75 MWp和0.6 MWp。在计算中采用标幺制,基准容量为1 MV·A,基准电压为12.66 k V。电压偏差上下限标准要求为±7%[17],参数α和β取为0.8,ε取为1×10-4,考虑到调节的裕度,ΔUs+%取为6.5%,ΔUs-%取为-6.5%,本地控制时间间隔取为5 s。

计算式(7)和式(12)中的参数得到各分布式光伏的控制参量如表1所示。

为了更好地验证所提的控制策略,选取电网运行中4种典型的配电网状态变化情景,如表2所示(表中数据均为标幺值)。系统初始状态中,各节点的负荷为IEEE 33节点配电网原始数据,各处DPV出力均为0.55 MW,此时无电压越限,系统中电压最高处电压为1.06 p.u.。情景1与初始状态相比,负荷不变,但因云移动露出太阳,光照迅速增强,主馈线各DPV最大可用有功出力为0.725 MW,分支馈线各DPV最大有功出力为0.6 MW;情景2反映云移动再次遮住太阳,即在情景1的基础上恢复到系统初始状态;情景3与初始状态相比,仅负荷等比例减小,各节点负荷减小为原来的70%;情景4在情景3的基础上恢复为系统初始状态。

3.1 情景1———DPV出力增加

此情形下各处DPV出力较大而负荷较轻,配电网中各节点电压将处于较高的水平,本地控制器将调节光伏并网逆变器的出力以消除过大的电压偏差。仿真显示主要是DPV-13(节点13处分布式光伏发电及并网装置,下同)、DPV-15和DPV-16处触发本地调节,经过15轮调节后系统基本趋于稳定,22轮后系统稳定,调节过程如图4所示。

控制稳定后,DPV-13、DPV-15和DPV-16处有功出力分别为0.725 MW、0.725 MW和0.691 5 MW,无功出力分别为-0.192 0 Mvar、-0.192 0 Mvar和-0.265 17 Mvar。在调整过程中,电压的变化曲线如图5所示,图中电压为标幺值。

为了研究参数α和β对控制系统性能的影响,分别对α和β同时取1.0、0.9、0.7和0.6的情况进行仿真。α和β取值为1.0时,系统不能趋于稳定,其他取值时DPV-15的电压变化情况如图6所示,图中电压为标幺值。由图6中曲线可看出,当α和β取值较小时,系统电压振荡的幅值较小且能较快趋于稳定,所以α和β的取值不宜过大。

由以上结果可知:①仅部分DPV启动并进行了本地控制;②在本地控制的调节过程中,DPV出力和电压存在起伏,最终趋于平稳;③稳定后,DPV-16的有功出力受限。

3.2 情景2———DPV出力减小

通过情景1的调节后,DPV-16的有功出力受限,一段时间后,由于光照条件的限制,各DPV最大可用出力降低为0.55 MW,各DPV的有功出力被动减少,因此配电网中节点电压会有所降低,此时,触发DPV-13、DPV-15和DPV-16的本地控制,7轮调节后稳定,调节过程如表3所示(表中数据均为标幺值)。稳定后系统状态恢复到初始状态,各处DPV并网装置不再向配电网提供无功功率,电压也在允许范围内。可见,所提算法可以在电压越限状况缓解时有效地释放DPV的无功出力。

为了研究参数α对控制系统性能的影响,分别对不同α下系统稳定需要的调节轮次进行统计,结果如表4所示。可见,随着α取值的减小,所需要的调节轮次数目大幅增长,所以在实际应用中α取值也不宜过小。综合场景1中的分析可知,α和β的取值既不宜过大,也不宜过小,对于本文所研究的系统,α、β取值为0.6~0.8时控制系统性能较好。

3.3 情景3和情景4———负荷变化

当负荷减小后,配电网电压将会升高,从而使节点15和节点16出现电压越上限的情况,触发相应的本地控制,经10轮调节后系统电压稳定,调节过程见图7(a)。系统稳定后,DPV-15和DPV-16的无功出力分别为-0.0043 Mvar和-0.050 0 Mvar。

通过情景3的调节后,DPV-16处需要吸收配电网中的部分无功功率才能保持电压不越限。当负荷增大时,配电网中节点电压会有所降低,这将触发DPV-16处的本地控制触发,使DPV-16无功出力降为0,系统恢复到初始状态,6轮调节后系统电压稳定,调节过程如图7(b)所示。可见,系统负荷增大和DPV有功受限一样,都可以使系统电压降低,缓解配电网电压越上限的压力,释放DPV的无功出力。

可见,在负荷发生变化时所提的本地电压控制策略也能有效地消除配电网中电压越上限的问题。

4 结论

本文提出了一种DG的本地电压控制策略,并进行了算例研究,得出主要结论如下:

a.含DG接入的配电网中,DG接入点处出现电压极大值点,仅需在接入点加装本地电压控制装置,即可消除配电网中的电压越上限问题;

b.DG所需调节的无功功率出力和有功功率出力与实时观测到的电压偏差呈线性关系;

分布式控制 第11篇

传统的方法中,访问控制由一个可信任的服务器来统一管理。但是随着网络规模日渐扩大,分布式系统访问人数逐渐增加,访问速度会明显降低,甚至发生网络堵塞。并且,开发人员必须自己编写代码来控制访问的权限,在应用程序中嵌入授权的检验,这导致了不能重用、易出错,而且增加了复杂性。可扩展访问控制标记语言(eXtensible Access Control Markup Language,XACML)[2]是一种基于XML的适用于描述分布式系统访问控制的语言,它提供了创建策略来控制信息访问的机制。利用XACML进行分布式系统访问控制的管理,将授权检查由程序驱动转为数据驱动,其语法和语义可以容易地扩展到所有主流平台,并且为大多数应用程序厂商所支持,在灵活性、可扩展性和可移植性方面都具有不可忽略的优势。[11]

1 传统的访问控制技术

典型的访问控制和授权场景包括三个主要实体:主体、资源和行为以及它们的属性。主体通过请求得到对资源执行相应行为的权限。例如,“允许系统管理员删除数据库中的用户信息”中,主体是“系统管理员”,资源是“数据库中的用户信息”,行为是“删除信息”。

在访问控制的一般模型中,还包含一个策略执行模块和策略决策模块。其中,策略执行模块执行访问控制机制,策略决策模块表示一组访问控制规则和策略。主体的请求首先到达策略执行模块,该模块创建一个请求,将其发送给策略决策模块,策略决策模块评估该请求,并返回一个允许访问或拒绝访问的响应。访问控制模型如图1所示。

访问控制中,授权即决定谁来修改访问的权限,授权的管理决定谁能修改访问的权限。传统的授权管理主要有以下三种:强制访问控制,自主访问控制,基于角色的访问控制。

1.1 强制访问控制和自主访问控制

强制访问控制中,主体和资源都被授予一个安全属性,访问的允许与否则根据主体和资源的安全级别来确定。自主访问控制中,资源的所有者或创建者有权控制和定义资源被其他主体访问的权限。也就是说,资源拥有者能够自主地将访问权限授予其他主体。相比强制访问控制来说,这种策略更灵活,但也正是由于这种灵活,信息的安全性降低了。

1.2 基于角色的访问控制

基于角色的访问控制是在前者种基础上提出来的。由于强制访问控制的安全性太高,而自主访问控制的安全性又弱,因此基于角色的访问控制被提出。基于角色访问控制的思想是:访问控制与访问者的身份密切相关,通过确定该合法访问者的身份来确定访问者在系统中对哪类信息有什么样的访问权限。一个访问者可以充当多个角色,一个角色也可以由多个访问者担任。

基于角色的访问控制最重要的特色是管理权限的委托代理。在大规模的分布式系统中,对资源的权限管理可以交由一些管理员委托代理授权。例如,可以以行政区划为单位,由各地区的管理员代理执行对该地区资源的授权管理。

2 分布式环境下的访问控制

20世纪90年代起,分布式系统开始大范围应用,同时对分布式访问控制的研究开始兴起。分布式系统的授权需要各个不同的管理域之间合作。从访问控制的角度来看,与传统的环境相比,分布式网络环境具有以下这些特点:

2.1 用户数量大

分布式系统的用户数量通常很大,而且来自不同的组织机构,分属不同层次,结构复杂。

2.2 数据量大

分布式系统需要处理海量的数据,并且要分配给不同的用户处理,涉及的流程复杂,动态性强,数据的安全受到威胁。

2.3 权限分配不统一

用户不是集中的,而是分布在各个子域中,其权限由子域中的管理员进行分配。

2.4 系统异构

一个大的分布式系统由多个小系统共同组成,各小系统间很可能是异构的。

因此,分布式环境下,访问控制问题面临更多的挑战。如果解决这些问题,保证分布式环境下的系统安全,成为一个关键问题。由以上分析我们得出,分布式环境下的访问控制应满足:

1)分布式环境中,访问控制模型应该能够适应大量的用户访问大量的资源。因此,在访问权限的分配上,授权的设计应该足够简单。

2)普通用户不能任意更改安全属性。如对于资源的访问权限,改变其安全属性可能导致信息的泄漏。所以只有管理员能够做变更。

3)应用业务逻辑和访问控制逻辑的实现相分离,从而实现访问控制统一管理以及访问控制策略统一配置。

3 基于XACML的访问控制

自2003年结构化信息标准发展组织(OASIS)批准了XACML v1.0,使得访问控制策略管理标准化,为大多数商业公司所支持,并于2005年2月1日将XACML v2.0[2]及其所有相关文档发布为标准规范集。

3.1 XACML体系结构

XACML是OASIS提出的参考模型,它通过创建策略和规则,提供控制信息访问的机制。在此机制下,对不同的安全需求可以定义不同的访问策略。XACML的体系结构如图2所示。其中,资源相当于分布式系统。

在XACML中,策略访问点为策略目录编写策略和策略集,供策略决策点使用。上下文处理器在XACML各组件间交换格式,将收到的访问请求转换为XACML格式的请求。在XACML的控制下,当一个请求者请求访问一项资源时,策略执行点决定是允许还是拒绝该请求。在决定的过程中,策略信息点控制属性值。收集到的属性包括资源名字等资源信息属性,请求者的角色等决策者属性,系统时间等环境信息,以及诸如操作类型这些行动信息。属性接下来供策略决策点调用,它通过检查属性是否与相对的系统符来做决策。最终的决策返回给策略执行点。如果请求被允许,请求者可以访问资源;否则不可以访问。

3.2 XACML访问控制策略

XACML的请求、策略和响应是这样描述的:

1)一个XACML请求描述“谁要对哪个资源做什么”,包括主体、动作和资源组成的目标元素。请求的目标元素被用于提取相应的策略或规则,从而对请求进行决策。其格式如下:

2)接收到访问请求后,策略决策点检索与XACML请求中目标相匹配的策略。一个典型的XACML策略包括目标、规则和责任。其中,规则包括了目标、执行条件和结果,责任是对访问请求进行决策之后,访问者必须要执行的动作。其格式如下:

3)策略决策点将授权决策返回给策略执行点,XACML响应的格式如下:

3.3 XACML的优点

与其他访问控制策略语言相比,使用XACML实现系统的访问控制,有以下优点:[2]

1)一个标准的访问控制策略语言可以替代许多特定应用的语言。

2)管理者的时间和成本节约了,因为他们不需要用各种不同的语言重写策略。

3)开发者的时间和成本节约了,因为他们不需要发明新的策略语言然后写代码来支持这些语言。他们可以重用现有的代码。

4)用来编写和管理XACML策略的优秀工具将会得以开发,因为他们可以在许多地方得以应用。

5)XACML足够灵活,可以适应大多数访问控制策略的需要,并且是可扩展的,因此它可以用来支持新的需求。

6)一个XACML策略可以覆盖许多资源。这可以避免不同资源中的策略不一致。

7)在XACML中,策略之间可以互相参考。这对大型组织很重要。例如,一个特定站点的策略可以参考一个公司范围的策略和一个特定城市的策略。

4 基于XACML的访问控制授权场景

Sun公司通过Java语言提供了OASIS XACML标准的开源实现,同时提供一些API,以供开发者写进查找策略和属性的新机制。此开源工具包[11]目前的版本是xacml2.0,本文即通过该工具包实现一个具体应用,用来控制对分布式资源的访问。图3所示的序列图描述了该应用中组件之间的交互。

在这个应用场景中,一个用户名为hl@cueb.edu.cn的用户主体发出请求读取http://localhost:8080/cueb/index.htm下的文件,被部署在服务器上的策略执行点重新组装成请求信息,并转发给策略决策点。策略决策点从策略信息点中取得策略信息文件,进行授权评估,判定用户有权访问所请求的文件,并向策略执行点发回响应。该应用中的策略文件如下:

5 结论

XACML具备可移植、可扩展、支持参数化的特性。使用XACML使访问控制表达灵活,易于在分布式环境下执行访问控制策略。该文对基于XACML的访问控制做了详细的分析,并用XACML实现一个访问控制的授权场景。

参考文献

[1]朱贤,邢光林,洪帆.分布式环境下的访问控制综述[J].微型机与应用,2005,24(3).

[2]OASIS.Extensible Access Control Markup Language Version 2.0[S].2005.

[3]OASIS.XACML Profile for Role Based Access Control.[EB/OL].http://docs.oasis-open.org/xacml/cd-xacml-rbac-profile-01.

[4]Qatawna.Overriding of Access Control In XACML[D].Sweden:Information and Communication Systems Security At the Royal Instituteof Technology.2006.

[5]Rissanen E,Babak Sadighi Firozabadi.Access-Control Policy Administration in XACML[N].ERCIM News.No.63,October 2005.

[6]Brachman B.Rule-based Access Control[EB/OL].(2006-12)[2009-08].http://www.ibm.com/developerworks/webservices/library/ws-soa-access.html?S_TACT=105AGX52&S_CMP=cn-a-ws.

[7]Verma.XML M Security:Control information access with XACML[EB/OL].(2004-11)[2009-09].http://www.ibm.com/developerworks/xml/library/x-xacml/?S_TACT=105AGX52&S_CMP=cn-a-x.

[8]赵强,汪厚祥,李卉.XML访问控制模型研究[J].舰船电子工程,2007(3).

[9]姜炜超,夏阳,黄潇.基于SAML和XACML的Web服务访问控制模型[J].计算机工程与设计,2005(6).

[10]黄刚,王汝传.基于XACML的网格访问控制研究[J].计算机系统应用,2007(8).