基于交替方向乘子法的配电网分布式电压调节方法及装置与流程

1.本发明属于新能源发电技术领域，尤其涉及一种基于交替方向乘子法的配电网分布式电压调节方法及装置。


背景技术：

2.近年来随着可再生能源在配电网中渗透率的大幅提升，可再生能源出力间歇性所导致的快速电压波动及电压越限已对配电网的安全稳定运行构成严峻挑战，并成为制约配电网可再生能源渗透率进一步提高的主要障碍。从技术角度而言，出于使用寿命的考虑，配电网内传统调压设备(如有载调压变压器)通常只以预定的动作频率跟随常规负荷变化，因而难以对可再生能源出力间歇性所导致的快速电压波动进行调节。从经济角度而言，持续接入传统调压设备来应对任意场景的可再生能源出力间歇性所导致的电压问题并不可取。从问题的另一方面来看，可再生能源分布式机组通常通过电力电子接口接入电网，因而具备快速电压支撑能力，从而为配电网快速电压调节提供了一个崭新的途径。当前国内外针对由可再生能源出力间歇性所导致的电压问题多采用直接控制的方式，即由配电网运营商直接对可控分布式机组下指令，并未考虑分布式机组所有者参与电压调节的收益分配，因此难以在配电网系统中得到实际的应用。同时，当前国内外研究利用可控分布式机组对配电网进行快速电压调节时一般不考虑系统线损，其优化结果往往难以保证配电网的经济状态运行。
3.因此，利用可控分布式机组的快速电压支撑能力，设计一种考虑系统线损及可控分布式机组所有者收益的、间接的电压调节方式具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于交替方向乘子法的配电网分布式电压调节方法，用于至少解决上述技术问题之一。
5.第一方面，本发明提供一种基于交替方向乘子法的配电网分布式电压调节方法，包括：对配电网潮流模型进行线性化，使得到电压与有功功率、电压与无功功率的线性关系；基于电压与有功功率、电压与无功功率的线性关系，建立配电网电压调节模型，其中，所述配电网电压调节模型的函数表达式为：，式中，
为配电网运营商的购电成本，为分布式机组的总发电成本，为配电网运营商预计注入节点的最优有功功率，为配电网运营商预计注入节点的最优无功功率，为分布式机组所有者预计注入节点的最优有功功率，为分布式机组所有者预计注入节点的最优无功功率，为主网向配电网供给的有功价格，为配电网运营商预计的最优线损，为配电网运营商预计注入节点的最优有功功率，为节点的有功负荷，为主网向配电网供给的无功价格，为配电网运营商预计注入节点的最优无功功率，为节点的无功负荷，为节点分布式机组的有功成本函数，为节点分布式机组的无功成本函数，为分布式机组所有者注入节点的有功功率，为分布式机组所有者注入节点的无功功率，为配电网节点数；所述配电网电压调节模型的约束条件的表达式为：，式中，为配电网节点电压下限所构成的向量，为配电网节点电压上限所构成的向量，为配电网节点电压所构成的向量，为节点分布式机组的视在功率；在发生电压越限时，响应于获取配电网运营商的最优有功价格和最优无功价格，基于所述最优有功价格和所述最优无功价格，分布式机组所有者相适应的调整各节点的有功功率和各节点的无功功率；将所述分布式机组所有者相适应的调整各节点的有功功率和各节点的无功功率输入至所述配电网电压调节模型中，基于电压与有功功率、电压与无功功率的线性关系对各节点电压进行调节。
6.第二方面，本发明提供一种基于交替方向乘子法的配电网分布式电压调节装置，包括：线性化模块，配置为对配电网潮流模型进行线性化，使得到电压与有功功率、电压与无功功率的线性关系；建立模块，配置为基于电压与有功功率、电压与无功功率的线性关系，建立配电网电压调节模型，其中，所述配电网电压调节模型的函数表达式为：，式中，为配电网运营商的购电成本，为分布式机组的总发电成本，为配电网运营商预计注入节点的最优有功功率，为配电网运营商预计注入节点的最优无功功率，
为分布式机组所有者预计注入节点的最优有功功率，为分布式机组所有者预计注入节点的最优无功功率，为主网向配电网供给的有功价格，为配电网运营商预计的最优线损，为配电网运营商预计注入节点的最优有功功率，为节点的有功负荷，为主网向配电网供给的无功价格，为配电网运营商预计注入节点的最优无功功率，为节点的无功负荷，为节点分布式机组的有功成本函数，为节点分布式机组的无功成本函数，为分布式机组所有者注入节点的有功功率，为分布式机组所有者注入节点的无功功率，为配电网节点数；所述配电网电压调节模型的约束条件的表达式为：，式中，为配电网节点电压下限所构成的向量，为配电网节点电压上限所构成的向量，为配电网节点电压所构成的向量，为节点分布式机组的视在功率；调整模块，配置为在发生电压越限时，响应于获取配电网运营商的优化有功价格和优化无功价格，基于所述优化有功价格和所述优化无功价格，分布式机组所有者相适应的调整各节点的有功功率和各节点的无功功率；调节模块，配置为将所述分布式机组所有者相适应的调整各节点的有功功率和各节点的无功功率输入至所述配电网电压调节模型中，基于电压与有功功率、电压与无功功率的线性关系对各节点电压进行调节。
7.第三方面，提供一种电子设备，其包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明任一实施例的一种基于交替方向乘子法的配电网分布式电压调节方法的步骤。
8.第四方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行本发明任一实施例的一种基于交替方向乘子法的配电网分布式电压调节方法的步骤。
9.本技术的一种基于交替方向乘子法的配电网分布式电压调节方法及装置，通过配电网运营商与分布式机组所有者的相互协调对配电网电压进行快速调节，消除配电网因可再生能源出力间歇性所导致的电压波动及越限，有效地降低了配电网运营商单一调节配电网电压时造成的线损。
附图说明
10.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
11.图1为本发明一实施例提供的一种基于交替方向乘子法的配电网分布式电压调节
方法的流程图；图2为本发明一实施例提供的37节点配电网系统的结构图；图3为本发明一实施例提供的一个负荷高峰时调节前后电压分布图；图4为本发明一实施例提供的另一个负荷高峰时调节前后电压分布图；图5为本发明一实施例提供的一种基于交替方向乘子法的配电网分布式电压调节装置的结构框图；图6是本发明一实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
12.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
13.请参阅图1，其示出了本技术的一种基于交替方向乘子法的配电网分布式电压调节方法的流程图。
14.如图1所示，一种基于交替方向乘子法的配电网分布式电压调节方法具体包括以下步骤：步骤s101，对配电网潮流模型进行线性化，使得到电压与有功功率、电压与无功功率的线性关系。
15.在本实施例中，线性化后的配电网潮流模型可表示如下：
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（1）式中，为配电网线路的有功潮流，为配电网线路的有功潮流，为节点的有功负荷，为分布式机组所有者注入节点的有功功率，为节点符号，为节点指向线路末端方向的所有邻居节点的集合；
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（2）式中，为配电网线路的无功潮流，为配电网线路的无功潮流， 为节点的无功负荷， 为分布式机组所有者注入节点的无功功率；
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（3）式中，为节点的电压幅值，为节点的电压幅值，为配电网线路的电阻，为配电网线路的电抗；步骤s102，基于电压与有功功率、电压与无功功率的线性关系，建立配电网电压调
节模型。
16.在本实施例中，定义辐射状配电网的关联矩阵为，因其阶数为，令向量为该关联矩阵的第一行，从而有，其中。令节点0电压幅值，则式（3）可改写为：
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(4)式中， 为节点0的电压幅值，为节点0以外的节点电压幅值构成的维向量，为配电网各支路电阻所形成的阶对角矩阵，为配电网各支路电抗所形成的阶对角矩阵，为线路有功潮流构成的维向量，为线路无功潮流构成的维向量，为配电网节点电压向量的转置，为配电网关联矩阵第一行，为配电网关联矩阵去掉第一行所形成的矩阵。同理，可将式（1）与（2）分别改写为：
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（5）
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（6）式中，为分布式机组所有者预计注入节点的最优有功功率，为分布式机组所有者预计注入节点的最优无功功率，为配电网各节点有功负荷，为配电网各节点无功负荷，将式（5）与（6）代入式（4）可得：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）其中，。另一方面，对于任一节点有，因此对于配电网线路有，其中，、分别为配电网线路的复功率与配电网线路电流。则配电网线损可近似表示为：
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（8）将式（5）与（6）代入式（8），并且以及，（8式可改写为：
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（9）对于节点0，根据配电网供需平衡可知其注入配电网的有功出力与无功分别为：
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(10)式中，为注入配电网的有功出力，为节点的有功负荷，为分布式机组所有者注入节点的有功功率，为配电网线损；
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（11）式中，为注入配电网的无功出力，为节点的无功负荷，为分布式机组所有者注入节点的无功功率；对任一节点，其可再生能源机组均采用最大功率点跟踪控制，并将其视为负的负荷。将节点内微型燃气轮机、储能设备等视为可控分布式机组，其有功出力成本函数为：
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（12）其中，与为正实数，定义可控分布式机组的无功出力成本函数为：
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（13）其中，为正实数。
17.设主网向配电网供给有功及无功的价格分别为与，视当前优化窗口内与为定值，并基于配电网运营商与分布式机组所有者协同的关系，则配电网电压调节模型的函数表达式为：
ꢀꢀ
（13），式中，为配电网运营商的购电成本，为分布式机组的总发电成本，为配电网运营商预计注入节点的最优有功功率，为配电网运营商预计注入节点的最优无功功率，为分布式机组所有者预计注入节点的最优有功功率，为分布式机组所有者预计注入节点的最优无功功率，为主网向配电网供给的有功价格，为配电网运营商预计的最优线损，为配电网运营商预计注入节点的最优有功功率，为节点的有功负荷，为主网向配电网供给的无功价格，为配电网运营商预计注入节点的最优无功功率，为节点的无功负荷，为节点分布式机组的有功成本函数，为节点分布式机组的无功成本函数，为分布式机组所有者注入节点的有功功率，为分布式机组所有者注入节点的无功功率，为配电网节点数所述配电网电压调节模型的约束条件的表达式为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（14）式中，为配电网节点电压下限所构成的向量，为配电网节点电压上限所构成的向量，为配电网节点电压所构成的向量，为节点分布式机组的视在功率。
18.步骤s103，在发生电压越限时，响应于获取配电网运营商的最优有功价格和最优无功价格，基于所述最优有功价格和所述最优无功价格，分布式机组所有者相适应的调整各节点的有功功率和各节点的无功功率。
19.步骤s104，将所述分布式机组所有者相适应的调整各节点的有功功率和各节点的无功功率输入至所述配电网电压调节模型中，基于电压与有功功率、电压与无功功率的线性关系对各节点电压进行调节。
20.综上，本技术的方法，采用在发生电压越限时，配电网运营商发布最优有功价格和最优无功价格，分布式机组所有者根据最优有功价格和最优无功价格相适应的调整各节点的有功功率和各节点的无功功率，从而基于电压与有功功率、电压与无功功率的线性关系对各节点电压进行调节，进而分布式机组所有者能够参与电压的调节，实现了通过配电网运营商与分布式机组所有者的相互协调对配电网电压进行快速调节，消除配电网因可再生能源出力间歇性所导致的电压波动及越限，有效地降低了配电网运营商单一调节配电网电压时造成的线损。
21.在一些可选的实施例中，本技术的方法还包括：响应于获取的当前第次配电网运营商与分布式机组所有者协商后的有功价格与无功价格，基于配电网拓扑及线路参数求解所述配电网运营商的第一优化函数，使得到第一优化结果，其中，所述第一优化函数的表达式为：，式中，为主网向配电网供给的有功价格，为转置符号，，为配电网关联矩阵去掉第一行所形成的矩阵，为配电网运营商预计注入节点的最优有功功率，为配电网运营商预计注入节点的最优无功功率，为第次有功价格，为各元素均为1的维向量，为第次无功价格，为主网向配电网供给的无功价格，为有功价格调整步长，为分布式机组所有者预计注入的第次最优有功功率，为分布式机组所有者预计注入的第次最优无功功率。
22.所述第一优化函数的约束条件的表达式为：，式中，为配电网节点电压下限所构成的向量，为配电网节点电压上限所构成的向量，，为配电网关联矩阵去掉第一行所形成的矩阵，为配电网运营商预计注入节点的最优有功功率，为配电网运营商预计注入节点的最优无功功率，为配电网各节点有功负荷，为配电网各节点无功负荷，，为配电网各支路电抗所形成的阶对角矩阵，为配电网关联矩阵第一行，为转置符号。
23.基于获取的所述第一优化结果，求解所述分布式机组所有者的第二优化函数，使得到第二优化结果，其中，所述第二优化函数的表达式为：，式中，为节点分布式机组的有功成本函数，为节点分布式机组的无功成本函数，为节点第k次迭代的有功价格，为分布式机组所有者注入节点的有功功率，为分布式机组所有者注入节点的无功功率，为节点第次无功价格，为配电网运营商预计注入节点的第次最优有功功率，为配电网运营商预计注入节点的第次最优无功功率。
24.配电运营商根据所述第一优化结果和所述第二优化结果，判断所述配电运营商与所述分布式机组所有者之间的分歧是否大于预设误差值，其中，判断所述配电运营商与所述分布式机组所有者之间的分歧是否小于预设误差值的表达式为：，，式中，为配电网运营商预计注入的第次最优有功功率，为分布式机组所有者预计注入的第次最优有功功率，为配电网运营商预计注入的第次最优无功功率，为分布式机组所有者预计注入的第次最优无功功率，为分布式机组所有者预计注入的第次最优有功功率，为分布式机组所有者预
计注入的第次最优无功功率，为第一预先设定的允许误差值，为第二预先设定的允许误差值。
25.若所述配电运营商与所述分布式机组所有者之间的分歧不大于预设误差值，则所述配电网运营商中止协商，并通知所述分布式机组所有者按当前优化结果执行并获得相应的收益。
26.若所述配电运营商与所述分布式机组所有者之间的分歧大于预设误差值，则所述配电网运营商对配电网各节点的有功价格与无功价格进行调整，使得到最优有功价格和最优无功价格，其中，对配电网各节点的有功价格进行调整的表达式为：，式中，为第次有功价格，为第次有功价格，为有功价格调整步长，为配电网运营商预计注入的第次最优有功功率，为分布式机组所有者预计注入的第次最优有功功率；对配电网各节点的无功价格进行调整的表达式为：，式中，为第次无功价格，为第次无功价格，为配电网运营商预计注入的第次最优无功功率，为分布式机组所有者预计注入的第次最优无功功率。
27.本实施例的方法，在电压越限时，采用对配电网运营商发布的有功价格、无功价格与分布式机组所有者生产的有功出力、无功出力进行寻优，使得基于优化结果对各节点电压进行调节，并且通过预先设定的允许误差值，使得配电网运营商与分布式机组所有者和分歧在允许误差值内，即可输出优化结果，能够降低陷入寻优死循环，有效加快了对各节点电压进行调节的速度。
28.请参阅图2，其示出了本技术提供的37节点配电网系统的结构图。
29.如图2所示，4.8kv的单相辐射状配电网，其拓扑结构与ieee37节点系统相同，线路阻抗取自ieee37节点系统的c相。为验证本发明电压调节算法的有效性，移除了ieee37节点系统在节点0处的电压调节器。同时，以一条长度为960英尺、每英里阻抗为欧姆的线路代替12节点与18节点之间的变压器支路。在本算例中，基准功率值为100mva，基准电压值为4.8kv，设定节点0电压标幺值为1.0。
30.在图2中，菱形节点表示该节点存在可用于电压调节的可控分布式机组。本算例设定主网有功电价为，无功电价为。对任一存在可控分布式机组的节点，，成本函数的参数为，，，根
据等微增率准则，节点处可控分布式机组的有功出力为。本技术所有算例的
‘
最优值’均采用集中式方式求得。
31.负荷高峰工况：考虑在配电网的运行中，可再生能源机组由于天气的突然变化出现出力骤降、整个配电网主要通过节点0从主网供电，从而导致部分节点电压降至允许范围以下。此时，假设图2所示37节点系统中各节点的负荷均为 (实际负荷减去可再生能源机组出力)，此时配电网运营商与可控分布式机组所有者通过本文所提分布式电压调节算法对系统电压进行协同调节，其结果如表1和图3所示：。
32.可再生能源出力高峰工况：考虑在配电网的运行中，可再生能源机组由于天气的突然变化出现出力骤升、配电网通过节点0向主网倒送电，从而导致部分节点电压升至允许范围以上。此时，假设图2所示37节点系统中各节点的负荷均为 (可再生能源机组出力减去实际负荷)，此时配电网运营商与可控分布式机组所有者通过本文所提分布式电压调节算法对系统电压进行协同调节，其结果如表2和图4所示：。
33.请参阅图5，其示出了本技术的一种基于交替方向乘子法的配电网分布式电压调节装置的结构框图。
34.如图5所示，配电网分布式电压调节装置200，包括线性化模块210、建立模块220、调整模块230以及调节模块240。
35.其中，线性化模块210，配置为对配电网潮流模型进行线性化，使得到电压与有功功率、电压与无功功率的线性关系；建立模块220，配置为基于电压与有功功率、电压与无功功率的线性关系，建立配电网电压调节模型，其中，所述配电网电压调节模型的函数表达式为：，式中，
为配电网运营商的购电成本，为分布式机组的总发电成本，为配电网运营商预计注入节点的最优有功功率，为配电网运营商预计注入节点的最优无功功率，为分布式机组所有者预计注入节点的最优有功功率，为分布式机组所有者预计注入节点的最优无功功率，为主网向配电网供给的有功价格，为配电网运营商预计的最优线损，为配电网运营商预计注入节点的最优有功功率，为节点的有功负荷，为主网向配电网供给的无功价格，为配电网运营商预计注入节点的最优无功功率，为节点的无功负荷，为节点分布式机组的有功成本函数，为节点分布式机组的无功成本函数，为分布式机组所有者注入节点的有功功率，为分布式机组所有者注入节点的无功功率，为配电网节点数；所述配电网电压调节模型的约束条件的表达式为：，式中，为配电网节点电压下限所构成的向量，为配电网节点电压上限所构成的向量，为配电网节点电压所构成的向量，为节点分布式机组的视在功率；调整模块230，配置为在发生电压越限时，响应于获取配电网运营商的优化有功价格和优化无功价格，基于所述优化有功价格和所述优化无功价格，分布式机组所有者相适应的调整各节点的有功功率和各节点的无功功率；调节模块240，配置为将所述分布式机组所有者相适应的调整各节点的有功功率和各节点的无功功率输入至所述配电网电压调节模型中，基于电压与有功功率、电压与无功功率的线性关系对各节点电压进行调节。
36.应当理解，图5中记载的诸模块与参考图1中描述的方法中的各个步骤相对应。由此，上文针对方法描述的操作和特征以及相应的技术效果同样适用于图5中的诸模块，在此不再赘述。
37.在另一些实施例中，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意方法实施例中的基于交替方向乘子法的配电网分布式电压调节方法；作为一种实施方式，本发明的计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令设置为：对配电网潮流模型进行线性化，使得到电压与有功功率、电压与无功功率的线性关系；基于电压与有功功率、电压与无功功率的线性关系，建立配电网电压调节模型；在发生电压越限时，响应于获取配电网运营商的最优有功价格和最优无功价格，基于所述最优有功价格和所述最优无功价格，分布式机组所有者相适应的调整各节点的有功功率和各节点的无功功率；
将所述分布式机组所有者相适应的调整各节点的有功功率和各节点的无功功率输入至所述配电网电压调节模型中，基于电压与有功功率、电压与无功功率的线性关系对各节点电压进行调节。
38.计算机可读存储介质可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据基于交替方向乘子法的配电网分布式电压调节装置的使用所创建的数据等。此外，计算机可读存储介质可以包括高速随机存取存储器，还可以包括存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，计算机可读存储介质可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至基于交替方向乘子法的配电网分布式电压调节装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
39.图6是本发明实施例提供的电子设备的结构示意图，如图6所示，该设备包括：一个处理器310以及存储器320。电子设备还可以包括：输入装置330和输出装置340。处理器310、存储器320、输入装置330和输出装置340可以通过总线或者其他方式连接，图6中以通过总线连接为例。存储器320为上述的计算机可读存储介质。处理器310通过运行存储在存储器320中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例基于交替方向乘子法的配电网分布式电压调节方法。输入装置330可接收输入的数字或字符信息，以及产生与基于交替方向乘子法的配电网分布式电压调节装置的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置340可包括显示屏等显示设备。
40.上述电子设备可执行本发明实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施例所提供的方法。
41.作为一种实施方式，上述电子设备应用于基于交替方向乘子法的配电网分布式电压调节装置中，用于客户端，包括：至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够：对配电网潮流模型进行线性化，使得到电压与有功功率、电压与无功功率的线性关系；基于电压与有功功率、电压与无功功率的线性关系，建立配电网电压调节模型；在发生电压越限时，响应于获取配电网运营商的最优有功价格和最优无功价格，基于所述最优有功价格和所述最优无功价格，分布式机组所有者相适应的调整各节点的有功功率和各节点的无功功率；将所述分布式机组所有者相适应的调整各节点的有功功率和各节点的无功功率输入至所述配电网电压调节模型中，基于电压与有功功率、电压与无功功率的线性关系对各节点电压进行调节。
42.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
43.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。