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探究电网信息物理系统耦合决策控制技术的研究进展
摘要：电力系统能量分析已经达到很高水准,而绝大多数电力系统能量分析不能满足实际应用场合。研究热点正从电力系统能量分析转移到信息系统与电网物理系统间的耦合关系,该文对现阶段电网信息物理耦合决策控制技术进行阐述,目的在于引起大家关注,并推动相关问题的进展。
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引言
电力系统的研究吸引了众多学者和科研机构参与[1,2,3]。目前仅从电网物理系统的角度对电网运行状态进行分析,任务仅限于电网物理系统本身。这不仅与实际电网架构不相符,而且忽视了信息系统和电网物理系统间的耦合关系。近年来,随着电网智能化程度不断加深[4,5,6],电网自动化水平不断提高,传感器数量、网络信息规模及闭环决策控制单元数量显著增加,信息系统与电网物理系统间的耦合交互日益频繁。在电网智能化背景下,信息系统与电网物理系统间的交互耦合程度不断加深,逐渐形成以稳定自愈、开放互联为主要特征的多维异构复杂系统,即电网信息物理耦合系统(电网CPS)。研究电网CPS目的是利用闭环自动控制功能补充电网的开环人工操作,改善电网CPS运行性能,提高电能资源配置效率,保障电网CPS安全稳定运行。
图1电网CPS建模关键技术
近年来,电网调度自动化技术得到迅猛发展,电网调度自动化系统也有了长足的进步,已有许多可实现远方调度控制功能的实用产品,较好的有南瑞科技的D5000智能电网调度控制系统和南瑞继保的PCS9000集控中心自动化系统,在自动电压控制及自动发电控制上使用闭环自动控制功能。这些系统的使用,极大改善电网CPS运行性能,有效降低调度员的工作强度。以往的电网调度自动化技术仅仅利用了系统自动分析特性,使得电网调度自动化系统在紧急的情况下,改善电网运行状态的能力不佳。近几年来,电网CPS闭环自动控制技术作为开环人工操作的辅助手段赢得了越来越多的电网调度者的青睐,初步的应用效果表明,将电网CPS自动闭环控制技术与人工开环操作进行结合能有效改善电网CPS的运行性能,特别在紧急情况下,效果更加明显。自动控制与人工控制协同方式如图1所示。
1、研究内容纵观
电网CPS决策控制技术的研究内容主要包括电网CPS信息特点辨识,包括对来自整个电网信息物理耦合系统信息特点的综合理解。研究闭环自动控制过程中电网CPS信息变化规律,分离出属于电网信息物理耦合系统个性的信息变化特点和控制命令下发时共性的信息变化规律,将个性信息变化特点用于电网信息物理耦合系统个性特征的识别,而将触发控制命令时的共性信息变化规律用模型和参数来表示,用于电网信息物理耦合系统闭环自动决策控制。通过对电网CPS信息变化规律及其闭环自动决策控制技术的研究,作为改善电网CPS运行性能的重要手段和必要的控制形式。
随着电网CPS决策控制技术的实用化水平不断提高,获得越来越多的电力调度人员认可,它是新一代智能电网技术的重要组成部分,代表着未来智能电网的发展方向,急需更多的有志者加入。当然,对于前辈们已经使用过的方法自然值得后来者们借鉴。
2、电网CPS决策控制
电网CPS将信息系统融入电网物理系统,代表新一代智能电网的发展方向。现阶段,电网CPS决策控制技术主要应用于安全稳定控制、自动发电控制和自动电压控制领域。
2.1安全稳定控制
计算资源与控制技术的融合,使电网物理系统智能化,推动电网CPS技术的发展。在对电网CPS运行状态进行全面感知的前提下,综合分析电网CPS的运行性能进行闭环决策控制,确保电网CPS安全稳定运行。
电网物理系统实体受信息系统控制,根据条件自适应动态的修正模型参数、采样频率或者通信优先级等方式能很好地改善控制效果。南开大学计算机与控制工程学院林进挚等人将模糊控制和无线网络控制系统紧迫度、拥塞度结合起来[7],根据系统紧迫度和网络拥塞程度,自适应模糊调节系统的采样频率和通讯优先级,既实现了网络带宽资源的充分利用,满足电网物理系统和信息系统紧耦合要求,又是易于操作、简单实用的一种网络控制方法。湖南大学电气与信息工程学院采用动态修正系统模型参数的方法,实现了信息系统与电网物理系统间的紧耦合控制功能[8],其实质是利用信息补偿机制来改善广域互联电网间的低频振荡问题,取得了较好的效果。
为了提高微电网可靠性,华南理工大学电力学院的王振刚等人对分布式微电网进行综合分析,量化通信网络故障对系统稳定性影响,对分布式微电网运行状态可靠性进行了评估[9]。
而华南理工大学电力学院的余涛等人在计算机领域通用串行总线控制器理念的启发下,开创了电网信息物理耦合系统的新思路[10],对能源互联USB系统的应用拓扑结构和总体框架进行了设计,初步验证了能源互联USB系统能对所接入设备进行有效的管理,缺点在于没有采用智能及机器学习算法进一步提升系统运行性能。
2.2自动发电控制
自动发电控制是电网调度自动化系统一项极其重要的自动闭环控制技术,是现阶段电网CPS技术应用比较成熟的领域,是维持电网频率稳定和发用电功率平衡的重要技术手段。
为增强电网CPS抗干扰能力,维持电网发用电有功功率平衡,采用改进算法可精准的完成电网CPS自动发电控制任务。重庆大学的赵霞等人改进了进化规划算法,采用有选择性的调整和修正越界个体的方式局部调整了策略,提高了搜索效率,实现对大规模AGC机组动态优化调度功能[11]。为增强孤岛微网韧性,河海大学可再生能源发电技术教育部工程研究中心的吕朋蓬等人提出一种基于完全分布式的相邻单元集合有功协同控制算法,相邻集合单元根据系统频率偏差自适应调整步长和反馈系数,实现精确调节有功快速平衡[12]。针对电网信息在双通道中不可避免地存在延时的情况,湖北工业大学电气与电子工程学院的赵熙临等人对集中式MPC算法进行改进,实现自动闭环调整区域电网频率的目标[13]。
随着太阳能和风能等新能源发电不断增多,给电网CPS带来更多的不稳定性,为解决省级控制区在迎峰度夏或紧急事故时存在旋转备用有功容量不足,国家电网有限公司华北分部的宁剑等人提出一种基于省间自动发电控制的灵活组合控制策略,把省网自动发电控制放到各省网间协同控制的大局中,共享各省网旋转有功备用容量,扩大了有功功率平衡范围,提高了电网CPS对太阳能和风能等新能源的消纳能力,实现了电网频率快速恢复的目标[14]。为提高电网CPS对大规模风能的接纳能力,哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的王松岩等人采用高峰协调控制策略的方式,实现高峰时段电网频率稳定的目标,且计算算法简单,未增加对电网CPS的调度难度[15]。
2.3自动电压控制
自动电压控制在PAS网络建模和SCADA实时数据分析的基础上,通过闭环决策控制功能动态的改变发电机端电压、调整有载变压器分接头位置和投切无功补偿装置的方式,实现电网电压合格率最高和电能损耗最小的目标。
华北电力大学的卢锦玲等人提出基于自动电压控制的自愈策略[16],他们采用动态规划法,并以电压波动最小为目标,得出控制设备的最优动作次序,有效改善电网电压运行水平。而西北电网有限公司采用预留部分感性无功容量来满足联网通道电压控制要求[17]。由于不同时刻需要的感性无功容量不同,所以必须预留部分感性无功容量。通过动态的调节感性无功,实现稳态电压合格的目标和暂态电压控制的要求。
对自动电压控制进行研究的还有广东电力科学研究院,他们采用将本地模型分配给分散的节点机来实现节点电压的监视和控制,初步验证该方法是可行的[18]。优点在于各个节点独立运行,相互间不影响,计算效率高,满足实时性要求。缺点在于各节点机之间欠缺同步性,有产生振荡的风险。
3、结语
就目前的电网信息物理耦合决策控制技术而言,它尚不成熟。一般情况下,在获取电网CPS信息的过程中,处理过程不宜太简单,否则把问题遗留到后期的计算和处理中,既加大了传输通道的压力,也给后期的计算带来困难,难以满足实时性的要求。当然,随着电网的不断智能化的发展趋势,接入到电网中的遥信遥测量会不断增多,需要遥控和遥调的设备也快速增多,电网CPS决策控制技术的关注点应放在如何设置最具监视和控制远方运行状况的“四遥”上,既减少数据间的相关性和冗余度,又包含足够充分的反映当前电网运行状况的信息,使得在处理数据的过程中既能满足准确性的要求,同时又不实时性。在闭环决策控制阶段的算法中,则最好采用具有强学习能力的人工智能算法,或其改进算法[19,20,21,22,23],快速准确地得出正确的闭环控制决策命令,这是下一步研究的重点方向。
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2024-01-03我要评论
期刊名称：通信管理与技术
期刊人气：533
主管单位：黑龙江省通信管理局
主办单位：黑龙江省通信学会,黑龙江省通信行业协会,黑龙江省互联网协会
出版地方：黑龙江
专业分类：科技
国际刊号：1672-6200
国内刊号：23-1521/TN
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创刊时间：1979年
发行周期：双月刊
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2020-06-10
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