CN104124683A - 一种自治电力系统架构及其运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自治电力系统架构及其运行控制方法，系统架构包括控制层、物理层和干扰层；所述物理层为实际的自治电力系统，所述干扰层为实际的自治电力系统之外的干扰因素。方法包括：(1)自治电力系统顶层控制中心设定顶层目标；(2)目标分配单元根据目标指令及电网实时监控信息，将顶层目标进行分解；(3)目标分配单元将子目标分配给相应的自治单元；(4)底层自治单元根据子目标，确定自治单元控制目标、最优自治区域、自治单元协调方案及自治运行方案并执行；(5)反馈自治电力系统的实时运行状态，根据自身需求，自治单元自主完成自治区域的自配置、自优化、自保护和自修复，由自治单元自身以及顶层控制中心来检验目标是否完成。

Description

一种自治电力系统架构及其运行控制方法

技术领域

本发明属于智能电网运行控制技术，具体讲涉及一种自治电力系统架构及其运行控制方法。

背景技术

为了应对能源枯竭，未来电力系统中将构建庞大的可再生能源网络和可控单元系统以实现系统的低碳、高效的运行。带有大量可再生发电单元、储能单元、移动充放电装置以及电力电子装置成为未来电力系统的主要特征，这种先进的未来电网配置也将使其运行控制具有更大的不确定性和复杂性，系统中的不确定性主要来源于负荷侧双向互动、电动车和微网的接入等，而复杂性主要来源于电力系统里面大量的交互行为。

为了应对上述挑战，国内外学者提出了微网、主动配电网等新型电力系统理念以及多Agent系统的新型电网运行控制方法。然而，这些理念和方法并不能很好的应对未来高复杂性和不确定性电网。因此，亟需研究设计一种新的电力系统运行控制架构，以适应这种复杂电力系统特性。

任何复杂系统都具有一定的自治特性，电力系统也不例外。随着电网智能化水平逐步提高，电力系统将进一步具备高度自治的基础，各单元(单个智能设备)、各区域(局部电网)可以利用自身的权限自主应对电网中出现的各种问题，不同级别的调控拥有相应的权限，与上下级间通过规约与协议交互，该模式将充分体现电网分层自治运行理念，减轻中央调度中心的工作负担。因此，急需设计一种具有自治能力的电力系统，将自主计算理念与电力系统运行控制相结合，进而实现各区域的安全、稳定、可靠运行。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种自治电力系统架构及其运行控制方法，本发明是以自治单元为基础，采用目标引导技术，实现电力系统顶层目标的实时动态分配，自治单元子目标的智能选择，自治单元协调、自治运行，进而实现整个电力系统的自治运行控制。

目标引导机制是一种适用于复杂系统分布式运行的新型控制机制，是新型智能电网架构自治运行控制的实现的前提和重要保障，其主要包括顶层目标分解、子目标控制区域及相应控制策略的选择。这种机制可以快速、有效地分解电力系统控制目标，并在复杂多变的电网环境下，根据已有的知识库对目标进行分解，确定实现各个子目标的控制区域及采用的控制策略。其具体执行是在各个自治单元中进行。

自治单元作为这种新型智能电网架构的核心单元，其构成包括自治管理器、电网物理层、传感器、效应器以及相应的信息传输网络。自治管理器的原理是根据上层目标需求，在对知识库学习、分析的基础上，完成所选定的电网控制区域信息状态的自我监控和上层控制目标的自我分析、自我规划、自我执行。

这种新型控制架构通过对复杂电网自治区域的划分而实现整个智能电网的自治运行，其可快速、有效地实现电网控制的实时目标，大大降低了各层级之间的信息交换，大大提高了电网稳定性和可靠性，进而实现智能电网的安全、稳定、可靠运行。自治电力系统实现了各部分的“自我管理”，有效减少了各信息层间的信息交换，提高了复杂系统的自适应性、可靠性，同时提供了可适应电力系统演变发展过程的且覆盖整个电力系统的自主网络管理和运行控制技术，成为一种更高级、更完善、更灵活的智能电网。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种自治电力系统架构，其改进之处在于，所述系统架构包括控制层、物理层和干扰层；

所述控制层包括顶层自治控制单元和底层自治控制单元；

所述顶层自治控制单元包括顶层控制中心、目标分配单元和子目标对应自治单元；

所述底层自治控制单元包括自治管理器、自治区域、传感器和效应器；

所述物理层为实际的自治电力系统，其包括与发电、输电、配电和用电相关的设备；

所述干扰层为实际的自治电力系统之外的干扰因素，其包括人为干扰因素、自然干扰因素。

优选的，所述顶层自治控制单元通过顶层控制中心、目标分解单元和子目标对应自治单元分配单元的协调配合，给出某一时刻的顶层目标对应的自治单元相应子目标。

优选的，所述底层自治控制单元中的自治单元根据顶层自治控制单元产生的子目标，选择相应控制策略、确定控制区域的优化配置并确定其他相关自治单元的协调方案。

优选的，所述自治管理器为一种基于知识库的“监控-分析-规划-执行”运行架构；

所述自治单元的传感器用于反馈自治单元运行状态；

所述自治管理器的传感器用于监控自治区域的实时运行状态，包括对故障或干扰的监控、与实现子目标相关的物理量的监控；

所述自治单元的效应器用于执行顶层目标分配的相关运行控制子目标；

所述自治管理器中的效应器用于用来执行自治单元的运行控制命令。

本发明基于另一目的提供的一种自治电力系统运行控制方法，其改进之处在于，所述方法包括：

(1)自治电力系统顶层控制中心设定顶层目标；

(2)目标分配单元根据目标指令及电网实时监控信息，将顶层目标进行分解；

(3)目标分配单元将子目标分配给相应的自治单元；

(4)底层自治单元根据子目标，确定自治单元控制目标、最优自治区域、自治单元协调方案及自治运行方案并执行；

(5)反馈自治电力系统的实时运行状态，根据自身需求，自治单元自主完成自治区域的自配置、自优化、自保护和自修复，由自治单元自身以及顶层控制中心来检验目标是否完成。

优选的，所述步骤(1)中所述顶层目标为电力系统运营商根据电力市场运行需求而实时设定的目标。

优选的，所述步骤(2)包括将顶层目标分解为1～N个子目标，其子目标包括智能电网输配电电能质量控制、潮流优化管理及需求侧响应。

优选的，所述步骤(4)中所述自治单元控制目标，为自治单元结合顶层控制中心分配的子目标并结合自治单元自治管理器对自治区域的监控信息做出的智能决策；

所述最优自治区域，为一种自治单元在物理层中对应的最优自治区域，其在约束条件下，利用图论和复杂网络理论相关的优化算法确定实现子目标所对应的最优自治区域，包括输配电网及相关电力设备的最优配置，所述最优自治区域的确定是自治电力系统自配置、自优化的结果。

所述自治单元协调方案，为自治单元根据目标需要，在选定其自治运行任务的同时，确定相关其他自治单元的协调控制，包括对分布式发电和储能，以及电网电压、功率，需求侧响应的协调控制。

所述自治单元自治运行方案，为自治单元根据内部自治机制完成当前运行控制任务，包括智能电网输配电电能质量控制，潮流优化管理，及需求侧响应。

优选的，所述步骤(5)中所述自治区域的自配置、自优化、自保护和自修复包括：

1)自配置：指自治单元根据顶层控制中心分配的子目标进行电网物理层资源的自我重新配置；对反馈的电网运行信息和自治单元内部需求智能分析的基础上确定是否需要资源重新配置；

2)自优化：指自治单元根据系统在不同时刻的运行状态及响应的自配置行为，利用最优控制理论对其进行资源配置的最优化；

3)自保护：指在电力系统因内部运行故障或者外界干扰而发生连串运作失败时，执行相关保护措施保护系统；

4)自修复：自治电力系统应能够在自保护失败而出现故障情况下，基于知识库并利用智能诊断算法进行自我诊断并进行自配置和自优化，使得系统尽可能地得到修复并恢复运行。

优选的，所述步骤(5)中所述目标校验包括：

自治单元自校验，以确定其相应控制目标是否实现，由相应传感器实时反馈该自治区域的实时运行状态，包括各节点电压、各节点有功功率，并由自治单元判断是否完成相应目标，包括响应节点电压是否控制在允许范围内。如未完成目标，则继续自身的自治运行直至相应目标完成；

顶层控制中心根据自治单元反馈的实时运行状态，确定顶层目标的实现是否符合要求，直至符合要求。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明属于智能电网运行控制技术领域中一种新型智能电网的运行控制架构，其控制架构具有较高的创新性，能够很好地应对未来电网的复杂性和不确定性。

具有自治性特点，通过自治单元自治运行控制，实现了自治电力系统的自治运行控制。

具有快速自适应性特点，通过目标引导机制，可以实时快速地实现顶层控制中心的顶层目标。

具有鲁棒性特点，基于自治单元的自治运行控制，可有效减少各层级之间的信息交互，提高了系统的鲁棒性和稳定性。

具有安全性特点，基于自治单元的自配置、自修复、自保护和自优化的特性，每个自治单元在应对外界干扰时可实现区域安全，进而保证了整个系统的安全。

具有可靠性特点，具有电网实时运行状态反馈机制，顶层控制中心以及各自治单元可以实时调整目标，以更好地实现目标，实现了实时交互，保证了系统的可靠性。

具有可扩展性特点，各个自治单元之间相对独立，可保证其他自治单元的灵活接入。

具有灵活性特点，各个自治单元所对应的自治电力系统物理层并不是固定不变，其自治运行控制边界是根据目标需求而动态变化的。

附图说明

图1为本发明提供的一种自治电力系统架构图。

图2为本发明提供的自治单元架构示意图。

图3为本发明提供的自治电力系统运行控制流程示意图。

图4为本发明提供的自治单元运行控制流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明是以自治单元为基础，采用目标引导技术，实现电力系统顶层目标的实时动态分配，自治单元子目标的智能选择，自治单元协调、自治运行，进而实现整个电力系统的自治运行控制。具体描述如下：

如图1所示，为本发明设计的自治电力系统运行控制架构示意图。其主要包括三大部分，自治电力系统控制层、物理层以及外界干扰层。其中，自治电力系统控制层包括顶层自治控制单元、底层自治控制单元。顶层自治控制单元主要包括顶层控制中心、目标分配单元、子目标对应自治单元的智能选择单元；底层自治控制单元包括自治管理器、相应的自治区域以及相应的传感器和效应器，自治单元按照其可实现的不同运行控制目标可分为多种自治单元，如实现配网电压调节、完成风电消纳等目标。其中自治管理器是一种基于知识库的“监控-分析-规划-执行”运行架构。自治单元的传感器是用来反馈自治单元运行状态，自治管理器的传感器是用来监控自治区域的实时运行状态。自治单元的效应器用来执行顶层目标分配的相关运行控制子目标，自治管理器中的效应器是用来执行自治单元的运行控制命令。

所述物理层指的是实际的自治电力系统，包括与发电、输电、配电、用电相关的全部设备，如输电线路、变压器、发电机、调压器、负荷等。

所述干扰层指的是实际的自治电力系统之外的干扰因素，包括人为干扰因素、自然干扰因素，如雷电、人为事故等，其不包括物理层自身出现故障的情形。

自治单元示意图如图2所示，主要包括自治管理器、相应的自治区域以及传感器和效应器。

其中顶层自治控制单元在目标引导机制下，通过顶层控制中心、目标分解单元和子目标对应自治单元分配单元的协调配合，给出针对某一时刻的顶层目标对应的各个自治单元相应子目标。底层自治控制单元中的各个自治单元根据顶层自治控制单元产生的子目标，智能选择相应控制策略、确定控制区域的优化配置并确定其他相关自治单元的协调方案，然后在其自身的“监控-分析-规划-执行”运行体系及知识库的智能配合下，实现自治单元运行控制目标的实现。

根据图3和图4，可知自治单元的自治运行过程如下：

自治单元的效应器读取顶层控制中心分配的相应的子目标，自治管理器基于此目标，利用自身的知识库并在其相应传感器的监控信息的分析下，确定当期的控制目标，并规划所需控制区域的最优配置以及自治单元之间的协调机制，并通过效应器得到执行。此处的控制目标是自治单元根据顶层控制中心分配的子目标和自治管理器对自治区域的监控信息的智能分析而做出的决策。自治单元不仅具备完成顶层控制中心分配的子目标，也在不断进行故障或干扰的自我管理过程，以提高系统的自适应性和鲁棒性。

基于上述自治运行控制机制，本发明设计的自治单元具有自配置、自优化、自保护和自修复的特征：

1)自配置：指自治单元既可以根据顶层控制中心分配的子目标进行电网物理层资源的自我重新配置，以更好地完成子目标；同时在对反馈的电网运行信息和自治单元内部需求智能分析的基础上，确定是否需要资源重新配置，以更好地适应环境的变化，进而使得自治电力系统始终具有自强适应性和鲁棒性；

2)自优化：指自治单元根据系统在不同时刻的运行状态及响应的自配置行为，利用最优控制理论对其进行资源配置的最优化，以实现对现有资源的最佳利用，使得自治电力系统保持高效率运行；

3)自保护：指在电力系统因内部运行故障或者外界干扰而发生连串运作失败时，能迅速执行相关保护措施以尽可能保护系统，并利用智能预测方法快速准确预测问题并及时采取措施加以预防；

4)自修复：自治电力系统应能够在自保护失败而出现故障情况下，基于知识库进行自我诊断并进行自配置和自优化，使得系统修复并恢复运行。

自治单元在完成顶层控制中心设定的顶层目标的同时，可以实时进行自配置、自优化、自保护和自修复。自治电力系统的“自我管理”的理念是通过自配置、自优化、自保护及自修复特性来体现。

如图3所示，分别为本发明自治电力系统运行控制流程以及底层自治单元的控制流程示意图。根据图3、图4，并结合图1架构设计，本发明自治电力系统运行控制过程包括以下步骤：

步骤1：由自治电力系统顶层控制中心设定顶层目标。顶层目标为电力系统运营商根据电力市场运行需求而实时设定的目标。

可设定顶层目标为在某一时间段内消纳一定量风电或者使电网能保证一队电动汽车的充电，指完成某区域一列对电动汽车的充电任务、完成某时段风电的消纳为其顶层目标。

步骤2：由目标分配单元根据已有信息及电网实时信息的反馈，将顶层目标进行分解，可分解为1～N个单元。在上述例子下，其子目标集可包括减少其他电网潮流、维持电压在某种限度范围、分配给电动汽车一定量电能。

步骤3：在自治电力系统运行控制函数中，确定实现各个子目标合适的底层自治单元及其控制策略。根据子目标1～N，根据其所属控制领域分配给底层相应的自治单元1～N，如电压自治控制单元，潮流自治管理单元等。

步骤4：底层各相应自治单元根据相应的子目标，确定自治单元控制目标、最优控制区域、自治单元协调方案及自治运行方案并执行，如图3所示，1-基于知识库及监控信息，确定子目标中最优控制区域，2-确定相互协调方案，3-确定自治运行方案，4-执行方案，5-判断子目标是否实现。其中：

自治单元控制目标，是自治单元结合顶层控制中心分配的子目标并结合自治单元自治管理器对自治区域的监控信息做出的智能决策。

最优自治区域，是一种自治单元在物理层中对应的最优自治区域，这种最优是在约束条件下，利用图论优化算法确定实现子目标所对应的最优自治区域，包括输配电网及相关电力设备的最优配置等。

自治单元协调方案，是各个自治单元根据目标需要，智能分配响应的运行控制任务，如各区域有功、无功功率控制。

自治单元自治运行方案，是自治单元根据内部自治机制完成当前运行控制任务，如无功调压。

步骤5：由相应的传感器及时反馈自治电力系统的实时运行状态，根据自身需求，自治单元自主完成自治区域的自配置、自优化、自保护和自修复，并由自治单元自身以及顶层控制中心来检验目标是否完成。如果未完成，则由自治单元进一步来实现。必要时，顶层控制中心会进行目标调整，以便更好的实现目标。其中：

基于自治电力系统的实时运行状态，根据自身需求，自治单元自主完成自治区域的自配置、自优化、自保护和自修复。首先，自治单元既可以根据顶层控制中心分配的子目标进行电网物理层资源的自我重新配置，以更好地完成子目标；同时在对反馈的电网运行信息和自治单元内部需求智能分析的基础上，确定是否需要资源重新配置，以更好地适应环境的变化，进而使得自治电力系统始终具有强自适应性和鲁棒性。其次，自治单元根据系统在不同时刻的运行状态及响应的自配置行为，利用最优控制理论对其进行资源配置的最优化，以实现对现有资源的最佳利用，使得自治电力系统保持高效率运行。再次，电力系统因内部运行故障或者外界干扰而发生连串运作失败时，能迅速执行相关保护措施以尽可能保护系统，并利用智能预测方法快速准确预测问题并及时采取措施加以预防。最后，自治电力系统应能够在自保护失败而出现故障情况下，基于知识库并利用智能诊断算法进行自我诊断并进行自配置和自优化，使得系统尽可能地得到修复并恢复运行。

目标校验包括两部分：其一，各个自治单元自校验，以确定其相应控制目标是否实现，由相应传感器实时反馈该自治区域的实时运行状态，如各节点电压、各节点有功功率等，并由自治单元判断是否完成相应目标，如响应节点电压是否控制在允许范围内。如果未完成目标，则继续自身的自治运行直至相应目标完成。其二，顶层控制中心根据自治单元反馈的实时运行状态，确定顶层目标的实现是否符合要求，直至符合要求。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自治电力系统架构，其特征在于，所述系统架构包括控制层、物理层和干扰层； 

所述控制层包括顶层自治控制单元和底层自治控制单元； 

所述顶层自治控制单元包括顶层控制中心、目标分配单元和子目标对应自治单元； 

所述底层自治控制单元包括自治管理器、自治区域、传感器和效应器； 

所述物理层为实际的自治电力系统，其包括与发电、输电、配电和用电相关的设备； 

所述干扰层为实际的自治电力系统之外的干扰因素，其包括人为干扰因素、自然干扰因素。 

2.如权利要求1所述的一种自治电力系统架构，其特征在于，所述顶层自治控制单元通过顶层控制中心、目标分解单元和子目标对应自治单元分配单元的协调配合，给出某一时刻的顶层目标对应的自治单元相应子目标。 

3.如权利要求1所述的一种自治电力系统架构，其特征在于，所述底层自治控制单元中的自治单元根据顶层自治控制单元产生的子目标，选择相应控制策略、确定控制区域的优化配置并确定其他相关自治单元的协调方案。 

4.如权利要求1所述的一种自治电力系统架构，其特征在于，所述自治管理器为一种基于知识库的“监控-分析-规划-执行”运行架构； 

所述自治单元的传感器用于反馈自治单元运行状态； 

所述自治管理器的传感器用于监控自治区域的实时运行状态，包括对故障或干扰的监控、与实现子目标相关的物理量的监控； 

所述自治单元的效应器用于执行顶层目标分配的相关运行控制子目标； 

所述自治管理器中的效应器用于执行自治单元的运行控制命令。 

5.一种自治电力系统运行控制方法，其特征在于，所述方法包括： 

(1)自治电力系统顶层控制中心设定顶层目标； 

(2)目标分配单元根据目标指令及电网实时监控信息，将顶层目标进行分解； 

(3)目标分配单元将子目标分配给相应的自治单元； 

(4)底层自治单元根据子目标，确定自治单元控制目标、最优自治区域、自治单元协调方案及自治运行方案并执行； 

(5)反馈自治电力系统的实时运行状态，根据自身需求，自治单元自主完成自治区域的自配置、自优化、自保护和自修复，由自治单元自身以及顶层控制中心来检验目 标是否完成。 

6.如权利要求5所述的一种自治电力系统运行控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述顶层目标为电力系统运营商根据电力市场运行需求而实时设定的目标。 

7.如权利要求5所述的一种自治电力系统运行控制方法，其特征在于，所述步骤(2)包括将顶层目标分解为1～N个子目标，其子目标包括智能电网输配电电能质量控制、潮流优化管理及需求侧响应。 

8.如权利要求5所述的一种自治电力系统运行控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中所述自治单元控制目标，为自治单元结合顶层控制中心分配的子目标并结合自治单元自治管理器对自治区域的监控信息做出的智能决策； 

所述最优自治区域，为一种自治单元在物理层中对应的最优自治区域，其在约束条件下，利用图论和复杂网络理论相关的优化算法确定实现子目标所对应的最优自治区域，包括输配电网及相关电力设备的最优配置，所述最优自治区域的确定是自治电力系统自配置、自优化的结果。 

所述自治单元协调方案，为自治单元根据目标需要，在选定其自治运行任务的同时，确定相关其他自治单元的协调控制，包括对分布式发电和储能，以及电网电压、功率，需求侧响应的协调控制。 

所述自治单元自治运行方案，为自治单元根据内部自治机制完成当前运行控制任务，包括智能电网输配电电能质量控制，潮流优化管理，及需求侧响应。 

9.如权利要求5所述的一种自治电力系统运行控制方法，其特征在于，所述步骤(5)中所述自治区域的自配置、自优化、自保护和自修复包括： 

1)自配置：指自治单元根据顶层控制中心分配的子目标进行电网物理层资源的自我重新配置；对反馈的电网运行信息和自治单元内部需求智能分析的基础上确定是否需要资源重新配置； 

2)自优化：指自治单元根据系统在不同时刻的运行状态及响应的自配置行为，利用最优控制理论对其进行资源配置的最优化； 

3)自保护：指在电力系统因内部运行故障或者外界干扰而发生连串运作失败时，执行相关保护措施保护系统； 

4)自修复：自治电力系统应能够在自保护失败而出现故障情况下，基于知识库并利用智能诊断算法进行自我诊断并进行自配置和自优化，使得系统尽可能地得到修复并恢复运行。 

10.如权利要求5所述的一种自治电力系统运行控制方法，其特征在于，所述步骤(5)中所述目标校验包括： 

自治单元自校验，以确定其相应控制目标是否实现，由相应传感器实时反馈该自治区域的实时运行状态，包括各节点电压、各节点有功功率，并由自治单元判断是否完成相应目标，包括响应节点电压是否控制在允许范围内。如未完成目标，则继续自身的自治运行直至相应目标完成； 

顶层控制中心根据自治单元反馈的实时运行状态，确定顶层目标的实现是否符合要求，直至符合要求。