CN111276968A - 基于奇异摄动的综合能源系统分布式趋同控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于奇异摄动的综合能源系统分布式趋同控制方法，包括：综合能源系统由多个相互作用的新能源冷热电联供系统组成，每个新能源冷热电联供系统看作一个具有多时间尺度动态的智能体，对综合能源系统进行建模；基于模型构建由同步慢时间尺度的控制器及同步快时间尺度的控制器组成的分布式趋同控制器，使得电压，频率，功率分配和温度能源网络中不同时间尺度上的状态变量趋于一致。该控制器可以同步新能源冷热电联供系统的温度、输出电压、频率和功率分配。

Description

基于奇异摄动的综合能源系统分布式趋同控制方法及系统

技术领域

本发明属于能源控制技术领域，尤其涉及多时间尺度问题的奇异摄动方法和多智能体网络的趋同控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

综合能源系统(integrated energy system，IES)是指对不同类型能源进行有机协调与优化后所形成的能源网络系统。多能互补供能是IES的关键特征之一，综合能源系统集风力发电系统、光伏发电系统、燃气冷热电联供系统等多种类型能量枢纽于一体，很大程度地促进电力、热力等多种能流的协同，极大提高其应对负荷变化的能力。IES可以实现能源的梯级利用，提高能源的综合利用水平，对提高能源利用效率，构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系具有重要的现实意义。

综合能源系统由多个能源枢纽组成，每个枢纽可以看作一个智能体，能源枢纽之间相互作用，状态变换非常复杂，组成了一个复杂的网络系统，集中式控制需要耗费大量的资源。综合能源系统规模庞大，具有多种能源输入(可再生能源、天然气等)，具有电、热、冷等多种用能形式，能量转换设备繁多，加之气、电、热等多能流的实时交互，使得多能流网络之间具有很强的耦合性。考虑以上现状，亟需从多智能体网络的角度和多能流耦合的角度出发，寻求新的思路和方法予以突破，以期提高供能质量、设备的利用率，为能源网络的高效、经济、环保运行奠定坚实基础。

发明人在研究中发现，传统集中式的控制方法难以保证综合能源系统中电能和热能的质量以及设备的利用率，且未考虑耦合性的单一时间尺度的控制方法与实际有较大偏差，而目前针对综合能源系统的控制方法比较少且存在缺陷，无法满足目前的实际需求。

发明人在研究中还发现，现有的相关专利中，针对综合能源系统的控制，往往没有考虑系统的多时间尺度特性，以及复杂网络信息交流的拓扑结构和智能体之间的相互作用，无法解决上述问题。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了基于奇异摄动的综合能源系统分布式趋同控制方法，基于奇异摄动来描述和处理多时间尺度，利用多智能体网络来实现分布式趋同控制。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

基于奇异摄动的综合能源系统分布式趋同控制方法，包括：

综合能源系统由多个相互作用的新能源冷热电联供系统组成，每个新能源冷热电联供系统看作一个具有多时间尺度动态的智能体，对综合能源系统进行建模；

基于模型构建由同步慢时间尺度的控制器及同步快时间尺度的控制器组成的分布式趋同控制器，使得电压，频率，功率分配和温度能源网络中不同时间尺度上的状态变量趋于一致。

进一步的技术方案，采用图Γ＝(V,E)来描述综合能源系统的通信拓扑，图Γ由点集V和边集E组成，点集V＝{1,...,n}代表智能体，边集

代表智能体之间的信息交互。

进一步的技术方案，基于奇异摄动方法来描述第i个智能体的两时间尺度动态，目标是让不同智能体上不同时间尺度的变量逐步趋于相同。

进一步的技术方案，小参数ε是奇异摄动系统的典型特征，令ε为0进行系统退化。

进一步的技术方案，基于独立的慢时间尺度动态获得同步慢时间尺度的控制器。

进一步的技术方案，对于快状态变量，快变量的暂态过程中慢变量保持不变，得到描述快变化分量的方程组，最终获得同步快时间尺度的控制器。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本公开的该控制策略的作用是使综合能源系统中不同的新能源冷热电联供系统的输出电压等趋于一致，比如：如果电压不同，可能会形成回流，所以要使所有联供系统的输出电压相同。

本公开通过网络中设置一个虚拟的智能体，该智能体的状态的值就是期望网络中所有智能体达到的值。在该控制器的作用下，所有的智能体的状态都会逐渐趋于期望值。

本公开技术方案中基于奇异摄动是一种描述和处理多时间尺度问题的有效方法，而多智能体网络的分布式趋同控制是一种逐步应用到各种网络系统的控制方法。本公开技术方案为综合能源系统设计了一种基于智能体邻居信息的分布式控制器，该控制器可以同步新能源冷热电联供系统的温度、输出电压、频率和功率分配。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例综合能源系统的通信拓扑图；

图2为本发明实施例智能体邻居信息的分布式控制器设计流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

参见附图2所示，本实施例公开了基于奇异摄动的综合能源系统分布式趋同控制方法，为综合能源系统建模，并设计分布式趋同控制器，使得电压，频率，功率分配和温度等能源网络中不同时间尺度上的状态变量趋于一致。

具体步骤中，首先我们要对综合能源系统进行建模，综合能源系统由多个相互作用的新能源冷热电联供系统组成，每个新能源冷热电联供系统可以看作一个具有多时间尺度动态的智能体。

参见附图1所示，可以采用图Γ＝(V,E)来描述综合能源系统的通信拓扑，图Γ由点集V和边集E组成，点集V＝{1,...,n}代表智能体，边集

代表智能体之间的信息交互。

定义图的邻接矩阵为G＝[g_ij]_n×n，其中g_ii＝0，如果智能体i和j之间存在信息交互，则g_ij>0，否则为0。称能和智能体i交换信息的矩阵为i的邻居矩阵，i的所有邻居表示为N_i＝{j∈V(i,j)∈E}。

考虑综合能源系统中含有n个新能源冷热电联供系统(智能体)的情况。根据现场数据构建数据库，采用机理建模和数据建模的方法，基于奇异摄动方法来描述第i个智能体的两时间尺度动态：

其中

代表不同时间尺度的状态。x_i(t)是慢时间尺度的状态，代表智能体输出的温度；y_i(t)代表快时间尺度的状态，代表智能体输出的电压频率和功率分配α_i(t)＝P_i/P_i,max。u_i(t)∈R^m是冷热电联供系统的输入量，小参数ε是奇异摄动系统的典型特征，0<ε<<1，显示出状态在不同的时间尺度上变化。

上述构建数据库，是为了求出下面状态方程的实际形式，根据需要同步的状态，对应需要相关的状态的数据来搭建模型，即电压，频率，温度等数据。

在该实施例子中，不同时间尺度即电压、频率、功率、电流等的变化在毫秒级的时间尺度上即可完成，而温度等的变化需要在分钟的时间尺度上完成，并且在综合能源系统中，两种状态之间相互耦合，互相影响，不能独立出来，所以可以搭建如(1)所示的模型，该模型可以展示出智能体中状态的多时间尺度特性和耦合特性。

系统(1)中的矩阵满足(ε^-1A₂₂,ε^-1B₂)和

是可控的，目标是让不同智能体上不同时间尺度的变量逐步趋于相同，即

奇异摄动法的基本思路：在快状态变量的暂态过程中慢变量保持不变，而当慢变量的变化比较明显时，快变量已经达到准稳态。

令ε为0，则系统退化为

其中x_is(0)＝x_i(0)，根据(2.2)，可得

y_is(t)是快变量y_i(t)的准稳态值。在上式中，需要可逆矩阵A₂₂，若是搭建的模型中，该矩阵不可逆，则可以根据矩阵摄动理论中的特征值是连续的来为矩阵加一个微小的摄动参数来解决，因为矩阵的特征多项式是矩阵元素的多项式，它是矩阵的连续函数。

将(3)带入(2.1)，可得独立的慢时间尺度动态

其中

基于x_i≈x_is，同步慢时间尺度的控制器为：

该控制器是根据标准的多智能体分布式趋同控制器得出的。

反馈控制器增益K₁为

正定矩阵P₁为如下黎卡提矩阵不等式的解，可以采用matlab的工具箱进行求解：

其中Q₁是一个正定矩阵。

对于快状态变量，快变量的暂态过程中慢变量保持不变，即x_i＝x_is＝c，并且可认为

则根据(1.2)和(2.2)得到描述快变化分量的方程组：

其中y_if＝y_i-y_is，u_if＝u_i-u_is。变量y_if反应快变量与快变量准稳态值之间的差距变化。

同步快时间尺度的控制器为：

考虑实际应用，其中的虚拟变量可替换为如下形式

反馈控制器增益K₂为

正定矩阵

是如下黎卡提矩阵不等式的解，可由matlab的工具箱求解：

其中令A_ε＝ε^-1A₂₂，B_ε＝ε^-1B₂，Q是一个正定矩阵。

两个控制器组合起来得到可同步综合能源系统不同时间尺度状态的控制器

u_i(t)＝u_is(t)+u_if(t) (10)

本文为综合能源系统设计了一种基于智能体邻居信息的分布式控制器，该控制器可以同步新能源冷热电联供系统的温度、输出电压、频率和功率分配。

在该实施例子中，每个智能体都会接受自己周围智能体的信息，进而会依据该控制策略进行状态的比较，控制器输出结果将使不同新能源冷热电联供系统的输出状态的差距逐渐缩小，直至所有的新能源冷热电联供系统的输出电压一样，输出的频率也一样，输出的热水温度也一样等。

实施例二

本实施例的目的是提供一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例子一中的基于奇异摄动的综合能源系统分布式趋同控制方法的步骤。

实施例三

本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行实施例子一中的基于奇异摄动的综合能源系统分布式趋同控制方法的步骤步骤。

实施例四

本实施例的目的是提供基于奇异摄动的综合能源系统分布式趋同控制系统，包括：

信息采集单元，用来采集综合能源系统的实时状态信息；

传输单元，信息采集单元并将信息传给控制单元和自己的邻居智能体；

控制单元，被配置为包括：

模型建立模块，对综合能源系统进行建模，综合能源系统由多个相互作用的新能源冷热电联供系统组成，每个新能源冷热电联供系统看作一个具有多时间尺度动态的智能体；

分布式趋同控制器构建模块，基于模型构建由同步慢时间尺度的控制器及同步快时间尺度的控制器组成的分布式趋同控制器；

子系统的执行机构，执行分布式趋同控制器的命令，使得电压，频率，功率分配和温度能源网络中不同时间尺度上的状态变量趋于一致。

在另一实施例子中，还公开了基于奇异摄动的综合能源系统分布式趋同控制器，其特征是，所述控制器在构建时：

首先需要对综合能源系统进行建模；

然后基于模型构建由同步慢时间尺度的控制器及同步快时间尺度的控制器组成的分布式趋同控制器，使得电压，频率，功率分配和温度能源网络中不同时间尺度上的状态变量趋于一致。

以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.基于奇异摄动的综合能源系统分布式趋同控制方法，其特征是，包括：

综合能源系统由多个相互作用的新能源冷热电联供系统组成，每个新能源冷热电联供系统看作一个具有多时间尺度动态的智能体，对综合能源系统进行建模；

基于模型构建由同步慢时间尺度的控制器及同步快时间尺度的控制器组成的分布式趋同控制器，使得电压，频率，功率分配和温度能源网络中不同时间尺度上的状态变量趋于一致。

2.如权利要求1所述的基于奇异摄动的综合能源系统分布式趋同控制方法，其特征是，采用图Γ＝(V,E)来描述综合能源系统的通信拓扑，图Γ由点集V和边集E组成，点集V＝{1,...,n}代表智能体，边集

代表智能体之间的信息交互。

3.如权利要求1所述的基于奇异摄动的综合能源系统分布式趋同控制方法，其特征是，基于奇异摄动方法来描述第i个智能体的两时间尺度动态，目标是让不同智能体上不同时间尺度的变量逐步趋于相同。

4.如权利要求1所述的基于奇异摄动的综合能源系统分布式趋同控制方法，其特征是，小参数ε是奇异摄动系统的典型特征，令ε为0进行系统退化。

5.如权利要求1所述的基于奇异摄动的综合能源系统分布式趋同控制方法，其特征是，基于独立的慢时间尺度动态获得同步慢时间尺度的控制器。

6.如权利要求1所述的基于奇异摄动的综合能源系统分布式趋同控制方法，其特征是，对于快状态变量，快变量的暂态过程中慢变量保持不变，得到描述快变化分量的方程组，最终获得同步快时间尺度的控制器。

7.基于奇异摄动的综合能源系统分布式趋同控制系统，其特征是，包括：

信息采集单元，用来采集综合能源系统的实时状态信息；

传输单元，信息采集单元并将信息传给控制单元和自己的邻居智能体；

控制单元，被配置为包括：

模型建立模块，对综合能源系统进行建模，综合能源系统由多个相互作用的新能源冷热电联供系统组成，每个新能源冷热电联供系统看作一个具有多时间尺度动态的智能体；

分布式趋同控制器构建模块，基于模型构建由同步慢时间尺度的控制器及同步快时间尺度的控制器组成的分布式趋同控制器；

子系统的执行机构，执行分布式趋同控制器的命令，使得电压，频率，功率分配和温度能源网络中不同时间尺度上的状态变量趋于一致。

8.一种计算装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-6任一所述的基于奇异摄动的综合能源系统分布式趋同控制方法的步骤。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时执行实现权利要求1-6任一所述的基于奇异摄动的综合能源系统分布式趋同控制方法的步骤。

10.基于奇异摄动的综合能源系统分布式趋同控制器，其特征是，所述控制器在构建时：

首先需要对综合能源系统进行建模；

然后基于模型构建由同步慢时间尺度的控制器及同步快时间尺度的控制器组成的分布式趋同控制器，使得电压，频率，功率分配和温度能源网络中不同时间尺度上的状态变量趋于一致。

Images