CN112202209A - 一种计及通信延时的多电源超前协调控制方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种计及通信延时的多电源超前协调控制方法及其系统，属于电力系统控制技术领域，包括电力系统网络的物理模型、电力系统信息系统模型和多智能体网络一致性对分布式电源进行超前协调控制；通过建立物理层面的能量网络耦合模型来表示能量传输的过程，拓展电力网络的公共信息模型，建立电网统一信息模型；运用分布式多智能体网络一致性协调控制理论，验证了其控制的有效性；本发明解决了对于存在延时的电力系统信息物理系统中电力系统运行的影响的问题，本发明提高了智能体一致性控制对于电力系统协同控制的有效性，并能够实现保证在某一时刻之前，系统中个节点的功率缺额为0，实现超前协调控制的作用。

Description

一种计及通信延时的多电源超前协调控制方法及其系统
技术领域
本发明涉及电力系统控制技术领域，更具体地说，涉及一种计及通信延时的多电源超前协调控制方法及其系统。
背景技术
随着能源枯竭、环境污染和气候变化问题的日益突出，太阳能以及风能等可再生能源得到了快速发展，天然气等清洁能源也得到了越来越多人的关注。能源互联网的概念也被越来越多提出。能源互联网需要运用智能协调控制技术，其中，信息物理融合系统可以很好的解决这个问题。通过运用大数据以及云计算等技术，融合大量的分布式电源信息采集，实现能源和信息的双向流通。
信息物理融合系统的物理结构主要包括具有感知功能的传感器和实现控制功能的执行器，或者是具有感知和控制能力的物理节点；信息系统包括网络通信系统和计算控制系统。在信息物理融合系统运行过程中，通过物理层的传感器感知并采集外部环境的数据信息，针对外部环境以及用户需求的变化，自动调整内部关联以及模型，使执行器作出响应。
目前国内对于能源互联网以及信息物理融合系统的研究还处于起步阶段，对于电力系统中存在的通信问题考虑比较少甚至是不考虑的。本发明基于电力系统信息物理融合系统，提出一种考虑通信延时以及丢包率的多电源协调控制方法，运用分布式多智能体一致性原理，考虑电力系统中不同电源节点与负荷节点之间的传输效率以及延时情况，使之达到一致性控制的结果。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种计及通信延时的多电源超前协调控制方法及其系统，对于存在延时的电力系统信息物理系统，通过使用多智能体一致性理论对其进行超前协调控制，缓解了其对于电力系统运行的影响以及多智能体一致性控制对于电力系统协同控制的有效性，并能够保证在某一时刻之前，系统中个节点的功率缺额为0，实现超前协调控制。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种计及通信延时的多电源超前协调控制方法，电力系统网络的物理模型：电力系统网络的物理模型中包括不同类型的分布式电源，多条电源传输线路互相连接形成了电力网络，在不同的电力网络中分析其功率的传输过程：对于任一回路，个线路的强度量变化量之和为0；对于任一节点，流入该节点的广延量等于流出该节点的广延量，能源网络集中参数等小传递方程式以及统一的能量网络方程组：
Figure BDA0002707255750000021
Xin和Xout是线路输入和输出的强度量；R是线路电阻值；A为网络关联矩阵；H为广延量流量矩阵；Bf为基本回路矩阵；ΔX为线路两端强度量差值矩阵；
电力系统网络的核心是功率的传输，多种分布式电源以及负荷的输入与输出关系，通过耦合矩阵C可以表示；
Figure BDA0002707255750000022
可以简记为
L＝CP (3)
其中，L表示电力网络中第i种能源形式的输出；P表示电力网络中第j中能源形式的输入；C是耦合因子，由分配系数和效率两部分组成；
电力系统信息系统模型：电力系统信息网络中存在不同类型的数据流，包括周期性数据流、随机性数据流以及突发性数据流；这些数据在通信网络的传输过程中，均会产生不同的延时情况，因此，物理组件之间端到端的延时Tdelay可以表示为
Tdelay＝Tsend+Tts+Twait+Trecieve (4)
其中，Tsend表示生成信息包以及转化格式所需要的时间；Tts表示在物理层发送和传输信息包的时间；Twait表示在网络层缓存列队中的排队以及等待时间；Trecieve表示接受信息包的时间；
作为本发明的一种优选方案，选择TCP/IP协议作为通信标准，通信网络可以通过阻塞控制协议、超时重传等方式保证数据传输的可靠性；
作为本发明的一种优选方案，多智能体网络一致性对分布式电源进行超前协调控制：一致性理论是指在一个系统中，存在多个智能体，随着时间的推移，系统中所有的智能体状态都趋向于一个相同的值，连续时间一阶多智能体系统：
xi(t)＝ui(t),i∈N (5)
其中，xi(t)和ui(t)分别表示第i个智能体在t时刻的状态和控制输入；当
Figure BDA0002707255750000041
节点i与节点j的相对位置逐渐趋近于0，即：
Figure BDA0002707255750000042
延时以及丢包的信息一致性算法研究：
Figure BDA0002707255750000043
其中，Tij表示节点i和节点j之间的通信延时；aij表示节点i和节点j之间的连接系数；αij表示节点i和节点j之间的通信丢包误差；T表示节点自身的输入延时；k代表系统增益；
结合(5)和(7)可以将一致性算法统一表示为：
Figure BDA0002707255750000044
一种计及通信延时的多电源超前协调控制方法的系统：包括电力系统网络的物理模型、电力系统信息系统模型和多智能体网络一致性对分布式电源进行超前协调控制；通过建立物理层面的能量网络耦合模型来表示能量传输的过程，拓展电力网络的公共信息模型，建立电网统一信息模型；运用分布式多智能体网络一致性协调控制理论，验证了其控制的有效性。
作为本发明的一种优选方案，电力系统中存在不同类型的分布式电源，不同电源线路相互连接形成了电力系统网络，通过耦合矩阵来表述不同节点的能源输入输出。
作为本发明的一种优选方案，电力系统信息物理系统的数据主要分为周期性数据流、随机性数据流和突发性数据流。
作为本发明的一种优选方案，运用分布式多智能体网络一致性理论，使得系统中所有的智能体状态在某一时刻之前都趋向于一个相同的值，实现超前协调控制。
本发明的有益效果：
对于存在延时的电力系统信息物理系统，通过使用多智能体一致性理论对其进行超前协调控制，缓解了其对于电力系统运行的影响以及多智能体一致性控制对于电力系统协同控制的有效性，并能够保证在某一时刻之前，系统中个节点的功率缺额为0，实现超前协调控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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。
图1为本发明的流程图；
图2为电力系统等效拓扑图；
图3为存在延时以及丢包误差情况下的系统状态图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种计及通信延时的多电源超前协调控制方法，电力系统网络的物理模型：电力系统网络的物理模型中包括不同类型的分布式电源，多条电源传输线路互相连接形成了电力网络，在不同的电力网络中分析其功率的传输过程：对于任一回路，个线路的强度量变化量之和为0；对于任一节点，流入该节点的广延量等于流出该节点的广延量，能源网络集中参数等小传递方程式以及统一的能量网络方程组：
Figure BDA0002707255750000061
Xin和Xout是线路输入和输出的强度量；R是线路电阻值；A为网络关联矩阵；H为广延量流量矩阵；Bf为基本回路矩阵；ΔX为线路两端强度量差值矩阵；
电力系统网络的核心是功率的传输，多种分布式电源以及负荷的输入与输出关系，通过耦合矩阵C可以表示；
Figure BDA0002707255750000062
可以简记为
L＝CP (3)
其中，L表示电力网络中第i种能源形式的输出；P表示电力网络中第j中能源形式的输入；C是耦合因子，由分配系数和效率两部分组成；
电力系统信息系统模型：电力系统信息网络中存在不同类型的数据流，包括周期性数据流、随机性数据流以及突发性数据流；这些数据在通信网络的传输过程中，均会产生不同的延时情况，因此，物理组件之间端到端的延时Tdelay可以表示为
Tdelay＝Tsend+Tts+Twait+Trecieve (4)
其中，Tsend表示生成信息包以及转化格式所需要的时间；Tts表示在物理层发送和传输信息包的时间；Twait表示在网络层缓存列队中的排队以及等待时间；Trecieve表示接受信息包的时间；
选择TCP/IP协议作为通信标准，通信网络可以通过阻塞控制协议、超时重传等方式保证数据传输的可靠性；
多智能体网络一致性对分布式电源进行超前协调控制：一致性理论是指在一个系统中，存在多个智能体，随着时间的推移，系统中所有的智能体状态都趋向于一个相同的值，连续时间一阶多智能体系统：
xi(t)＝ui(t),i∈N (5)
其中，xi(t)和ui(t)分别表示第i个智能体在t时刻的状态和控制输入；当
Figure BDA0002707255750000071
节点i与节点j的相对位置逐渐趋近于0，即：
Figure BDA0002707255750000072
延时以及丢包的信息一致性算法研究：
Figure BDA0002707255750000081
其中，Tij表示节点i和节点j之间的通信延时；aij表示节点i和节点j之间的连接系数；αij表示节点i和节点j之间的通信丢包误差；T表示节点自身的输入延时；k代表系统增益；
结合(5)和(7)可以将一致性算法统一表示为：
Figure BDA0002707255750000082
包括电力系统网络的物理模型、电力系统信息系统模型和多智能体网络一致性对分布式电源进行超前协调控制；通过建立物理层面的能量网络耦合模型来表示能量传输的过程，拓展电力网络的公共信息模型，建立电网统一信息模型；运用分布式多智能体网络一致性协调控制理论，验证了其控制的有效性。
电力系统中存在不同类型的分布式电源，不同电源线路相互连接形成了电力系统网络，通过耦合矩阵来表述不同节点的能源输入输出。
电力系统信息物理系统的数据主要分为周期性数据流、随机性数据流和突发性数据流。
运用分布式多智能体网络一致性理论，使得系统中所有的智能体状态在某一时刻之前都趋向于一个相同的值，实现超前协调控制。
对于存在延时的电力系统信息物理系统，通过使用多智能体一致性理论对其进行超前协调控制，缓解了其对于电力系统运行的影响以及多智能体一致性控制对于电力系统协同控制的有效性，并能够保证在某一时刻之前，系统中个节点的功率缺额为0，实现超前协调控制。
以一个简化的电力系统网络为仿真算例，根据已有的网络节点拓扑，建立电力系统网络物理信息矩阵，运用多智能体一致性原理进行协调控制。
其基本的协调控制步骤为：
建立电力系统信息物理模型；明确各个节点之间的连接关系，各节点与节点之间的通信延时以及丢包情况；运用分布式多智能体网络一致性原理对不同节点进行调控；考虑不同延时以及丢包率对多电源超前协调控制的影响。
构建一个简单的电力系统网络拓扑，其中包括风力发电和光伏发电、以天然气为燃料的燃气轮机、传统火力发电、储能设备以及冷热负载。图1是简单的拓扑图，其中节点1、3分别是负荷节点，其功率需求分别为150kWh和300kWh；节点2处是传统的火力发电，每小时输出的能量为300kWh；节点4是相关储能装置，初始容量为100kW；节点5是以天然气为燃料的燃气轮机，每小时输出的能量为100kWh；节点6是光伏以及风力发电，装机容量为100kW。
如图2所示，六个节点的初始值分别记为：
ΔP＝[-150,300,-300,100,100,100] (9)
其中，正数表示节点输出功率，负数表示节点需要输入的功率，为保证未来某一时刻其功率缺额达到0，可以通过多智能体一致性理论可以使在存在输入延时、通信延时以及丢包误差的情况下，对电力系统中的多电源节点进行超前控制，使电力系统网络在某一时刻之前尽快达到平衡。
本发明算例采用输入延时T＝0.1s；并考虑不同节点之间的距离以及不同的延时和设备响应时间，设定:
T13＝1.0s,T21＝0.8s,T31＝1.5s,T41＝0.5s,T43＝0.3s,T53＝0.3s,T63＝0.2s (10)
此外，考虑不同节点与节点之间的丢包误差，设定：
α13＝0.03,α21＝0.02,α31＝0.03,α41＝0.03,α43＝0.03,α53＝0.015,α63＝0 (11)
最终的仿真结果如图3所示。
可见分布式多智能体网络一致性理论可以实现电力系统中多种电源之间的智能超前协调控制，可以缓解通信延时以及丢包误差对系统产生的影响。
对于存在延时的电力系统信息物理系统，通过使用多智能体一致性理论对其进行超前协调控制，缓解了其对于电力系统运行的影响以及多智能体一致性控制对于电力系统协同控制的有效性，并能够保证在某一时刻之前，系统中个节点的功率缺额为0，实现超前协调控制。
本发明解决了对于存在延时的电力系统信息物理系统中电力系统运行的影响的问题，本发明提高了智能体一致性控制对于电力系统协同控制的有效性，并能够实现保证在某一时刻之前，系统中个节点的功率缺额为0，实现超前协调控制的作用。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种计及通信延时的多电源超前协调控制方法，其特征在于：电力系统网络的物理模型：电力系统网络的物理模型中包括不同类型的分布式电源，多条电源传输线路互相连接形成了电力网络，在不同的电力网络中分析其功率的传输过程：对于任一回路，个线路的强度量变化量之和为0；对于任一节点，流入该节点的广延量等于流出该节点的广延量，能源网络集中参数等小传递方程式以及统一的能量网络方程组：
Figure FDA0002707255740000011
Xin和Xout是线路输入和输出的强度量；R是线路电阻值；A为网络关联矩阵；H为广延量流量矩阵；Bf为基本回路矩阵；ΔX为线路两端强度量差值矩阵；
电力系统网络的核心是功率的传输，多种分布式电源以及负荷的输入与输出关系，通过耦合矩阵C可以表示；
Figure FDA0002707255740000012
可以简记为
L＝CP (3)
其中，L表示电力网络中第i种能源形式的输出；P表示电力网络中第j中能源形式的输入；C是耦合因子，由分配系数和效率两部分组成；
电力系统信息系统模型：电力系统信息网络中存在不同类型的数据流，包括周期性数据流、随机性数据流以及突发性数据流；这些数据在通信网络的传输过程中，均会产生不同的延时情况，因此，物理组件之间端到端的延时Tdelay可以表示为
Tdelay＝Tsend+Tts+Twait+Trecieve (4)
其中，Tsend表示生成信息包以及转化格式所需要的时间；Tts表示在物理层发送和传输信息包的时间；Twait表示在网络层缓存列队中的排队以及等待时间；Trecieve表示接受信息包的时间。
2.根据权利要求1所述的一种计及通信延时的多电源超前协调控制方法，其特征在于：选择TCP/IP协议作为通信标准，通信网络可以通过阻塞控制协议、超时重传等方式保证数据传输的可靠性。
3.根据权利要求2所述的一种计及通信延时的多电源超前协调控制方法，其特征在于：还包括多智能体网络一致性对分布式电源进行超前协调控制。
4.根据权利要求3所述的一种计及通信延时的多电源超前协调控制方法，其特征在于：多智能体网络一致性对分布式电源进行超前协调控制：一致性理论是指在一个系统中，存在多个智能体，随着时间的推移，系统中所有的智能体状态都趋向于一个相同的值，连续时间一阶多智能体系统：
xi(t)＝ui(t),i∈N (5)
其中，xi(t)和ui(t)分别表示第i个智能体在t时刻的状态和控制输入；当
Figure FDA0002707255740000031
j＝1,2,...,N，节点i与节点j的相对位置逐渐趋近于0，即：
Figure FDA0002707255740000032
延时以及丢包的信息一致性算法研究：
Figure FDA0002707255740000033
其中，Tij表示节点i和节点j之间的通信延时；aij表示节点i和节点j之间的连接系数；αij表示节点i和节点j之间的通信丢包误差；T表示节点自身的输入延时；k代表系统增益；
结合(5)和(7)可以将一致性算法统一表示为：
Figure FDA0002707255740000034
5.一种如权利要求1-4任一所述的一种计及通信延时的多电源超前协调控制方法的系统，其特征在于：包括电力系统网络的物理模型、电力系统信息系统模型和多智能体网络一致性对分布式电源进行超前协调控制；通过建立物理层面的能量网络耦合模型来表示能量传输的过程，拓展电力网络的公共信息模型，建立电网统一信息模型；运用分布式多智能体网络一致性协调控制理论，验证了其控制的有效性。
6.根据权利要求5所述的一种计及通信延时的多电源超前协调控制方法的系统，其特征在于：电力系统中存在不同类型的分布式电源，不同电源线路相互连接形成了电力系统网络，通过耦合矩阵来表述不同节点的能源输入输出。
7.根据权利要求6所述的一种计及通信延时的多电源超前协调控制方法的系统，其特征在于：电力系统信息物理系统的数据主要分为周期性数据流、随机性数据流和突发性数据流。
8.根据权利要求7所述的一种计及通信延时的多电源超前协调控制方法的系统，其特征在于：运用分布式多智能体网络一致性理论，使得系统中所有的智能体状态在某一时刻之前都趋向于一个相同的值，实现超前协调控制。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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TWI789763B (zh) * 2021-05-21 2023-01-11 仁寶電腦工業股份有限公司 多電源控制裝置以及多電源控制方法
CN117458631A (zh) * 2023-10-26 2024-01-26 国网湖北省电力有限公司电力科学研究院 一种交直流混合微电网群多场景协调控制方法

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