CN113193575A - 低延迟的电网频率调节控制方法、系统、存储介质及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低延迟的电网频率调节控制方法、系统、存储介质和设备，包括以下步骤：在一个采样周期内获取电力系统的状态量；基于离散事件触发的电力系统模型，利用状态量计算离散事件触发条件；当触发条件满足时，传输电力系统的状态数据和频率调节控制数据。电力系统的状态信号基于事件触发机制进行传输，只有当给定的触发条件满足时，数据才进行传输，因此能够在一定程度上减少网络负担和能源消耗。

Description

低延迟的电网频率调节控制方法、系统、存储介质及设备

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体为低延迟的电网频率调节控制方法、系统、存储介质及设备。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

近年来，风力发电在全球范围内发展迅猛，因此日益受到世界各国的重视，风电具有清洁、环境效益好的优势，在一些地区逐步并入到已有的电力系统中，通过负荷调节电网频率从而满足生产和生活的需求。

风电受到季节和环境的影响较大，是相对随机且不稳定的电能来源，对于电力系统而言，引入风电进行电网的频率控制属于离散事件触发控制，这种离散事件触发控制方式在电力系统的负荷频率控制操作中较为普遍。

针对风电参与的电网频率调节控制方法主要集中于利用较为可控的火电机组应对较为随机的风电负荷波动，从而确保电网的频率处于可控范围，而在频率调节的过程中，调节控制网络自身存在大量的数据传输与通讯，会存在网络延迟。而面对网络延迟，已有的技术主要集中于负荷干扰抑制，并未考虑网络引起的测量干扰和发送的消息延迟会影响电网频率对负荷波动的响应效果，使得引入风电后的电力系统对负荷波动的频率调节能力变差。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供低延迟的电网频率调节控制方法、系统、存储介质及设备，将离散事件触发控制引入计及风力发电的电力系统负荷频率当中，使得控制信号基于事件触发机制进行传输，只有当给定的触发条件满足时，信息才进行传输，能够在一定程度上减少网络负担和能源消耗，从而在减小通信负担的同时达到良好的控制效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供低延迟的电网频率调节控制方法，包括以下步骤：

获取电力系统一个采样周期内的状态量；

基于离散事件触发的电力系统模型，利用状态量获取离散事件触发条件；

当触发条件满足时，传输电力系统的状态数据和频率调节控制数据。

事件触发条件为：

其中，t_P+1m为下一个数据包的传递时刻，G是正定对称的权矩阵，Q＝x^T(t_Pm)Gx(t_Pm)，δ＞0是一个给定的标量参数，e(i_Pm)是当前采样时刻系统状态x^T(t_Pm)与最近传递数据x(t_Pm)时刻的差值，称其为状态误差。

离散事件触发的电力系统模型包括，调速机模型、发电机模型和原动机模型。

调速机模型：

L_G为调速器时间常数。

发电机模型：

L_P为发电机时间常数。

原动机模型：

L_T为原动机时间常数。

基于调速机模型、发电机模型和原动机模型获得基于离散事件触发的电力系统模型。

本发明的第二个方面提供基于上述低延迟的电网频率调节控制方法的系统，包括：

条件模块，被配置为：在一个采样周期内获取电力系统的状态量，基于离散事件触发的电力系统模型，利用状态量计算离散事件触发条件；

当触发条件满足时，传输电力系统的状态数据和频率调节控制数据。

本发明的第三个方面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实现如上述所述的低延迟的电网频率调节控制方法中的步骤。

本发明的第四个方面提供一种计算机设备。

一种计算机设备，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如上述所述的低延迟的电网频率调节控制方法中的步骤。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、创建了基于采样时刻的离散事件触发通讯机制，仅在满足条件时数据才被网络传输，较时间触发通讯机制中每一采样时刻数据均被等周期的传输方式而言，离散事件触发通讯机制不仅会减少通讯量，而且因为数据的传输依赖了系统性能需求和实时状态的变化，使得数据传输变为了一种自适应变周期的方式。

2、由于数据的传输与否仅与采样时可系统的状态及状态误差相关，一般智能传感器即可进行相应的分析处理，因此实际中既不需要对传感器的输出量连续检测，也不需要添加其他硬件，较时间触发通讯机制可有效地节约网络资源。

3、利用一个常采样周期获取系统的状态量，然后利用离散时刻采样点的测量状态计算触发条件，无需关注采样时刻间状态信息的变化，使得离散事件触发的实现仅通过一般的传感器或者软件即可完成，省去了添加硬件的问题。

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是本发明一个或多个实施例提供的风力发电参与的单区域电力系统动态模型示意图；

图2是本发明一个或多个实施例提供的离散事件触发控制结构示意图；

图3(a)是本发明一个或多个实施例提供的周期时间采样的频率偏差时间演变示意图；

图3(b)是本发明一个或多个实施例提供的连续事件触发采样的频率偏差时间演变示意图；

图3(c)是本发明一个或多个实施例提供的离散事件触发采样的频率偏差时间演变示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

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。

正如背景技术中所描述的，离散事件触发控制在电力系统的负荷频率控制操作中变得越来越普遍，现有技术多为对风力发电参与电力系统调频的研究，而并不关注调节频率过程中的通信网络延迟问题，因此以下实施例将离散事件触发控制引入计及风力发电的电力系统负荷频率当中来应对上述网络延迟的问题。

在离散事件触发控制系统中，信号基于事件触发机制进行传输，只有当给定的触发条件满足时，信息才进行传输，因此能够在一定程度上减少网络负担和能源消耗。以下实施例在考虑风力发电机组群接入带来延时的情况下，引入离散事件触发控制，将闭环系统建立为时滞系统模型，对系统进行稳定性分析，并联合求出控制器增益和事件触发矩阵，从而在减小通信负担的同时达到良好的控制效果。

实施例一：

如图1-3所示，低延迟的电网频率调节控制方法，包括以下步骤：

在一个采样周期内获取电力系统的状态量；

基于离散事件触发的电力系统模型，利用状态量计算离散事件触发条件；

当触发条件满足时，传输电力系统的状态数据和频率调节控制数据。

具体的过程为：

首先提出一种通过切换方法触发事件的负荷频率控制策略，如下所述：

(1)单区域频率调节模型的建立

电力系统通常是非线性的，考虑负荷波动很小，需要线性化后的模型用于分析频率调节问题。本实施例中，提出了一种标准简化的风电参与频率调节模型，该模型包括调速机、原动机以及所带负荷，如图1所示，各个部分的模型如下：

调速机模型：

发电机模型：

原动机模型：

其中，L_G为调速器时间常数，L_P为发电机时间常数，M_P为发电机增益，L_T为原动机时间常数，R为调速器速度调节常数。参数α_g是频率调节的参与因子，将其视作统一单位。

在充分考虑现实情况后，为了稳定频率偏差，采用状态反馈控制器：

其中，P为状态反馈控制增益，

分别为t_Pm，t_P+1m时刻传输时延。

定义

显然α(t)是连续的线性函数，满足

其中

表示实际网络传输时延上界，亦可是最大允许传输时延上界。

结合上面的式子可知，y(t)又可表示为

考虑更一般的执行器失效故障，模型描述为

y^f(t)＝By(t) (7)

其中：B＝diag{l₁，…l_x}，l_i∈[0，1]，i＝1，2，…，x。矩阵B表示故障的程度。当l_i＝0时，表示第i个执行器完全失效；当l_i＝1时，表示第i个执行器正常工作；当l_i∈(0，1)时，表示第i个执行器部分失效。

考虑

作为增广状态向量，

作为控制器输出，ΔP_f(t)，

作为负荷和测量干扰，我们就可以得到基于离散事件触发的电力系统：

其中

其中T_G为调速器时间常数，N为发电机惯性常数，L_T为涡轮机时间常数，D为阻尼系数，R为下垂常数。参数α_g是LFC的参与因子，在没有其他发电单元的情况下将其视作统一单位。

(2)基于离散触发控制的切换方法

本实施例提出离散事件触发通信机制来避免电力系统中不必要的信号，使风力发电参与的单区域电力系统能有效地减少网络带宽通信资源并能够在一定程度上抵御间歇性DOS干扰攻击造成的数据丢失。与现有技术中需要通过额外硬件设备对传感器输出量进行连续检测的连续事件触发通讯方式相比，本实施例所采用的离散事件触发方式，以一个常采样周期获取系统的电压、电流以及频率，然后利用离散时刻采样点的测量状态计算触发条件，无需关注采样时刻间状态信息的变化，这使得离散事件触发的实现仅通过一般智能传感器或者软件即可完成，省去了添加硬件的问题。

我们假设系统的控制输出由零阶保持器产生，保持时间

其中t_P+1m为下一个数据包的传递时刻，

分别是t_P、t_P+1时刻的传输时延，

是控制型号分别在t_P、t_P+1到达零阶保持器的时刻。

为确保系统在性能满足的条件下，仅传输需要的采样数据，创建如下事件触发机制条件：

其中，t_Pm为当前数据的传输时刻，Q＝x^T(t_Pm)Gx(t_Pm)，δ＞0是一个给定的标量参数，与系统期望的性能有关，G是正定对称的权矩阵，e(i_Pm)是当前采样时刻系统状态x^T(t_Pm)与最近传递数据x(t_Pm)时刻的差值，称其为状态误差，即

若(10)满足条件，则t_P+1m为下一个需要传输数据的时刻。在本实施例中，传输的数据就是指电力系统的电压、电流以及频率数据，主要考虑电力频率因素，当系统实时频率数据与提前设定好的频率值相差大于某一数值时，该事件触发机制才会触发，并传输系统频率数据和其他的电力系统实时数据至电网调度中心分析计算电力系统调节命令，随后将该命令送回风电参与的电力系统中处理系统故障。

在现有的风力发电电力系统频率调节控制方法(即时间触发通讯机制控制方法)中，普遍需要高性能的传感器，并且需要对其输出量进行连续检测来保证数据采样时刻足够准确，有时甚至需要添加额外的硬件。这样的控制方法会大量地消耗网络资源，产生网络延迟，增加调度中心处理电力系统故障、调节电力系统频率的反应时间。

而本实施例所采用的事件触发机制的数据传输与否仅与采样时刻系统的状态和状态误差相关(主要指电压、电流以及频率)，一般的智能传感器即可进行相应的分析处理，有效地节约网络资源，也有效地减少了电力系统频率调节传输网络的网络延迟。

由于创建了基于采样时刻的离散事件触发通讯机制，因此仅在满足该条件时风力发电系统中的电压、电流以及频率数据才被网络传输至调度中心，随后处理计算出频率调节指令数据并发送回该风力发电的电力系统中执行命令。较时间触发通讯机制中每一采样时刻数据均被等周期的传输方式而言，离散事件触发通讯机制不仅会减少通讯量，而且因为数据的传输依赖了系统性能需求和实时状态的变化，使得数据传输变为了一种自适应变周期的方式。

由于数据的传输与否仅与采样时可系统的状态及状态误差相关，一般智能传感器即可进行相应的分析处理，因此实际中既不需要对传感器的输出量连续检测，也不需要添加其他硬件，较时间触发通讯机制可有效地节约网络资源。

接着，综合各种可能触发的错误因素和现实因素，一个闭环控制系统可以被表示为

其中

u(t)＝t-s_P，t∈[t_k，min{t_P+m，t_P+1})

注意到u(t)满足如下关系式u(t)≤K+β_M：＝u_M，以及

是一个未知的延迟，范围是从0到β_M。

综上所述，我们可以得到一个式(13)：

考虑系统(9)中

定义正标量γ，α，h，β_M≥0，∈≥0和u(t)＝K+β_M，定义存在一个n×n的矩阵

，{F_i}_i＝0，1≥0，{B_i}_i＝0，1≥0，{H_i}_i＝0，1≥0和一个m×m的矩阵Ω≥0，然后

其中J＝J{IJ}和L＝L{IJ}是对称块矩阵。控制器

在事件触发的采样时刻内使系统(9)以衰减率α衰减并且规定L₂增益小于J。

值得注意的是，式(13)表示依赖于延迟的稳定性条件。与延迟无关的条件不适用于负荷频率控制操作，因为当通信延迟或故障超过某个阈值时，负荷频率控制操作将通过暂停计数器停止。

(3)基于风力发电的电力系统切换方法

本实施例还给出了将风力发电集成到负荷频率控制中的电力系统网络，其中默认为所有风力发电机组都处在额定的工作状态之中，其系统模型可以表示为：

C＝[1 0 0 0 0 0]

其中，x(t)是系统状态矩阵，u(t)是控制输入，ω(t)是外部干扰向量，A、B和D是系统矩阵，C是输出矩阵。

应用(2)节提到的方法，我们可以获得与式(13)所述方法的相似结果。

搭建一个风力发电参与一次频率控制并且符合上述式(13)的使用离散事件触发控制的电网负荷频率控制方法，在风力发电参与的电力系统上进行了仿真，并与最常用的周期采样和定期连续事件触发的采样方法进行比较，结果表明了该离散事件触发控制的频率控制方法在提高频率质量和满足充电需求方面更灵活有效。

接下来通过仿真来验证本实施例所提出的离散事件触发机制的有效性、优越性以及触发参数对通讯资源占用及系统性能的影响分析。

(1)结论的有效性验证

所有计算和仿真均使用MATLAB 9.5(R2018b)进行。LMI的计算在基于MATLAB的软件包YALMIP中进行，并使用SDPT3-4.0进行求解。

针对执行器正常和各种故障情形设定参数，其中：B₀＝diag{1，1}表示执行器正常，B₁＝diag{0，1}和B₂＝diag{1，0}分别表示执行器1，2发生完全失效故障，B₃＝diag{0.8，0.5}表示执行器1、2部分失效。

取初始状态x(0)＝[1 -1]^T，引入状态反馈控制律。若采样周期h＝0.1s，

那么τ₂＝0.25s，并取τ₁＝0.01s，δ＝0.8。由此可求得鲁棒容错控制器增益矩阵K和触发矩阵T：

对于采样周期h＝0.1s，δ＝0.8时，取30s的仿真时段，周期时间采样、连续事件触发采样和离散事件触发采样的频率偏差时间演变对比图如图3所示。

由图3可以看出：系统在5s左右趋于平衡点，之后需传输的数据较暂态过程中要少得多，这正是现实生活中人们按控制需求传输数据的期望。在30s内，与时间通讯机制相比，仅有25％的数据被传输，平均传输周期

较时间触发通讯机制而言，可有效地节约网络通讯资源。

(2)触发参数对通讯资源占用及系统性能的影响分析

在前述对结论进行了有效性验证之后，分别选取不同的δ，仍取30s的控制时段，与时间触发通讯机制需传输的数据、平均传输周期、数据传输比及系统性能进行比较，结果如表1所示。

表1 不同通讯机制及触发参数下相关量的对比

其中：

为平均采样周期，γ为事件触发通讯机制与时间触发通讯机制下的数据传输比。

由表1结果可知，对同一采样周期h，随着触发参数δ的增大，需传输的数据减少，平均传输周期

增大，传输比γ增大，但δ增大到一定程度时系统不再具有容错能力；另外，同一触发参数δ下，随着采样周期h的增大，平均传输周期

增大，传输比γ也增大。说明引入离散事件通讯机制后，通过增加触发参数δ，可以有效节约网络通讯资源，但同时应注意系统性能的下降。由此可知，合适选择δ，即可在系统性能与通讯资源占用上进行折中平衡，从而构建出一个风力发电参与的离散事件触发单区域电力系统。

上述过程中，电力系统的状态信号基于事件触发机制进行传输，只有当给定的触发条件满足时，数据才进行传输，因此能够在一定程度上减少网络负担和能源消耗。

实施例二：

本实施例提供了实现上述检测方法的系统，包括：

条件模块，被配置为：在一个采样周期内获取电力系统的状态量，基于离散事件触发的电力系统模型，利用状态量计算离散事件触发条件；

当触发条件满足时，传输电力系统的状态数据和频率调节控制数据。

本实施例提出的低延迟的电网频率调节控制方法中，电力系统的状态信号基于事件触发机制进行传输，只有当给定的触发条件满足时，数据才进行传输，因此能够在一定程度上减少网络负担和能源消耗。

实施例三

本实施例提供了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实现如上述实施例一中提出的低延迟的电网频率调节控制方法中的步骤。

本实施例执行的低延迟的电网频率调节控制方法中，电力系统的状态信号基于事件触发机制进行传输，只有当给定的触发条件满足时，数据才进行传输，因此能够在一定程度上减少网络负担和能源消耗。

实施例四

本实施例提供了一种计算机设备，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，处理器执行所述程序时实现如上述实施例一提出的低延迟的电网频率调节控制方法中的步骤。

本实施例处理器执行的低延迟的电网频率调节控制方法中，电力系统的状态信号基于事件触发机制进行传输，只有当给定的触发条件满足时，数据才进行传输，因此能够在一定程度上减少网络负担和能源消耗。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

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。

Claims (10)

1.低延迟的电网频率调节控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

获取电力系统一个采样周期内的状态量；

基于离散事件触发的电力系统模型，利用状态量得到离散事件触发条件；

当触发条件满足时，传输电力系统的状态数据和频率调节控制数据。

2.如权利要求1所述的低延迟的电网频率调节控制方法，其特征在于：所述事件触发条件为：

t_P+1m＝t_Ph+min{lh|e^T(i_Pm)Ge(i_Ph)≥δQ}；

其中，t_P+1m为下一个数据包的传递时刻，G是正定对称的权矩阵，Q＝x^T(t_Pm)Gx(t_Pm)，δ＞0是一个给定的标量参数，e(i_Pm)是当前采样时刻系统状态x^T(t_Pm)与最近传递数据x(t_Pm)时刻的差值，称其为状态误差。

3.如权利要求1所述的低延迟的电网频率调节控制方法，其特征在于：所述离散事件触发的电力系统模型包括，调速机模型、发电机模型和原动机模型。

4.如权利要求3所述的低延迟的电网频率调节控制方法，其特征在于：所述调速机模型为：

L_G为调速器时间常数。

5.如权利要求3所述的低延迟的电网频率调节控制方法，其特征在于：所述发电机模型为：

L_P为发电机时间常数。

6.如权利要求3所述的低延迟的电网频率调节控制方法，其特征在于：所述原动机模型为：

L_T为原动机时间常数。

7.如权利要求3所述的低延迟的电网频率调节控制方法，其特征在于：基于调速机模型、发电机模型和原动机模型获得基于离散事件触发的电力系统模型。

8.低延迟的电网频率调节控制系统，其特征在于：包括：

条件模块，被配置为：在一个采样周期内获取电力系统的状态量，基于离散事件触发的电力系统模型，利用状态量计算离散事件触发条件；

当触发条件满足时，传输电力系统的状态数据和频率调节控制数据。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的低延迟的电网频率调节控制方法中的步骤。

10.一种计算机设备，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，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的低延迟的电网频率调节控制方法中的步骤。

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