一种基于网络化控制系统的智能电网建模与控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于网络化控制系统的智能电网建模与控制方法。基于广域监测系统建立的智能电网，通过强大的广（局）域网进行PMU（PhasorMeasurementUnits）量测数据的传输，从而构成闭环电力系统。本发明将这一闭环系统建模成一个严格意义上的网络化控制系统，其中主要解决网络通信约束对系统建模的影响，这些约束主要包括数据包传输过程中产生的网络诱导时延（固定、时变或随机）、数据包丢弃和数据包时序错乱。基于该模型，设计一个用于实现电网励磁控制的阻尼控制器，该控制器可有效削弱通信网络中的数据包传输时延、丢弃和时序错乱对智能电网性能的影响。
【专利说明】—种基于网络化控制系统的智能电网建模与控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力系统控制领域，具体为一种基于网络化控制系统的智能电网建模与控制方法。
【背景技术】
[0002]随着电网互联的发展，电力系统变得更大更复杂，传统的点对点通信方式越来越不能满足现代电力系统的要求。上世纪90年代末，卫星授时系统和相量测量单元(PMU) —起出现的电力通信网络的发展为广域测量系统(WAMS)奠定了基础。不是使用专用的通信线路，WAMS是基于强大的广域网(WAN) /局域网(LAN)技术。
[0003]虽然目前基于WAMS建立的智能电网，通过强大的广(局)域网进行PMU量测数据的传输，从而构成闭环电力系统。但是，从网络控制的角度，基于电力系统控制主要涉及网络诱导时延、数据包丢失和时序错乱问题，会降低控制系统的性能，甚至使系统失稳。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种基于网络化控制系统的智能电网建模与控制方法，通过对闭环电力系统的建模解决网络通信约束，同时设计基于智能电网模型的电力系统控制器，可以容忍WAMS通信中网络引起的延迟，数据包丢失和时序错误。
[0005]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:
一种基于网络化控制系统的智能电网建模与控制方法，其特征在于:基于广域监测系统建立的智能电网，通过强大的广/局域网进行PMU量测数据的传输，从而构成闭环电力系统，所述闭环电力系统建模成一个严格意义上的网络化控制系统，所述网络化控制系统解决网络通信约束对系统建模的影响，包括网络诱导时延影响、数据包丢失影响、数据包的时序错乱影响。
[0006]所述的一种基于网络化控制系统的智能电网建模与控制方法，其特征在于:网络化控制系统中对闭环电力系统建模过程如下:假设局域网/广域网是理想的，不存在网络诱导时延，数据包丢失，也不是无序的WAMS通信，通过零阶保持器实现离散控制器控制输入，从而可以建模；如果当前数据包丢失，之前的数据包将一直保持到下一个数据包到达；如果新数据包在旧数据包之前到达，那么新数据包将取代旧数据包；数据包丢失或者时序错乱会导致随时间变化的时延，将通过一个函数表示出来。
[0007]所述的一种基于网络化控制系统的智能电网建模与控制方法，其特征在于:网络化控制系统中PMU是时间驱动，同时保持离散控制器和零阶控制器是事件驱动。
[0008]所述的一种基于网络化控制系统的智能电网建模与控制方法，其特征在于:网络化控制系统中闭环电力系统动态通过微分代数方程DAE来描述。
[0009]所述的一种基于网络化控制系统的智能电网建模与控制方法，其特征在于:在网络化控制系统中设计基于智能电网模型的电力系统控制器，过程如下:
(I)、采用励磁控制对控制器进行设计； (2)、给出励磁系统的结构和广域阻尼控制器，控制器的输入是全系统的状态变量，输出是自动电压调节器(AVR)的一个输入；
(3)、低频振荡威胁大型互联电力系统安全，控制器通过调节发电机励磁改善电力系统的性能；
(4)、控制器综合问题解决之前，给定一个控制器增益来保证闭环系统是稳定；
(5)、根据李雅普诺夫稳定性理论，定义函数进行测试来解决控制器综合问题。
[0010]所述的一种基于网络化控制系统的智能电网建模与控制方法，其特征在于:所述电力系统控制器可以容忍WAMS通信中网络引起的延迟，数据包丢失和时序错误，电力系统控制器应用了线性矩阵不等式技术，旨在减轻WAMS通信中时变的影响。
[0011]所述的一种基于网络化控制系统的智能电网建模与控制方法，其特征在于，所述阻尼控制器是用来说明所提出的控制器设计方法的适用性和有效性。
[0012]本发明与现有的方法相比，具有如下优点:
(I)闭环电力系统。基于WAMS建立的智能电网，不是使用专用的通信线路，而是通过强大的广(局)域网进行PMU量测数据的传输，从而构成闭环电力系统，提高系统性能。
[0013](2)系统建模。将闭环系统建模成一个严格意义上的网络化控制系统，其中还要解决网络通信约束对系统建模的影响，这些约束主要包括数据包传输过程中产生的网络诱导时延、数据包丢弃和数据包时序错乱，再利用微分代数方程来描述电力系统动态。
[0014](3)控制器设计。基于该模型，设计一个用于实现电网励磁控制的广域阻尼控制器，该控制器可有效削弱通信网络中的数据包传输时延、丢弃和时序错乱对智能电网性能的影响，通过调节发电机励磁可改善电力系统的性能，使系统更加的稳定。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明基于广域测量系统的电力系统控制的NCS模型。
[0016]图2为本发明理想网络时延图。
[0017]图3为本发明实际网络时延图。
[0018]图4为本发明具有广域阻尼控制器的励磁系统。
【具体实施方式】
[0019]一种基于网络化控制系统的智能电网建模与控制方法，基于广域监测系统建立的智能电网，通过强大的广/局域网进行PMU量测数据的传输，从而构成闭环电力系统，闭环电力系统建模成一个严格意义上的网络化控制系统，网络化控制系统解决网络通信约束对系统建模的影响，包括网络诱导时延影响、数据包丢失影响、数据包的时序错乱影响。
[0020]网络化控制系统中对闭环电力系统建模过程如下:假设局域网/广域网是理想的，不存在网络诱导时延，数据包丢失，也不是无序的WAMS通信，通过零阶保持器实现离散控制器控制输入，从而可以建模；如果当前数据包丢失，之前的数据包将一直保持到下一个数据包到达；如果新数据包在旧数据包之前到达，那么新数据包将取代旧数据包；数据包丢失或者时序错乱会导致随时间变化的时延，将通过一个函数表示出来。
[0021]网络化控制系统中PMU是时间驱动，同时保持离散控制器和零阶控制器是事件驱动。[0022]网络化控制系统中闭环电力系统动态通过微分代数方程DAE来描述。
[0023]在网络化控制系统中设计基于智能电网模型的电力系统控制器，过程如下:
(1)、采用励磁控制对控制器进行设计；
(2)、给出励磁系统的结构和广域阻尼控制器，控制器的输入是全系统的状态变量，输出是自动电压调节器(AVR)的一个输入；
(3)、低频振荡威胁大型互联电力系统安全，控制器通过调节发电机励磁改善电力系统的性能；
(4)、控制器综合问题解决之前，给定一个控制器增益来保证闭环系统是稳定；
(5)、根据李雅普诺夫稳定性理论，定义函数进行测试来解决控制器综合问题。
[0024]电力系统控制器可以容忍WAMS通信中网络引起的延迟，数据包丢失和时序错误，电力系统控制器应用了线性矩阵不等式技术，旨在减轻WAMS通信中时变的影响。
[0025]阻尼控制器是用来说明所提出的控制器设计方法的适用性和有效性。
[0026]本发明为一种基于网络化控制系统的智能电网建模方法，如图1所示，为一种基于WAMS的闭环系统,将这一闭环系统建模成一个严格意义上的网络化控制系统，其中主要解决网络通信约束对系统建模的影响。图中，PMU或其他测量设备是时间驱动，同时保持离散控制器和零阶控制器(Ζ0Η)是事件驱动的，虚线表示离散信号和连续信号的实线表示。我们考虑微分代数方程(DAE)来描述图1中的电力系统动态。
[0027]假设网络(局域网/广域网)是理想的，不存在网络诱导时延，数据包丢失，也不是无序的WAMS通信，从控制器通过ZOH实现控制输入可以建模，图2给出了假设通信网络是理想情况下的时变。采取以下机制来处理数据包丢失和无序，在图2中，若数据包X (k+1)丢失后，数据包X (k)将一直保持到下一个数据包X(k+1)到达；如果数据包时序错乱的发生，例如，新的数据包X (k+2)到达目的地而之前旧的X (k+Ι)还未到达，那么X (k+2)将代替X(k+1)。图3为实际网络中的时延，当数据包丢失或时序错乱会导致一个随时间变化的延迟，其中，X (k)和X (k+2)表示两个逐次更新之间的时间间隔。
[0028]图4显示了一个励磁系统的结构与广域阻尼控制器(WADC)，该控制器可有效削弱通信网络中的数据包传输时延、丢弃和时序错乱对智能电网性能的影响。控制器的输入是全系统的状态变量，这是通过网络诱导时延，数据包丢失和无序WAMS送到控制器，远输入是由一个广域反馈完成；输出是自动电压调节器(AVR)的一个输入。由于低频振荡(0.1-2赫兹)是大型互联电力系统安全的潜在威胁，该控制器通过调节发电机励磁Ef改善电力系统的性能。控制器综合问题解决之前，先给定一个控制器增益K，测试闭环系统的稳定性与函数的有界性，然后根据李雅普诺夫稳定性理论，定义函数进行测试来解决控制器综合问题，同时还应用了线性矩阵不等式技术，旨在减轻WAMS通信中时变的影响。
【权利要求】
1.一种基于网络化控制系统的智能电网建模与控制方法，其特征在于:基于广域监测系统建立的智能电网，通过强大的广/局域网进行PMU量测数据的传输，从而构成闭环电力系统，所述闭环电力系统建模成一个严格意义上的网络化控制系统，所述网络化控制系统解决网络通信约束对系统建模的影响，包括网络诱导时延影响、数据包丢失影响、数据包的时序错乱影响。
2.根据权利要求1所述的一种基于网络化控制系统的智能电网建模与控制方法，其特征在于:网络化控制系统中对闭环电力系统建模过程如下:假设局域网/广域网是理想的，不存在网络诱导时延，数据包丢失，也不是无序的WAMS通信，通过零阶保持器实现离散控制器控制输入，从而可以建模；如果当前数据包丢失，之前的数据包将一直保持到下一个数据包到达；如果新数据包在旧数据包之前到达，那么新数据包将取代旧数据包；数据包丢失或者时序错乱会导致随时间变化的时延，将通过一个函数表示出来。
3.根据权利要求1所述的一种基于网络化控制系统的智能电网建模与控制方法，其特征在于:网络化控制系统中PMU是时间驱动，同时保持离散控制器和零阶控制器是事件驱动。
4.根据权利要求1所述的一种基于网络化控制系统的智能电网建模与控制方法，其特征在于:网络化控制系统中闭环电力系统动态通过微分代数方程DAE来描述。
5.根据权利要求1所述的一种基于网络化控制系统的智能电网建模与控制方法，其特征在于:在网络化控制系统中设计基于智能电网模型的电力系统控制器，过程如下: (1)、采用励磁控制对控制器进行设计； (2)、给出励磁系统的结构和广域阻尼控制器，控制器的输入是全系统的状态变量，输出是自动电压调节器(AVR)的一个输入； (3)、低频振荡威胁大型互联电力系统安全，控制器通过调节发电机励磁改善电力系统的性能； (4)、控制器综合问题解决之前，给定一个控制器增益来保证闭环系统是稳定； (5)、根据李雅普诺夫稳定性理论，定义函数进行测试来解决控制器综合问题。
6.根据权利要求5所述的一种基于网络化控制系统的智能电网建模与控制方法，其特征在于:所述电力系统控制器可以容忍WAMS通信中网络引起的延迟，数据包丢失和时序错误，电力系统控制器应用了线性矩阵不等式技术，旨在减轻WAMS通信中时变的影响。
7.根据权利要求5所述的一种基于网络化控制系统的智能电网建模与控制方法，其特征在于，所述阻尼控制器是用来说明所提出的控制器设计方法的适用性和有效性。
【文档编号】G05B19/418GK103728933SQ201310581344
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】黄少伟, 陈颖, 葛愿, 余诺, 汪石农, 方航, 殷凤媛 申请人:芜湖大学科技园发展有限公司