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华南理工大学电力学院张文浩、唐文虎等:基于集中式与分布式的信息物理融合微电网电压频率二次恢复控制仿真研究

本文受中央高校基本科研业务费专项资金资助(51477054)。


原文发表在《全球能源互联网》2019年第5期,欢迎品读。(点击查看)


作者:张文浩,钱瞳,连祥龙,陈星宇,唐文虎

单位:华南理工大学电力学院


研究背景

信息物理融合的电力系统(Cyber physical power system, CPPS)通过将计算、网络和物理环境融为一体,实现了对电力系统的实时感知、动态控制和信息服务功能,具有广阔的前景。但是在电力信息传输的过程中,不同的网络状态下表现出不同的通讯特性,严重的甚至会发生信息错乱丢包等行为,这对电网的实时控制产生严重影响。本文为研究信息系统对电力物理系统的实时影响,搭建了电力信息物理融合仿真平台,运用RT-LAB与OPNET两款实时仿真器,通过TCP/IP进行数据交互,对微电网电压、频率的集中式恢复与分布式恢复问题展开研究。

文章导读

1

根据信息物理融合的电力系统的特点,构建了CPPS联合实时仿真平台,保证了仿真的速度和准确性,能准确地研究信息故障、攻击行为等对电力系统产生的影响。

2

基于微电网的电压频率控制模型,分别对在不考虑通信和考虑通信影响下的集中式控制和分布式控制系统的控制特性进行仿真分析。

重点内容

针对信息物理融合的电力系统的特点,本文提出的集中式、分布式控制下的信息物理融合电力仿真平台架构如图1所示。在集中式控制模式下,Simulink仿真控制中心的功能。在分布式控制的模式下,各物理节点所需交互的信息,直接传递至相应的物理节点进行计算与控制。

⬆ 图1 CPPS实时仿真平台连接架构图

在电力系统仿真器OPAL-RT中,采用模块进行信息收发。在信息系统仿真器OPNET中,采用SITL(system in the loop)模块,将数据包从真实以太网,传入虚拟仿真网络,再传出至真实以太网。具体接口连接方式如图2所示。

⬆ 图2 CPPS实时仿真平台接口图

本文通过对4个微电源组成的小型微网,进行仿真,验证所用的平台架构及其接口方式的有效性。如图3所示,在OPAL-RT中搭建了4个DG的微网系统,在OPNET中搭建相应的通信系统。其中控制中心设置在DG1所在局域网内。系统的额定频率为50 Hz, 额定电压峰值为310 V,系统总负荷与4个DG额定出力相匹配。

⬆ 图3 DGs微网系统及其通信系统图

本文将CPS下的集中式控制与分布式控制进行对比仿真。在集中式控制下,二次控制参考信号由控制中心直接下发给各个DG的Controller。在分布式控制下,二次控制参考信号由各个DG进行计算,计算数据来源于自身PMU(实时高频通信)和相邻PMU(10Hz低频通信)。整个微网控制系统在0-2 s仅启用一次控制,即下垂控制进行调节,在2 s时启动二次控制。在不考虑通信影响(单一Simulink平台)与考虑通信影响(实时信息物理融合仿真平台)的仿真结果如下图所示。由于篇幅有限,在集中式控制模式下的仿真结果及其分析请阅读原文。

⬆ 图4 不考虑通信下分布式控制仿真结果

⬆ 图5 50Hz通信频率下分布式控制仿真结果

在分布式控制中,分布式控制加入网络延时和离散化通信机制后,二次控制的稳定时间增长,波形也相应随着每一次数据更新而产生抖动。由于通信数据包每0.02 s发送一个,电压频率每秒对应波动50次,波动幅度随时间增大和逐渐缩小。在实时仿真平台中,系统稳定较为缓慢,到达稳定所需时间长,而缺乏考虑通信问题的传统仿真中,系统可迅速达到的稳定状态。显然,传统的控制方式,默认信息通信是理想化,无延时,不丢包,是不准确的。因此,实时仿真平台能更真实的反映信息系统对实时电网控制的影响。

本文引文信息

张文浩,钱瞳,连祥龙,等. 基于集中式与分布式的信息物理融合微电网电压频率二次恢复控制仿真研究[J]. 全球能源互联网,2019,2(5):476-483.


Zhang Wenhao, Qian Tong, Lian Xianglong, et al. Simulation of centralized and distributed control of voltage and frequency secondary restoration in cyber-physical microgrid[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2019, 2(5): 476-483(in Chinese).

研究团队

华南理工大学电力学院主要从事“智能能源网及其自动化”、“输电线路在线监测与增容技术”、“交直流混联电网的运行、控制及保护技术”、“大电网优化运行与规划技术”、“电力电子系统的非线性特性研究”、“新能源发电及并网控制技术”等方面的研究,已成为华南地区电力行业高层次人才培养和高水平科学研究的排头兵。

智能能源网及其自动化研究团队是广东省引进的科研创新团队,主要研究方向为综合能源网规划和运行的基础理论和方法、电力系统稳定性控制与分析、风力发电并网控制、电力系统分析与电力市场机制研究、人工智能等,共承担国家级项目4项、省部级项目6项、校级项目4项、横向项目7项,发表和录用SCI论文53篇、EI期刊论文12篇、其他期刊论文7篇、EI收录国际会议论文77篇,授权国际专利1项、国内发明专利11项、实用新型专利4项。

作者简介

张文浩


博士研究生


主要研究方向为微电网控制运行、信息物理融合系统等

E-mail:z.wh@mail.scut.edu.cn


唐文虎


教授、IEEE高级会员、IET会士、华南理工大学电力学院院长


主要研究方向为可再生能源消纳,状态监测和故障诊断,弹性电网,信息物理融合系统等

E-mail:wenhutang@scut.edu.cn

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编辑张鹏

审核:白恺


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