信息物理融合电力系统网络化控制研究

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电力系统应用通信、计算和控制技术提高稳定性,降低用电成本,为用户提供各种实时服务,使其与信息系统的交互日益深入,正逐渐发展成为与计算、通信和控制融合的信息物理融合电力系统。应用同步相量测量技术和广域测量系统,能够实现全网信息动态同步采集,这为信息物理融合电力系统实施网络化控制奠定了基础,同时也带来一些挑战,例如:海量信息涌入控制中心,给信息系统带来信息采集、存储和处理的压力;网络通信诱导的延时、丢包/错序和网络拥塞等因素给控制回路带来不利影响。论文分析了信息物理融合电力系统的典型特征,在回顾信息物理融合电力系统的研究现状及其网络化控制研究现状的基础上,指出了研究适用于信息物理融合电力系统特点的网络化控制理论和技术,并应用实施,是克服非理想通信带给电力系统稳定运行不利影响的有效手段之一。全文由以下几个部分组成:首先对信息物理融合电力系统的广域监控系统的构成进行了说明,并分析了广域监控系统各组件的功能及工作原理,探讨了广域监控系统的通信网络采用不同协议时的延时、丢包特性。其次建立了信息物理融合电力系统小信号模型;分析了基于广域测量系统的事件触发广域阻尼控制系统的结构组成及工作原理。研究了基于事件触发机制设计H∞广域阻尼控制器的问题,利用全状态耦合事件触发条件判断相量数据集中器所收集的相量状态的发送时机;依据网络化控制系统的时滞系统方法和Jensen不等式,推导出基于线性矩阵不等式的控制器设计准则;依据所提出的方法对时滞稳定裕度、系统动态响应性能、系统的扰动抑制能力和事件触发参数的相互关系进行了分析,探讨了选择适当的事件触发参数的指导性思路。接下来总结了对电力系统详细建模时,应用网络化控制系统理论设计信息物理融合电力系统广域阻尼控制器的一般步骤;为了克服信息物理融合电力系统广域阻尼控制回路中由于网络通信引入的延时和丢包的不利影响,分别将网络丢包现象建模为等效延时和具有Bernoulli分布的随机过程;考虑网络延时,分别应用时滞系统方法和随机离散系统理论,设计了动态输出反馈广域阻尼控制器;非线性时域仿真的结果验证了所提方法的有效性。最后考虑信息物理融合电力系统负荷频率控制中,数字控制器离散更新,电力系统连续动态变化的连续-离散混杂运行模式,采用将比例-积分-微分(proportional-integral-derivative, PID)控制器的设计问题转化为静态输出反馈控制综合的思路,分别针对传统的和解除管制电力市场环境下的负荷频率控制建立了离散时间扩展系统模型,并以此为基础设计了分散式数字PID控制器;所采用的设计方法基于线性矩阵不等式的准则和锥补线性化算法直接求解控制器增益,具有较小的计算复杂度,控制器结构简单,易于工程实现;考虑发电速率约束非线性因素的仿真结果表明:所设计的数字PID控制器能够在较大的延时变化范围内保持系统稳定,且对一定范围内的系统参数不确定性具有鲁棒性。
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