电力信息物理系统建模与控制研究综述

洪婉舒, 张 宁

(上海电力大学 自动化工程学院, 上海 200090)

随着社会经济和工业化的迅速发展,化石能源的大量使用对环境造成了不可逆污染,能源需求问题已成为世界各国亟需解决的共同难题[1]。风能、太阳能等可再生能源因其清洁、无污染、可持续等特点成为各国能源研究的首选。近年来,随着信息技术的高速发展,互联网信息技术逐渐被融入电力能源系统,智能电网和微电网等概念被相继提出[2-3]。为了实现多种能源共同供能的目标,一种新的能源与信息利用体系——电力信息物理系统应运而生。

信息物理系统(Cyber Physical Systems,CPS)是一类集成计算、网络和物理实体的复杂系统,最初由美国国家基金委员会提出,在随后几年内CPS成为美国政府在信息技术领域的重点研究方向和国际学术研究热点。信息物理系统是将3C(Computation,Communication,Control)三者进行有机融合与深度协作[4]。电力信息物理系统(以下简称“电力CPS”)改变了传统电网的规划以及控制方式,高度融合了物理系统和信息系统,将新能源与传统能源系统融为一体,为电力系统与信息、通信技术的深度结合提供了途径[5]。

随着各国学者对电力CPS研究的逐步深入,针对电力CPS的关键技术[6-10]、能源系统[11-12]、针对性算法[13-15]、可靠性评估[16-20]、模型的建立与控制方法[21-22]、故障研究[23-24]、平台开发[25-26]等均有涉及。文献[7]利用电力CPS,融合具有温控性的负荷,对风能消纳进行了研究。文献[12]基于统计理论,研究了风电对电力CPS评估指标的影响。在针对性算法研究方面;文献[13]将Q学习算法与电力CPS相结合,明显提升了控制器的鲁棒性;文献[15]研究了粒子群算法对电力CPS控制策略中功率分配的影响。

对电力CPS的可靠性研究包含评估和控制两个方面。考虑到电力CPS的稳定性问题,文献[16]针对电力CPS 的控制和监视这两类主要功能进行了评估,建立了可靠性模型以及具体的评估方法。文献[24]对如何应对电力CPS的攻击进行了研究,提出了一种攻击预测方法。文献[26]为电力CPS的建模研究提供了一个仿真平台。

电力CPS元件众多,结构复杂,对其进行建模是从理论研究过渡到实践的基础和必要环节,只有先建立电力CPS的相关模型,对其进行仿真,才能验证构想正确与否。控制是让系统或设备达到其设定性能的工具,对控制的研究可让设计的系统或设备达到更优的性能或达到最低的运行要求。因此,作为一个新兴系统,电力CPS的建模与控制研究意义重大。本文针对目前电力CPS的建模与控制研究进行了归纳分析和总结。

1 电力CPS建模与控制研究基础

电力CPS是一个高度集成了先进的电力电子技术、信息技术和智能管理技术的复杂系统,允许大量分布式能源[27]接入且融合了各种传统电力网络和能源网络(如天然气网络[28]、石油网络[29]等),实现了信息和能量的实时双向交换。

电力CPS构成复杂,设备众多,一般只有在研究其架构时将其看作一个整体,直接对整个电力CPS进行建模或控制十分困难。为了提高研究的准确度,本文首先介绍电力CPS的架构并对其进行分类。电力CPS将信息和通信技术与物理设备高度融合,同时包含了信息系统与物理系统,因此对其架构的研究主要从物理角度和信息角度展开。

1.1 物理角度构建架构

从物理角度构建的电力CPS架构一般包含微电网、输配网络、智能建筑、家庭用户和电动汽车等单元。目前有两种构建方式。

一种是将电力CPS作分层处理,如图1所示。

图1 电力CPS分层物理架构

较多的方式是将电力CPS分为主系统和子系统,子系统可以为电力CPS中任意某一部分,按照其单独运行、互联运行和并入主系统运行这3种运行模式构成一个3层架构。或直接根据电力CPS架构中需要的各部分功能作为分层的依据,如设备层、服务层和应用层。

另一种构建方式是以传统电网作为电力CPS的核心,其他网络或分布式单元作为可控单元围绕电网并接入,如智能建筑、微电网等[30],如图2所示。

图2 以电网为中心的电力CPS架构

部分架构在此环形基础上再对电网周围的可控单元以某种共同特性进行细分。如文献[31]在这一理念的基础上,将电力CPS细分为主干网、城市联网和能源局域网,每一个都以电网为核心,再将其他网络和分布式单元进行分配,形成小网络以便管理。

1.2 信息角度构建架构

从信息角度构建的电力CPS架构,也包含各种分布式单元。但构建的重点在于其之间的能量和数据传输。目前较多的构建方式是将电力CPS分为控制层、数据层和能量层,强调层与层之间能量和数据的具体流动和控制方式[31-32]。在此基础上,利用分布式单元的某一特性进行简化,以降低各层之间数据和能量的交流难度。如文献[33]设计了一个可再生能源的特殊发电单元(E-edge),所有E-edge组成边缘单元层,以保证分布式发电单元的稳定性和可控性,降低层内的能量交流难度和层外的数据交流难度。另一种构建方式是将重点放在层级内部,不强调层与层之间的信息传输,而是强调层级内部的信息交流。电力CPS信息角度架构如图3所示。

图3 电力CPS信息角度架构

2 电力CPS建模研究

目前,电力CPS的建模研究主要集中于电力CPS各部分的运行成本方面,以期达到减少能源浪费和最佳经济性的目的;或按照不同情况下的电力CPS的不同状态进行建模,如在攻击下的或故障下的电力CPS建模,以期达到更高的稳定性和安全性。

2.1 电力CPS生产环节建模的研究

火电、水电、光伏、风电、天然气、热能都是电力CPS生产环节的重要组成部分。电力CPS综合应用了传统能源和新能源的优点:风能等新能源的加入降低了传统火电能源的使用占比,节约了资源;天然气、热能的加入提升了系统的稳定性,平抑了可再生能源出力的波动性和间歇性对能源系统的影响;对技术操作难度和经济性进行了平衡。

目前,除了对某种能源进行单独建模外,还有对电-气联合能源生产[34]和电-热联合能源生产[35]模型的研究。例如,将电力系统分别与天然气系统、热力系统进行耦合,利用天然气、热能易于存储的特性,将负荷低谷期过剩的风电、光伏电量转化为天然气、热能进行存储。但对电力CPS生产环节进行整体建模的研究目前还较少,还处于起步阶段。

2.2 电力CPS消费环节建模的研究

消费环节的建模主要包括微电网建模、区域能源互联网建模和终端用户建模。

在电力CPS消费环节,用户侧的作用被提升,比如家庭用户由传统被动接受某一种能源变为可根据自身需求主动选择能源种类供能,并配合能源调控主动完成需求响应。电动汽车在消耗能源的同时,可以被看作分布式储能设备,构成一个巨大的分布式储能网络,在需要储能设备提供能源时参与供能,以降低系统的供能压力。因此,需对消费环节的关键组成和关键技术进行具体的建模研究。其物理模型一般用于描述设备的动态特性,经济性模型一般由某种目标函数和约束条件构成。

2.2.1 微电网建模

微电网是电力CPS消费环节中一个重要的组成部分,以家庭用户和医院为中心,包含了小型分布式能源、储能系统等。其共有3种运行模式:并网模式;孤岛[20](自治)模式;并网与孤岛之间的转换模式。正常情况下,微电网处于孤岛模式自治运行,在需要微电网供能或微电网发生故障时需要并网运行,因此微电网建模时需具备即插即用功能。在对微电网进行经济性建模时,以建立微电网运行的成本模型为主,一般需要考虑的约束有微电网功率平衡约束、储能约束、频率和电压约束以及发电容量约束。

微电网CPS的模型[36-37]可建立为

Ag=REnv→Ae

(1)

式中:Ag——智能体模型;

REnv——系统的当前状态;

Env——微电网CPS的运行环境、物理对象的状态以及历史执行动作;

Ae——最终执行动作。

以电力CPS中的微电网为对象,一般对微电网的经济运行和稳定运行进行建模研究。针对微电网中的分布式能源,目前一般选择风电和光伏。可以建立分布式能源的稳态输出功率、燃料成本的模型。其中,微电网的运营成本需要考虑排放物成本、某一时段内分布式能源的数量、微电网与主电网计划交换电量和电价等。在考虑上述基本约束条件的同时,还需要考虑风电和光伏这类新能源的不确定性,增添场景约束。在建立模型时需要保证微电网即插即用功能。

2.2.2 区域能源互联网建模

区域能源互联网是一种小型的能源互联网[10]。可以认为在电力CPS中存在多个区域能源互联网[38-43]。与微电网的区别在于主要负载的规模不同,区域能源互联网以大规模居民区或商业区为中心。因此,在建模时需要考虑约束条件与微电网建模有一定的相似性,一般需要考虑功率平衡约束、静态稳定性约束、电压和频率约束、发电功率约束、储能容量和充放电功率约束等。

目前对区域能源互联网的模型建立有设备的输出功率模型、设备输出成本模型、调度成本模型等。文献[44]设计了双层的经济性模型,上层模型描述了能源互联网的能源分配策略,以最佳经济和环境效益为目标,下层模型用热电比描述,以最佳能效为目标。

电力CPS中区域能源互联网建模时,除了需要考虑主要设备外,还需要考虑更多的其他设备,才能增加模型的实际运用性。此外,环境效益和能源本身也是必要考虑的对象,但由此建立的模型过于复杂,需要进一步简化。

2.2.3 终端用户建模

终端用户在这里主要指家庭用户[45-46]和电动汽车[47-48]等独立小规模负载。它大量分布于电力CPS的同时兼备了信息传输、存储和销售能源的作用,是电力CPS的重要组成部分。对其建模需考虑更多的实际问题,因为用户的用电情况不确定,较为复杂,无法直接根据其物理特性或动态特性建模。经济性的建模也更加复杂,一般需考虑家庭用户存储容量约束、电动汽车存储约束、充放电约束、购买和销售能量约束等。

其模型建立一般从家庭用户的能源使用情况展开,针对家庭用户在电力CPS中的特性,目标一般设为最小化家庭用户用电总成本。该模型需要考虑的能量和信息较为复杂,因为家庭用户既是能量和信息的使用者,也是能量和信息的输出者,同时家庭用户有一天之内用电水平差距较大的特点。成本模型可以考虑家庭用户等终端用户的总电网能量使用成本、能源交易购买能源的成本,以及用户一天内存储和销售能源的总收入后产生的可再生能源总量。以有效减少单个终端用户能量浪费、约束用户每小时存储、最小化每小时能量使用成本为目标会有较大的实际意义。但由于具有终端用户的特性,假设较多,与实际情况还有一定差距,需考虑更多实际情况约束,如对环境的污染成本、对家用电器的具体分类、电动汽车充电的政府补贴政策、家庭用户的用电习惯分类等。

3 电力CPS 控制

电力CPS中的控制研究可分为两类。一是建立目标函数和相应约束条件,运用算法解决达到控制的目的。如文献[49]就以这种方式设计了控制器,控制目标被制定为随机最优控制问题,通过动态编程方法解决。二是采用方程模拟某一需要控制量的特性,然后转化为某种特定的控制问题,目前研究较多的有鲁棒控制和下垂控制。

鲁棒控制的核心是鲁棒性,即系统的健壮性,是指控制系统在一定的参数扰动下维持某些性能的特性。对于电力系统,鲁棒控制方法已广泛应用于减少各种扰动的影响[50-51],主要的控制理论有h∞鲁棒控制。目前的研究大多采用频域方法,使用确定性情况下的线性常微分方程描述控制对象。然而,采用时域方法研究随机或非线性系统的较少,通常将非线性系统近似为线性系统进行简化[52]。

下垂控制是应用于发电机的控制方式,通过选择与发电机相似的频率下垂特性曲线对发电机实施控制,即分别通过P/f和Q/V下垂控制获得稳定的频率和电压,一般用于控制分布式发电机之间的比例功率分配。为了解决传统下垂控制方法中功率分配精度低的问题[53]:文献[54]设计了一种改进的下垂控制方法;文献[55]提出了下垂控制集中式和分布式的二次控制方法,改进了传统控制方法不能将电压和频率值恢复的缺点。

本文主要对电力CPS稳定性控制、消费环节中分布式发电机控制两部分进行论述。

3.1 电力CPS稳定性控制

电力CPS的稳定性控制是其能否正常运行的关键。目前电力CPS整体控制研究主要针对其稳定运行,鲁棒控制已被广泛运用[56-57]。

多种控制方式混合是提高控制性能的一种方式,目前已有利用混合h2/h∞控制结构对电力CPS的鲁棒性进行研究。同时需要考虑其运营成本管理控制的制定,通过算法实施优化。针对电力CPS的稳定性问题,需要特殊考虑外部的具体干扰(风电和太阳等新能源的不稳定性)。之前的研究工作仅针对操作成本和能量管理控制,或仅针对系统内部不稳定性和外部干扰的鲁棒性。

文献[58]对电力CPS的能量进行了描述,并将其改写后建立了脉冲系统控制模型。在设计触发控制变量的同时考虑了常见故障情况,为系统提供了保护,确保了控制的正常运行。设计的脉冲反馈控制加以改进后可扩展到其他即插即用设备。

3.2 分布式发电机控制

由于电力CPS的特性,分布式发电机遍布整个系统的消费环节。对分布式发电机的控制一般集中于实现分布式发电机之间的比例功率分配,以及在故障情况下对分布式发电机电压频率实施控制以保证其运行的稳定性。前者在应用下垂控制方法时容易出现分布式发电机之间循环功率过大的问题。目前的研究主要有对多个分布式发电机的协同控制、分布式发电机离网和并网模式下的最优控制,以及直流分布式发电机分布式控制与优化等[59-60]。

基于多智能体一致性算法的分布式控制可表示为[60]

i=1,2,3,…,n,j=1,2,3,…,n

(2)

式中:xi——电压电流等物理量;

ui(t)——输入状态;

aij,lij——系统的系数。

基于多智能体一致性算法的分布式控制可以很好地控制电力CPS中所有分布式发电机输出电压的角度和幅度,使它们恢复标称值。目前利用这种方式解决了普通下垂控制循环功率过大的问题,同时也解决了电压或频率的恢复问题。也有将鲁棒控制加入到对电力CPS中分布式发电机的控制中,将分布式发电机的电压或频率控制问题转化为鲁棒控制问题。这一方法可以提高分布式发电机对外部干扰的抵抗能力。

控制器的设计除了要考虑分布式发电机的稳定性外,还需要考虑主要能源是新能源,同时还有化石能源的问题,即离网状态和并网状态的兼顾问题。

4 结 语

本文对电力CPS的架构进行了分析和总结,并基于电力CPS的一般架构,将其主要构成单元按生产环节、消费环节进行了分类。对生产环节和消费环节的建模研究进行了总结和分析。目前对电力CPS的建模研究主要集中在消费环节,对输配环节整体的建模刚刚起步,电力 CPS的输配环节与传统电网的电力传输不同,还需作进一步的研究。对电力CPS生产环节的多种能源联合建模目前仅考虑2种或3种能源,还需对其中所有能源进行整体联合建模研究。

在电力CPS控制研究方面,控制对象较少,主要集中在稳定运行控制、分布式发电机电压频率和功率控制方面。但控制方法较为单一,主要是鲁棒控制和下垂控制,因此还需要对更多的控制方法开展研究。