洪婉舒, 張 寧
(上海電力大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院, 上海 200090)
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)化的迅速發(fā)展,化石能源的大量使用對(duì)環(huán)境造成了不可逆污染,能源需求問題已成為世界各國亟需解決的共同難題[1]。風(fēng)能、太陽能等可再生能源因其清潔、無污染、可持續(xù)等特點(diǎn)成為各國能源研究的首選。近年來,隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)逐漸被融入電力能源系統(tǒng),智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)等概念被相繼提出[2-3]。為了實(shí)現(xiàn)多種能源共同供能的目標(biāo),一種新的能源與信息利用體系——電力信息物理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。
信息物理系統(tǒng)(Cyber Physical Systems,CPS)是一類集成計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理實(shí)體的復(fù)雜系統(tǒng),最初由美國國家基金委員會(huì)提出,在隨后幾年內(nèi)CPS成為美國政府在信息技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向和國際學(xué)術(shù)研究熱點(diǎn)。信息物理系統(tǒng)是將3C(Computation,Communication,Control)三者進(jìn)行有機(jī)融合與深度協(xié)作[4]。電力信息物理系統(tǒng)(以下簡稱“電力CPS”)改變了傳統(tǒng)電網(wǎng)的規(guī)劃以及控制方式,高度融合了物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng),將新能源與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)融為一體,為電力系統(tǒng)與信息、通信技術(shù)的深度結(jié)合提供了途徑[5]。
隨著各國學(xué)者對(duì)電力CPS研究的逐步深入,針對(duì)電力CPS的關(guān)鍵技術(shù)[6-10]、能源系統(tǒng)[11-12]、針對(duì)性算法[13-15]、可靠性評(píng)估[16-20]、模型的建立與控制方法[21-22]、故障研究[23-24]、平臺(tái)開發(fā)[25-26]等均有涉及。文獻(xiàn)[7]利用電力CPS,融合具有溫控性的負(fù)荷,對(duì)風(fēng)能消納進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[12]基于統(tǒng)計(jì)理論,研究了風(fēng)電對(duì)電力CPS評(píng)估指標(biāo)的影響。在針對(duì)性算法研究方面;文獻(xiàn)[13]將Q學(xué)習(xí)算法與電力CPS相結(jié)合,明顯提升了控制器的魯棒性;文獻(xiàn)[15]研究了粒子群算法對(duì)電力CPS控制策略中功率分配的影響。
對(duì)電力CPS的可靠性研究包含評(píng)估和控制兩個(gè)方面。考慮到電力CPS的穩(wěn)定性問題,文獻(xiàn)[16]針對(duì)電力CPS 的控制和監(jiān)視這兩類主要功能進(jìn)行了評(píng)估,建立了可靠性模型以及具體的評(píng)估方法。文獻(xiàn)[24]對(duì)如何應(yīng)對(duì)電力CPS的攻擊進(jìn)行了研究,提出了一種攻擊預(yù)測方法。文獻(xiàn)[26]為電力CPS的建模研究提供了一個(gè)仿真平臺(tái)。
電力CPS元件眾多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)其進(jìn)行建模是從理論研究過渡到實(shí)踐的基礎(chǔ)和必要環(huán)節(jié),只有先建立電力CPS的相關(guān)模型,對(duì)其進(jìn)行仿真,才能驗(yàn)證構(gòu)想正確與否。控制是讓系統(tǒng)或設(shè)備達(dá)到其設(shè)定性能的工具,對(duì)控制的研究可讓設(shè)計(jì)的系統(tǒng)或設(shè)備達(dá)到更優(yōu)的性能或達(dá)到最低的運(yùn)行要求。因此,作為一個(gè)新興系統(tǒng),電力CPS的建模與控制研究意義重大。本文針對(duì)目前電力CPS的建模與控制研究進(jìn)行了歸納分析和總結(jié)。
電力CPS是一個(gè)高度集成了先進(jìn)的電力電子技術(shù)、信息技術(shù)和智能管理技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng),允許大量分布式能源[27]接入且融合了各種傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)和能源網(wǎng)絡(luò)(如天然氣網(wǎng)絡(luò)[28]、石油網(wǎng)絡(luò)[29]等),實(shí)現(xiàn)了信息和能量的實(shí)時(shí)雙向交換。
電力CPS構(gòu)成復(fù)雜,設(shè)備眾多,一般只有在研究其架構(gòu)時(shí)將其看作一個(gè)整體,直接對(duì)整個(gè)電力CPS進(jìn)行建模或控制十分困難。為了提高研究的準(zhǔn)確度,本文首先介紹電力CPS的架構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行分類。電力CPS將信息和通信技術(shù)與物理設(shè)備高度融合,同時(shí)包含了信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng),因此對(duì)其架構(gòu)的研究主要從物理角度和信息角度展開。
從物理角度構(gòu)建的電力CPS架構(gòu)一般包含微電網(wǎng)、輸配網(wǎng)絡(luò)、智能建筑、家庭用戶和電動(dòng)汽車等單元。目前有兩種構(gòu)建方式。
一種是將電力CPS作分層處理,如圖1所示。
圖1 電力CPS分層物理架構(gòu)
較多的方式是將電力CPS分為主系統(tǒng)和子系統(tǒng),子系統(tǒng)可以為電力CPS中任意某一部分,按照其單獨(dú)運(yùn)行、互聯(lián)運(yùn)行和并入主系統(tǒng)運(yùn)行這3種運(yùn)行模式構(gòu)成一個(gè)3層架構(gòu)。或直接根據(jù)電力CPS架構(gòu)中需要的各部分功能作為分層的依據(jù),如設(shè)備層、服務(wù)層和應(yīng)用層。
另一種構(gòu)建方式是以傳統(tǒng)電網(wǎng)作為電力CPS的核心,其他網(wǎng)絡(luò)或分布式單元作為可控單元圍繞電網(wǎng)并接入,如智能建筑、微電網(wǎng)等[30],如圖2所示。
圖2 以電網(wǎng)為中心的電力CPS架構(gòu)
部分架構(gòu)在此環(huán)形基礎(chǔ)上再對(duì)電網(wǎng)周圍的可控單元以某種共同特性進(jìn)行細(xì)分。如文獻(xiàn)[31]在這一理念的基礎(chǔ)上,將電力CPS細(xì)分為主干網(wǎng)、城市聯(lián)網(wǎng)和能源局域網(wǎng),每一個(gè)都以電網(wǎng)為核心,再將其他網(wǎng)絡(luò)和分布式單元進(jìn)行分配,形成小網(wǎng)絡(luò)以便管理。
從信息角度構(gòu)建的電力CPS架構(gòu),也包含各種分布式單元。但構(gòu)建的重點(diǎn)在于其之間的能量和數(shù)據(jù)傳輸。目前較多的構(gòu)建方式是將電力CPS分為控制層、數(shù)據(jù)層和能量層,強(qiáng)調(diào)層與層之間能量和數(shù)據(jù)的具體流動(dòng)和控制方式[31-32]。在此基礎(chǔ)上,利用分布式單元的某一特性進(jìn)行簡化,以降低各層之間數(shù)據(jù)和能量的交流難度。如文獻(xiàn)[33]設(shè)計(jì)了一個(gè)可再生能源的特殊發(fā)電單元(E-edge),所有E-edge組成邊緣單元層,以保證分布式發(fā)電單元的穩(wěn)定性和可控性,降低層內(nèi)的能量交流難度和層外的數(shù)據(jù)交流難度。另一種構(gòu)建方式是將重點(diǎn)放在層級(jí)內(nèi)部,不強(qiáng)調(diào)層與層之間的信息傳輸,而是強(qiáng)調(diào)層級(jí)內(nèi)部的信息交流。電力CPS信息角度架構(gòu)如圖3所示。
圖3 電力CPS信息角度架構(gòu)
目前,電力CPS的建模研究主要集中于電力CPS各部分的運(yùn)行成本方面,以期達(dá)到減少能源浪費(fèi)和最佳經(jīng)濟(jì)性的目的;或按照不同情況下的電力CPS的不同狀態(tài)進(jìn)行建模,如在攻擊下的或故障下的電力CPS建模,以期達(dá)到更高的穩(wěn)定性和安全性。
火電、水電、光伏、風(fēng)電、天然氣、熱能都是電力CPS生產(chǎn)環(huán)節(jié)的重要組成部分。電力CPS綜合應(yīng)用了傳統(tǒng)能源和新能源的優(yōu)點(diǎn):風(fēng)能等新能源的加入降低了傳統(tǒng)火電能源的使用占比,節(jié)約了資源;天然氣、熱能的加入提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,平抑了可再生能源出力的波動(dòng)性和間歇性對(duì)能源系統(tǒng)的影響;對(duì)技術(shù)操作難度和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了平衡。
目前,除了對(duì)某種能源進(jìn)行單獨(dú)建模外,還有對(duì)電-氣聯(lián)合能源生產(chǎn)[34]和電-熱聯(lián)合能源生產(chǎn)[35]模型的研究。例如,將電力系統(tǒng)分別與天然氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)進(jìn)行耦合,利用天然氣、熱能易于存儲(chǔ)的特性,將負(fù)荷低谷期過剩的風(fēng)電、光伏電量轉(zhuǎn)化為天然氣、熱能進(jìn)行存儲(chǔ)。但對(duì)電力CPS生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行整體建模的研究目前還較少,還處于起步階段。
消費(fèi)環(huán)節(jié)的建模主要包括微電網(wǎng)建模、區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)建模和終端用戶建模。
在電力CPS消費(fèi)環(huán)節(jié),用戶側(cè)的作用被提升,比如家庭用戶由傳統(tǒng)被動(dòng)接受某一種能源變?yōu)榭筛鶕?jù)自身需求主動(dòng)選擇能源種類供能,并配合能源調(diào)控主動(dòng)完成需求響應(yīng)。電動(dòng)汽車在消耗能源的同時(shí),可以被看作分布式儲(chǔ)能設(shè)備,構(gòu)成一個(gè)巨大的分布式儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò),在需要儲(chǔ)能設(shè)備提供能源時(shí)參與供能,以降低系統(tǒng)的供能壓力。因此,需對(duì)消費(fèi)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵組成和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行具體的建模研究。其物理模型一般用于描述設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性,經(jīng)濟(jì)性模型一般由某種目標(biāo)函數(shù)和約束條件構(gòu)成。
2.2.1 微電網(wǎng)建模
微電網(wǎng)是電力CPS消費(fèi)環(huán)節(jié)中一個(gè)重要的組成部分,以家庭用戶和醫(yī)院為中心,包含了小型分布式能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)等。其共有3種運(yùn)行模式:并網(wǎng)模式;孤島[20](自治)模式;并網(wǎng)與孤島之間的轉(zhuǎn)換模式。正常情況下,微電網(wǎng)處于孤島模式自治運(yùn)行,在需要微電網(wǎng)供能或微電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)需要并網(wǎng)運(yùn)行,因此微電網(wǎng)建模時(shí)需具備即插即用功能。在對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性建模時(shí),以建立微電網(wǎng)運(yùn)行的成本模型為主,一般需要考慮的約束有微電網(wǎng)功率平衡約束、儲(chǔ)能約束、頻率和電壓約束以及發(fā)電容量約束。
微電網(wǎng)CPS的模型[36-37]可建立為
Ag=REnv→Ae
(1)
式中:Ag——智能體模型;
REnv——系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài);
Env——微電網(wǎng)CPS的運(yùn)行環(huán)境、物理對(duì)象的狀態(tài)以及歷史執(zhí)行動(dòng)作;
Ae——最終執(zhí)行動(dòng)作。
以電力CPS中的微電網(wǎng)為對(duì)象,一般對(duì)微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行建模研究。針對(duì)微電網(wǎng)中的分布式能源,目前一般選擇風(fēng)電和光伏??梢越⒎植际侥茉吹姆€(wěn)態(tài)輸出功率、燃料成本的模型。其中,微電網(wǎng)的運(yùn)營成本需要考慮排放物成本、某一時(shí)段內(nèi)分布式能源的數(shù)量、微電網(wǎng)與主電網(wǎng)計(jì)劃交換電量和電價(jià)等。在考慮上述基本約束條件的同時(shí),還需要考慮風(fēng)電和光伏這類新能源的不確定性,增添場景約束。在建立模型時(shí)需要保證微電網(wǎng)即插即用功能。
2.2.2 區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)建模
區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)是一種小型的能源互聯(lián)網(wǎng)[10]??梢哉J(rèn)為在電力CPS中存在多個(gè)區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)[38-43]。與微電網(wǎng)的區(qū)別在于主要負(fù)載的規(guī)模不同,區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)以大規(guī)模居民區(qū)或商業(yè)區(qū)為中心。因此,在建模時(shí)需要考慮約束條件與微電網(wǎng)建模有一定的相似性,一般需要考慮功率平衡約束、靜態(tài)穩(wěn)定性約束、電壓和頻率約束、發(fā)電功率約束、儲(chǔ)能容量和充放電功率約束等。
目前對(duì)區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的模型建立有設(shè)備的輸出功率模型、設(shè)備輸出成本模型、調(diào)度成本模型等。文獻(xiàn)[44]設(shè)計(jì)了雙層的經(jīng)濟(jì)性模型,上層模型描述了能源互聯(lián)網(wǎng)的能源分配策略,以最佳經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益為目標(biāo),下層模型用熱電比描述,以最佳能效為目標(biāo)。
電力CPS中區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)建模時(shí),除了需要考慮主要設(shè)備外,還需要考慮更多的其他設(shè)備,才能增加模型的實(shí)際運(yùn)用性。此外,環(huán)境效益和能源本身也是必要考慮的對(duì)象,但由此建立的模型過于復(fù)雜,需要進(jìn)一步簡化。
2.2.3 終端用戶建模
終端用戶在這里主要指家庭用戶[45-46]和電動(dòng)汽車[47-48]等獨(dú)立小規(guī)模負(fù)載。它大量分布于電力CPS的同時(shí)兼?zhèn)淞诵畔鬏?、存?chǔ)和銷售能源的作用,是電力CPS的重要組成部分。對(duì)其建模需考慮更多的實(shí)際問題,因?yàn)橛脩舻挠秒娗闆r不確定,較為復(fù)雜,無法直接根據(jù)其物理特性或動(dòng)態(tài)特性建模。經(jīng)濟(jì)性的建模也更加復(fù)雜,一般需考慮家庭用戶存儲(chǔ)容量約束、電動(dòng)汽車存儲(chǔ)約束、充放電約束、購買和銷售能量約束等。
其模型建立一般從家庭用戶的能源使用情況展開,針對(duì)家庭用戶在電力CPS中的特性,目標(biāo)一般設(shè)為最小化家庭用戶用電總成本。該模型需要考慮的能量和信息較為復(fù)雜,因?yàn)榧彝ビ脩艏仁悄芰亢托畔⒌氖褂谜?也是能量和信息的輸出者,同時(shí)家庭用戶有一天之內(nèi)用電水平差距較大的特點(diǎn)。成本模型可以考慮家庭用戶等終端用戶的總電網(wǎng)能量使用成本、能源交易購買能源的成本,以及用戶一天內(nèi)存儲(chǔ)和銷售能源的總收入后產(chǎn)生的可再生能源總量。以有效減少單個(gè)終端用戶能量浪費(fèi)、約束用戶每小時(shí)存儲(chǔ)、最小化每小時(shí)能量使用成本為目標(biāo)會(huì)有較大的實(shí)際意義。但由于具有終端用戶的特性,假設(shè)較多,與實(shí)際情況還有一定差距,需考慮更多實(shí)際情況約束,如對(duì)環(huán)境的污染成本、對(duì)家用電器的具體分類、電動(dòng)汽車充電的政府補(bǔ)貼政策、家庭用戶的用電習(xí)慣分類等。
電力CPS中的控制研究可分為兩類。一是建立目標(biāo)函數(shù)和相應(yīng)約束條件,運(yùn)用算法解決達(dá)到控制的目的。如文獻(xiàn)[49]就以這種方式設(shè)計(jì)了控制器,控制目標(biāo)被制定為隨機(jī)最優(yōu)控制問題,通過動(dòng)態(tài)編程方法解決。二是采用方程模擬某一需要控制量的特性,然后轉(zhuǎn)化為某種特定的控制問題,目前研究較多的有魯棒控制和下垂控制。
魯棒控制的核心是魯棒性,即系統(tǒng)的健壯性,是指控制系統(tǒng)在一定的參數(shù)擾動(dòng)下維持某些性能的特性。對(duì)于電力系統(tǒng),魯棒控制方法已廣泛應(yīng)用于減少各種擾動(dòng)的影響[50-51],主要的控制理論有h∞魯棒控制。目前的研究大多采用頻域方法,使用確定性情況下的線性常微分方程描述控制對(duì)象。然而,采用時(shí)域方法研究隨機(jī)或非線性系統(tǒng)的較少,通常將非線性系統(tǒng)近似為線性系統(tǒng)進(jìn)行簡化[52]。
下垂控制是應(yīng)用于發(fā)電機(jī)的控制方式,通過選擇與發(fā)電機(jī)相似的頻率下垂特性曲線對(duì)發(fā)電機(jī)實(shí)施控制,即分別通過P/f和Q/V下垂控制獲得穩(wěn)定的頻率和電壓,一般用于控制分布式發(fā)電機(jī)之間的比例功率分配。為了解決傳統(tǒng)下垂控制方法中功率分配精度低的問題[53]:文獻(xiàn)[54]設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的下垂控制方法;文獻(xiàn)[55]提出了下垂控制集中式和分布式的二次控制方法,改進(jìn)了傳統(tǒng)控制方法不能將電壓和頻率值恢復(fù)的缺點(diǎn)。
本文主要對(duì)電力CPS穩(wěn)定性控制、消費(fèi)環(huán)節(jié)中分布式發(fā)電機(jī)控制兩部分進(jìn)行論述。
電力CPS的穩(wěn)定性控制是其能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵。目前電力CPS整體控制研究主要針對(duì)其穩(wěn)定運(yùn)行,魯棒控制已被廣泛運(yùn)用[56-57]。
多種控制方式混合是提高控制性能的一種方式,目前已有利用混合h2/h∞控制結(jié)構(gòu)對(duì)電力CPS的魯棒性進(jìn)行研究。同時(shí)需要考慮其運(yùn)營成本管理控制的制定,通過算法實(shí)施優(yōu)化。針對(duì)電力CPS的穩(wěn)定性問題,需要特殊考慮外部的具體干擾(風(fēng)電和太陽等新能源的不穩(wěn)定性)。之前的研究工作僅針對(duì)操作成本和能量管理控制,或僅針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部不穩(wěn)定性和外部干擾的魯棒性。
文獻(xiàn)[58]對(duì)電力CPS的能量進(jìn)行了描述,并將其改寫后建立了脈沖系統(tǒng)控制模型。在設(shè)計(jì)觸發(fā)控制變量的同時(shí)考慮了常見故障情況,為系統(tǒng)提供了保護(hù),確保了控制的正常運(yùn)行。設(shè)計(jì)的脈沖反饋控制加以改進(jìn)后可擴(kuò)展到其他即插即用設(shè)備。
由于電力CPS的特性,分布式發(fā)電機(jī)遍布整個(gè)系統(tǒng)的消費(fèi)環(huán)節(jié)。對(duì)分布式發(fā)電機(jī)的控制一般集中于實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電機(jī)之間的比例功率分配,以及在故障情況下對(duì)分布式發(fā)電機(jī)電壓頻率實(shí)施控制以保證其運(yùn)行的穩(wěn)定性。前者在應(yīng)用下垂控制方法時(shí)容易出現(xiàn)分布式發(fā)電機(jī)之間循環(huán)功率過大的問題。目前的研究主要有對(duì)多個(gè)分布式發(fā)電機(jī)的協(xié)同控制、分布式發(fā)電機(jī)離網(wǎng)和并網(wǎng)模式下的最優(yōu)控制,以及直流分布式發(fā)電機(jī)分布式控制與優(yōu)化等[59-60]。
基于多智能體一致性算法的分布式控制可表示為[60]
i=1,2,3,…,n,j=1,2,3,…,n
(2)
式中:xi——電壓電流等物理量;
ui(t)——輸入狀態(tài);
aij,lij——系統(tǒng)的系數(shù)。
基于多智能體一致性算法的分布式控制可以很好地控制電力CPS中所有分布式發(fā)電機(jī)輸出電壓的角度和幅度,使它們恢復(fù)標(biāo)稱值。目前利用這種方式解決了普通下垂控制循環(huán)功率過大的問題,同時(shí)也解決了電壓或頻率的恢復(fù)問題。也有將魯棒控制加入到對(duì)電力CPS中分布式發(fā)電機(jī)的控制中,將分布式發(fā)電機(jī)的電壓或頻率控制問題轉(zhuǎn)化為魯棒控制問題。這一方法可以提高分布式發(fā)電機(jī)對(duì)外部干擾的抵抗能力。
控制器的設(shè)計(jì)除了要考慮分布式發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性外,還需要考慮主要能源是新能源,同時(shí)還有化石能源的問題,即離網(wǎng)狀態(tài)和并網(wǎng)狀態(tài)的兼顧問題。
本文對(duì)電力CPS的架構(gòu)進(jìn)行了分析和總結(jié),并基于電力CPS的一般架構(gòu),將其主要構(gòu)成單元按生產(chǎn)環(huán)節(jié)、消費(fèi)環(huán)節(jié)進(jìn)行了分類。對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)和消費(fèi)環(huán)節(jié)的建模研究進(jìn)行了總結(jié)和分析。目前對(duì)電力CPS的建模研究主要集中在消費(fèi)環(huán)節(jié),對(duì)輸配環(huán)節(jié)整體的建模剛剛起步,電力 CPS的輸配環(huán)節(jié)與傳統(tǒng)電網(wǎng)的電力傳輸不同,還需作進(jìn)一步的研究。對(duì)電力CPS生產(chǎn)環(huán)節(jié)的多種能源聯(lián)合建模目前僅考慮2種或3種能源,還需對(duì)其中所有能源進(jìn)行整體聯(lián)合建模研究。
在電力CPS控制研究方面,控制對(duì)象較少,主要集中在穩(wěn)定運(yùn)行控制、分布式發(fā)電機(jī)電壓頻率和功率控制方面。但控制方法較為單一,主要是魯棒控制和下垂控制,因此還需要對(duì)更多的控制方法開展研究。