面向电力系统负荷控制的信息物理耦合建模与应用

发布时间：2020-07-06 19:06

【摘要】：智能电网的发展以及能源互联网的推广使得电力网络与信息网络的交互机理日益复杂。现代电力系统已不再是传统意义上的电力设备网络,而是发展成为电力信息物理耦合系统(cyber physical system,CPS),它通过计算设备、传感设备、通信设备、物理设备等的相互协同,实现电力系统整体运行性能的最优化。在此背景下,精准描述CPS研究对象,灵活表征CPS特性,采用CPS融合的技术手段对电力CPS进行建模与分析,不仅对电力CPS环境中复杂通信系统、多元信息系统与电力系统之间交互影响的研究具有理论价值,同时对负荷控制策略的合理制定具有实际指导意义。本论文以负荷控制业务为着眼点,突破电力CPS中物理系统与信息系统割裂建模的传统模式,深入地开展了“面向电力系统负荷控制的信息物理耦合建模与应用”的研究工作。本论文从负荷控制业务的不同时间尺度出发,探索应急调度模式和常规调度模式下的耦合建模与分析方法,分别提出基于关联特性的矩阵建模方法以及融合多元信息的负荷聚合建模方法,并制定了考虑通信延时影响的应急调度策略以及基于聚合响应潜力的常规调度策略。论文主要工作内容和创新包括:1)针对应急调度模式,对电力CPS的结构和特点进行深入分析,提出基于关联特性矩阵的电力信息物理耦合系统建模方法,对电力CPS中能量流与信息流的复杂交互机理进行了全面的描述。首先,对电力CPS逻辑进行梳理与抽象,得到电力CPS基本分析单元;采用多元组定量描述信息节点、二次设备节点和通信节点的外特性,采用关联特性矩阵的方法定量描述电力CPS各组成部分间的逻辑关联关系及特性,形成完整的电力CPS耦合模型;最后,通过实际电网算例说明所提出的电力CPS模型可以有效的描述电力CPS内部复杂的耦合关系,并且分析了通信、信息和物理等各种因素对电力CPS的影响。2)基于关联特性矩阵的电力信息物理耦合系统建模方法,对负荷紧急控制中的通信延时进行计算分析;综合考虑应急模式下负荷控制的通信延时,以及通信延时对频率最低点影响程度等因素,提出一种考虑通信延时影响的快速负荷控制策略,并结合实际电网算例分析了通信延时对负荷控制量的影响。3)针对常规调度模式,研究融合多元信息的负荷聚合模型。在分析大规模用户侧主动负荷聚合响应潜力时,考虑负荷自身运行的物理特性,结合用户舒适度、响应原则(响应次数、响应时长)等信息,建立融合主观信息的大规模用户侧主动负荷聚合模型,对某一时段内负荷响应潜力进行量化评估,并分析了不同因素对该响应潜力的影响。4)基于大规模用户侧主动负荷聚合响应潜力,提出一种考虑动态响应潜力的负荷双层控制策略。在上层策略中,控制中心收集不同负荷聚合商所管辖区域负荷的聚合响应潜力值,并依据潜力值按比例分配功率缺额量给不同的负荷聚合商;在下层策略中,各负荷聚合商接收到控制中心下发的调度控制需求,综合考虑各种因素(响应成本、响应条件、用户舒适度等),建立家庭负荷响应情况的优化分配模型。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM76
【图文】：

负控系统,110kV母线,通信网络,架构

图3-1传统负控系统通信网络架构可再生能源大规模并网，电网的系统惯量越来越小，电仅仅通过现有的多直流提升、抽水电站切泵等措施已不统对负荷控制的精准度以及快速性提出了更高的要求。制系统升级成“源-网-荷友好互动精准负控系统”，该性负荷、分布式电源、分布式储能等），为大电网安全]。精准负荷控制系统的通信网络架构如图 3-2所示。省级源网荷系统主站区域电网控制指令负控中心站2M光纤 2M光纤2M光纤 2M光纤省级骨干网组网

示意图,负荷控制,指数增长

第三章考虑通信延时影响的快速负荷控制策略研究-37-图3-9负控量与通信延时对应关系示意图由图 3-9可知，负荷控制量与通信延时基本成指数增长关系，即通信延时越长，负荷控制量的增加量越多。这是因为故障发生后，切负荷动作越晚，频率下跌持续时间越长，频率偏差越大，为了维持相同的最低频率值 49.2Hz，系统所需要的响应负控量增加的强度也更大。一般情况下，系统惯量越小，相同故障下频率跌落速度越快，频率最低点出现的时刻越短，负荷响应量对通信延时越敏感，响应量随通信延时增加而增长的速度越快。值得注意的是，本文重点关注通信延时对故障后频率最低点的影响程度，暂不考虑频率恢复策略。事实上，负荷响应量的增长，不仅能保证频率最低点不跌落，同时对后续频率恢复也有一定的帮助，在响应量过大的情况下可能出现超调现象，在制定后续的恢复策略时需要考虑。3.5本章小结电力 CPS 对信息系统的依存度越来越高，通信网络可靠性在整个电力系统运行中扮演的角色也愈加重要。本章开展了通信延时对负荷控制量影响的研究。基于第二章提出的关联特性矩阵信息物理建模方法对通信延时进行计算，并提出一种考虑通信延时影响的快速负荷控制策略。最后，结合实际电网进行频率恢复效果对比分析。

功率响应,智能,群体,曲线

第四章基于负荷聚合潜力的信息物理建模方法研究-43-图4-1负荷样本聚合响应潜力曲线图图 4-1给出了 60min 内的智能负荷群体功率响应聚合曲线，从曲线可以很清晰地看出不同智能负荷群的响应能力并非固定值，而是一个时变量。当有功缺额时间在 15min内时，智能负荷群的响应功率基本呈线性下降趋势；当响应时间超过 15min，响应功率将经过一段波动后下降。此外，各类负荷变化规律也有差异。空调和热水器负荷的响应功率存在两个尖峰，这是由于智能负荷有两次响应机会；热水器负荷群的响应周期较长，且两个尖峰之间存在“响应死区”，这是因为热水器负荷热交换过程较空调的要慢。电动汽车负荷群的响应功率在前 15min 内基本保持平稳，随后将缓慢下降。由聚合模型可知，影响智能负荷提供负荷支撑的聚合特性的因素主要包括两点：1）用户舒适度区间，2）响应次数。下面通过控制变量法进一步研究各类负荷在不同条件下的聚合响应能力。1）用户舒适度保持负荷响应2次，改变三类负荷舒适度区间

【参考文献】