[发明专利]CPS概念下的微网中考虑时滞和丢包问题的分布式控制方法

摘要

本发明基于信息物理融合系统的概念将微网控制结构分为通信系统和物理系统，并在此结构上提出了一种新型分布式控制策略来改善传统下垂控制对电压和角频率的控制效果。首先，本发明基于图论知识提出微电网通信系统模型，且由多个单一分布式电源的通信结构构成整体通信系统；其次，在通信系统中，一种结合反向神经网络和预测控制的方法被提出来解决通信时滞问题；一种新型带有虚拟领航者的一致性协议被提出来解决丢包问题；再次，在物理系统中，以P‑ω/Q‑U下垂控制作为电压和角频率的一次控制；最后，利用通信系统中的电压和角频率数据和提出的新型一致性协议来完成对物理系统中下垂控制输出的电压和角频率的二次控制，且该控制策略具有分布式协同特性。

主权项

一种基于CPS概念的微网中考虑时滞和丢包问题的分布式控制方法，其特征在于：该方法内容包括以下步骤：步骤一：基于CPS的概念和图论理论对通信系统中信息流传递进行分析，并构建通信系统流量数学模型；所述构建通信系统流量数学模型，其具体内容如下：对于微电网系统通信系统中的信息流传递依据图论理论进行建模，考虑一个有向带权重图G＝(V,ε)，其中V为图中节点的集合，其元素可以是计算单元、传感单元、信息交换单元或三者的组合；而ε表示图中边的集合，也即通信线路的集合；对于任意一个信息交换单元v∈V，用Cv表示其信息交换能力的上限，即单位时间内能够处理并送出的信息量的上限，其单位为bit/s或Mbit/s；对于交换单元v中的任意一个通信线路l＝(i,j)∈ε，用Bl代表线路l的带宽，其单位为bit/s或Mbit/s，用sin(i,j)代表从第j个节点到第i个节点的信息输入，用sout(i,j)代表由第i个节点到第j个节点的信息输出，满足如下方程，也即通信系统流量数学模型：Σsin(i,j)=Σsout(i,j)0≤Σj∈Nisin(i,j)≤Cv0≤Σi∈lΣj∈Nisin(i,j)≤Bl---(1)]]>其中，Ni表示第i个节点的相邻节点的集合；步骤二：基于构建的通信系统流量数学模型，构建有效可行的微电网系统中单一DER的通信结构，再由多个DER组成整体微网通信系统；在微电网中，越来越多的电力设备采用嵌入式系统结构，这也使得大量的电气设备、数据采集设备和计算设备通过电网和通信网两个系统实现互连，组成电力信息物理系统；其主要设备包括：通信器、物理设备和决策器；通信器中包括信号接收器和信号发送器，其功能为在通信系统中根据时钟信号向自身与相邻单元收集和发送信息；物理设备指在物理系统中的一系列物理实体设备，包括电源、储能设备、负荷和其他设备；物理设备一般通过传感器设备向相邻物理设备发送自身状态量，其状态的变化直接影响实际微电网的电压和角频率数据的传递；决策器是融合通信系统和物理系统从而实现全局控制的关键，主要包括传感器和决策控制器两部分；其主要有两方面的作用：一方面，筛选来自外部的数据信号，同时对自身物理设备的连续运行状态进行监测和数据采样；另一方面，各决策器需要根据一定的规则对统计到的数据进行分析，并分别计算出外送信息和控制指令以保证整体控制系统的有效运行；在信息通信中的每条通信线路的通信带宽要按照(1)式来进行设计；步骤三：构建通信系统解决通信系统中的通信时滞和丢包问题；1、构建通信系统基于图论和多智能体的理论，将微电网系统中的每一个分布式电源当作一个智能体，且每一个智能体都具有接收相邻智能体信息和发送自身信息的功能；由这些智能体构成了一个整体通信系统，在该系统中各智能体可与其相邻智能体交换电压、电流、角频率状态信息；将多个DER的通信结构整合起来就构成了整体通信系统；2、解决通信时滞和丢包问题对于时滞问题，采用反向神经网络和预测补偿相结合的方法来处理时滞问题；对于通信数据丢包问题，首先将每个分布式电源看为一个智能体，且每个智能体均可以与相邻智能体进行通信；在此基础上，设计一种新型领航者‑跟随一致性协议来处理丢包问题；又考虑到实际工业环境中，不方便选取领航者，故采用虚拟领航者来完成一致性协议；具体过程如下：2.1对于时滞问题，进行如下步骤：2.1.1构建微网内部状态方程首先利用经典的3层BPNN来构建整体状态方程，将k时刻的数据传输状态作为输入，将k+1时刻的数据输出状态作为目标输出，定设采样时间为T，MSE为1e‑7，最大迭代次数为200，隐含层中神经元数设为50，来对该种状态方程进行逼近；设由BPNN逼近得到的状态方程如下：x(k+1)＝Gx(k) (k＝0,1,2…)   (2)其中，G均为由BPNN得到的状态方程，x为状态量；设系统的情况如下：(i)智能体i及其邻域智能体j的传感器信息传递至智能体i的控制器的通信系统信道存在通信时延，并记作τbi，并满足关系：0≤τbi≤τbmax，其中τbmax为其上界；(ii)智能体i的控制器信息传递至自身执行器的通信系统信道的通信时延记作τai，且有关系如下：0≤τai≤τamax，其中τamax为其上界；2.1.2设计预测补偿方法根据上述设定，状态估计系统的状态如下:x^i(k-τbi+1|k-τbi)=Gx^i(k-τbi|k-τbi-1)---(3)]]>其中，代表预测出的状态量，表示依据k‑τbi时刻的状态量预估计出的k‑τbi+1时刻的状态量，其余时刻的预测状态量的定义，比如均与其类同；根据公式(3)，对t‑τbi+2时刻至t+τai时刻的状态量进行预测：x^i(k-τbi+2|k-τbi)=Gx^i(k-τbi+1|k-τbi)x^i(k-τbi+3|k-τbi)=Gx^(k-τbi+2|k-τbi)...x^i(k+τai|k-τbi)=Gx^i(k+τai-1|k-τbi)---(4)]]>在(4)式中,τbi和τai都为正数，从t‑τbi时刻至t+τai时刻所有的控制输入，均能由上述预测步骤得到，智能体i的相邻智能体j的状态估计量，也可按上述状态预测方法得到；根据叠加原理，可以得到：x^i(k+τai|k-τbi)=G′x^i(k-τbi)x^j(k+τaj|k-τbj)=G′x^j(k-τbj)---(5)]]>其中，G'为经过叠加整理后的系数矩阵，代表预测出的状态量，τaj和τbj与τai和τbi的定义类似，表示依据k‑τb时刻的状态量预估计出的k‑τb+1时刻的状态量，其余时刻的预测状态量的定义，比如均与其类同；对于公式(5)，用k‑τai和k‑τaj代替k，有：x^i(k|k-τbi-τai)=G′x^i(k-τbi-τai)x^j(k|k-τbj-τaj)=G′x^j(k-τbj-τaj)---(6)]]>考虑到实际情况，本方法提出的微电网系统是一个连续时间系统；因此，有必要添加D‑A转换器的数字量转换成模拟量；2.2.对于丢包问题，设计一种新型虚拟领航者‑跟随一致性协议来解决：基于图论和多智能体的理论，将微电网系统中的每一个分布式电源当作一个智能体，且每一个智能体都具有接收相邻智能体信息和发送自身信息的功能；由这些智能体构成了一个整体通信系统，在该系统中各智能体可与其相邻智能体交换电压、电流、角频率状态信息；设通信系统的情况如下：(i)在通信系统中，第i个DER在传输信息时的丢包率为1‑θi；(ii)通信系统中的多智能体的通信连接图G至少包含一条有向生成树；对于第i个智能体的有虚拟领航者的新型一致性协议如下：ui=KiΣj∈Niaij(x^j-x^i)+bi(xL-x^i)---(7)]]>其中，Ni表示第i个智能体的相邻智能体的集合，Ki为待设计的增益系数，xL是领航者的状态量，bi代表了领航者与跟随者(Follower)之间的连接关系；若无时滞，则考虑到数据包丢失，该新型一致性协议如下：ui=KiΣj∈Niaij(θjx^j-θix^i)+bi(θLxL-θix^i)---(8)]]>其中，1‑θi,1‑θj,和1‑θL分别为第i个智能体，第j个智能体和领航者的丢包率，通过调整Ki可以解决通信中丢包问题；步骤四：构建物理系统及完成物理系统中各分布式电源的电压和角频率的一次控制；在微网物理系统正常工作中，首先经过功率计算环节得到有功功率和无功功率，再采用P‑ω/Q‑U下垂控制作为控制电压和角频率的一次控制，再结合电压合成环节、Park变换环节、电压电流双闭环环节、和脉宽调制环节来共同组成微电网物理系统；在物理系统中，以第i个电源经过逆变器输出电压和电流为起点，以脉宽信号调制环节为终点，其具体工作流程如下：首先由逆变器输出电压U0和电流I0，然后将二者经过Park环节得到d轴和q轴上的分量，然后经过功率计算环节得到有功功率Pi和无功功率Qi，再将得到的功率通过P‑ω/Q‑U下垂控制环节生成电压Ui和角频率ωi，之后再通过电压合成环节得到Ui∠θi，再将其输入电压电流双闭环中，最后由电流环输出控制信号来控制脉宽调制环节产生PWM信号来控制逆变器的输出；由此，完成了一整套物理系统的控制过程；对于物理系统的其它环节设计如下：功率计算环节如下：P=UidIid+UiqIiq≈UidIidQ=UiqIid-UidIiq≈-UidIiq---(9)]]>其中Uid,Uiq,Iid和Iiq均为Park变换后的电压和电流值；P‑ω/Q‑U下垂控制作为环节如下：ωi=ωref-miPiUi=Uref-niQi---(10)]]>其中，ωref,Uref分别代表角频率和电压的参考值，m,n分别代表角频率P‑ω/Q‑U下垂系数和电压下垂系数，ωi和Ui为第i个DER经过P‑ω/Q‑U下垂控制输出的电压和角频率，P‑ω/Q‑U下垂控制也是对微网中各分布式电源电压和角频率的一次控制；电压合成环节如下：其中，Ui∠θi为合成的电压；对于电压电流双闭环采取FOPID控制策略，即电压Ui∠θi作为外部电压环的输入，其输出的参考电流作为内部电流环的输入，再输出电压产生PWM信号来控制逆变器的通断，从而控制电源的输出电压和电流；步骤五：完成物理系统中微网各分布式电源的电压和角频率的二次控制；二次控制整体思路：当各作为跟随者的DER的状态量电压或角频率与虚拟领航者的相应状态量达到一致后，再产生反馈量加入P‑ω/Q‑U下垂控制中，从而完成对电压和角频率的二次调节；1.电压二次控制微电网电压二次控制器的作用就是考虑控制输入有界的情况下使各布式电源的电压同步到给定参考值，对式(10)取微分并取辅助变量uvi；变换公式如下：U·i≈U·di=U·ref-niQ·i≡uUi---(12)]]>从实际情况出发，研究一阶多智能体系统一致性问题的同时考虑通信时延、输入时延和丢包问题，为了获得更好的一致性控制效果，假定系统中存在虚拟领航者，且领航者的信息状态满足：xL(t)＝f(t,xL)，其中xL(t)表示领航者的状态量，具有领航者的一致性协议可以被描述为：uUi=KUiΣj∈Niaij(θjU^j-θiU^i)+bi(θLUL-θiU^i)---(13)]]>其中，和分别代表由观察器获得的第i个DER和第j个DER的输出电压值；KUi为电压一致性协议中的增益；当第i个DER的电压与虚拟领航者的电压状态量达到一致后，设置一个反馈环节，使电压保持在预期参考值，反馈环节如下：U^i∞=Ui∞+δUiδUi=Ui∞-Uref---(14)]]>其中，代表在一致性协议控制下且添加反馈后的电压；当得到后，再通过比较与Ui的差值，又可得到一反馈量，即再将此反馈量添加到P‑ω/Q‑U下垂控制输出的电压中，即可完成对电压的二次控制；2.角频率二次控制对公式(10)求导，且取辅助变量uωi，有如下公式：ω·i=ω·ref-niQ·i=uωi,i=1,2,...,n---(15)]]>同理，考虑时滞、丢包与有领航者一致性协议设计出：uωi=KωiΣj∈Niaij(θjω^j-θiω^i)+bi(θLωL-θiω^i)---(16)]]>其中，和分别代表由预测补偿获得的第i个DER和第j个DER的角频率值；Kωi为角频率一致性协议中的增益。在此一致性协议下，可以得到各DER的角频率均趋于一致，达到领航者的状态；当第i个DER的角频率与虚拟领航者的电压状态量达到一致后，使角频率保持在预期参考值，反馈环节如下：ω^i∞=ωi∞+δωiδωi=ωi∞-ωref---(17)]]>其中，代表在一致性协议控制下且添加反馈后的角频率；当得到后，再通过比较与ωi的差值，又可得到一反馈量，即再将此反馈量添加到P‑ω/Q‑U下垂控制输出的角频率中，即可完成对角频率的二次控制；步骤六：通过搭建合理的实验场景验证所述基于CPS概念的微电网分布式控制方法的有效性。