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基于分布式节点事件触发一致性算法的电力调度

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  • 用途: 硕士毕业论文 Master Thesis
  • 作者:上海论文网
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  • 论文字数:34566
  • 论文编号:el2022032220431229974
  • 日期:2022-03-22
  • 来源:上海论文网

电力论文哪里有?笔者认为由于新能源的不断发展,电网中接入了大规模的可再生能源,如风电、水电、太阳能等,电力系统由多种类型的能源高度耦合而成,含有很高的不确定性。不同于单一的能源系统,综合系统中的各类型能源会相互影响,互为补充,这使得系统的管控及协同工作更为复杂,系统的稳定性研究也会愈加艰难。且可再生能源在空间上更为分散,不确定性因素增加,分布式协同控制算法需要一定程度上的改进。


第一章 绪论


1.2电力系统经济调度研究发展概述

随着现代社会的不断前进,电力市场的持续发展,各行各业对能源的需求量愈来愈大,如何节省能源已成为人们普遍关注的问题。电力系统是一个复杂的网络系统,由负荷、发电设备、输电系统、配电系统等共同组成。电力系统经济调度的目标是在保证安全和电能质量的前提下,合理的分配发电机的输出功率,使得系统在满足负荷需求的同时运行成本最小。目前经济调度研究已是电力系统运行与控制的重点之一。

迄今为止,电力系统机组发电量的最优分配研究已有近百余年的历史。从其发展过程来看,经济调度通常可划分为两类:经典法与现代数学规划方法[3]。20 世纪 30 年代,“基本负荷法”被人们普遍接受,但其并非有功负荷分配的最优方式。1934 年,等耗量微增率首次被提出,而后为了考虑网损的影响,于 1952 年提出了经典协调方程式,并随后进行了进一步修正。直至 20 世纪 60 年代,由于数字计算机的全面应用以及电网规模的逐步发展,电力系统经济调度随之发展到新阶段,即现代数学规划阶段。动态规划最优化原理被引入于经济调度中,用于解决多阶段决策过程问题。在该阶段中,优化算法模型主要分为四大类:1)线性规划模型:在线性约束的条件下,求目标函数的优化极值;2)非线性规划模型:在等式或者不等式的约束条件下的优化求解问题,其中约束条件或目标函数为非线性函数;3)二次规划模型:在等式或不等式的约束条件下,将目标函数设置为二次函数;4)动态规划模型:将整体优化问题按照时间或空间分为几个子优化问题,通过对子问题逐步进行优化从而得到整体最优解。表 1.1 展示了经典法与现代数学规划方法的特性。

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第三章   基于观测器的多智能体二分一致性扰动抑制


3.1 模型描述

基于非负图的多智能体系统一致性问题已在诸多文献中进行了广泛的研究。在这种情况,系统内成员将以相同的速度或其他实际任务进行协作,使系统最终达到一致。在图论中,多智能体之间的合作一般用正向边来描述,若一个系统中各智能体之间只存在协作关系,则非负图可以很好描述其通信网络。然而,通常来说,某些群体当中不会仅仅存在合作关系,竞争关系也会同时存在,例如社交网络、捕食者-猎物动力学、生物系统等。在此类情况下,非负图已不再适合作为研究的图论基础,而带符号的图可以更适当的表示此类系统的通信网络,其中正向边缘表示协作关系,负向边缘表示竞争关系,文献[40-48]对此进行了深入的探讨。

本章节研究了具有确定性外部干扰和系统内子系统含有竞争关系的多智能体分布式二分一致性,为保证多智能体在确定性扰动的影响能达到二分一致,提出了一种基于观测器的输出反馈控制器。考虑到实际系统中通信通道的带宽是有限的,进一步研究了基于输出控制的事件触发方案,提出了一种基于事件触发机制的分布式二分一致控制器,使得多智能体系统在事件触发机制下,具有竞争关系的子系统状态值最终达到大小相等,方向相反的状态,即多智能体系统实现了二分一致性收敛,并有效避免了芝诺行为的产生。本章最后提供了具体的仿真实例,验证了算法的可行性和正确性。

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第四章   基于节点事件触发的电力系统经济调度


4.1 考虑环境效益与功率约束的事件触发分布式电力系统经济调度 

环境污染加剧,化石能源短缺,环境效益问题已越来越受到各国人民的重视。电力系统在发电的过程中,不可避免的要进行污染气体的排放,如何在使电力系统运行成本最低的同时,也使得对环境的污染最小,这个问题研究十分具有现实意义。

本小节设计了一种考虑环境效益和功率约束的节点事件触发经济调度策略,在分布式电力系统经济运行调度方法的基础上,采用加权法将二次成本函数和污染气体排放函数共同构成目标函数,并通过拉格朗日乘子法设置一致性增量成本,即一致性变量,根据分布式一致性协议进行发电机的通信,并利用事件触发方式来减小通信带宽,降低能源损耗。本小节采用的节点事件触发函数无需知晓拉普拉斯矩阵的特征值信息,通信拓扑不需要强连通,分布式协议能够在保证系统安全稳定运行且发电机输出功率不超过其阈值的前提下快速有效的实现系统经济调度。可见,通过基于节点事件触发机制的一致性算法实现电力系统的经济运行调度,是符合未来电力能源的需求和发展的。


4.2考虑网损与功率约束的事件触发分布式电力系统经济调度

随着电力市场改革的不断深入,电网公司已经加强了对网损的管理。在电力系统运行中,因输配电引起的网损是衡量电力系统运行质量的一个重要指标,网损不仅与发电和用电的位置有关,还与机组的运行方式有着密不可分的联系[67]。随着电网规模的飞速发展,如何考虑输电网络损耗对电力系统经济调度的影响已成为经济调度领域的研究重点。一直以来,网损随机组功率变动的经济调度一直是一个复杂的优化难题。早在 1960 年代,网损近似公式便得到了广泛的研究,文献[53]提出了 B 系数法,其中网络损耗函数表示为发电机功率的恒定系数二次函数。1980 年代早期,利用直角坐标系中潮流方程的特定解析特性[54],根据泰勒级数展开式,推出了更为精确的三阶网损近似公式。而后又有矩阵损耗分配法等方法相继被提出。但上述方法中,网损表达需要模型的近似或者简化,且表达式复杂非线性,在经济调度中难以得到有效的处理。若从最优潮流的概念出发,且当满足一定条件时,网损可以表达为控制量的线性函数。

根据文献[55],若从潮流角度考虑,网络损耗可以表示为潮流注入量的线型超平面,且在一定条件时超平面满足凸特性,网损可以表示为控制量的线性函数。该表达式为考虑网损的电力系统经济调度提供了重要的简易求解方法。本小节在该网损表达式的基础上,提出了一种基于事件触发的分布式一致性算法,用于解决考虑网损和功率约束的电力系统经济调度问题,其中网损随发电机输出功率呈规律性变化。该算法无需定义领导者及跟随者,发电机在触发条件满足时按照通信协议与其邻居发电机进行通信,使得发电机系统在满足供需平衡的前提下,达到经济最优化。最后通过 MATLAB 仿真验证该算法的适用性及正确性。


第五章 总结与展望


5.2 展望

随着智能电网的飞速发展,分布式一致性算法也因其独特的优越性得到了深入的研究,并在多个场景得到了有效应用。但由于时代发展及国家对智能电网的建设,在电力系统经济调度的实际应用中需要考虑更多微小却不容忽视的不确定性因素,需要学者们持续不断的改进算法并进行可行性验证。现根据事件触发分布式一致性算法在电力系统中的研究现状,提出该应用在未来的几个发展方向或重点研究内容:

(1)目前在对电力系统的经济调度中,发电机成本函数多被建模为二次函数,但由于电网的实际需求和不确定性影响,成本函数可能会更加精确且复杂。

(2)由于新能源的不断发展,电网中接入了大规模的可再生能源,如风电、水电、太阳能等,电力系统由多种类型的能源高度耦合而成,含有很高的不确定性。不同于单一的能源系统,综合系统中的各类型能源会相互影响,互为补充,这使得系统的管控及协同工作更为复杂,系统的稳定性研究也会愈加艰难。且可再生能源在空间上更为分散,不确定性因素增加,分布式协同控制算法需要一定程度上的改进。

(3)分布式一致性算法在电力系统的研究中大部分都处于系统理想状态下的理论仿真阶段。而实际情况下,物理系统存在诸多不可控因素,如通信时滞、拓扑结构改变、网络攻击等。这需要学者们进一步研究非理想状态下的电力系统,增强算法的适用性及稳定性,并全面的进行仿真及实际验证。因此,由于多方面因素,算法研究与实际物理系统应用还有一段距离。

(4)随着 5G 的到来,我们即将进入万物互联的大数据时代,由于信息量的大量增加,完成智能电网的节点实时数据采集十分艰难。近期边缘计算为当下的研究热点,若将边缘计算引入至经济调度中,将其与分布式一致性算法相结合,实现电力系统结构从云-端到云边-端架构的突破,实现能量的边缘管理,不失为一个很好的研究方向。

参考文献(略)

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