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基于信息物理系统融合的广域互联电网阻尼控制策略

李 霞，李 勇，曹一家，施星宇

2017年第21期

DOI: 10.7667/PSPC161610

基金项目：国家自然科学基金(61233008，51520105011)

　　随着信息通信技术在电网中的广泛应用，紧密融合电网与信息通信的电力信息物理系统(Cyber-Physical Power System, CPPS)为广域互联电网间的低频振荡抑制提供了便利。在电力系统海量运行数据的基础上，提出CPPS 广域阻尼控制(Wide-Area Damping Control, WADC)策略。其采用可变遗忘因子最小二乘法来辨识物理系统模型，并基于此模型由广义预测控制算法(Generalized Predictive Control, GPC)生成决策控制指令。进一步地，建立通信补偿机制来补偿信息系统延时、丢包、乱序对物理系统运行的不利影响。通过Matlab 和Visual Studio 建立CPPS 联合仿真平台来分析电力系统和信息系统的交互影响。以16 机5 区系统为例进行仿真，结果表明建立的CPPS 联合仿真模型能够有效地模拟物理系统与信息系统的交互影响。所提出的CPPS 广域阻尼控制策略，在信息系统的不利影响下，能够有效抑制电力系统低频振荡。

　　深度融合信息通信技术、传感技术与先进控制技术的智能电网正在成为未来电网的主要形态，具备了信息物理系统(Cyber-Physical System, CPS)的基本特征。CPS 的提出与发展为智能电网稳定性控制提供了新的思想途径。

　　电力信息物理系统(Cyber-Physical Power System, CPPS)是CPS 在电力工业中的应用，通过电网物理空间和信息空间的反馈循环，以安全、可靠、高效和实时的方式监测并控制物理电网。目前国内外对CPPS 展开了一系列的研究，文献[4-6]提出CPPS的基本架构及可能面临的技术挑战，并讨论了信息系统的建模理论，指出建模需要考虑通信网络和信息组成部分产生的影响，探寻融合机理；且CPPS应选择网络化控制与本地控制相结合、集中控制与分区控制相结合的混合控制方法。文献[7]提出智能配电网信息物理融合保护系统。由于信息系统易受到网络攻击，通过对计算机和数据网络的可靠性估计，一种端对端的实时CPPS 测试平台研究了不同信息攻击下的反应。能够准确地模拟CPPS动态行为的测试平台成为CPPS 中信息系统与电力系统交互影响分析的最佳工具。通过信息通信技术和时间同步策略等方法，建立信息物理联合仿真平台将电力系统仿真器和离散事件信息仿真器融合在一起，实现电力系统和信息通信系统的协调仿真，为CPPS 安全控制策略研究提供有效的测

试和校验工具。

　　信息物理系统可以实现对大规模复杂系统和广域环境的实时感知与动态监控，并提供相应的网络信息服务。以PMU 为基础的广域测量系统(Wide-Area Measurement Systems, WAMS)具有近实时同步测量、通信、状态监测与在线控制等功能，为CPPS 在输电网络中的实现奠定了软硬件基础。随着电网互联和新能源发电并网等电网技术的不断发展，基于WAMS 的CPPS 技术研究成为当前的热点问题，为区域电网互联后系统阻尼降低和广域继电保护与控制等诸多问题提供可靠而有效的解决途径。针对大电网互联后系统阻尼降低问题，许多学者提出了基于广域测量信息的互联电网分析方法，文献[18]利用WAMS 历史数据分析联络线功率扰动机理及其概率，文献[19]提出了基于广域信息的发电机电压控制方法来抑制区间低频振荡。本文利用WAMS 测量数据辨识出电力系统物理信息模型，并基于预测控制算法在线优化阻尼控制器输出值，来抑制区间低频振荡。

　　目前，对广域电网阻尼控制的研究大部分都考虑了确定网络延时对控制性能的影响，但不能真实反映信息系统的随机行为。本文将从CPPS 理论出发，结合系统建模、广域阻尼控制器设计并联合仿真分析，研究CPPS 中信息系统对广域电网阻尼控制性能的影响。考虑到信息通信质量会影响整个CPPS 的控制性能，本文还针对通信延时、数据包丢失和乱序等现象设计了补偿机制。

　　CPPS以物理流与信息流高度耦合为特征，其稳定性控制方法必须考虑物理系统与信息通信系统的交互影响，联合仿真是分析其交互影响的有效方法。因此，本文根据CPPS 的特征，利用Matlab 以及Visual Studio 工具，搭建了CPPS 联合仿真模型，来验证提出的电网广域阻尼控制策略。该策略不仅能在线修正系统模型参数，还能对通信系统的延时、丢包以及无序现象进行补偿。16 机5 区系统的CPPS联合仿真结果表明，通信网络延时会严重降低系统的控制性能，但具有延时补偿机制的广域阻尼控制策略能有效克服其带来的不利影响。同时也验证了CPPS 联合仿真模型的有效性，可用该联合仿真模型来研究信息系统对物理系统的影响。但是，对不同网络以及网络严重阻塞的情况还有待进一步研究。

　　李 霞(1990—)，女，硕士研究生，研究方向为广域电网稳定性控制；E-mail: [email protected]

　　李 勇(1983—)，男，通信作者，博士研究生，教授，研究方向为电力系统优化与控制，电能质量分析与控制。E-mail: [email protected]

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