智能电网CPS混合控制方法

1、智能电网CPS的混合控制方法摘要为了使电网具有了灵活、高效、可持续、高可靠性、高安全性，本文将CPS引入到智能电网中。重点分析了CPS在电力系统中的混合控制方法，并详细介绍了微电网CPS体系结构，把CPS控制分为应用层、网络层、连接层、协调层、调节层和物理层，从而实现了CPS的混合控制方法。关键词: CPS，控制方法，智能电网1.绪论 近年来，智能电网已经成为电力工业界和学术界关注的热点。智能电网应具有灵活、高效、可持续、高可靠性、高安全性等重要特征。此外，智能电网还必须能够支持大规模间歇性可再生能源和分布式电源，能够促进电力市场公平、有效运营，能够促进用户侧参与等。要实现上述目标和要求，就需

2、要进一步发展电力系统现有的理论、模型、方法和算法体系。其中，引入新的计算、通信和传感技术，并实现信息系统和电力系统更紧密的融合与协作是实现电力系统智能化的关键。信息物理融合系统(cyber physical system, CPS)为解决这些问题提供了一种新的途径。CPS是涉及信息系统和物理系统交互与融合的一个新的研究领域。CPS是集成了计算系统、大规模通信网络、大规模传感器网络、控制系统和物理系统的新型互联系统。CPS具有对大规模互联物理系统进行实时监视、仿真、分析和控制的功能，最终目标是使未来的物理系统具有目前尚不具备的灵活性、自治性、高效率、高可靠性和高安全性。CPS是物理过程、经济过程

3、和计算过程的集成系统，描述人类与物理世界的交互。可以看出，CPS与物联网概念有相似之处，即两者都强调物理实体的互联。然而，CPS与物联网也有显著区别。建立物联网的主要目的在于采集各种物理实体信息，以实现对物理世界的感知。另一方面，CPS可以看做是对物联网的进一步发展，其目标是在感知物理世界的基础上，进一步实现对各种物理实体的最优控制。CPS愿景的实现意味着人类将拥有远超以往的对物理世界的强大控制能力。2.电力CPS的混合控制方法未来的智能电网必须依赖通信网络在调度机构和智能负荷、分布式电源、电动汽车等设备之间传递信息与控制信号。因此，未来的智能电网将是一个典型的网络化控制系统。另一方面，考虑到

4、通信网络在实际运行中存在由于故障或网络攻击而暂时失灵的可能，完全依赖网络化控制有可能会降低系统运行可靠性。因此，在智能电网环境下较为理想的控制方式应该是网络化控制与本地控制相结合的混合控制。2.1网络化控制系统网络化控制系统是指传感器、控制器和执行器(actuator)分布在不同网络节点上，且必须通过通信网络交换信息的控制系统。随着控制理论、控制技术、计算机技术和网络通信技术的发展，工业控制领域发生了巨大的变革:从原始单回路控制系统，先后发展到分布式控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS)和网络化控制系统(NCS:Networked Control System)。2.1.1网络化控制系

5、统的主要特点(1)控制系统网络化 控制系统网络化是网络化控制系统(NCS)的根本特点，由于控制网络的引入，将原来分散在不同地点的现场设备连接成网络，自动化系统原有的“信息孤岛”被打破，为工业数据的远程传送与集中管理、以及控制系统与其他信息系统的连接与沟通创造了条件。(2)信息传输数字化 数字化与网络化是相辅相成的，网络化是从系统角度描述NCS的特点，而数字化则是从信息的角度描述NCS的特点。(3)控制结构的层次化 控制系统的分层结构是引入控制网络之后的一个基本特点。在传统的控制系统的结构中，一台计算机不仅要完成底层的回路控制与顺序控制，还需要完成实时监视、参数调试等任务。但在NCS中，这些任务

6、则分别属于处在不同层次上的不同计算机来完成，每台计算机是各司其职，控制层次与控制任务得到细分。(4)信息管理的集中化与底层控制的分散化 NCS的分层结构确定了NCS的金字塔框架，这一特点其实是控制结构层次化的延伸。这种结构符合企业生产的需求:企业的生产底层是控制回路多，地域分散;而企业高层则要求能够对生活现场产生的大量数据进行集中监视、分析等。采用了NCS的企业在底层利用控制设备实现了分布式控制，增强了控制系统的可靠性;在高层则实现了对底层数据的集中监视、管理，为上层的协调与优化、以及对宏观决策提供必要的信息支持。(5)硬件与软件的模块化 从实际工程应用出发，各种NCS的软硬件，目前都采用了模

7、块化的结构，硬件的模块化使得系统具有良好的灵活性与可扩展性，从而使系统的成本更低、体积更小、可靠性更高。软件的模块化则使系统的组态方便、控制灵活、效率更高、操作简单。(6)控制系统的智能化控制系统的智能化包括两个方面:一是现场设备的智能化。在底层由于微处理器的引入，现场设备不仅能够完成传感测量、回路控制等基本功能，还可进行故障诊断等;二是控制算法与优化算法的智能化。在高层NCS提供了强大的计算机平台，为先进的控制算法、人工智能方法、专家系统等在科学管理、计划调度、操作指导等的应用创造了条件。(7)通信协议的标准渐近化协议的标准化意味着NCS系统具有更好的开放性、互操作性。在互联网中，虽然TCP

8、/IP已经成为了标准协议;而在控制网络中，传统的DCS系统自成体系，FCS尽管已经达成了国际标准，但现场总线的种类仍然有10多种，此外，工业基础以太网也出现了多个国际标准协议。因此，通信协议的标准渐近化将是一个漫长的过程。总而言之，NCS的出现给传统的工业控制系统带来了深刻变化，NCS具备了许多优点:可以实现资源共享与远程监控、远程诊断，交互性好、减少了系统布线的复杂程度、增加了系统的柔性与可靠性、安装维护比较方便等。 2. 1. 2网络化控制系统需要解决的问题 网络化控制系统是工业制造业控制、工业过程控制等领域中的新的研究方向，其应用前景十分广阔，但目前仍处于初创阶段，还存在许多有待于进一步

9、解决的问题。从实现技术上说，网络化控制系统是计算机网络、自动控制和传感技术等的集成，因此，应从这三方面来探讨其主要问题。(1)从计算机网络方面看，主要问题有: 工业现场中，多种现场总线和控制网络共存的异构网络化系统的集成和统一标准问题; 计算机控制网络产品的成熟化问题; 工业以太网的实时性有待于进一步提高;通过带宽配置、网络资源调度、拥塞控制设计、通信约束设计等方法，以提高网络化控制系统的QoS（即减小延迟、延迟抖动、丢包、失序)问题等。(2)从自动控制方面看，主要问题有: 针对网络化控制系统的延迟和丢包的随机性、不确定性，采用各种先进而实用的控制算法(如自适应控制算法)等问题; 通过时钟同步

10、和基于事件驱动方法，处理传感器、控制器和执行器之间的同步采样问题; 通过控制任务调度算法、多变量系统解耦控制、随机最优控制、鲁棒控制等方法，以提高闭环网络化控制系统的QoP(动态性能，稳态性能)问题; 网络化控制系统中通常同时包含离散的和连续的过程与状态，这是一个混合控制系统，因此可采用混合控制系统的理论与方法进行分析与设计的问题等。(3)从传感技术方面看，必须加强网络节点测控器的研究，主要问题有:集成化问题，即如何将网络化控制系统中的传感器、控制器和执行器采用嵌入式系统以实现节点化、网络化和智能化;网络通讯接口的统一化问题;节点测控器应提供数据处理能力，提供工业规场级的安全性(如电磁隔离)和

11、可靠性(如冗余、容错和故障诊断)等。2.1.3网络化控制系统解决方法NCS的出现对于传统的控制理论、技术与方法与工程应用也产生了深远的影响。在理论上，网络规模的不断扩大，网络自身的服务质量问题、拥塞问题等也变得越来越突出，从而给控制理论的研究带来了新的间题，而由于网络通信中不可避兔存在传输延迟、丢包等问题，这也给传统的控制理论提出了新的挑战。控制领域的大量研究表明，通信网络阻塞造成的传输延迟和数据丢失对于控制系统的性能具有很大的影响，严重时可能造成控制系统失稳和崩溃。解决传输延迟和数据丢失的常用方法主要有以下2种。第1种方法是在控制系统模犁中显式计及传输延时和数据丢失的影响，然后利用解析方法评

12、估控制系统在一定的传输延迟和数据丢失率下是否能够稳定工作。第2种处理传输延迟和数据丢失的方法被称为延迟和丢失补偿。其核心思想是在任意一个时间点上，控制系统不仅要计算当前的控制信号，还要根据系统状态变量的模型预测值计算未来几个时间点的控制信号，并一起发送到执行器。一旦当前时间点的控制信号因为传输延迟或丢失而没有到达执行器，则执行器将根据之前收到的预侧控制信号发出执行指令。如图2所示，含有延迟与丢失补偿环节的执行器有“同步“和“中断”2种工作状态。在正常情况下，执行器处于“同步”状态。一旦执行器没有收到当前时间点的控制信号，则转入“中断”状态，根据预测控制信号发布执行命令，直到其收到新的控制信号为

13、止。将延时与丢失补偿法应用于电办系统的关键在于如何建立准确的系统信息(常规发电机组出力、负荷水平、风机出力、太阳能光状系统出力、电动汽车龟池电量水平等)预测模型，并发展高效的优化算法，以有效地产生高质量的预测控制信号。 2.2电力CPS的混合控制方法 控制方法和控制系统的性能受到电力信息系统性能的制约。一方面，计算系统的性能决定了某种控制算法的最高时间复杂度。若控制算法过于复杂，则计算系统可能无法及时完成控制指令计算。另一方面，通信网络的性能决定了某种控制方法可以利用的最大信息量。一般而言，利用的系统信息越多，越有可能得到更好的控制策略。然而，通信网络的性能决定了能够从传感装置流动到调度申心或

14、变电站的信息量的上限。由于智能电网不可能从头建立，其必然是从现有电力系统逐步演变而来，这样从降低成本的角度出发，智能电网的通信，尤其是从地调到分布式电源和终端用户的通信，将很可能利用现有的通用通信网络(如Internet)来实现。这样，在实际系统运行中，电力信息系统的性能未必能够满足控制系统的要求。这就对控制方法和控制系统的灵活性提出了很高的要求。从这个角度考虑，电力CPS的控制应该可以在多种控制方法之间灵活切换。在信息系统性能允许的情况下，应该选择从整体上最优的控制方法，例如由调度中心进行全局最优控制。一亘信息系统的性能因故障或外部攻击有所降低，系统将基于前面提出的稳态和动态分析方法，来自动

15、选择次优控制方法(如分层分区控制); 信息系统当前所具备的性能应该能够保证该方法的稳定运行。在严重情祝下，如通信网络大部分失灵或失去调度中心主服务器的情况下，各种设备将依据本地信息实施本地控制。利角上述多种控制方法相结合的棍含控制策略，可以提高电力系统运行的安全与可靠性水平以及运营效率，并减弱信息系统失灵对电力系统的负面影响。3.微电网CPS的体系结构 结合微电网的结构特征，建立了微电网CPS的总体框架。 图1中，双线箭头表示微电网CPS的电能流动，单线箭头表示其信息的流动。整个微电网CPS的架构包括电力网络与信息网络两部分，其中的物理设备主要是微电网中的电力投备，如分布式电源、电力电子装置、

16、储能装置、各种类型负荷等。这里的可中断负荷由于是诸如电动汽车等可移动充电装置，因此这种负荷具有能量的双向流动性，这是微电网的特点之一。信息设备包括各种传感设备、分布式计算设备、服务器、CPS实时网络等。电气物理设备通过电力线连按在一起形成一个可控的小系统，并入电力系统的配电网端，可在紧急情况下断开静态开关独立运行，形成本地电力孤岛。信息网络设备如传感器、服务器、CPS实时网络等，由通信网络连接。微电网CPS可以是未来电力CPS其中一个局域网，通过CPS路由器与电力CPS网络相连。CPS路由器应能方便地实现IP地址编址和异构数据之间格式的转换。微龟网CPS的本地信息和控制中心设置在配网中，中心可

17、以综合附近微电网CPS的所有数据并加以分析和仿真，实时处理汇集节点上传的数据，检查用户身份的合法性，接受本地用户的数据查新和分析请求，向执行器所在的控制节点发出或者转发控制指令。图2为微电网CPS的分层结构，为6层的控制架构，从下到上依次为物理层、调节层、协调层、连接层、网络层和应用层，每层都有适用于自己的网络结构。各层之间，信息不是单向流动，相互之间存在交互和控制，上传的信息多种多样，下放的控制指令也各不相同。物理层是微电网CPS的最低层，主要为微电网的电力设备装置。作为微电网CPS的最底层，它们是被感知对象之一，也是被执行控制对象，能够独立被寻址上网，具有更高的自主性，能够多层次多规模地联

18、网、动态重组和重识别。各种分布式发电装置、储能装置、电力电子器件、保护装置以及各种类型的负载均被IP化。调节层是传感器和执行器组成的域，直接作用于微电网的电力装置与周围物体的环境，对其进行感控。调节层是直接与微电网电气装置及其周围环境接触的作用域。该层向上传递采集的信息，向下发送控制命令。这些传感器除了基本数据采集外，还应该具备基本的数据处理功能，优化上传数据。 协调层位于第3层。传感器和执行器节点将以自组织的方式形成网络，层中可能会基于一些私有的协议，以保证各节点之间也能够相互连通和传递信息。连接层位于协调层和网络层之间。传感器采集微电网中每个物理实体的必要数据，产生的数据量将会很巨大且种类

19、各异，必须通过某种程度的网关将信息进行过滤优化、协议装换或压缩等，以减轻网络的传输压力，使得通过优化的信息在CPS网络上传输。 网络层的主要任务是提供不同类型网络系统间传输所需的规范，使节点能够在不同类型的网络节点间进行寻址和路径选择等工作，提供统一网络间的水平通信和不同网络之间的垂直通信。应用层是与用户直接面对面的层级，为用户提供与网络沟通的操作接口。4.总结本文将CPS引入到智能电网中，使电网具有了灵活、高效、可持续、高可靠性、高安全性，重点分析了CPS在电力系统中的混合控制方法，并详细介绍了微电网CPS体系结构，把CPS控制分为应用层、网络层、连接层、协调层、调节层和物理层，从而实现了C

20、PS混合控制方法。未来的智能电网必须依赖通信网络在调度机构和智能负荷、分布式电源、电动汽车等设备之间传递信息与控制信号。因此，未来的智能电网将是一个典型的网络化控制系统。而另一方面，考虑到通信网络在实际运行中存在由于故障或网络攻击而暂时失灵的可能，完全依赖网络化控制有可能会降低系统运行可靠性。因此，在智能电网环境下较为理想的控制方式应该是网络化控制与本地控制相结合的混合控制。网络化控制系统（，）是指传感器、控制器和执行器（）分布在不同网络节点上，且必须通过通信网络交换信息的控制系统。网络化控制系统是近年来控制领域的研究热点。控制领域的大量研究表明，通信网络阻塞造成的传输延迟和数据丢失对于控制系

21、统的性能具有很大的影响，严重时可能造成控制系统失稳和崩溃。解决传输延迟和数据丢失的常用方法主要有以下种。第种方法是在控制系统模型中显式计及传输延时和数据丢失的影响，然后利用解析方法评估控制系统在一定的传输延迟和数据丢失率下是否能够稳定工作。第种处理传输延迟和数据丢失的方法被称为延迟和丢失补偿。其核心思想是在任意一个时间点上，控制系统不仅要计算当前的控制信号，还要根据系统状态变量的模型预测值计算未来几个时间点的控制信号，并一起发送到执行器。一旦当前时间点的控制信号因为传输延迟或丢失而没有到达执行器，则执行器将根据之前收到的预测控制信号发出执行指令。如图所示，含有延迟与丢失补偿环节的执行器有“同步”和“中断”种工作状态。在正常情况下，执行器处于“同步”状态。一旦执行器没有收到当前时间点的控制信号，则转入“中断”状态，根据预测控制信号发布执行命令，直到其收到新的控制信号为止。将延时与丢失补偿法应用于电力系统的关键在于