信息物理多重攻击下配电网状态估计关键技术评述

配电网数字化转型将进一步促进信息系统与物理系统的深度耦合,由于配电网信息安全防御资源有限,难以将信息侧安全风险隔离于物理系统之外,这也使得配电网状态估计正面临全新的挑战。首先,文中简要介绍了配电网信息物理系统体系结构,并构建了面向信息物理系统的配电网状态估计技术框架;其次,较为全面地梳理了信息物理融合背景下配电网状态估计技术的国内外研究现状,包括考虑网络攻击的配电网伪量测建模与分析、配电网虚假数据注入攻击分析与防御以及配电网信息物理系统安全风险分析与可靠性评估等方向;最后,对该领域未来进一步发展所面临的关键问题进行了探讨和分析。

面向光伏集群的配电网模型⁃数据联合驱动无功/电压控制

传统配电网的无功/电压控制(VVC)方法,难以兼顾控制决策的全局最优性与实时响应能力,分布式光伏(DPV)的分散化、高比例并网导致该矛盾日益突出。结合模型优化的寻优能力与深度强化学习的在线决策效率,提出了面向光伏(PV)集群的配电网模型-数据联合驱动VVC策略。首先,考虑日前优化调度与日内实时控制的运行特征,结合DPV集群划分,构建了配电网分布式两阶段VVC框架;然后,以系统运行网损最低为目标,建立了配电网分布式日前VVC模型,并提出了基于Nesterov加速梯度的分布式求解算法;其次,以日前决策为输入量,建立了基于部分可观马尔可夫博弈的配电网实时VVC模型,并提出了基于迭代终止惩罚函数的改进多智能体深度确定性策略梯度算法;最后,基于MATLAB/PyCharm软件平台进行了算例分析,验证了所提方法的全局趋优性以及实时响应能力,提高了PV高比例接入配电网运行的经济性和安全性。

新型电力系统设备状态监测与故障诊断传感芯片关键技术与展望

随着新型电力系统的建设与发展,电力关键设备运行环境发生改变,运行过程也面临更多风险。电力关键设备的状态监测和故障诊断技术是其正常运行的保障,但目前仍存在不足。集信号采集、数据分析、信息传输功能于一体的传感芯片将能够实现在线、实时、准确的关键设备状态监测和故障诊断。文中从面向新型电力系统的设备状态监测和故障诊断传感芯片的基本概念出发,综述了传感芯片的传感采集、信号处理、数据分析及信息传输4项关键技术的发展现状,指出关键技术面临的挑战。最后,展望了未来电力关键设备状态监测和故障诊断研究方向。

双同步坐标系解耦滤波器复变量建模与分析

针对解耦双同步坐标系锁相环(DDSRF-PLL)传统实变量模型阶数较高、序分量响应不易观察、滤波性能评估困难等问题,提出了一种基于复变量的DDSRF-PLL建模方法。首先,建立了其复变量模型,分析了序分量响应特性,该复变量模型表明正序基波输出模型对负序基波分量实现负无穷大的衰减,同时可得到其他频率序分量的衰减增益;然后,基于提出的复变量模型,设计了二阶低通滤波器以显著增强解耦网络的滤波性能,并进一步分析了高阶低通滤波器的可行性与必要性。研究表明采用二阶低通滤波器即可满足大部分场景下的谐波抑制要求,且具有计算量小、模型阶数低、易于数字实现的优点。实验结果验证了所提复变量模型的正确性与有效性。

考虑电-氢-热多能互补的微网多目标优化配置

氢储能具有储能容量大、储存时间长、清洁无污染、可实现多种能源网络互联互补和协同优化等诸多优点,有望成为推动分布式能源发展和提升终端能源利用效率的重要支撑技术。为了提高独立型微网供电可靠性及可再生能源利用率,文中分析了典型电、氢、热装置的运行特性,提出考虑电-氢-热多能互补的独立微网多目标优化配置模型,并基于模拟退火的粒子群(simulated annealing particle swarm optimization,SAPSO)算法对目标问题进行求解,获得不同配置方案下的技术经济指标。最后,通过东北某地独立微网优化配置算例,基于MATLAB平台验证了所提多能互补配置方案较传统电储能配置方案负荷失电率降低了3.18%,可再生能源利用率提高了8.37%。所提配置方案可有效促进可再生能源消纳,保证独立微网的供电可靠性。

低温环境下考虑电池寿命的微电网优化调度

储能系统作为微电网重要组成部分,为微电网协调能量供需提供了解决方案。然而,在低温环境下,储能系统中电池寿命的快速衰减严重影响了系统的经济性和安全性。因此,该文提出一种低温环境下考虑电池寿命的微电网优化调度混合整数模型,来仿真微电网优化调度过程和高效计算储能充放电计划。首先,基于阿伦尼乌斯方程,分析低温环境中电池寿命的受影响机理;接着,采用考虑充放电次数和放电深度的电池寿命方程,构建电池全温度范围的老化模型;最后,构建考虑电池自发热和全温度范围的寿命衰减模型,并通过可行域凸极点组合方法对模型进行转化和简化,来避免模型中非线性项目导致无法获得全局最优解的困境。算例验证和对比分析表明,该文提出的模型能在低温环境中降低系统运行成本,减缓电池衰减速率,延长近一倍的电池寿命。

新能源自同步电压源接入电力系统频率特性分析

随着新能源渗透率的提高,研究新能源以自同步电压源形式接入后的系统频率动态特性对系统频率稳定分析具有重要意义。基于此,文中采用负荷容量为基准容量,构建了包含同步发电机、跟网型电流源接入新能源、构网型自同步电压源接入新能源在内的系统频率动态聚合模型,分别采用阻尼比、H∞范数等指标分析了自同步电压源型新能源占比与自同步电压源控制参数对系统频率动稳态性能的影响。研究结果显示,自同步电压源型新能源占比对系统频率性能的影响存在临界范围,当自同步电压源型新能源占比超出临界范围时,占比提高对频率性能的提升作用明显降低。最后,通过基于RT-LAB的实时仿真,验证了所提系统频率动态聚合模型的有效性及分析结果的正确性。

计及阻尼特性的构网型并网逆变器暂态同步稳定性分析

构网型并网逆变器(GFM-GCI)可以为电网提供电压和频率支撑,有利于提高电网稳定性。首先,针对GFM-GCI的暂态同步稳定问题,在考虑阻尼特性的基础上采用等面积法则,从能量角度定性分析GFM-GCI控制参数对暂态同步稳定性的影响机理。然后,采用摄动理论中的多尺度法得到功角非线性二阶微分方程的显式解析解,定量分析控制参数对GFM-GCI暂态同步稳定性的影响。接着,基于解析解和暂态同步稳定边界,给出一种面向GFM-GCI暂态同步稳定的控制参数设计方法,所提控制参数设计方法与现有传统暂态分析方法相比,保守性更低。最后,通过仿真和实验验证了理论分析、解析模型与所提控制参数设计方法的有效性。

计及系统过电压的直流配电网接地方式选择与绝缘配置

过电压特性与系统接地方式密切相关,对关键设备选取、设计具有重要意义,但目前在直流配电网中结合过电压分析进行接地方式选择的研究仍不完善。文中首先基于模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)型±10 kV双端直流配电网分析过电压产生机理,并通过PSCAD/EMTDC平台的故障仿真,对比3种典型接地方式下系统关键位置的过电压峰值。然后,提出综合故障恢复能力、经济性、电压稳定性、过电压峰值作为指标进行接地方式的选择,评估得出交流侧变压器中性点经电阻接地、直流侧不接地为所研究系统的优选接地方式。最后,基于荷电率计算设计方法确定相应的避雷器参数与配置方案,并通过仿真进行了有效性验证。研究结论为直流配电网接地方式选择与绝缘配置提供了参考。

考虑多类型分布式电源和负荷不确定性的主动配电网区间状态估计

分布式电源的间歇性发电并网、电动汽车的随机充电以及智能量测装置的量测误差等使得主动配电网状态估计结果需要考虑更多的不确定因素。在利用区间数对系统量测不确定性予以合理分析与定量描述的基础上,建立主动配电网三相区间状态估计模型。为能够精确求出系统状态估计结果,提出基于迭代运算的线性规划算法对所建立的主动配电网三相区间状态估计模型进行求解,并结合稀疏矩阵技术进一步提高算法的求解速度。对修改的IEEE 123节点算例进行测试分析,与现有非线性区间优化求解方法和蒙特卡洛抽样方法进行比较,结果表明所提方法在估计精度以及计算效率方面均具有一定的优势。以区间数形式对网络中不确定物理量进行刻画与建模后,采用状态估计程序得到的计算结果也会呈现出区间形式,由此可为调度人员提供更加直观的系统状态量上下界信息。

孤岛型微电网分布式二次调节策略及通信拓扑优化

由于线路阻抗分布不均,基于下垂控制的孤岛型微电网需要引入二次调节手段以实现电压及功率的优化控制。传统的二次调节常通过微电网中心控制器(MGCC)实现,但由于存在中心节点,系统的可靠性及可扩展性差。本文提出了一种基于对等稀疏网络的分布式二次调节策略,该策略利用离散一致性算法,仅通过与邻居节点间的有限通信实现分布式单元功率均分及系统平均电压的调节。由于控制节点间完全对等,不存在中心控制器,增加了控制的可靠性及灵活性。利用Matlab/Simulink搭建孤岛型微电网,在JADE平台上开发分布式二次调节策略,联合仿真所提策略的有效性,并与已有集中式、自治式策略进行对比。详细分析通信延时对策略的影响,对通信网络拓扑结构进行多目标优化,根据延时的抗干扰能力选择最优拓扑结构。

考虑分布式电源不确定性的配电网鲁棒动态重构

间歇性分布式电源并网使得配电网网络重构过程需要考虑更多的不确定因素。在利用仿射数对分布式电源出力的不确定性进行合理分析与建模基础上,建立以重构周期内开关动作耗费与网络有功损耗等综合成本最低为目标函数,以网络安全运行为约束条件的配电网鲁棒动态重构模型。为精确求解该数学模型,引入基于最佳等距思想的分段线性逼近方法将原目标函数松弛为线性可解形式,并根据对偶定理将模型进一步等效转化为双层混合整数线性规划问题;最后采用列约束生成算法对模型进行高效求解。修改的PG＆E 69节点系统测试分析结果表明,与现有的配电网确定性动态重构方法比较,所提鲁棒动态重构方法在抗系统不确定性扰动方面具有明显的优势。

三相不平衡有源配电网鲁棒动态重构

考虑配电网的三相不平衡运行和注入功率不确定性可以提高网络重构方案的优化效果和应用价值。首先,对考虑不确定性的分布式电源和负荷注入功率进行仿射数建模,划分重构时段,以有功网损最优为目标函数,基于三相Distflow潮流方程建立含不确定性预算的配电网两阶段鲁棒动态重构数学模型。为高效求解该模型,引入最佳等距分段线性逼近法对模型进行精度可控的线性松弛,并使用列约束生产算法迭代求解。采用标准化配电测试系统验证所提鲁棒动态重构模型的可行性和有效性,通过控制不确定性预算可进一步调节重构方案的保守性和鲁棒性。

计及不确定时滞的有源配电网无功电压鲁棒控制

受外界环境影响,分布式光伏出力具有波动性、不确定性且难以预测,其高渗透接入会带来局部过电压问题,同时其分散化接入的方式进一步加大了控制的难度。因此,该文提出了一种计及不确定时滞的有源配电网无功电压鲁棒控制方法,该方法充分利用光伏的无功调节能力,解决含多种不确定性因素的配电网局部过电压问题;首先,采用含光伏和负荷出力不确定性的多胞体模型设计H∞电压鲁棒控制器,实现对电压越限的抑制;其次,构建不确定时滞补偿模型来解决通信延迟和闭环控制带来的控制滞后性问题;最后,在Matlab/Simulink中搭建PG&E 69节点仿真模型并进行算例分析,验证所提控制方法可适应有源配电网运行状态变化,提高配电网控制的快速性和有效性。

基于线性近似模型的三相不平衡有源配电网重构

针对配电网中分布式电源和负荷具有波动性、时变性,并普遍以三相不平衡方式运行,提出一种有源配电网重构方法。首先,对一天的风力光伏发电和负荷功率进行日前短期预测建模,制定以一天为开关动作周期的日重构决策,降低对配电网运行的冲击。在此基础上,建立以配电网运行日损耗最低和电压偏差最小为总目标的三相不平衡有源配电网多时段重构数学模型,并基于最佳等距分段线性逼近法对原非凸模型进行精度可控的线性近似。最后,通过标准化配电测试系统验证了重构模型的有效性和精确性。

基于电力电子变压器的交直流混合微电网运行模式自适应切换策略

针对交直流混合微电网发生故障时运行模式切换不及时的实际问题,提出了一种基于电力电子变压器的交直流混合微电网运行模式自适应切换策略。以北京崇礼低碳冬奥智能电网综合示范工程为背景,详细介绍了双端供电的交直流混合微电网系统设计方案和各类变流器的控制方法,在此基础上重点设计了6种典型运行模式,利用三元式阐述了各运行模式的稳态判据,并提出了一种基于弱通信的运行模式自适应切换策略。仿真结果表明,所提运行模式自适应切换策略可自行按照预设的切换逻辑在故障条件下及时切换到合适的运行模式,保证了微电网的供电可靠性。

三相不平衡配电网不确定性分布式电源运行域仿射求解算法

高不确定性分布式电源(DG)的大量并网,给配电网安全、可靠运行带来了极大挑战。DG运行域可为DG的接入位置提供参考依据,并可实时监控配电网的运行安全,实现预警和预防性控制。提出了一种三相不平衡配电网中不确定性DG运行域的仿射求解算法。利用基于仿射算术的潮流计算求取节点电压关于DG出力不确定变量的近似线性表达式,综合考虑馈线容量、反向潮流以及电压表达式的安全范围等约束条件,构建三相不平衡配电网的DG运行域的优化求解模型,继而求取配电网中各DG的运行域边界。通过对改进的IEEE 123三相不平衡系统进行仿真,并与近似精确的仿真逼近法进行对比,验证了所提求解算法的准确性及高效性。

交直流混合微电网中电力电子变压器功率控制与模式切换方法

提出电力电子变压器在交直流混合微电网中的功率控制与模式切换方法。在交直流混合微电网的离网模式下,提出剩余功率下垂控制方法实现交直流系统的相互支撑。为实现电力电子变压器不同运行模式下的无缝切换,将不同运行模式融合到1个功能外环中,有效地降低了模式切换时的暂态波动。仿真结果表明,所提功率控制策略既能避免交直流母线的过度耦合,又能为交直流混合微电网提供一定的相互支撑作用;所提模式切换方法在保持稳态性能不变的情况下,显著提高了电力电子变压器的暂态性能。

电压控制型并网逆变器瞬时功率降阶控制方法

电压控制型并网逆变器由于其特有的优点,如便于孤岛运行、可脱离锁相环、有利于提高电网稳定性等,受到越来越广泛的关注。针对电压控制型并网逆变器瞬时功率控制需求,文中提出了时间常数与功率幅度可自由调节的有功惯量支持控制与下垂控制。所提算法采用前馈与零极点消除的方式,将原有二阶有功控制系统降阶为一阶系统,从而有效改善了功率控制的动态响应,且由于前馈的引入,有效提高了系统的控制自由度,使得功率调节时间与功率-频率调节幅度可独立设计。实验结果表明所提控制方法可以实现具有良好动态性能的惯量支持及下垂控制。

孤岛微电网分布式P-V协调控制策略

为提升有功功率分配精度和降低线路损耗,研究了一种孤岛微电网分布式有功-电压(P-V)协调控制策略。重点提出了考虑线损系数及节点电压优化量的有功分配因子设计方法,并研究了基于有功分配因子一致原则的功率分配方法。采用分布式稀疏通信网络进行信息交互,利用一致性算法得到二级控制所需的有功分配因子平均估计值和系统平均电压估计值,产生综合电压优化量完成下垂控制优化,实现孤岛微电网分布式P-V协调控制。该策略可有效兼顾线路损耗降低以及有功功率分配精度提升,控制各节点电压在合理范围内,并调节系统平均电压至额定值。最后通过MATLAB/Simulink仿真验证了所提控制策略的有效性。