面向信息物理融合电力系统弹性提升的运行与控制方法研究

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随着经济的发展,社会的进步,人类对能源的需求越来越高。然而,全球环境问题的日益突出,迫使着能源的消费结构从传统的化石能源逐渐转变为可再生的清洁能源,从而实现“碳达峰、碳中和”目标。为适应可再生能源的不确定性,提升能源的利用效率,加强电网的感知与控制能力,传统电力系统已逐步向高度信息化、数字化、智能化的新型电力系统转型,这使得未来的电力系统将是一个信息与物理高度融合的大型非线性复杂系统。另一方面,近年来全球极端灾害频繁发生,电力系统作为一个关乎国计民生的能源供给系统,对其进行灾害抵御、恢复能力的研究十分重要。本文从信息物理融合电力系统的视角,对电力系统的弹性提升进行了深入的探讨与研究,主要包括以下四个方面的内容:(1)本文搭建了两套信息物理融合电力系统的联合仿真平台。为提高仿真的准确性,本文将电力信息系统、电力物理电网系统分别在专业的通信仿真软件与电气仿真软件中建模仿真。对于非实时联合仿真平台,本文在单台PC机内搭建了OPNET与MATLAB/Simulink的仿真平台,并基于主从模式提出了一种时间同步方法。对于实时联合仿真平台,本文搭建了包括仿真上位机RT-LAB、OPAL-RT仿真器、OPNET软件、MATLAB/Simulink软件的多机联合仿真平台,并对其中的数据交互接口进行了扩展。最后,对所搭建的两套仿真平台进行了算例验证。(2)本文提出了一种基于信息交互的孤岛微电网自适应经济运行方法。首先,各分布式电源(Distributed Generation,DG)通过集中式、分布式的信息交互模式,实现微电网的电压频率稳定。本文运用所搭建的信息物理融合仿真平台对其稳定性进行验证。其次,对分布式无微电网中央控制器(Microgrid Center Controller,MGCC)下的系统经济运行,本文提出了基于一种自适应状态切换的方法,在微电网机组出力约束下实现系统经济最优,最后运用所搭建的仿真平台对该方法进行仿真验证。(3)本文提出一种极端信息攻击下的信息物理融合微电网弹性抵御方法,实现错误数据注入攻击(False Data Injection Attack,FDIA)下系统的经济稳定运行。所提出的弹性抵御方法使DG自适应地判断需要剔除的数据量大小,降低误剔除率。相较于传统极端数据剔除方法,运用所提的方法,系统收敛条件更为宽松。此外,基于图论的方法,本文对所提出方法下微电网系统收敛性进行了推导证明,同时给出了收敛所需的通信拓扑结构,并运用所搭建的仿真平台,在不同规模的测试系统上对所提方法进行了仿真验证。(4)本文提出一种极端自然灾害下的信息物理融合输电网弹性评估及提升方法。根据冰灾的气象预报信息,实现对灾害下输电网的弹性评估以及提出相应的弹性提升方法。首先,分析了基于光纤复合架空地线(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire,OPGW)的信息物理融合输电网结构。随后,建立了灾时的信息物理融合时空故障模型以及响应模型。最后,针对损坏元件,提出了相应的检修模型。仿真结果表明,传统弹性评估由于缺乏对信息网故障的考虑,其评估结果过于理想化,而本文所提的信息物理融合输电网弹性评估能更为客观真实地反映系统弹性。此外,本文立足于该模型,提出相应的弹性提升措施,能更准确地提升输电网抗灾能力。
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