本發(fā)明涉及一種多樣化通信問題下虛擬電廠調(diào)頻信息物理一體化設(shè)計方法，屬于電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制。

背景技術(shù)：

1、隨著可再生能源滲透率的不斷提高，電力系統(tǒng)的同步慣量逐漸減少。這使得傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)能力不足以滿足可再生能源出力的間歇性帶來的頻率調(diào)節(jié)需求。近年來，大量光伏、風(fēng)電等靈活的分布式資源廣泛接入配電網(wǎng)，這為系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)提供了新的機(jī)遇。鑒于這些資源的數(shù)量眾多、容量有限，因此建設(shè)虛擬電廠來聚合和協(xié)調(diào)這些資源以支撐電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)非常必要。

2、目前，虛擬電廠參與頻率調(diào)節(jié)的研究主要集中在設(shè)計資源優(yōu)化調(diào)度與投標(biāo)、競價策略來提高系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性，而很少有研究通過虛擬電廠的協(xié)調(diào)控制來提供系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)服務(wù)。與此同時，虛擬電廠協(xié)調(diào)控制過程需要良好的通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。然而，現(xiàn)實(shí)通信環(huán)境的復(fù)雜性給虛擬電廠頻率調(diào)節(jié)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。近年來，現(xiàn)有技術(shù)中公開了一些先進(jìn)的通信設(shè)計方法來克服通信環(huán)境的影響以支撐虛擬電廠頻率控制，然而惡意的網(wǎng)絡(luò)攻擊影響以及在克服通信網(wǎng)絡(luò)不確定性所產(chǎn)生通信成本很少被考慮。因此，本發(fā)明提出了一種多樣化通信問題下虛擬電廠調(diào)頻信息物理一體化設(shè)計方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種多樣化通信問題下虛擬電廠調(diào)頻信息物理一體化設(shè)計方法，有效減少多樣化通信問題對虛擬電廠調(diào)頻業(yè)務(wù)的影響，保證頻率調(diào)節(jié)業(yè)務(wù)的實(shí)時性與準(zhǔn)確性。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，多樣化通信問題下虛擬電廠調(diào)頻信息物理一體化設(shè)計方法，具體包括以下步驟：

3、（1）搭建虛擬電廠參與頻率調(diào)節(jié)的控制架構(gòu)；

4、（2）提出一種云邊協(xié)同下針對丟包的虛擬電廠功率調(diào)度和通信資源分配的聯(lián)合設(shè)計方案，其中在物理層，提出考慮丟包的虛擬電廠功率調(diào)度，在信息層，設(shè)計通信資源分配策略，以消除丟包影響，從而確定精確的功率調(diào)度；

5、（3）提出一種邊端協(xié)同下預(yù)防網(wǎng)絡(luò)攻擊的高可靠信息傳輸方法，其中在物理層，實(shí)施動態(tài)功率控制，在信息層，采用數(shù)字簽密算法，以改善系統(tǒng)信息傳輸?shù)钟W(wǎng)絡(luò)攻擊，從而確保精確的動態(tài)控制。

6、進(jìn)一步地，所述步驟（1），包括：

7、所搭建的控制架構(gòu)中，虛擬電廠控制中心負(fù)責(zé)響應(yīng)主電網(wǎng)調(diào)度中心，并做出提供頻率控制服務(wù)的決策。邊緣控制器負(fù)責(zé)接收來自控制中心做出的經(jīng)邊緣節(jié)點(diǎn)輔助通信傳輸?shù)恼{(diào)度指令，并對虛擬電廠內(nèi)部的分布式資源實(shí)施控制與監(jiān)測。這里的資源包括可再生能源，如光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電。

8、進(jìn)一步地，所述步驟（2），包括：

9、（2.1）提出的考慮丟包的虛擬電廠功率調(diào)度具體步驟為：

10、首先，計算虛擬電廠總調(diào)節(jié)能力，對于第個可再生能源，它在時刻的向上與向下調(diào)節(jié)功率，分別計算為：

11、?（1）

12、其中，與表示時刻第個可再生能源的最大與最小輸出功率，表示時刻第個可再生能源調(diào)度功率，在第個虛擬電廠中，它在時刻的向上與向下聚合調(diào)節(jié)功率，分別計算為：

13、?（2）

14、其中，為在第個虛擬電廠中可再生能源的數(shù)目；

15、基于單個虛擬電廠的聚合調(diào)節(jié)功率，所有虛擬電廠在時刻的向上與向下的聚合調(diào)節(jié)能力，分別計算為：

16、?（3）

17、其中，為虛擬電廠的數(shù)目；然后，基于虛擬電廠的調(diào)節(jié)能力，在時刻它們承擔(dān)的調(diào)節(jié)任務(wù)計算為：

18、?（4）

19、其中，表示時刻主電網(wǎng)調(diào)度中心所需的調(diào)節(jié)功率；

20、最后，每個虛擬電廠所需的調(diào)節(jié)功率基于它們的調(diào)節(jié)能力按比例計算為：

21、?（5）

22、其中，表示時刻第個虛擬電廠所承擔(dān)的調(diào)節(jié)功率；

23、考慮到丟包影響，時刻第個虛擬電廠接受到的調(diào)節(jié)功率表示為：

24、?（6）

25、其中，表示第個虛擬電廠數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率，為一個隨機(jī)變量；

26、（2.2）提出的通信資源分配策略具體步驟為：

27、首先，第個虛擬電廠向邊緣控制器下發(fā)調(diào)節(jié)功率數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率定義為：

28、?（7）

29、其中，為調(diào)節(jié)指令的到達(dá)率，為第個邊緣控制器的接受率，為調(diào)節(jié)功率數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)母怕剩?/p>

30、利用算力建立一種帶寬釋放模型：

31、?（8）

32、其中，與分別為第個邊緣控制器所需的帶寬與算力，，，和為模型參數(shù)；

33、在邊緣節(jié)點(diǎn)的協(xié)作中繼傳輸下，第個邊緣控制器的接受率計算為

34、?（9）

35、其中，為傳輸帶寬，表示帶寬分配的權(quán)重，為信息位，代表數(shù)據(jù)包大小，表示正確接收數(shù)據(jù)包的概率，為二進(jìn)制誤碼率，為虛擬電廠控制中心到邊緣控制器傳輸鏈路的信噪比，是協(xié)作中繼策略下的信噪比，和分別為虛擬電廠控制中心與邊緣節(jié)點(diǎn)，邊緣控制器與邊緣節(jié)點(diǎn)之間的信噪比；

36、將（9）帶入（7）中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率重新表示為：

37、?（10）

38、然后，考慮的通信資源分配的優(yōu)化問題目標(biāo)為：

39、?（11）

40、其中，與為權(quán)重因子，與為帶寬與算力的單價；

41、將（8）與（10）帶入（11），該目標(biāo)重新描述為：

42、?（12）

43、令

44、?（13）

45、?（14）

46、?（15）

47、通信資源分配的優(yōu)化問題如下所述：

48、?（16）

49、其中，代表邊緣節(jié)點(diǎn)的總帶寬；

50、最后，采用拉格朗日對偶分解方法來求解上述問題，主要求解過程如下：

51、拉格朗日函數(shù)定義為：

52、?（17）

53、其中，代表拉格朗日乘子；令

54、?（18）

55、則拉格朗日函數(shù)進(jìn)一步寫為：

56、?（19）

57、令，（p1）的對偶優(yōu)化問題寫為：

58、?（20）

59、將優(yōu)化問題（p2）分解為算力分配問題與乘子更新問題，其中，對于算力分配問題，最優(yōu)的算力分配值推導(dǎo)為：

60、?（21）

61、然后，對于乘子更新問題，最優(yōu)乘子值計算為：

62、?（22）

63、其中，表示步長，當(dāng)，迭代算法停止，其中表示算法結(jié)束閾值；

64、基于算力分配值，最優(yōu)帶寬分配值計算為：

65、?（23）。

66、進(jìn)一步地，所述步驟（3），包括：

67、（3.1）提出的虛擬電廠聚合功率動態(tài)控制設(shè)計具體步驟為：

68、可再生能源的功率動態(tài)控制過程可表述為：

69、?（24）

70、其中，與分別為第個可再生能源的功率輸出和設(shè)定點(diǎn)，是第個可再生能源的時間常數(shù)；

71、將上述動態(tài)過程用狀態(tài)空間模型表示為：

72、?（25）

73、其中，輸入表示第個可再生能源的功率設(shè)定值，狀態(tài)和輸出表示第個可再生能源動態(tài)控制功率設(shè)定值的功率輸出；

74、設(shè)在第個虛擬電廠中有個可再生能源，則第個虛擬電廠的功率輸出定義為：

75、?（26）

76、其中，，，，

77、，，其中狀態(tài)表示第個虛擬電廠中每個可再生能源的功率輸出，輸入表示第個虛擬電廠中每個可再生能源的功率設(shè)定值，輸出為第個虛擬電廠的聚合功率輸出；

78、推導(dǎo)出虛擬電廠聚合功率動態(tài)控制離散時間狀態(tài)空間模型如下：

79、?（27）

80、其中，，表示采樣時間和為單位矩陣；

81、令和為預(yù)測與控制時域，從（27）推導(dǎo)出：

82、?（28）

83、?（29）

84、其中，，

85、，

86、

87、，

88、?，

89、定義分布式模型預(yù)測控制的第個虛擬電廠的目標(biāo)函數(shù)為：

90、?（30）

91、?（31）

92、?（32）

93、其中，和表示正定加權(quán)矩陣，表示從第個邊緣控制器收到的聚合功率控制設(shè)定值中得到的參考值；

94、將（30）-（32）用矩陣寫為：

95、?（33）

96、?（34）

97、?（35）

98、其中，，，

99、，

100、

101、，

102、，，

103、，其中和分別表示第個虛擬電廠中第個可再生能源的下界和上界功率控制輸入，和分別為第個虛擬電廠中第個可再生能源的下界和上界功率控制輸入變量差；

104、最小化目標(biāo)函數(shù)（30）和約束條件（31）和（32），得到在 k時刻最優(yōu)控制序列為：

105、?（36）

106、其中，第一個元素被作為第個虛擬電廠聚合功率控制動態(tài)特性的分布式模型預(yù)測控制律；

107、所提出的數(shù)字簽密算法實(shí)施具體步驟為：

108、以模型預(yù)測控制器至虛擬電廠的通信過程為例，令模型預(yù)測控制器提供的控制信號在[0，99]kw的范圍內(nèi)，將明文記為 pt，具體為：

109、?（37）

110、其中，為控制信號的每位數(shù)字值，以為例,和分別表示其整數(shù)位和小數(shù)位；

111、首先，任選兩個不同的大素數(shù)和，令，根據(jù)歐拉函數(shù)計算，然后選取一個滿足（38）的大整數(shù)，通過求解（39）得到另一個整數(shù)，具體為：

112、?（38）

113、?（39）

114、其中，為最大公約數(shù)，為任意整數(shù)，且，對于 pt中的每個，利用（40）與（41）生成公鑰，模型預(yù)測控制器的私鑰和數(shù)字簽名：

115、?（40）

116、?（41）

117、其中，為取模運(yùn)算；

118、在實(shí)施數(shù)字簽名之后，對 pt和使用goldreich-goldwasser-halevi加密。虛擬電廠的密鑰為該格的一組理想的基，它由一組線性無關(guān)的向量組成，記為，滿足如下約束：

119、?（42）

120、其中，det代表行列式，表示的維數(shù)，表示這些向量的hadamard比率，其中，越接近1，這些向量越正交，虛擬電廠的公鑰被視為格的不理想基，它的hadamard比率非常小，計算為

121、?（43）

122、其中，表示的整數(shù)矩陣，在 pt中，其加密過程描述為：

123、?（44）

124、其中，表示密文，表示隨機(jī)擾動，接收到后，虛擬電廠將其解密為原始 pt和簽名，表示為：

125、?（45）

126、其中，是四舍五入運(yùn)算，此外，和的加密和解密過程完全相同。根據(jù)恢復(fù)的和，虛擬電廠的簽名驗(yàn)證如下：

127、?（46）

128、其中，為簽名的狀態(tài)，1、0分別表示接受和拒絕。

129、一種電子設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在所述存儲器上并可在所述處理器上運(yùn)行的計算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時實(shí)現(xiàn)所述的多樣化通信問題下虛擬電廠調(diào)頻信息物理一體化設(shè)計方法。

130、一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機(jī)指令，該計算機(jī)指令被處理器執(zhí)行時實(shí)現(xiàn)所述的多樣化通信問題下虛擬電廠調(diào)頻信息物理一體化設(shè)計方法。

131、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種多樣化通信問題下虛擬電廠調(diào)頻信息物理一體化設(shè)計方法所達(dá)到的有益效果包括：

132、（1）本發(fā)明提出的虛擬電廠參與頻率調(diào)節(jié)的控制架構(gòu)，能夠有效挖掘利用虛擬電廠聚合配電網(wǎng)側(cè)海量可再生分布式資源的調(diào)節(jié)潛力以支撐電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)需求；

133、（2）本發(fā)明針對目前研究中沒有考慮克服通信網(wǎng)絡(luò)不確定性所產(chǎn)生通信成本，提出一種云邊協(xié)同下針對丟包的虛擬電廠功率調(diào)度和通信資源分配的聯(lián)合設(shè)計方案，不僅能夠有效減少丟包對虛擬電廠功率調(diào)度的影響，而且保證虛擬電廠頻率調(diào)節(jié)通信可靠性的同時兼顧所產(chǎn)生的通信成本；

134、（3）本發(fā)明針對目前研究中在計及與克服惡意的網(wǎng)絡(luò)攻擊影響方面尚屬空白，提出一種邊端協(xié)同下預(yù)防網(wǎng)絡(luò)攻擊的高可靠信息傳輸方法來減少網(wǎng)絡(luò)攻擊對功率動態(tài)控制的影響，有效提高了虛擬電廠提供頻率調(diào)節(jié)服務(wù)的準(zhǔn)確性。