一种集中控制型虚拟发电厂的通信数据压缩方法及系统与流程

本发明属于配电运行领域，特别涉及一种集中控制型虚拟发电厂的通信数据压缩方法及系统。

背景技术：

大量以清洁和可再生能源为一次能源的分布式资源(或称分布式电源)接入电力系统运行是未来电网发展的必然趋势，这些分布式发电的接入可同时提高用户的经济效益，电网运行的安全性和可靠性以及社会综合效益。但是，目前对分布式发电接入所采用的“接入后不管”方式，一定程度上对电网的安全稳定运行带来了负面的影响，不利于分布式资源的进一步发展和利用。

因此，在大量分布式资源接入运行的情况下，电力系统需要采取一定的运行模式和控制方式来消解分布式电压给电力系统造成的压力和负面影响，延缓电力网络升级改造带来的巨大经济压力，在充分利用现有电力网络设施的前提下尽可能地消纳更多的分布式资源。目前虚拟发电厂模式是公认最有效的运行和控制模式之一，该模式是利用先进的通信与控制技术，协调控制散布在配电网网络中的多个分布式资源、分布式储能和用户需求响应(三者统称为分布式资源)，使得它们的行为对电网而言表现为一个整体发电厂，通过参与电力市场交易向用户提供电力供应，同时还可向电网提供电压支撑、频率调节等辅助服务。

在目前的虚拟发电厂控制模式中，集中型控制因其响应速度快，控制实现建立而成为目前实用化程度最高的方式，该模式需要有一个集中控制器，在进行各分布式资源的调度过程中，需要确定各分布式资源的输出功率，确定该功率有两种方式，第一种方式是集中控制器完全了解各分布式资源的模型、约束条件和当前运行状况，从而直接可确定各分布式资源的输出功率，但这种方式需要在集中控制器端建立大量的分布式资源模型，在新的分布式资源加入后需要重新建立相应的模型，严重制约了系统的开放性和可扩展性；第二种方式是各分布式资源在每个调度时间段之前上传所有的可行的输出功率至集中控制器，由集中控制器从中进行选取，但这种方式在分布式资源接入数量较多的情况下，所需要的通信数据量大，对通信网络的性能提出了很高的要求。

因此，如果能设计一种适用于集中控制型虚拟发电厂的通信数据压缩技术方案，使得在各分布式资源与虚拟发电厂集中控制器交换的信息极大地减小，同时该信息在分布式资源端 的生成、在通信网络中的传输以及在集中控制器端的解析简单方便且具有标准化形式，将能大大减小对通信网络的性能要求，便于分布式资源的即插即用，对于提高集中控制型虚拟发电厂的实用化程度具有重要理论和实用价值，但目前本领域尚未有相关技术方案出现。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种集中控制型虚拟发电厂的通信数据压缩技术方案。

本发明技术方案提供一种集中控制型虚拟发电厂的通信数据压缩方法，虚拟发电厂包括多个接入馈电网络的分布式资源和集中控制器，各分布式资源分别与集中控制器之间通过双向通信线路连接，各分布式资源分别进行相应通信数据压缩，由集中控制器根据压缩后的通信数据确定各分布式资源的相应输出功率设定值，

任一分布式资源进行相应通信数据压缩的实现方式包括如下步骤，

步骤1，分布式资源根据可运行功率范围，从中选择N个可运行功率，记为P_i，i＝1,2,…,N，N为预设的选择数量；

步骤2，分布式资源求解高维特性空间内包围N个可运行功率的最小球体的半径，实现如下，

令：

式中，W为中间变量，k(P_i,P_i)为自相关系数，k(P_i,P_j)为互相关系数，β_i为待求的系数，P_i为第i个可运行功率，P_j为第j个可运行功率，

求解中间变量W的最小值，得到系数β_i，i＝1,2,…,N，然后求解高维特性空间内包围N个可运行功率的最小球体的半径R如下，

R＝max(R(P_i)),i＝1,2,...,N

其中R(P_i)为包围第i个可运行功率P_i的最小球体半径，计算如下，

步骤3，分布式资源将步骤2所得R和β_i通过双向通信线路上传至集中控制器，i＝1,2,…,N；

集中控制器通过判断及调整确定所有的分布式资源的输出功率设定值P_set均在可运行功率范围内后，通过双向通信网络向各分布式资源发送相应输出功率设定值P_set，各分布式资源 产生相应的功率输出；

其中，判断及调整确定任一分布式资源的输出功率设定值P_set在可运行功率范围内的实现方式为，根据当前调度时间段内某个分布式资源初始的输出功率设定值P_set，结合接收到的R和β_i，i＝1,2,…,N，根据下式计算输出功率设定值P_set偏离包围N个可运行功率的最小球体的球心的距离R(P_set)，

若R(P_set)≤R，则该设定值P_set在该分布式资源的可运行功率范围内；

若R(P_set)>R，则该设定值P_set不在该分布式资源的可运行功率范围内，重新设定新的输出功率设定值P_set，直至满足R(P_set)≤R。

而且，步骤2中，互相关系数的公式如下，

式中，e为数学常数，σ为宽度系数。

本发明提供一种集中控制型虚拟发电厂的通信数据压缩系统，虚拟发电厂包括多个接入馈电网络的分布式资源和集中控制器，各分布式资源分别与集中控制器之间通过双向通信线路连接，各分布式资源分别进行相应通信数据压缩，由集中控制器根据压缩后的通信数据确定各分布式资源的相应输出功率设定值，

任一分布式资源包括如下模块，

功率点抽取模块，用于根据可运行功率范围，从中选择N个可运行功率，记为P_i，i＝1,2,…,N，N为预设的选择数量；

包围球体半径确定模块，用于求解高维特性空间内包围N个可运行功率的最小球体的半径，实现如下，

令：

式中，W为中间变量，k(P_i,P_i)为自相关系数，k(P_i,P_j)为互相关系数，β_i为待求的系数，P_i为第i个可运行功率，P_j为第j个可运行功率，

求解中间变量W的最小值，得到系数β_i，i＝1,2,…,N，然后求解高维特性空间内包围N 个可运行功率的最小球体的半径R如下，

R＝max(R(P_i)),i＝1,2,...,N

其中R(P_i)为包围第i个可运行功率P_i的最小球体半径，计算如下，

通信上传模块，用于将包围球体半径确定模块所得R和β_i通过双向通信线路上传至集中控制器，i＝1,2,…,N；

集中控制器包括功率设定模块，用于通过判断及调整确定所有的分布式资源的输出功率设定值P_set均在可运行功率范围内后，通过双向通信网络向各分布式资源发送相应输出功率设定值P_set，各分布式资源产生相应的功率输出；

其中，判断及调整确定任一分布式资源的输出功率设定值P_set在可运行功率范围内的实现方式为，根据当前调度时间段内某个分布式资源初始的输出功率设定值P_set，结合接收到的R和β_i，i＝1,2,…,N，根据下式计算输出功率设定值P_set偏离包围N个可运行功率的最小球体的球心的距离R(P_set)，

若R(P_set)≤R，则该设定值P_set在该分布式资源的可运行功率范围内；

若R(P_set)>R，则该设定值P_set不在该分布式资源的可运行功率范围内，重新设定新的输出功率设定值P_set，直至满足R(P_set)≤R。

而且，包围球体半径确定模块中，互相关系数的公式如下，

式中，e为数学常数，σ为宽度系数。

本发明通过基于支持向量机数据描述技术的数据压缩技术，极大地减小了集中控制型虚拟发电厂与各分布式资源交换信息的数量，减小了对通信网络性能的要求；同时可运行功率水平由各分布式资源自身确定，在集中控制器端无需了解分布式资源的模型和约束条件，从而避免了在中央控制器层面建立大量分布式资源的数学模型，提高了集中控制型虚拟发电厂的开放性和可扩展性。本发明对于提高集中控制型虚拟发电厂的实用化程度具有重要理论和实用价值。

附图说明

图1是本发明实施例的虚拟发电厂应用系统结构示意图。

图2是本发明实施例的分布式储能装置的可运行功率范围示意图；

图3是本发明实施例的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案、优点更加清晰，下面将结合本发明实施例和附图来介绍本发明的技术方案。

如图1所示为集中控制型虚拟发电厂的应用系统结构示意图；配电网络接入有系统电源，其作为主要供电来源向配电网络中的用电负荷1,…,用电负荷m供电；配电网络中还接入有分布式资源1，分布式资源2，…,分布式资源n，这些分布式资源可以是以清洁能源和可再生能源作为一次能源的分布式发电，例如风力发电，太阳能光伏发电，热电联产系统等；也可以是分布式储能系统，例如电动汽车等；还可以是用户需求响应，主要是用户可控的，且不一定必须在某个时刻运行的设备，例如用户非紧急通风设备、取暖装置等。这些分布式资源散布在配电网络中的各个位置。虚拟发电厂由分布式资源1，分布式资源2，…，分布式资源n，集中控制器，分布式资源1、分布式资源2、…,分布式资源n与集中控制器之间的双向通信线路构成，如图1中虚线框内所示。分布式资源1、分布式资源2、…,分布式资源n通过双向通信线路与虚拟发电厂的集中控制器进行通信，向集中控制器传输自身的状态等信息，集中控制器根据虚拟发电厂的运行目标，结合分布式资源的状态信息等，确定分布式资源的输出功率指令，并通过双向通信线路向各个分布式资源发送，分布式资源接收到输出功率指令后产生相应的输出功率，实现虚拟发电厂的运行目标。

分布式资源在某个时间段内的可运行输出功率将会受到多种约束条件的限制，这些限制条件与分布式资源的具体形式有关，在本发明中，分布式资源的模型和相应的约束条件都是由分布式资源自身确定的，因此本发明不涉及到各个分布式资源的建模和约束条件的确定。附图2给出了一个储能装置受到各种约束条件的可运行功率范围示意图。图中的横坐标为该储能装置第i个调度时间段内的可运行输出功率P₁，而纵坐标为第i+1个调度时间段内的可运行输出功率P₂，每个调度时间段的长度(即虚拟发电厂进行分布式资源调度的最小时间)，一般可取10分钟。图2中Pmax和Pmin分别为该分布式资源的最大和最小可运行功率限值。在图2中实线框内包含的任一点(用黑色圆圈表示)都是该分布式资源的可运行功率值。可以看到这样的可运行功率值数目非常多，如果在每个虚拟发电厂调度时间段内每个分布式资源都将这些可运行功率值上传至集中控制器，在分布式资源数量众多的情况下，将对通信系统造成巨大的压力，因此这种方式难以实际应用。

本发明的思想是通过求解某些少量数据点，这些数据点能够代表图2中分布式资源的整 个可运行功率范围，通过将这些数据点传递至集中控制器，由集中控制器解析出分布式资源的整个可运行功率范围，并由此确定分布式资源的输出功率给定值，从而能达到减小通信量，实现数据压缩的目的。本发明的重点在于提供求解代表分布式资源可运行功率范围数据点的方法，不涉及通信的具体实现以及集中控制器挑选哪个作为分布式资源的输出功率给定值的方法，具体实施时本领域技术人员可参考现有技术自行实现。以下结合附图3说明求解代表分布式资源可运行功率范围数据点的方法。图3中仅以分布式资源1为例来说明该方法的实现，其它分布式资源的方法实现是相同的。

实施例中，任一分布式资源的相应通信数据压缩实现方式包括如下步骤：

步骤1，分布式资源根据可运行功率范围，从中选择N个可运行功率，记为：P_i(i＝1,2,…,N)。选择数量N值的选择可根据分布式资源自身的计算能力预先确定，一般不低于30；具体实施时，可以随机抽取，更优选地，建议P_i的选择应尽量靠近分布式资源可运行范围的边界，可参见在图2中包含多个黑色圆圈的实线框。

步骤2，分布式资源求解高维特性空间内包围N个可运行功率P_i(i＝1,2,…,N)的最小球体半径：

首先，令：

式中，W为中间变量，k(P_i,P_i)为自相关系数，k(P_i,P_j)为互相关系数，β_i为待求的系数。P_i为N个可运行功率中第i个可运行功率，P_j为N个可运行功率中第j个可运行功率，i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,N。

其中：

式(3)中，e为数学常数，σ为宽度系数，具体实施时σ值可由本领域技术人员预先设定，或根据现有成熟技术选取得到，例如选择为1；而||·||表示欧几里得范数。令j＝i，即可得到自相关系数。

求解以式(2)作为约束条件的式(1)中W的最小值，即可得到β_i(i＝1,2,…,N)。求解W的最小值属于非线性规划问题，具体实施时可利用常用工具软件MATLAB等根据非线性规范方法执行求解。

然后，求解高维特性空间内包围P_i(i＝1,2,…,N)的最小球体的半径R为：

R＝max(R(P_i)),i＝1,2,...,N (4)

其中R(P_i)为包围P_i的最小球体半径：

步骤3，分布式资源在计算出R和β_i(i＝1,2,…,N)后，将其通过双向通信线路上传至集中控制器，可以看到通过这样的数据压缩后，通信量大为缩减。

在集中控制器端，可根据自身运行目标，例如以运行经济收益最大，运行成本最小为原则，预先计算出在当前调度时间段内某个分布式资源初始的输出功率设定值P_set，具体计算实现可参见现有技术。收到任一分布式资源上传的R和β_i(i＝1,2,…,N)后，可结合该分布式资源的输出功率设定值P_set、接收到的R和β_i(i＝1,2,…,N)，根据下式计算该设定值P_set偏离包围P_i(i＝1,2,…,N)的最小球体球心的距离R(P_set)：

其中，k(P_i,P_set)可根据式(3)得到。

若R(P_set)≤R，则该设定值P_set在该分布式资源的可运行功率范围内；

若R(P_set)>R，则该设定值P_set不在该分布式资源的可运行功率范围内，需要由集中控制器重新计算出新的P_set，重新计算时可修改分布式资源的运行约束条件，例如将某个分布式资源输出功率的最大限值减小，至满足R(P_set)≤R。具体条件调整方式，可由本领域技术人员自行预设。

根据以上方式同时对各个分布式资源的设定值P_set分别进行判断处理，在所有的分布式资源的设定值P_set均满足在可运行功率范围内后，则集中控制器通过双向通信网络向分布式资源发送设定值P_set，各分布式资源按照设定值产生相应的功率输出，满足虚拟发电厂的优化运行目标。

针对下一调控时间段，可以作为新的当前调度时间段重复以上过程，分布式资源初始的输出功率设定值P_set可依据之前调整后的原则得到，以提高效率。

可以看到，根据本发明的一种集中控制型虚拟发电厂的通信数据压缩方法，可以大大减小集中控制型虚拟发电厂中的通信数据需求，降低对通信网络的性能要求，同时该方法实现简单，具有很高的实用价值和市场推广前景。

具体实施时，本领域技术人员可采用软件方法实现上述方法的自动流程运行，也可以采 用模块化方式实现。本发明实施例提供一种集中控制型虚拟发电厂的通信数据压缩系统，虚拟发电厂包括多个接入馈电网络的分布式资源和集中控制器，各分布式资源分别与集中控制器之间通过双向通信线路连接，各分布式资源分别进行相应通信数据压缩，由集中控制器根据压缩后的通信数据确定各分布式资源的相应输出功率设定值，

任一分布式资源包括如下模块，

功率点抽取模块，用于根据可运行功率范围，从中选择N个可运行功率，记为P_i，i＝1,2,…,N，N为预设的选择数量；

包围球体半径确定模块，用于求解高维特性空间内包围N个可运行功率的最小球体的半径，实现如下，

令：

式中，W为中间变量，k(P_i,P_i)为自相关系数，k(P_i,P_j)为互相关系数，β_i为待求的系数，P_i为第i个可运行功率，P_j为第j个可运行功率，

求解中间变量W的最小值，得到系数β_i，i＝1,2,…,N，然后求解高维特性空间内包围N个可运行功率的最小球体的半径R如下，

R＝max(R(P_i)),i＝1,2,...,N

其中R(P_i)为包围第i个可运行功率P_i的最小球体半径，计算如下，

通信上传模块，用于将包围球体半径确定模块所得R和β_i通过双向通信线路上传至集中控制器，i＝1,2,…,N；

集中控制器包括功率设定模块，用于通过判断及调整确定所有的分布式资源的输出功率设定值P_set均在可运行功率范围内后，通过双向通信网络向各分布式资源发送相应输出功率设定值P_set，各分布式资源产生相应的功率输出；

其中，判断及调整确定任一分布式资源的输出功率设定值P_set在可运行功率范围内的实现方式为，根据当前调度时间段内某个分布式资源初始的输出功率设定值P_set，结合接收到的R和β_i，i＝1,2,…,N，根据下式计算输出功率设定值P_set偏离包围N个可运行功率的最小球体的球心的距离R(P_set)，

若R(P_set)≤R，则该设定值P_set在该分布式资源的可运行功率范围内；

若R(P_set)>R，则该设定值P_set不在该分布式资源的可运行功率范围内，重新设定新的输出功率设定值P_set，直至满足R(P_set)≤R。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。