一种基于事件触发的微电网分布式二次控制时钟同步方法

本发明属于微电网运行控制技术领域，具体涉及一种基于事件触发的微电网分布式二次控制时钟同步方法。

背景技术：

随着地球资源的日渐衰竭以及人们对环境问题的关注，可再生能源的接入越来越受到世界各国的重视。微电网是一种在能量供应系统中增加可再生能源和分布式能源渗透率的新兴能量传输模式，其组成部分包括不同种类的分布式能源(distributedenergyresources，der，包括微型燃气轮机、风力发电机、光伏、燃料电池、储能设备等)、各种电负荷和/或热负荷的用户终端以及相关的监控、保护装置。

微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必须的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。微电网与大电网之间通过公共连接点进行能量交换，双方互为备用，从而提供了供电的可靠性。由于微电网是规模较小的分散系统，与负荷的距离较近，可以增加本地供电的可靠性、降低网损，大大增加了能源利用效率，是一种符合未来智能电网发展要求的新型供电模式。

正常情况下，微电网并网运行，由大电网提供电压、频率支撑；当发生突发性或计划性事件导致微电网脱网时，微电网将工作在自治状态。下垂控制策略由于不需要主导分布式电源及联络线间联系而获得了广泛的关注。当需要微电网由并网模式转向独立运行模式时，各分布式电源可以自动分担微网内负荷功率。但由于下垂控制是比例有差控制，会引起电压的稳态偏差，且无功功率分配的效果不理想，因此，需要采用二次控制以协助电压恢复及无功功率均分。而在实际分布式结构中，由于不存在全局集中式时钟，二次控制的信息更新及传输过程将由本地时钟进行触发，考虑到各异构分布式电源本地时钟间的差异性，其在采样时刻获取的用于控制决策的信息量将会持续错位，进而引入稳态误差甚至引发系统不稳定。因此，有必要研究微电网二次控制的时钟同步方法，保障各分布式电源间信息交互的同步性，提升微电网运行稳定性及收敛精度。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于事件触发的微电网分布式二次控制时钟同步方法，建立分布式电源本地时钟模型，并引入频率以及偏移量修正参数校正时钟模型，接着设计事件触发条件，在满足触发条件时采样本地修正参数信息并传输给邻居节点，在此基础上结合牵制一致性理论，优化选取牵制时钟并建立分布式时钟同步协议，并依据校正后的时钟确定本地采样时刻，建立微电网分布式二次控制，以较高的经济性实现各分布式电源间的同步信息交互，提高系统稳定性及收敛精度。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于事件触发的微电网分布式二次控制时钟同步方法，用于孤岛微电网在下垂运行模式下的信息交互方式实现控制，具体包括如下步骤：

s1、建立分布式电源本地时钟模型，并引入频率以及偏移量修正参数校正时钟模型；

s2、设计事件触发条件，并在本地采样时刻进行判断，仅当满足触发条件时，采样本地修正参数信息并传输给邻居节点；

s3、基于牵制一致性理论，优化选取牵制时钟并建立分布式时钟同步协议；

s4、依据校正后的时钟确定本地采样时刻，建立微电网分布式二次控制，实现各分布式电源间的同步信息交互。

进一步的，所述s1中对各分布式电源，建立本地时钟模型：

τi(t)＝ait+bi(1)

公式(1)中，τi表示第i个分布式电源的本地时钟，t表示绝对时间，a表示频率漂移系数，b表示时钟偏移量。

在此基础上，引入对应于频率的修正系数αi和偏移量的修正系数βi，得到校正后的时钟τ′i：

τ′i(t)＝αi(t)(ait+bi)+βi(t)(2)。

进一步的，所述s2中针对修正参数α和β，分别设计如下式的事件触发条件：

公式(3)、(4)中，表示事件触发时刻采样得的修正系数，cα，cβ表示误差阈值，表示第i个分布式电源的第h个采样时刻，表示采样时刻前最近一次事件触发时刻。

在分布式电源的每个采样时刻，判断事件触发条件是否满足，仅当满足条件时，采样本地对应修正参数信息并传输给邻居节点。

进一步的，所述s3中基于牵制一致性理论，以获得更好的收敛性能为目标，设置如下牵制点优化指标：

公式(5)中，p表示已有的牵制集，i表示对应的非牵制集，deg表示牵制集出度，l(i,j)表示从节点i到节点j传递信息的最短路径。

针对各个分布式电源节点，计算其优化指标，进而选出优化指标最大的节点对应的本地时钟作为牵制时钟，并将其设置为绝对时钟。

进一步的，所述s3中建立如下的分布式时钟同步协议：

公式(6)、(7)中，ρα，ρβ，ρα0和ρβ0表示控制强度；τ′0表示牵制时钟的本地时间；表示事件触发时刻采样得的本地时间；μi0表示第i个分布式电源和牵制节点间的通信连通性，μi0＝1表示第i个分布式电源接收牵制节点的信息，μi0＝0则表示第i个分布式电源不接收牵制节点的信息；ηi0＝a0/ai，a0表示牵制时钟的频率漂移系数；ηij＝aj/ai，可通过获取绝对时间t1和t2时刻对应的第i和第j个分布式电源本地时钟，按照下式

间接计算获得。

进一步的，所述s4中针对各分布式电源，依据校正后的本地时钟，按如下公式：

确定本地采样时刻，公式(9)中，为本地采样时刻，t表示设定的二次控制更新周期。

进而建立微电网分布式二次控制：

公式(10)中，ui为第i个分布式电源的二次控制输入，ki1，ki2，ki3为控制器积分系数，表示平均电压观测值，ni为第i个分布式电源的下垂系数，vi为第i个分布式电源的输出电压，qi为第i个分布式电源输出的无功功率，ti表示第i个分布式电源的控制周期，ti＝t/(aiαi)。

本发明的有益效果：

1、本发明提出的基于事件触发的微电网分布式二次控制时钟同步方法，主要关注分布式二次控制中的时钟同步问题，建立了分布式电源本地时钟模型，并设计事件触发条件，在满足触发条件时采样本地修正参数信息并传输给邻居节点，在此基础上，结合牵制一致性理论优化选取牵制时钟并建立分布式时钟同步协议，进而依据校正后的时钟确定本地采样时刻，建立微电网分布式二次控制，实现各分布式电源间的同步信息交互，具有更好的同步经济性和更快的同步收敛速度，能有效提高系统稳定性及收敛精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明整体方法的流程图；

图2是本发明实施例的微电网仿真系统示意图；

图3是本发明实施例的分布式通信拓扑示意图；

图4是本发明实施例的未应用时钟同步策略时的有功功率波形图；

图5是本发明实施例的未应用时钟同步策略时的无功功率波形图；

图6是本发明实施例的未应用时钟同步策略时的输出电压波形图；

图7是本发明实施例的未应用时钟同步策略时的计数器波形图；

图8是本发明实施例的应用时钟同步策略后的有功功率波形图；

图9是本发明实施例的应用时钟同步策略后的无功功率波形图；

图10是本发明实施例的应用时钟同步策略后的输出电压波形图；

图11是本发明实施例的应用时钟同步策略后的计数器波形图；

图12是本发明实施例的时钟同步策略应用时间触发通信机制时的触发时刻示意图；

图13是本发明实施例的时钟同步策略应用时间触发通信机制时的平均电压及无功功率波形图；

图14是本发明实施例的时钟同步策略应用事件触发通信机制时的触发时刻示意图；

图15是本发明实施例的时钟同步策略应用事件触发通信机制时的平均电压及无功功率波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于事件触发的微电网分布式二次控制时钟同步方法，用于孤岛微电网在下垂运行模式下的信息交互方式实现控制，具体包括如下步骤：

s1、建立分布式电源本地时钟模型，并引入频率以及偏移量修正参数校正时钟模型；

对各分布式电源，建立本地时钟模型：

τi(t)＝ait+bi(1)

其中，τi表示第i个分布式电源的本地时钟，t表示绝对时间，a表示频率漂移系数，b表示时钟偏移量。

在此基础上，分别引入对应于频率和偏移量的修正系数αi和βi，得到校正后的时钟τ′i：

τ′i(t)＝αi(t)(ait+bi)+βi(t)(2)

s2、设计事件触发条件，并在本地采样时刻进行判断，仅当满足触发条件时，采样本地修正参数信息并传输给邻居节点；

针对修正参数α和β，分别设计如下式的事件触发条件：

其中，表示事件触发时刻采样得的修正系数，cα，cβ表示误差阈值，表示第i个分布式电源的第h个采样时刻，表示采样时刻前最近一次事件触发时刻。

在分布式电源的每个采样时刻，判断事件触发条件是否满足，仅当满足条件时，采样本地对应修正参数信息并传输给邻居节点。

s3、基于牵制一致性理论，优化选取牵制时钟并建立分布式时钟同步协议；

基于牵制一致性理论，以获得更好的收敛性能为目标，设置如下牵制点优化指标：

其中，p表示已有的牵制集，i表示对应的非牵制集，deg表示牵制集出度，l(i,j)表示从节点i到节点j传递信息的最短路径。

针对各个分布式电源节点，计算其优化指标，进而选出优化指标最大的节点对应的本地时钟作为牵制时钟，并将其设置为绝对时钟。

在此基础上，建立如下的分布式时钟同步协议：

其中，ρα，ρβ，ρα0和ρβ0表示控制强度；τ′0表示牵制时钟的本地时间；表示事件触发时刻采样得的本地时间；μi0表示第i个分布式电源和牵制节点间的通信连通性，μi0＝1表示第i个分布式电源接收牵制节点的信息，μi0＝0则表示第i个分布式电源不接收牵制节点的信息；ηi0＝a0/ai，a0表示牵制时钟的频率漂移系数；ηij＝aj/ai，可通过获取绝对时间t1和t2时刻对应的第i和第j个分布式电源本地时钟，按照下式

间接计算获得。

s4、依据校正后的时钟确定本地采样时刻，建立微电网分布式二次控制，实现各分布式电源间的同步信息交互。

针对各分布式电源，依据校正后的本地时钟，按如下公式：

确定本地采样时刻。其中，为本地采样时刻，t表示设定的二次控制更新周期。

进而建立微电网分布式二次控制：

其中，ui为第i个分布式电源的二次控制输入，ki1，ki2，ki3为控制器积分系数，表示平均电压观测值，ni为第i个分布式电源的下垂系数，vi为第i个分布式电源的输出电压，qi为第i个分布式电源输出的无功功率，ti表示第i个分布式电源的控制周期，ti＝t/(aiαi)。

将上述设计的技术方案应用到实际当中，仿真系统如图2所示，微电网中包含5个分布式电源，dg1，dg2和dg3分别通过各自的连接阻抗连接到电压母线1，dg4和dg5分别通过各自的连接阻抗连接到电压母线2，5个分布式电源的额定有功无功容量相等，系统中负载采用阻抗型负载。5个分布式电源间通过如图3所示的拓扑进行通信，依据牵制点优化选取原则，选择dg1作为牵制时钟。初始dg2,dg3,dg4和dg5的本地时钟频率漂移系数和偏移量分别为a2＝0.5，a3＝0.67，a4＝1，a5＝0.67和b2＝5*10^-3，b3＝1*10^-3，b4＝4*10^-3，b5＝2*10^-3。

根据本实施例的基于事件触发的微电网分布式二次控制时钟同步方法校正本地时钟，确定本地采样时刻进而建立微电网分布式二次控制，并基于matlab/simulink平台搭建仿真微电网模型，对比加入时钟同步前后的二次控制效果，验证本发明方法在系统控制性能提升中的重要作用，并进一步与时间触发通信机制下的时钟同步策略进行对比，说明本发明方法的同步经济性。

图4-图7为本实施例未应用时钟同步策略时的仿真波形，初始时刻，系统运行于下垂控制模式下，2s时，微电网二次控制投入，3.5s时，负荷增加。图7展示了此时的计数器波形，从图中可知由于不同分布式电源本地时钟间的差异，各分布式电源二次控制时刻间存在异步。

图4和图5分别展示了各分布式电源输出有功功率及无功功率波形，初始时刻，在下垂控制作用下，各分布式电源间有功功率均分，而无功功率分配效果并不理想，2s后，在分布式协同控制的作用下，各分布式电源无功功率逐渐均分，大约2.5s时，系统达到稳定，但由于分布式电源间二次控制采样时刻不同导致的信息量错位，有功及无功功率相对正常值偏低。3.5s时，随着负荷的增加，系统输出有功及无功功率增加，在二次控制作用下无功功率再次达到均分，但依然低于正常运行值。

图6展示了输出电压波形，初始时刻，在下垂控制作用下，各分布式电源输出电压明显低于额定值，2秒后，在二次控制作用下，输出电压逐渐升高，约2.5秒时系统达到稳定，但由于分布式电源间二次控制采样时刻不同导致的信息量错位，平均输出电压依然低于额定值。3.5s时由于系统负载增加，分布式电源输出电压有所降低，约4秒时系统重新达到稳定，输出电压再次恢复但其平均值仍低于额定值。

图8-图11为本实施例应用时钟同步策略后的仿真波形，0.5s时，时钟同步控制投入，初始时刻，系统运行于下垂控制模式下，2s时，微电网二次控制投入，3.5s时，负荷增加。图11展示了此时的计数器波形，从图中可知初始时刻由于不同分布式电源本地时钟间的差异，各分布式电源二次控制时刻间存在异步，0.5s后，时钟同步控制投入，各分布式电源本地时钟逐渐达到同步，在2s二次控制投入时，二次控制时刻已基本达到一致。

图8和图9分别展示了各分布式电源输出有功功率及无功功率波形，初始时刻，在下垂控制作用下，各分布式电源间有功功率均分，而无功功率分配效果并不理想，2s后，在分布式协同控制的作用下，各分布式电源无功功率逐渐均分，大约2.5s时，系统达到稳定。3.5s时，随着负荷的增加，系统输出有功及无功功率增加，在二次控制作用下无功功率再次达到均分。

图10展示了输出电压波形，初始时刻，在下垂控制作用下，各分布式电源输出电压明显低于额定值，2秒后，在二次控制作用下，输出电压逐渐升高，约2.5秒时系统达到稳定，平均输出电压恢复至额定值。3.5s时由于系统负载增加，分布式电源输出电压有所降低，约4秒时系统重新达到稳定，输出电压平均值再次恢复到额定值。

将图4-图7与图8-图11对比可知，应用本发明所提出的时钟同步控制后，能够实现各分布式电源二次控制采样时刻的同步，进而有效提高系统稳态控制精度，有利于系统的安全稳定运行。

图12和图13为本发明实施例中时钟同步策略应用时间触发通信机制时的仿真波形，0.5s时，时钟同步控制投入，2.5s至3s时，dg2时钟频率发生扰动，其时钟周期逐渐从0.02s变化至0.025s。初始时刻，系统运行于下垂控制模式下，2s时，微电网二次控制投入，3.5s时，负荷增加。图12展示了时间同步控制中的通信触发时刻，由图中可知，在分布式电源的每一个采样时刻均需将本地时钟修正参数传输给邻居节点。图13展示了平均电压及输出无功功率控制效果，从图中可见，在应用该策略进行时钟同步后的二次控制的作用下，平均电压能准确恢复至额定值311v，同时实现无功功率均分，且在发生时钟频率波动和负荷增加的情况下依然能保持较高的控制精度。

图14和图15为本发明实施例中时钟同步策略应用事件触发通信机制时的仿真波形，0.5s时，时钟同步控制投入，2.5s至3s时，dg2时钟频率发生扰动，其时钟周期逐渐从0.02s变化至0.025s。初始时刻，系统运行于下垂控制模式下，2s时，微电网二次控制投入，3.5s时，负荷增加。图14展示了时间同步控制中的通信触发时刻，*和°分别表示发生本地时钟频率漂移系数和偏移量传输的时刻，从图中可见，时钟同步控制不再在每一次采样时刻都触发通信，通信频率显著降低，尤其对于频率漂移系数，当其收敛至要求的精度后，对应信息的采样及通信将会终止，2.5s后，由于时钟频率的扰动，时钟频率漂移量的通信将再次被触发，并在再次达到收敛精度要求后停止通信。图15展示了平均电压及输出无功功率控制效果，从图中可见，在应用该策略进行时钟同步后的二次控制的作用下，平均电压依然能准确恢复至额定值311v，同时实现无功功率均分，且在发生时钟频率波动和负荷增加的情况下同样能保持较高的控制精度。

将图12、图13与图14、图15对比可知，本发明提出的事件触发时钟同步方法相比传统时间触发时钟同步方法，在保障同步精度的同时有效降低了通信频率，具有更好的经济性。

本发明所提出的基于事件触发的微电网分布式二次控制时钟同步方法，建立了本地时钟模型，并通过分别引入频率和偏移量修正参数的方式校正本地时钟模型；设计了事件触发条件，从而仅在满足触发条件的时刻采样本地修正参数信息并传送给邻居节点；进一步结合牵制一致性理论，优化选取牵制时钟并提出了分布式时钟同步协议；在此基础上，依据校正后的时钟确定本地采样时刻，进而建立微电网分布式二次控制。

本发明针对现有的微电网二次控制研究均未关注并解决分布式时钟异步的问题，提出了分布式二次控制时钟同步方法，作为二次控制策略的重要组成部分以较高的经济性实现了不同分布式电源本地时钟的同步，有效避免了异步信息交互对系统稳定性及控制精度带来的不利影响。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。