基于网络镜像和全局传播率的微电网通信拓扑设计方法与流程
本发明涉及微电网运行控制技术领域，尤其涉及一种基于网络镜像和全局传播率的微电网通信拓扑设计方法。
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载功率。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，需要采用二次协同控制以协助电压恢复及无功均分，一致性理论则是实现协同控制的有效途径。在大规模系统中，考虑到通信成本及网络复杂度等因素，基于牵制一致性的有向分布式通信拓扑得到了广泛的应用。随着开放式通讯方式尤其是无线通讯的发展，分布式通讯拓扑设计成为分布式二次控制的主要内容。为了减少通信成本，提高系统收敛性能，有必要对有向通信拓扑结构及牵制分布式电源集进行优化设计，提升系统的动态性能。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供基于网络镜像和全局传播率的微电网通信拓扑设计方法，基于无向网络中的拓扑优化设计方法，提出考虑系统收敛性能、网络通信成本的有向通信网络拓扑优化指标及计算方法，并针对最优通信拓扑，提出考虑系统收敛性能的牵制集优化指标，从而为分布式二次控制的控制结构设计提供依据，实现无功功率均分和平均电压恢复，进而提高微电网的动态性能。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了基于网络镜像和全局传播率的微电网分布式通拓扑设计方法，用于孤岛微电网的下垂运行模式下的信息交互方式实现控制，包括如下步骤：
步骤a.判断微电网中所有分布式有向通信网络的连通性，选出连通型有向通信网络，作为候选通信网络，然后进入步骤b；
步骤b.基于镜像操作获得候选通信网络的镜像网络，获取各个镜像网络对应的代数连通度和通信成本，选择最大性能指标所对应的最优分布式有向通信拓扑，然后进入步骤c；
步骤c.对步骤b中获得的最优通信拓扑，基于全局传播率及出度，求取对应于不同牵制数目的牵制分布式电源集，然后进入步骤d；
步骤d.基于微电网的最优分布式有向通信网络和牵制分布式电源集，建立微电网分布式二次电压控制，实现无功功率均分和平均电压恢复。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤a中，在微电网所有分布式有向通信网络中，按如下步骤a01至步骤a02，选取连通型分布式有向通信网络，作为微电网的候选通信网络：
步骤a01.针对分布式通讯拓扑结构，引入所对应的连通度矩阵如下式所示：
其中，rc表示分布式通讯拓扑结构的连通度矩阵；
步骤a02.基于式(1)，获得rc＝[rij]，其中，rij表示微电网中第j个分布式电源到第i个分布式电源的通信连通性，rij＝1表示微电网中第j个分布式电源到第i个分布式电源具有通信连通性，rij＝0表示微电网中第j个分布式电源到第i个分布式电源不具有通信连通性，若rc中所有的非对角元素rij均等于1，则该分布式有向通信网络为连通型网络，若rc中存在非对角元素rij等于0，则该分布式有向通信网络为非连通型网络。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤b中，基于镜像操作，按如下步骤b01至步骤b02，获取各个候选有向通信网络的无向镜像副本：
步骤b01.基于图论，用有向图
步骤b02.针对用有向图表示的各个候选通信网络，根据如下公式：
获得各个候选通信网络对应的无向镜像副本
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤b中，针对各个镜像网络，根据如下公式：
获取各个镜像网络对应的代数连通度
获得；其中，l为有向图g的拉普拉斯矩阵，δ为对角阵，其对角元δii表示有向通信拓扑中分布式电源i的出度。
同时针对各个镜像网络，根据如下公式：
获得各个镜像网络对应的通信成本。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤b中，针对满足规定收敛性能要求的各个候选拓扑结构，基于代数连通度和通信成本的加权和进行性能指标计算，并选择最大性能指标所对应的候选有向分布式通信拓扑，作为微电网的最优分布式通信拓扑。
其中针对满足规定收敛性能要求的各个候选拓扑结构，分别对各个候选有向分布式拓扑结构，按如下公式：
获取各个候选拓扑结构分别所对应的性能指标j(l)，并选择最大性能指标所对应的候选有向分布式拓扑结构，作为微电网的最优分布式通信拓扑结构，其中，
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤c中，针对包含k个分布式电源的牵制集及非牵制集中任意分布式电源，根据如下公式：
获得包含k+1个分布式电源的候选牵制集以及相应的非牵制集；其中
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤c中，针对包含k+1个分布式电源的候选牵制集，根据如下公式：
获得各个候选牵制集对应的全局传播率；其中，
同时针对包含k+1个分布式电源的候选牵制集，根据如下公式：
获得各个候选牵制集对应的出度。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤c中，针对各个包含k+1个分布式电源的候选牵制集，基于全局传播率及牵制集出度的和进行目标函数值计算，并选择最大目标函数值所对应的候选牵制集，作为牵制数目为k+1的最优牵制分布式电源集。
其中针对各个候选牵制集，分别按如下公式：
计算各个候选牵制集分别对应的目标函数值
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤c中，将牵制分布式电源集
本发明所述一种基于网络镜像法和全局传播率的微电网分布式通信拓扑设计方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明所设计基于网络镜像和全局传播率的微电网通信拓扑设计方法，采用网络镜像法得到有向分布式通信拓扑对应无向镜像副本的代数连通度及通信成本，进而提出考虑系统收敛性能、网络通信成本的有向通信拓扑优化指标，并针对最优通信拓扑，提出考虑系统收敛性能的牵制集优化指标，为分布式二次控制的控制结构设计提供依据；本发明将无向通信网络拓扑结构的优化设计方法推广至有向通信网络中，扩大了拓扑设计方法在微电网分布式通信网络中的应用范围，并首次引入全局传播率的定义，优化了牵制分布式电源集的设计过程，提高了孤岛微电网的控制性能，促进微电网中的无功均分，提高电压质量。
附图说明
图1是本发明所设计基于图论镜像和全局传播率的微电网分布式通讯拓扑设计方法的流程图；
图2是本发明实施例中采用的微电网仿真系统；
图3a是本发明实施例中微电网采用的g1型分布式通讯拓扑图；
图3b是本发明实施例中微电网采用的g2型分布式通讯拓扑图；
图3c是本发明实施例中微电网采用的g3型分布式通讯拓扑图；
图3d是本发明实施例中微电网采用的g4型分布式通讯拓扑图；
图3e是本发明实施例中微电网采用的g5型分布式通讯拓扑图；
图3f是本发明实施例中微电网采用的g6型分布式通讯拓扑图；
图3g是本发明实施例中微电网采用的g7型分布式通讯拓扑图；
图3h是本发明实施例中微电网采用的g8型分布式通讯拓扑图；
图4a是微电网采用g1型通讯拓扑的输出无功功率控制效果图；
图4b是微电网采用g1型通讯拓扑的输出电压控制效果图；
图5a是微电网采用g4型通讯拓扑的输出无功功率控制效果图；
图5b是微电网采用g4型通讯拓扑的输出电压控制效果图；
图6a是微电网采用g7型通讯拓扑的输出无功功率控制效果图；
图6b是微电网采用g7型通讯拓扑的输出电压控制效果图；
图7a是微电网在g7型通信拓扑下采用dg5牵制点的输出无功功率控制效果图；
图7b是微电网在g7型通信拓扑下采用dg5牵制点的输出输出电压控制效果图；
图8a是微电网在g7型通信拓扑下采用dg2牵制点的的输出无功功率控制效果图；
图8b是微电网在g7型通信拓扑下采用dg2牵制点的输出输出电压控制效果图；
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明设计了基于网络镜像和全局传播率的微电网通信拓扑设计方法，用于孤岛微电网的下垂运行模式下的信息交互方式实现控制，实际应用当中，如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤a.判断微电网中所有分布式有向通信网络的连通性，选出连通型有向通信网络，作为候选通信网络，然后进入步骤b。
上述步骤a中，在微电网所有分布式有向通信网络中，按如下步骤a01至步骤a02，选取连通型分布式有向通信网络，作为微电网的候选通信网络：
步骤a01.针对分布式通讯拓扑结构，引入所对应的连通度矩阵如下式所示：
其中，rc表示分布式通讯拓扑结构的连通度矩阵；
步骤a02.基于式(1)，获得rc＝[rij]，其中，rij表示微电网中第j个分布式电源到第i个分布式电源的通信连通性，rij＝1表示微电网中第j个分布式电源到第i个分布式电源具有通信连通性，rij＝0表示微电网中第j个分布式电源到第i个分布式电源不具有通信连通性，若rc中所有的非对角元素rij均等于1，则该分布式有向通信网络为连通型网络，若rc中存在非对角元素rij等于0，则该分布式有向通信网络为非连通型网络。
步骤b.基于镜像操作获得候选通信网络的镜像网络，获取各个镜像网络对应的代数连通度和通信成本，选择最大性能指标所对应的最优分布式有向通信拓扑，然后进入步骤c。
上述步骤b中，基于镜像操作，按如下步骤b01至步骤b02，获取各个候选有向通信网络的无向镜像副本：
步骤b01.基于图论，用有向图
步骤b02.针对用有向图表示的各个候选通信网络，根据如下公式：
获得各个候选通信网络对应的无向镜像副本
针对各个镜像网络，根据如下公式：
获取各个镜像网络对应的代数连通度
获得；其中，l为有向图g的拉普拉斯矩阵，δ为对角阵，其对角元δii表示有向通信拓扑中分布式电源i的出度。
针对各个镜像网络，根据如下公式：
获得各个镜像网络对应的通信成本。
由于代数连通度越高，网络收敛性能越好，而在满足规定收敛性指标的前提下，通信链路长度越短，通信成本越低。因此，基于上述提出的代数连通度和通信成本，针对满足规定收敛性能要求的各个候选拓扑结构，按如下公式，进行基于代数连通度和通信成本加权和的性能指标计算。
在获取各个候选拓扑结构分别所对应的性能指标j(l)后，选择最大性能指标所对应的候选有向分布式拓扑结构，作为微电网的最优分布式通信拓扑结构，然后进入步骤c；其中，
步骤c.对步骤b中获得的最优通信拓扑，基于全局传播率及出度，求取对应于不同牵制数目的牵制分布式电源集，然后进入步骤d。
上述步骤c中，针对包含k个分布式电源的牵制集及非牵制集中任意分布式电源，根据如下公式：
获得包含k+1个分布式电源的候选牵制集以及相应的非牵制集；其中
针对包含k+1个分布式电源的候选牵制集，根据如下公式：
获得各个候选牵制集对应的全局传播率；其中，
针对包含k+1个分布式电源的候选牵制集，根据如下公式：
获得各个候选牵制集对应的出度。
由于牵制集出度和全局传播率越大，对应的网络收敛性能越好，因此，针对各个包含k+1个分布式电源的候选牵制集，按如下公式，进行基于全局传播率及牵制集出度和的目标函数值计算。
在获得各个候选牵制集分别对应的目标函数值
步骤d.基于微电网的最优分布式有向通信网络和牵制分布式电源集，建立微电网分布式二次电压控制，实现无功功率均分和平均电压恢复。
基于上述步骤所获最优分布式有向通信网络和牵制分布式电源集，微电网中各分布式电源本地控制器采用下垂控制，并基于牵制一致性理论建立微电网分布式二次电压控制率，实现无功均分以及平均电压恢复：
对牵制集中的分布式电源施加控制，第i个牵制分布式电源的控制过程如式(11)所示：
式中，i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,n；δqref,i表示第i个分布式电源的无功功率增量；δqrefj为第j个分布式电源的无功功率增量；δqc表示基于牵制电压控制的预设一致性收敛点；wij表示第i个分布式电源和第j个分布式电源间的通信耦合权重，若第i个分布式电源和第j个分布式电源间存在通信连接，则wij≠0，否则wij＝0。ni表示节点i的邻居节点集合；di牵制控制增益。
将上述所设计技术方案应用到实际当中，仿真系统如图2所示，微电网由5个分布式电源，dg1,dg2和dg3通过各自的连接阻抗连接于电压母线1，其中dg3带有本地负荷；dg4和dg5通过各自的连接阻抗连接于电压母线2，其中dg4带有本地负载。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。根据本发明实施例的微电网分布式通讯拓扑设计方法对通讯拓扑进行设计选择，并基于matlab/simulink平台搭建仿真微电网模型，对各通讯拓扑控制效果进行仿真，验证本发明方法的控制效果。
如图3a至图3h所示为本实施例中满足拓扑连通性的8种分布式通讯拓扑结构图，其中，图3a是本发明实施例中采用的g1型通讯拓扑图；图3b是本发明实施例中采用的g2型通讯拓扑图；图3c是本发明实施例中采用的g3型通讯拓扑图；图3d是本发明实施例中采用的g4型通讯拓扑图；图3e是本发明实施例中采用的g5型通讯拓扑图；图3f是本发明实施例中采用的g6型通讯拓扑图；图3g是本发明实施例中采用的g7型通讯拓扑图；图3h是本发明实施例中采用的g8型通讯拓扑图；根据本发明所提的分布式通讯拓扑优化性能指标，8种拓扑的代数连通度和链路数目如下表1所示，我们选取g1,g3,g7作为仿真实例拓扑，由此可见，分布式通信拓扑g7对应最优的动态收敛性，g3次之，g1对应较差的动态收敛性。
表1
如图4a至图4b所示为本实施例中微电网采用g1型通讯拓扑的仿真结果。开始运行时，各分布式电源运行于下垂控制模式，0.3秒时二次电压控制投入，2.5秒时加入负荷增加。仿真结果如图4a至图4b所示，其中，图4a为微电网中各分布式电源输出无功功率控制效果图，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示无功功率，单位：乏。如图4a所示，最初在下垂控制作用下，分布式电源无功功率均分效果并不理想，0.3秒后在二次控制作用下无功功率逐渐均分，约2.5秒时系统达到稳定，2.5秒时系统负载增加，各分布式电源输出无功功率增加，约5秒时系统稳定、重新达到功率均分。图4b为微电网中各分布式电源输出电压控制效果图，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示输出电压，单位：伏。由图4b可知，最初在下垂作用下分布式电源输出电压与额定值有偏差，平均输出电压低于额定值，0.3秒后在二次控制作用下，输出电压提升从而微网平均输出电压至额定值，约2.5秒时系统达到稳定，2.5秒时由于系统负载增加，分布式电源输出电压有所降低，约5秒时重新达到稳定，平均输出电压提升至额定值。
如图5a至图5b所示为本实施例中微电网采用g2型通信拓扑的仿真结果。开始运行时，各分布式电源运行于下垂控制模式，0.3秒时二次电压控制投入。仿真结果如图5a和图5b所示，其中，图5a为微电网中各分布式电源输出无功功率控制效果图，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示无功功率，单位：乏。如图5a所示，最初在下垂控制作用下，分布式电源无功功率均分效果并不理想，0.3秒后在二次控制作用下无功功率逐渐均分，约1.7秒系统达到稳定，2.5秒时系统负载增加，各分布式电源输出无功功率增加，约3.8秒时系统稳定、重新达到功率均分。图5b为微电网中各分布式电源输出电压控制效果图，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示输出电压，单位：伏。由图5b可知，最初在下垂作用下分布式电源输出电压与额定值有偏差，平均输出电压低于额定值，0.3秒后在二次控制作用下，输出电压提升从而微网平均输出电压至额定值，约1.7秒系统达到稳定，2.5秒时由于系统负载增加，分布式电源输出电压有所降低，约3.8秒时重新达到稳定，平均输出电压提升至额定值。
如图6a至图6b所示为本实施例中微电网采用分布式全通型通讯拓扑的仿真结果。开始运行时，各分布式电源运行于下垂控制模式，0.3秒时二次电压控制投入。仿真结果如图6a至图6b所示，图6a为微电网中各分布式电源输出无功功率控制效果图，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示无功功率，单位：乏。如图6a所示，最初在下垂控制作用下，分布式电源无功功率均分效果并不理想，0.3秒后在二次控制作用下无功功率逐渐均分，约0.8秒系统达到稳定，各分布式电源输出无功功率增加，约3秒时系统稳定、重新达到功率均分。图6b为微电网中各分布式电源输出电压控制效果图，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示输出电压，单位：伏。由图6b可知，最初在下垂作用下分布式电源输出电压与额定值有偏差，平均输出电压低于额定值，0.3秒后在二次控制作用下，输出电压提升从而微网平均输出电压至额定值，约0.8秒系统达到稳定，2.5秒时由于系统负载增加，分布式电源输出电压有所降低，约3秒时重新达到稳定，平均输出电压提升至额定值。
由图4a、图4b、图5a、图5b、图6a、图6b可知，g7型通讯拓扑能达到最优的收敛性，g3型拓扑次之，g1型拓扑最次，与本发明提出的基于图论镜像的微电网分布式通讯拓扑设计方法的分析结果一致。
对于牵制点的选取，各个单牵制点对应的牵制目标函数值为f(dg2)＝9.75>f(dg5)＝9.5>f(dg1)＝6.67>f(dg4)＝6.37>f(dg3)＝3.5，由此可见，牵制点dg2对应最优的动态收敛性，牵制点dg5、dg1、dg4次之，牵制点dg3对应较差的动态收敛性。
如图7a至图7b所示为本实施例中微电网在g7型分布式通讯拓扑下采用d3牵制点的仿真结果。开始运行时，各分布式电源运行于下垂控制模式，0.3秒时二次电压控制投入，2.5秒时加入负荷增加。仿真结果如图7a至图7b所示，其中，图7a为微电网中各分布式电源输出无功功率控制效果图，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示无功功率，单位：乏。如图7a所示，最初在下垂控制作用下，分布式电源无功功率均分效果并不理想，0.3秒后在二次控制作用下无功功率逐渐均分，约2.5秒时系统达到稳定，2.5秒时系统负载增加，各分布式电源输出无功功率增加，约5秒时系统稳定、重新达到功率均分。图7b为微电网中各分布式电源输出电压控制效果图，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示输出电压，单位：伏。由图7b可知，最初在下垂作用下分布式电源输出电压与额定值有偏差，平均输出电压低于额定值，0.3秒后在二次控制作用下，输出电压提升从而微网平均输出电压至额定值，约2.5秒时系统达到稳定，2.5秒时由于系统负载增加，分布式电源输出电压有所降低，约5秒时重新达到稳定，平均输出电压提升至额定值。
如图8a至图8b所示为本实施例中微电网在g7型分布式通讯拓扑下采用d2牵制点的仿真结果。开始运行时，各分布式电源运行于下垂控制模式，0.3秒时二次电压控制投入，2.5秒时加入负荷增加。仿真结果如图8a至图8b所示，其中，图8a为微电网中各分布式电源输出无功功率控制效果图，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示无功功率，单位：乏。如图8a所示，最初在下垂控制作用下，分布式电源无功功率均分效果并不理想，0.3秒后在二次控制作用下无功功率逐渐均分，约2秒时系统达到稳定，2.5秒时系统负载增加，各分布式电源输出无功功率增加，约4秒时系统稳定、重新达到功率均分。图8b为微电网中各分布式电源输出电压控制效果图，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示输出电压，单位：伏。由图8b可知，最初在下垂作用下分布式电源输出电压与额定值有偏差，平均输出电压低于额定值，0.3秒后在二次控制作用下，输出电压提升从而微网平均输出电压至额定值，约2秒时系统达到稳定，2.5秒时由于系统负载增加，分布式电源输出电压有所降低，约4秒时重新达到稳定，平均输出电压提升至额定值。
本发明所提出的基于网络镜像和全局传播率的微电网分布式通讯拓扑设计方法，将有向分布式通讯拓扑的代数连通度与图论连通性分别对应起来，从而建立了在一定通讯成本限制下考虑了二次控制动态收敛性能的优化指标，作为有向分布式通讯拓扑设计的依据；将牵制点的收敛性能与全局传播率对应起来，建立了考虑牵制点出度和全局传播率的优化设计指标，作为牵制点设计的依据。本发明针对现有的分布式二次控制技术并未对有向通讯拓扑和牵制点的设计进行研究，提出了分布式通讯拓扑设计方法，作为二次控制策略的重要组成部分优化了分布式电源无功功率均分和平均电压恢复的控制效果，有效提高了微电网的动态运行能力。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
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