分布式合作控制与智能电网运行

复杂系统与网络科学技术的发展促进了“互联网+”时代的到来,网络已经作为强有力的纽带工具贯穿各行各业,如交通流网络、航空网络、电力网络、能源网络、生物网络。网络的内部节点之间通过物理连接耦合、通信连接耦合进行互联；网络与网络之间通过信息交换、互利共享形成更大规模的多层结构,如网络的网络。在网络中,可以将每个节点个体看作一个自主体,它具有自主决策与优化协调计算的能力,通过网络连接可以实现合作共赢、全局最优决策等,因而网络化的自主体便形成了多自主体系统。本论文主要研究多自主体系统的分布式协调合作控制问题,包括分布式一致性控制、牵制一致性控制、分布式包含控制的理论探究；另一方面,结合智能电网中的多单元交互场景,探讨分布式优化、分布式估计、分布式控制技术在智能电网运行中的应用。主要结果包含以下几个方面：(1)针对一般的线性多自主体系统,通过设计分散式的龙伯格(Luenberger)观测器与分布式的网络化牵制观测器,实现线性自主体状态的局部与分布式观测：其次基于自主体系统的输出、观测系统的输出设计了一个新的分布式混合输出反馈协议,该协议可以包含经典的静态输出反馈协议、动态输出反馈协议、观测基反馈协议作为特例。通过线性系统的特征值分析、极点配置算法,给出了在有向通信拓扑结构下多自主体系统实现渐进一致性的充要条件。然后,通过线性系统的经典解析解表达式给出了系统收敛的一致性稳态值。进一步,将该结论推广到一类Lipschitz非线性多自主体系统中。考虑了基于观测器协议的分布式牵制一致性控制问题。对于单个非线性自主体,提出了两种不同的观测器设计方案：局部观测器设计和分布式牵制观测器设计。依据观测的状态信息,进而提出了一个基于观测器的分布式牵制一致性协议,并应用于分析领导-跟随一致性问题。在牵制联合通信拓扑包含一个有向生成树的情况下,所建立的充分性判据不仅能保证观测误差系统是全局渐进稳定的,而且能保证多自主体系统能够实现渐进一致性。(2)探讨了一类具有两层时变网络结构的多自主体系统的分布式合作控制问题,其中网络分为领导层与跟随层。通过设计集中-分布式与分布-分布式的合作控制协议,可以实现该自主体系统领导层的有限时间编队控制与跟随层的包含控制。这里,考虑了两种类型的拓扑结构切换规则：随机切换规则与具有静态平稳分布的Markov切换规则。通过状态转移矩阵与矩阵测度分析的技巧,给出了自主体系统渐进包含控制与指数几乎必然包含控制的充分性判据。其次,考虑了一类Lipschitz非线性多自主体系统的分布式包含控制问题,本别从协议设计角度出发,给出了在状态反馈控制协议、混合时滞耦合协议、时滞耦合协议作用下,系统实现渐进包含控制的充分条件。进一步,给出了每个控制协议的增益设计算法,通过多步求解算法可以得到每类分布式协议的反馈增益与耦合强度。理论研究表明了混合时滞耦合协议对时延具有较强的鲁棒性,然而时滞耦合协议对时延的鲁棒性则较差,存在一个最大的时延上界。(3)考虑了电源侧柔性资源与需求侧柔性资源的联合有功调度问题,给出了“源-网-荷”互联系统的多层调度控制算法,该调度控制模式可以处理长时间尺度的优化调度与短时间尺度的实时控制问题。具体而言,调度控制模式分为三层实现：上层实现调度中心关于发电机组与母线负荷代理的前瞻调度;中层通过分布式估计的思想实现同一个负荷代理内部不同类型负荷圈的最优有功分配计算；下层通过分布式牵制一致性控制算法实现同一负荷圈内部不同类型终端能量管理系统的分布式控制。对于上层调度,由于参与的对象数目较少,因此采用集中的前瞻优化来实现具有较高的精度、捍卫了调度中心的集权地位；对于中、下层,由于负荷圈与终端能量管理系统数目众多且具有较大空间的参与灵活度,因此采用分布式计算与分布式控制是最佳的选择。分布式算法具有良好的可延展性与鲁棒性,它仅通过稀疏的通信即可实现全局的最优调度与控制。其次,针对微网运行环境,提出了一个分布式λ-迭代算法,用于求解微网的运行收益最大化问题。该分布式算法结合了多自主体系统的分布式牵制一致性控制策略,同时考虑了微网运行的状态约束。在该算法中,微网控制中心承担着微网的全局信息解析与分布式下发的责任,且该算法不依赖于系统中分布式电源与储能单元的初始状态。另外一方面,考虑了时变负荷需求与分布式电源、储能单元的即插即用场景,说明了分布式迭代优化控制算法具有良好的鲁棒性与可延展性、且能很好地应对系统中的单点失效状况。(4)在配电网中,柔性可控负荷具有快速响应特性,因而可以参与到电力系统的自动发电控制频率调节中。本部分研究提出了一种分布式的需求侧能量管理方案,可以实现多个负荷代理的有功功率输出调节。当传统的发电机组无力应对电力系统中出现的较大负荷扰动时,该控制策略可以作为一种超前调度控制模式激励柔性负荷参与到系统的频率调节过程中。具体而言,给出了一个领导-跟随的分布式牵制控制结构。其中,领导者根据系统的总有功功率缺额、柔性负荷的动态响应结果、发电机组的调节极限约束来更新自己的状态；该领导者是一个虚拟的控制结构,系统中的多个柔性负荷代理作为跟随者,他们的控制响应具有一定的不确定性。控制的目标是激励柔性负荷朝着电力系统的益频方向调节。该激励过程可以按周期进行,直到系统的功率缺额被调节至自动发电控制机组的可调范围内。最后,结合实际的大规模异质温控负荷集群,提出了一种分布式负荷跟随控制算法。在需求响应计划中,聚合的温控负荷通常隶属于一个较大的负荷代理内部,它可以表示建筑楼宇内部的所有空调负荷、热水器负荷等。通过聚合建模,给出了基于温度设定点信号作为输入,聚合功率作为输出的双线性状态空间模型。然后,在多个温控负荷聚合体之间规划简单的通信拓扑结构,设计了一个分布式的温度设定点变化率控制算法,通过牵制协调,可以实现负荷代理对调度中心发布的功率参考曲线的实时跟踪,进而完成负荷跟随服务。