張海全，賀鴻鵬，徐美嬌

(國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

電網(wǎng)調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)的主站系統(tǒng)與遠程終端之間的通信主要依靠的是通信資源，其性能的可靠與否直接決定了整個電網(wǎng)調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)的運行，所以在搭建電網(wǎng)DCS自動化系統(tǒng)過程中，首先要解決的是通信資源配置的問題。文獻[1]提出考慮機組的爬坡限制以及儲能的功率和荷電狀態(tài)限制，以每分鐘的功率為約束，通過指令信號越限時再分配實現(xiàn)不同資源間調(diào)頻指令的分配。但是通信裝置常部署在環(huán)境苛刻的野外，對穩(wěn)定性要求較高。在儲能電池的接入下，文獻[2]對電池儲能參與調(diào)頻的成本-效益和容量配置等進行了研究， 表明電池儲能作為優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻資源可以帶來一定的經(jīng)濟效益。而近幾年風(fēng)、電等多種具有較大波動的新能源正在大規(guī)模地侵入電力互聯(lián)網(wǎng)，導(dǎo)致電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性下降。為提取非線性非平穩(wěn)的信號特征，文獻[3]提出了自適應(yīng)約束變分模型的構(gòu)建及求解，得到頻率成分固定的信號分量，利用Hilbert變換提取振蕩特征參數(shù)。調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)控制過程中的缺陷逐漸暴露出來，例如調(diào)節(jié)的延遲、偏差和單向等現(xiàn)象。現(xiàn)有研究主要從過程層監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸機制中改進。如文獻[4]提出了一種通過過程層交換機動態(tài)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)拓撲與鏈路映射關(guān)系的智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)快速故障定位與運行狀態(tài)監(jiān)控方法，僅能辨識故障位置，并不能保證故障狀態(tài)下過程層網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。文獻[5]提出了一種過程層網(wǎng)絡(luò)報文傳輸延時計算方法，建立了SV報文傳輸時間抖動模型，并據(jù)此提出通過控制報文發(fā)送時序與轉(zhuǎn)發(fā)條件的延時抖動抑制方法，但文中并未展開故障鏈路下傳輸延時防抖動研究。在實際應(yīng)用過程中，調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)受到多模態(tài)產(chǎn)生的大量冗余數(shù)據(jù)、延時以及蒸汽壓力的影響，其調(diào)頻控制的速度與精度不能得到滿足。

變分模態(tài)分解方法具有充分準正交特性，具有強抗噪性，可實現(xiàn)對自適應(yīng)信號的良好處理[6-7]，因此，為實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)的自動化通信資源無冗余配置，本文利用變分模態(tài)分解方法，確定并優(yōu)化電網(wǎng)調(diào)頻容量，以期提升電網(wǎng)調(diào)頻性能，并結(jié)合交叉鏈路高可用性無縫冗余通信鏈路配置方法和貪心容量優(yōu)化調(diào)度算法實現(xiàn)通信資源無冗余配置。主要創(chuàng)新點為：

① 傳統(tǒng)方法中，鏈路成環(huán)使得數(shù)據(jù)循環(huán)進行傳播計算，計算冗余度較高。因此本文方法采用交叉鏈路配置方案，從而減少傳播跳數(shù)。

② 在傳輸層易產(chǎn)生流量擁塞風(fēng)險，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時延。本文方法在貪心容量調(diào)度算法中優(yōu)化鏈路與節(jié)點容量等，選取最優(yōu)通信資源傳輸路徑，避免擁塞。

1 電網(wǎng)調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)自動化通信資源無冗余配置

1.1 電網(wǎng)調(diào)頻容量確定和優(yōu)化

1.1.1 基于變分模態(tài)分解的調(diào)頻命令分配

① 變分模態(tài)分解

電網(wǎng)下發(fā)的調(diào)頻命令信號缺乏平穩(wěn)性的同時也不具有線性，所以無法通過傳統(tǒng)方法對其頻域信號展開分解。變分模態(tài)分解方法基于適宜分解尺度劃分信號得到多個不同中心頻率的本征模態(tài)函數(shù)，且令各函數(shù)所預(yù)估的帶寬和為最小[8-9]。通過設(shè)置合適的分解尺度，將輸入的信號分解為若干個不同中心頻率的本征模態(tài)函數(shù)，并以估計頻域之和最小作為約束進行循環(huán)更新。

基于適宜分解尺度K對調(diào)頻命令信號進行變分模態(tài)分解，獲取K個不同中心頻率的子模態(tài)函數(shù)序列uk(t)(k=1,2,…,K)，且存在{uk}={u1,u2,…,uk}，并令各子序列所預(yù)估的帶寬和為最小值，所有子模態(tài)函數(shù)序列的和與電網(wǎng)輸入的調(diào)頻命令功率和相等，得到變分問題的組建公式為：

(1)

式中，子模態(tài)函數(shù)中心頻率{ωk}={ω1,ω2,…,ωk}；δ(t)表示單位脈沖函數(shù)；j表示頻域信號。

將增廣拉格朗日函數(shù)應(yīng)用至求解約束性變分模態(tài)分解問題過程中，得到：

(2)

式中，α，λ(t)分別為懲罰因子和拉格朗日乘子。

(3)

通過傅里葉變換獲取更新后子模態(tài)函數(shù)序列與中心頻率的最新頻域如下：

(4)

(5)

設(shè)定一個需要達到的變分模態(tài)分解精度e，且e>0，若符合下式要求，停止迭代：

(6)

② 調(diào)頻指令分配

變分模態(tài)分解處理電網(wǎng)調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)區(qū)域控制誤差信號，得到n個頻率從低至高的本征模態(tài)函數(shù)分量[10]，此處分別通過重構(gòu)低、高頻分量，為普通機組和儲能電池的自動發(fā)電分配調(diào)頻控制指令

(7)

(8)

(9)

(10)

為了避免少數(shù)尖峰信號以及功率響應(yīng)效率對調(diào)頻命令分配的限制，將其與容量系數(shù)γ1和γ2相乘，γ1,γ2∈[0,1]，系數(shù)大小取決于所得分配命令信號。

1.1.2 基于功率區(qū)域調(diào)整的調(diào)頻控制方案

為提高電網(wǎng)調(diào)頻的經(jīng)濟效益，需要設(shè)計適宜的控制方案。在利用儲能電池與發(fā)電機組制定調(diào)頻控制方法時，需要先權(quán)衡這些調(diào)頻資源在實際應(yīng)用過程中的限制作用[11]，功率調(diào)整區(qū)域求解的流程如下。

基于發(fā)電機組的功率與爬坡率的影響得出調(diào)頻時刻t的功率區(qū)域為：

(11)

(12)

由于影響儲能電池功率區(qū)域的因素除其自身容量之外還有荷電狀態(tài)[12]，所以求解儲能電池t時刻的荷電狀態(tài)得到：

(13)

結(jié)合儲能電池的功率與能量求解其于調(diào)頻時刻t的功率輸出區(qū)域，得到：

(14)

(15)

利用基于功率區(qū)域調(diào)整的調(diào)頻控制方案可有效限制各調(diào)頻時間間隔內(nèi)輸出的儲能功率，保證其荷電狀態(tài)一直處于合理區(qū)域內(nèi)[13]，避免儲能電池過度地充放電，在降低其自身損耗的同時令其擁有一定的隨時調(diào)頻能力。

1.2 電網(wǎng)調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)自動化通信資源無冗余配置

高可用性無縫冗余(HSR)通信資源配置方法，是采取雙環(huán)鏈路相連各個節(jié)點構(gòu)成一個環(huán)網(wǎng)。通信資源數(shù)據(jù)報文經(jīng)源節(jié)點發(fā)出后會經(jīng)過整體電網(wǎng)調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)最終再次回到源節(jié)點，正常情況下的通信資源數(shù)據(jù)報文在無冗余配置時，報文的2個副本會在同一時刻傳輸至各個源節(jié)點，節(jié)點會自動接收率先到達的數(shù)據(jù)報文，丟棄延遲到達的一個；故障情況下的通信資源數(shù)據(jù)報文在無冗余配置時，2個副本中只有一個副本能到被傳輸至節(jié)點。盡管HSR通信資源配置方法可以確保通信資源的無冗余配置與零恢復(fù)時間，但是在電網(wǎng)調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)通信寬帶有限條件時，受HSR方法的鏈路成環(huán)產(chǎn)生的通信數(shù)據(jù)副本往復(fù)傳播影響，可能會造成通信資源產(chǎn)生較大的傳輸延時，導(dǎo)致通信資源無冗余配置時間，開銷較大；同時，HSR方法忽略了電網(wǎng)調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)通信鏈路傳輸通信資源時的資源負載率與利用率的異同，未充分考慮高并發(fā)工作狀態(tài)下通信資源無冗余配置過程中受節(jié)點傳輸量影響導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)擁塞情況。

本文提出交叉鏈路高可用性無縫冗余(CL-HSR)通信資源配置方法，有效縮短通信資源傳輸跳數(shù)，降低通信資源無冗余配置延時；結(jié)合貪心流量優(yōu)化調(diào)度算法，在通信資源無冗余配置時通過優(yōu)化調(diào)度鏈路容量負載率與節(jié)點容量負載率、鏈路利用率和有向邊權(quán)重值，選取最優(yōu)通信資源傳輸路徑，避免造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，實現(xiàn)確定并優(yōu)化電網(wǎng)調(diào)頻容量的后電網(wǎng)自動化通信資源無冗余配置。

1.2.1 基于CL-HSR的網(wǎng)絡(luò)通信資源無冗余配置

CL-HSR通信資源配置方法，如圖1所示。

圖1 CL-HSR通信資源配置方法Fig.1 CL-HSR communication resource allocation method

可以看出，該方法通過所有雙工鏈路串聯(lián)了對角的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。圖中DANH(Doubly Attached Node for HSR)表示為雙連接節(jié)點。

將單環(huán)鏈路形成的2個對角子環(huán)記為Ⅰ和Ⅱ，針對各子環(huán)可以將2個RedBox的其中之一放置在對接HSR環(huán)的端口，另一個放置在對接子環(huán)的端口。RedBox的具體作用是作為連接各節(jié)點連接器形成HSR環(huán)，可按照電網(wǎng)調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模自適應(yīng)變換子環(huán)數(shù)。所有轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點之間的冗余互聯(lián)通路均通過RedBox完成，在保證HSR環(huán)路可靠性的同時避免了每個節(jié)點受重復(fù)丟棄問題導(dǎo)致的環(huán)網(wǎng)[14]。應(yīng)用該方法極大程度地降低了數(shù)據(jù)包在電網(wǎng)調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中出現(xiàn)的跳數(shù)，令各端口之間的傳輸延時最大值得以減小。由此可見，該方法能夠有效提升電網(wǎng)調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)的容錯性和服務(wù)質(zhì)量，更好地實現(xiàn)其自動化通信資源無冗余配置。

圖1中電網(wǎng)調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)源至其內(nèi)部全部目標區(qū)域的幀需要的跳數(shù)最小值為環(huán)內(nèi)總跳數(shù)的1/2，當(dāng)單環(huán)鏈路內(nèi)出現(xiàn)純粹鏈路故障時，需要的跳數(shù)最小值為總跳數(shù)-l。

令各單環(huán)節(jié)點都是雙連接，則單環(huán)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)全部總跳數(shù)與雙連接節(jié)點數(shù)相同，得到鏈路正常時的單環(huán)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)最小跳數(shù)值為：

N單環(huán)=0.5×NDANH，

(16)

式中，N單環(huán)，NDANH分別為單環(huán)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的跳數(shù)以及雙連接節(jié)點數(shù)。

由于該方法內(nèi)加入了交叉鏈路以及額外RedBox，所以總跳數(shù)會變大，其最小跳數(shù)取決于Ⅰ和Ⅱ。得到子環(huán)內(nèi)總跳數(shù)為主環(huán)內(nèi)雙連接節(jié)點數(shù)的1/2，并得到2個交叉鏈路子環(huán)，即：

NCL=0.5×(NDANH+4)+2，

(17)

式中，策略的總跳數(shù)表示為NCL，報文輸送的跳數(shù)最小值是其1/2，即:

NCL-HSR=0.5×NCL-HSR=(NDANH+8)/4，

(18)

式中，NCL-HSR為該方法的跳數(shù)最小值。

在雙連接節(jié)點數(shù)增加的情況下，該方法的輸送跳數(shù)更小，可降低傳輸時延，提升網(wǎng)絡(luò)通信資源無冗余配置時效：

(19)

1.2.2 基于貪心容量優(yōu)化調(diào)度算法的資源配置擁塞優(yōu)化

采用貪心容量優(yōu)化調(diào)度算法選取最優(yōu)通信資源傳輸路徑，避免電網(wǎng)調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)擁塞，提升通信資源無冗余合理配置，保障通信資源傳輸可靠性。

① 鏈路容量負載率與節(jié)點容量負載率

設(shè)有向鏈路lij特指節(jié)點i至j的路徑，φ(lij)表示其容量，節(jié)點i至j的報文隊列長度表示為Qij,Mi描述的是與節(jié)點i相鄰的節(jié)點數(shù)量。假設(shè)電網(wǎng)調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)最大的相鄰節(jié)點數(shù)是M=max(Mi)，則得到鏈路負載率為：

(20)

式中，NBj為節(jié)點j的相鄰節(jié)點集，則節(jié)點j的容量負載率為：

(21)

式中，節(jié)點j輸出鏈路內(nèi)的最大容量負載率為φmax,最小容量負載率為φmin。歸一化節(jié)點i～j數(shù)據(jù)傳送容量負載率，得到：

(22)

式中，F(xiàn)[]表示歸一化處理。

② 鏈路利用率

(23)

得到路過鏈路的總業(yè)務(wù)速率為：

(24)

式中，電網(wǎng)調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為v。鏈路利用率為：

(25)

③ 有向邊權(quán)重值

基于容量負載率、鏈路利用率以及節(jié)點跳數(shù)設(shè)鏈路權(quán)值為wij，得到：

(26)

式中，Nij是電網(wǎng)調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)不同設(shè)計策略下節(jié)點i，j之間的跳數(shù)[17-18]；γ1，γ2，γ3都是權(quán)重系數(shù)，且符合γ1+γ2+γ3=1。

針對所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在轉(zhuǎn)發(fā)報文至向下一跳的情況下，優(yōu)先選取權(quán)重最大的鏈路以及相對節(jié)點為通信資源傳播路徑，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信資源無縫冗余配置。

2 實驗分析

為驗證本文方法的可行性與優(yōu)異性，本文基于Matlab的動態(tài)可視仿真平臺搭建變電站電網(wǎng)調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)實驗平臺，以SV報文80點工作模式，采樣時間間隔為1 min，電網(wǎng)調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)鏈路中雙連接節(jié)點數(shù)量為36，權(quán)重系數(shù)為(0.4，0.6，0.3)。

分析重構(gòu)點m不同時的電網(wǎng)調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)自動化通信資源的配置結(jié)果，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 功率容量配置結(jié)果Fig.2 Power capacity allocation result

圖3 能量容量配置結(jié)果Fig.3 Energy capacity allocation result

圖2和圖3分別表示不同重構(gòu)點下的最優(yōu)功率和能量容量配置結(jié)果。結(jié)合圖2和圖3可以看出，隨重構(gòu)點的不斷增大，儲能電池負荷的能量越來越小，其所配置的功率和能量容量也會越來越小。

圖4是儲能電池于整體調(diào)頻區(qū)域階段的荷電狀態(tài)，通過圖4可以看出，荷電狀態(tài)的波動為0.1～1.0。說明通過本文方法可有效限制各調(diào)頻時間間隔內(nèi)輸出的儲能功率，保證其荷電狀態(tài)一直居于合理區(qū)域內(nèi)，避免儲能電池過度地充放電，儲能電池所需要的調(diào)頻命令能量要求能夠得到滿足，且其利用率較高，說明本文方法的配置結(jié)果合理且有效。

為驗證本文方法應(yīng)用的交叉鏈路高可用性無縫冗余策略的性能，對比單環(huán)、雙環(huán)、交叉3種鏈路高可用性無縫冗余策略下，跳數(shù)最小值跟隨雙連接節(jié)點數(shù)所發(fā)生的變化，結(jié)果如圖5所示。

圖4 m=6時儲能電池的荷電狀態(tài)變化Fig.4 Charge state change of energy storage battery when m=6

圖5 不同鏈路高可用性無縫冗余策略下最小跳數(shù)Fig.5 Minimum hop count under high availability seamless redundancy strategy for different links

對比普通單環(huán)、雙環(huán)鏈路，本文所設(shè)計的交叉鏈路高可用性無縫冗余策略的跳數(shù)最小值能夠于雙連接節(jié)點數(shù)較多的情況下縮減一半，實現(xiàn)端口之間延時量極大程度上的節(jié)省。

分別模擬并采集某天06:00—09:00與18:00—21:00時間段的用電時段數(shù)據(jù)，圖6和圖7為2個時段自動發(fā)電控制命令報文與發(fā)電機組響應(yīng)信號情況的仿真結(jié)果。

圖6 06:00—09:00時段自動發(fā)電控制命令報文與 發(fā)電機組響應(yīng)情況Fig.6 Automatic power generation control command message and generator set response at 06:00—09:00

圖7 18:00—21:00時段自動發(fā)電控制命令報文與 發(fā)電機組響應(yīng)情況Fig.7 Automatic power generation control command message and generator set response at 18:00—21:00

由圖6和圖7可以看出，各時段的自動發(fā)電控制命令報文與其對應(yīng)發(fā)電機組的響應(yīng)信號情況基本一致，說明本文方法具有較好的應(yīng)用性，電網(wǎng)系統(tǒng)運行穩(wěn)定，不存在配置延遲問題。

3 結(jié)束語

對于當(dāng)前電網(wǎng)調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)受重復(fù)丟棄機制的影響導(dǎo)致?lián)砣?，以至于?shù)據(jù)傳輸耗時較長的問題，分析了基于變分模態(tài)分解的電網(wǎng)調(diào)頻控制網(wǎng)絡(luò)自動化通信資源無冗余配置方法。實驗結(jié)果表明，該方法的傳輸跳數(shù)更小,能夠達到節(jié)點連接數(shù)量的一半左右；響應(yīng)及時，基本不存在延遲的現(xiàn)象，能夠更好地服務(wù)電網(wǎng)系統(tǒng)。以大數(shù)據(jù)驅(qū)動的電力物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過本文方法可加強數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性。