本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及多區(qū)域負(fù)荷頻率的控制方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代電網(wǎng)向著遠(yuǎn)距離、超高壓，甚至特高壓方向發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模更趨龐大，結(jié)構(gòu)和運行方式更趨復(fù)雜，使得電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行面臨著不斷的挑戰(zhàn)。根據(jù)系統(tǒng)發(fā)電與負(fù)荷不平衡量的變化范圍及波動時間尺度的不同，電力系統(tǒng)頻率和有功功率的調(diào)整通常可以分為三類：一次頻率調(diào)節(jié)、二次頻率調(diào)節(jié)以及三次頻率調(diào)節(jié)，電力系統(tǒng)一、二、三次調(diào)頻和低頻減載之間的協(xié)調(diào)工作共同構(gòu)成了完整的大規(guī)模復(fù)雜電力系統(tǒng)頻率控制體系。負(fù)荷頻率控制lfc(loadfrequencycontrol)，是自動發(fā)電控制(automaticgenerationcontrol，簡稱agc，指頻率的二次調(diào)節(jié))的核心部分。互聯(lián)電力系統(tǒng)lfc的主要任務(wù)是保證滿意的區(qū)域頻率和聯(lián)絡(luò)線交換功率，而區(qū)域頻率和聯(lián)絡(luò)線交換功率偏差的出現(xiàn)是由于不可預(yù)見的負(fù)荷變化和負(fù)荷需求之間的不平衡所引起的。電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制是保證供電質(zhì)量及電力系統(tǒng)安全、可靠與經(jīng)濟運行的一種重要的控制手段。因此，如何改進(jìn)頻率控制策略的設(shè)計以適應(yīng)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)在向大規(guī)模互聯(lián)電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，是現(xiàn)代電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的重要研究領(lǐng)域。

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，各種新設(shè)備的不斷投入與使用，使得系統(tǒng)的復(fù)雜程度明顯增加。為提高電力系統(tǒng)運行的安全性與可靠性，容錯控制逐漸成為電力系統(tǒng)中重要的研究內(nèi)容。另外、電能的生產(chǎn)、輸送與分配是電力系統(tǒng)的主要功能，它要依靠一次系統(tǒng)來完成，而一次系統(tǒng)中設(shè)備(元件)的故障是不可避免的，因此二次系統(tǒng)對一次系統(tǒng)的容錯控制顯得十分必要。lfc作為二次系統(tǒng)的核心部分，其與容錯控制結(jié)合必然是lfc發(fā)展的一個重要方向。所謂容錯是容忍故障的簡稱，它通過對系統(tǒng)的設(shè)計，使得當(dāng)一個或部分元件發(fā)生故障后，系統(tǒng)仍然能按原定性能指標(biāo)或是性能指標(biāo)略有降低但在可以接受的范圍內(nèi)運行，從而保證系統(tǒng)的正常運行。容錯控制為提高復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性開辟了一條新的途徑，也為提高電力系統(tǒng)的可靠性提供了一種新的思路。目前，電力系統(tǒng)的負(fù)荷頻率容錯控制研究尚處于起步階段。僅存的方法主要是基于殘差法，但是這種故障估計只能獲得故障幅值的近似值，難以精確分辨故障的“形狀”。因此，如何更大精度的重構(gòu)故障，對于控制器設(shè)計事關(guān)重要，同時也是具有很大挑戰(zhàn)性的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種多區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)基于故障容錯的負(fù)荷頻率控制的方法，通過重構(gòu)故障信號實現(xiàn)容錯控制，以解決電力互聯(lián)系統(tǒng)領(lǐng)域的容錯控制問題，提高互聯(lián)電力系統(tǒng)的可靠性。

本發(fā)明多區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)基于故障容錯的負(fù)荷頻率控制的方法，包括以下步驟：

一、建立多能源電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制的數(shù)學(xué)模型；

多區(qū)域電力系統(tǒng)的動態(tài)模型為：

其中：

另外，是狀態(tài)變量，是xi(t)的相鄰狀態(tài)變量，是控制輸入，是測量輸出，是未知傳感器故障，δpdi(t)∈rⁿ是負(fù)載擾動，δfi是頻率偏差，單位為hz，δptie-i是聯(lián)絡(luò)線功率偏差，單位為pu，δpmi是發(fā)電機輸出功率偏差，單位為pu，δpgi是調(diào)節(jié)閥位置偏差，單位為pu，tgi是調(diào)節(jié)閥時間常數(shù)，單位為sec，tti是渦輪機時間常數(shù)，單位為sec，mi是發(fā)電機慣量，單位為pu.sec，di是發(fā)電機單位阻尼系數(shù)，單位為pu/hz，ri是降速，單位為hz/pu，βi是頻率偏差系數(shù)，單位為pu/hz，tij是區(qū)域間的聯(lián)絡(luò)線同步系數(shù)，單位為pu/hz，acei是區(qū)域控制偏差，單位為pu；系統(tǒng)矩陣維數(shù)分別是：

考慮參數(shù)不確定性后的系統(tǒng)動力學(xué)模型為：

其中，和是標(biāo)定參數(shù)矩陣；δaiδbi和δfi是參數(shù)不確定性；另外，為了簡化起見，互聯(lián)項eij不考慮其不確定性；另外，定義gi(t)＝δaixi(t)+δbiui(t)+(f'i+δfi)δpdi(t)為總不確定性，那么互聯(lián)電力系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)化成

假設(shè)：

(1)對于每個電力子系統(tǒng)，存在矩陣hij滿足eij＝b'ihijcj，||hij||，，i,j∈n；其中，是已知的正數(shù)；

(2)存在正的標(biāo)量值函數(shù)di使得總不確定性gi(t)滿足gi(t)＝b'ig'i(t),||g'i(t)||，，di；

(3)存在已知常數(shù)使得傳感器故障fsi(t)滿足||fsi(t)||，，

另外，定義如下的增廣系統(tǒng)：

其中：

該增廣系統(tǒng)是一個廣義系統(tǒng)模型，原系統(tǒng)狀態(tài)和傳感器故障被定義為廣義狀態(tài)向量；

二、設(shè)計滑模觀測器，并基于滑模觀測器，得到多區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)基于容錯的負(fù)荷頻率控制的穩(wěn)定性條件；

1、引入觀測器矩陣及

存在wi∈r^p×p，wi＝diag{ξ1i,...,ξpi}，使得是非奇異的，存在使得并且存在使得

2、設(shè)計滑模觀測器

設(shè)計如下形式的滑模觀測器：

其中：是狀態(tài)向量，zxi(t)，和zfi(t)是其分量，是的估計值，usi(t)是構(gòu)造的不連續(xù)輸入用來消除傳感器故障fsi(t)；

3、狀態(tài)空間及誤差空間動態(tài)模型的構(gòu)造

由設(shè)計的觀測器可得到下面的估計誤差及狀態(tài)估計表達(dá)式

其中：

分別設(shè)計估計誤差及狀態(tài)估計的滑模面：

其中：gi∈r^m×n和ki∈r^p×n是待設(shè)計矩陣，李雅普諾夫函數(shù)pi＞0的設(shè)計需滿足存在矩陣hi使得由此得到估計誤差控制器：

其中，γi＞0是給定參數(shù)；

另外，定義那么狀態(tài)估計的滑模等效控制率為：

由此，得到誤差空間及狀態(tài)空間的動態(tài)模型：

三、設(shè)計傳感器容錯控制器對系統(tǒng)負(fù)荷頻率進(jìn)行控制；

取傳感器容錯控制器為：

其中g(shù)i和ki利用matlab中的lmi工具箱進(jìn)行求解得到，κi為給定參數(shù)；在基于滑模觀測器的容錯控制中，容錯控制器由狀態(tài)空間的控制器ui(t)和誤差空間的控制器usi(t)共同構(gòu)成。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明多區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)基于故障容錯的負(fù)荷頻率控制的方法，其設(shè)計的滑模觀測器，可以實現(xiàn)傳感器故障及系統(tǒng)狀態(tài)的估計/重構(gòu)，所設(shè)計的容錯控制器可以確保系統(tǒng)狀態(tài)仍能漸進(jìn)趨于穩(wěn)定，本發(fā)明通過重構(gòu)故障信號實現(xiàn)了容錯控制，進(jìn)一步提高了互聯(lián)電力系統(tǒng)的可靠性。

附圖說明

圖1是兩區(qū)兩機電力系統(tǒng)單線圖。

圖2是多區(qū)域負(fù)荷頻率控制方案的第i個控制區(qū)的動態(tài)模型。通常一個多區(qū)域電力系統(tǒng)由多個lfc區(qū)域組成，每個區(qū)域都有多個發(fā)電機。在這里，我們用一個等效的發(fā)電機單元來簡化一個地區(qū)的發(fā)電機。

很容易看出對于互聯(lián)電力系統(tǒng)基于故障容錯的負(fù)荷頻率控制，關(guān)鍵是解決故障重構(gòu)/估計問題，使得系統(tǒng)可以處理故障檢測和隔離工作。本發(fā)明實施例是先得到多區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制模型，通過滑模觀測器方法，估計系統(tǒng)狀態(tài)及傳感器故障，然后設(shè)計滑模容錯控制器，使傳感器發(fā)生故障時，系統(tǒng)狀態(tài)能夠在有限時間內(nèi)到達(dá)平衡點。

圖3是負(fù)荷頻率容錯控制框圖。對于所得到的數(shù)學(xué)模型，采用分散控制方法，也就是說對于每個控制區(qū)分別設(shè)計容錯控制器。

圖4是三區(qū)域電力系統(tǒng)簡化示意圖。為了驗證本發(fā)明技術(shù)方案的可行性，用三區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)作為驗證例子，并用一個等效的發(fā)電機單元來簡化一個地區(qū)的發(fā)電機。

圖5指傳感器發(fā)生故障時，三區(qū)域電力系統(tǒng)頻率偏差δfi響應(yīng)曲線。

圖6指傳感器發(fā)生故障時，子區(qū)域1狀態(tài)響應(yīng)曲線。通過圖5-6可以看出，當(dāng)傳感器發(fā)生故障時，本發(fā)明的滑模容錯控制器能夠使系統(tǒng)狀態(tài)趨于穩(wěn)定。

圖7指傳感器發(fā)生故障時，子區(qū)域1頻率偏差δfi及其估計響應(yīng)曲線。

圖8指傳感器發(fā)生故障時，子區(qū)域1聯(lián)絡(luò)線功率偏差δptie-i及其估計響應(yīng)曲線。

圖9是傳感器發(fā)生故障時，子區(qū)域1傳感器故障δfsi(t)及其估計響應(yīng)曲線。通過圖7-9可以看出，當(dāng)傳感器發(fā)生故障時，所設(shè)計的滑模觀測器能有效估計系統(tǒng)狀態(tài)及傳感器故障。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

本實施例多區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)基于故障容錯的負(fù)荷頻率控制的方法，其特征在于：包括以下步驟：

一、建立多能源電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制的數(shù)學(xué)模型；

多區(qū)域電力系統(tǒng)的動態(tài)模型為：

其中：

另外，是狀態(tài)變量，是xi(t)的相鄰狀態(tài)變量，是控制輸入，是測量輸出，是未知傳感器故障，δpdi(t)∈rⁿ是負(fù)載擾動，δfi是頻率偏差，單位為hz，δptie-i是聯(lián)絡(luò)線功率偏差，單位為pu，δpmi是發(fā)電機輸出功率偏差，單位為pu，δpgi是調(diào)節(jié)閥位置偏差，單位為pu，tgi是調(diào)節(jié)閥時間常數(shù)，單位為sec，tti是渦輪機時間常數(shù)，單位為sec，mi是發(fā)電機慣量，單位為pu.sec，di是發(fā)電機單位阻尼系數(shù)，單位為pu/hz，ri是降速，單位為hz/pu，βi是頻率偏差系數(shù)，單位為pu/hz，tij是區(qū)域間的聯(lián)絡(luò)線同步系數(shù)，單位為pu/hz，acei是區(qū)域控制偏差，單位為pu；系統(tǒng)矩陣維數(shù)分別是：

考慮參數(shù)不確定性后的系統(tǒng)動力學(xué)模型為：

其中，和是標(biāo)定參數(shù)矩陣；δaiδbi和δfi是參數(shù)不確定性；另外，為了簡化起見，互聯(lián)項eij不考慮其不確定性；另外，定義gi(t)＝δaixi(t)+δbiui(t)+(f'i+δfi)δpdi(t)為總不確定性，那么互聯(lián)電力系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)化成

假設(shè)：

(1)對于每個電力子系統(tǒng)，存在矩陣hij滿足eij＝b'ihijcj，||hij||，，i,j∈n；其中，是已知的正數(shù)；

(2)存在正的標(biāo)量值函數(shù)di使得總不確定性gi(t)滿足gi(t)＝b'ig'i(t),||g'i(t)||，，di；

(3)存在已知常數(shù)使得傳感器故障fsi(t)滿足||fsi(t)||，，

另外，定義如下的增廣系統(tǒng)：

其中：

該增廣系統(tǒng)是一個廣義系統(tǒng)模型，原系統(tǒng)狀態(tài)和傳感器故障被定義為廣義狀態(tài)向量；其目的是構(gòu)建一個適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)模型的狀態(tài)觀測器來估計系統(tǒng)的狀態(tài)xi(t)和傳感器故障fsi(t)；

二、設(shè)計滑模觀測器，并基于滑模觀測器，得到多區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)基于容錯的負(fù)荷頻率控制的穩(wěn)定性條件；

1、引入觀測器矩陣及

存在wi∈r^p×p，wi＝diag{ξ1i,...,ξpi}，使得是非奇異的，存在使得并且存在使得

設(shè)計滑模觀測器

2、設(shè)計如下形式的滑模觀測器：

其中：是輔助狀態(tài)向量，zxi(t)，和zfi(t)是其分量，是的估計值，usi(t)是構(gòu)造的不連續(xù)輸入用來消除傳感器故障fsi(t)；

3、狀態(tài)空間及誤差空間動態(tài)模型的構(gòu)造

由設(shè)計的觀測器可得到下面的估計誤差及狀態(tài)估計表達(dá)式

其中：

分別設(shè)計估計誤差及狀態(tài)估計的滑模面：

其中：gi∈r^m×n和ki∈r^p×n是待設(shè)計矩陣，李雅普諾夫函數(shù)pi＞0的設(shè)計需滿足存在矩陣hi使得由此得到估計誤差控制器：

其中，γi＞0是給定參數(shù)；

另外，定義那么狀態(tài)估計的滑模等效控制率為：

由此，得到誤差空間及狀態(tài)空間的動態(tài)模型：

本發(fā)明的關(guān)鍵就是設(shè)計滑模觀測器，進(jìn)而估計系統(tǒng)狀態(tài)及傳感器故障；眾所周知，通過所設(shè)計的滑模切換面，我們可以得到一個等效的滑模控制律；本發(fā)明引入了一個誤差空間的不連續(xù)控制器，進(jìn)而得到一個狀態(tài)估計空間的等效滑模控制律及狀態(tài)估計空間的滑模動態(tài)方程；然后通過舒爾補和一系列數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，求解得到滑模動態(tài)方程滿足穩(wěn)定性條件的矩陣方程。其中所獲得的結(jié)果，不全是線性矩陣不等式的形式，可以通過錐補線性化(ccl)的方法把非凸可行性問題轉(zhuǎn)換為求解lmi形式的最小化問題，這樣使得所獲結(jié)果可以直接利用仿真軟件中的線性矩陣不等式工具箱進(jìn)行求解；

三、設(shè)計傳感器容錯控制器對系統(tǒng)負(fù)荷頻率進(jìn)行控制；

取傳感器容錯控制器為：

其中g(shù)i和ki利用matlab中的lmi工具箱進(jìn)行求解得到，κi為給定參數(shù)；在基于滑模觀測器的容錯控制中，容錯控制器由狀態(tài)空間的控制器ui(t)和誤差空間的控制器usi(t)共同構(gòu)成。

下面利用matlab進(jìn)行仿真，以驗證本實施例多區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)基于故障容錯的負(fù)荷頻率控制的方法的正確性。

為驗證所設(shè)計的控制器性能，我們給出一個三區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)的例子，如圖4所示。其中系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定如下：

tt1＝0.19sec,tg1＝0.05sec,m1＝0.3708pu·sec,d1＝0.025pu/hz,r1＝2.15hz/pu,

tt2＝0.23sec,tg2＝0.05sec,m2＝0.2708pu·sec,d2＝0.025pu/hz,r2＝2.45hz/pu,

tt3＝0.26sec,tg3＝0.04sec,m3＝0.2508pu·sec,d3＝0.022pu/hz,r3＝2.25hz/pu,

h12＝0.13pu/hz,h23＝0.12pu/hz,h31＝0.10pu/hz。另外、傳感器故障設(shè)為：

擾動g'i(t)上界取0.1，傳感器故障fsi(t)上界取0.35，

最終得到仿真結(jié)果如圖5-9所示。從圖中可以看出，本實施例設(shè)計的滑模觀測器，可以實現(xiàn)傳感器故障及系統(tǒng)狀態(tài)的估計/重構(gòu)，所設(shè)計的容錯控制器可以確保系統(tǒng)狀態(tài)仍能漸進(jìn)趨于穩(wěn)定，驗證了所提方法的有效性。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。