本發(fā)明涉及一種多樣化通信問(wèn)題下虛擬電廠調(diào)頻信息物理一體化設(shè)計(jì)方法，屬于電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制。

背景技術(shù)：

1、隨著可再生能源滲透率的不斷提高，電力系統(tǒng)的同步慣量逐漸減少。這使得傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)能力不足以滿足可再生能源出力的間歇性帶來(lái)的頻率調(diào)節(jié)需求。近年來(lái)，大量光伏、風(fēng)電等靈活的分布式資源廣泛接入配電網(wǎng)，這為系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)提供了新的機(jī)遇。鑒于這些資源的數(shù)量眾多、容量有限，因此建設(shè)虛擬電廠來(lái)聚合和協(xié)調(diào)這些資源以支撐電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)非常必要。

2、目前，虛擬電廠參與頻率調(diào)節(jié)的研究主要集中在設(shè)計(jì)資源優(yōu)化調(diào)度與投標(biāo)、競(jìng)價(jià)策略來(lái)提高系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性，而很少有研究通過(guò)虛擬電廠的協(xié)調(diào)控制來(lái)提供系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)服務(wù)。與此同時(shí)，虛擬電廠協(xié)調(diào)控制過(guò)程需要良好的通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。然而，現(xiàn)實(shí)通信環(huán)境的復(fù)雜性給虛擬電廠頻率調(diào)節(jié)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，現(xiàn)有技術(shù)中公開了一些先進(jìn)的通信設(shè)計(jì)方法來(lái)克服通信環(huán)境的影響以支撐虛擬電廠頻率控制，然而惡意的網(wǎng)絡(luò)攻擊影響以及在克服通信網(wǎng)絡(luò)不確定性所產(chǎn)生通信成本很少被考慮。因此，本發(fā)明提出了一種多樣化通信問(wèn)題下虛擬電廠調(diào)頻信息物理一體化設(shè)計(jì)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種多樣化通信問(wèn)題下虛擬電廠調(diào)頻信息物理一體化設(shè)計(jì)方法，有效減少多樣化通信問(wèn)題對(duì)虛擬電廠調(diào)頻業(yè)務(wù)的影響，保證頻率調(diào)節(jié)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，多樣化通信問(wèn)題下虛擬電廠調(diào)頻信息物理一體化設(shè)計(jì)方法，具體包括以下步驟：

3、（1）搭建虛擬電廠參與頻率調(diào)節(jié)的控制架構(gòu)；

4、（2）提出一種云邊協(xié)同下針對(duì)丟包的虛擬電廠功率調(diào)度和通信資源分配的聯(lián)合設(shè)計(jì)方案，其中在物理層，提出考慮丟包的虛擬電廠功率調(diào)度，在信息層，設(shè)計(jì)通信資源分配策略，以消除丟包影響，從而確定精確的功率調(diào)度；

5、（3）提出一種邊端協(xié)同下預(yù)防網(wǎng)絡(luò)攻擊的高可靠信息傳輸方法，其中在物理層，實(shí)施動(dòng)態(tài)功率控制，在信息層，采用數(shù)字簽密算法，以改善系統(tǒng)信息傳輸?shù)钟W(wǎng)絡(luò)攻擊，從而確保精確的動(dòng)態(tài)控制。

6、進(jìn)一步地，所述步驟（1），包括：

7、所搭建的控制架構(gòu)中，虛擬電廠控制中心負(fù)責(zé)響應(yīng)主電網(wǎng)調(diào)度中心，并做出提供頻率控制服務(wù)的決策。邊緣控制器負(fù)責(zé)接收來(lái)自控制中心做出的經(jīng)邊緣節(jié)點(diǎn)輔助通信傳輸?shù)恼{(diào)度指令，并對(duì)虛擬電廠內(nèi)部的分布式資源實(shí)施控制與監(jiān)測(cè)。這里的資源包括可再生能源，如光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電。

8、進(jìn)一步地，所述步驟（2），包括：

9、（2.1）提出的考慮丟包的虛擬電廠功率調(diào)度具體步驟為：

10、首先，計(jì)算虛擬電廠總調(diào)節(jié)能力，對(duì)于第個(gè)可再生能源，它在時(shí)刻的向上與向下調(diào)節(jié)功率，分別計(jì)算為：

11、?（1）

12、其中，與表示時(shí)刻第個(gè)可再生能源的最大與最小輸出功率，表示時(shí)刻第個(gè)可再生能源調(diào)度功率，在第個(gè)虛擬電廠中，它在時(shí)刻的向上與向下聚合調(diào)節(jié)功率，分別計(jì)算為：

13、?（2）

14、其中，為在第個(gè)虛擬電廠中可再生能源的數(shù)目；

15、基于單個(gè)虛擬電廠的聚合調(diào)節(jié)功率，所有虛擬電廠在時(shí)刻的向上與向下的聚合調(diào)節(jié)能力，分別計(jì)算為：

16、?（3）

17、其中，為虛擬電廠的數(shù)目；然后，基于虛擬電廠的調(diào)節(jié)能力，在時(shí)刻它們承擔(dān)的調(diào)節(jié)任務(wù)計(jì)算為：

18、?（4）

19、其中，表示時(shí)刻主電網(wǎng)調(diào)度中心所需的調(diào)節(jié)功率；

20、最后，每個(gè)虛擬電廠所需的調(diào)節(jié)功率基于它們的調(diào)節(jié)能力按比例計(jì)算為：

21、?（5）

22、其中，表示時(shí)刻第個(gè)虛擬電廠所承擔(dān)的調(diào)節(jié)功率；

23、考慮到丟包影響，時(shí)刻第個(gè)虛擬電廠接受到的調(diào)節(jié)功率表示為：

24、?（6）

25、其中，表示第個(gè)虛擬電廠數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率，為一個(gè)隨機(jī)變量；

26、（2.2）提出的通信資源分配策略具體步驟為：

27、首先，第個(gè)虛擬電廠向邊緣控制器下發(fā)調(diào)節(jié)功率數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率定義為：

28、?（7）

29、其中，為調(diào)節(jié)指令的到達(dá)率，為第個(gè)邊緣控制器的接受率，為調(diào)節(jié)功率數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)母怕剩?/p>

30、利用算力建立一種帶寬釋放模型：

31、?（8）

32、其中，與分別為第個(gè)邊緣控制器所需的帶寬與算力，，，和為模型參數(shù)；

33、在邊緣節(jié)點(diǎn)的協(xié)作中繼傳輸下，第個(gè)邊緣控制器的接受率計(jì)算為

34、?（9）

35、其中，為傳輸帶寬，表示帶寬分配的權(quán)重，為信息位，代表數(shù)據(jù)包大小，表示正確接收數(shù)據(jù)包的概率，為二進(jìn)制誤碼率，為虛擬電廠控制中心到邊緣控制器傳輸鏈路的信噪比，是協(xié)作中繼策略下的信噪比，和分別為虛擬電廠控制中心與邊緣節(jié)點(diǎn)，邊緣控制器與邊緣節(jié)點(diǎn)之間的信噪比；

36、將（9）帶入（7）中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率重新表示為：

37、?（10）

38、然后，考慮的通信資源分配的優(yōu)化問(wèn)題目標(biāo)為：

39、?（11）

40、其中，與為權(quán)重因子，與為帶寬與算力的單價(jià)；

41、將（8）與（10）帶入（11），該目標(biāo)重新描述為：

42、?（12）

43、令

44、?（13）

45、?（14）

46、?（15）

47、通信資源分配的優(yōu)化問(wèn)題如下所述：

48、?（16）

49、其中，代表邊緣節(jié)點(diǎn)的總帶寬；

50、最后，采用拉格朗日對(duì)偶分解方法來(lái)求解上述問(wèn)題，主要求解過(guò)程如下：

51、拉格朗日函數(shù)定義為：

52、?（17）

53、其中，代表拉格朗日乘子；令

54、?（18）

55、則拉格朗日函數(shù)進(jìn)一步寫為：

56、?（19）

57、令，（p1）的對(duì)偶優(yōu)化問(wèn)題寫為：

58、?（20）

59、將優(yōu)化問(wèn)題（p2）分解為算力分配問(wèn)題與乘子更新問(wèn)題，其中，對(duì)于算力分配問(wèn)題，最優(yōu)的算力分配值推導(dǎo)為：

60、?（21）

61、然后，對(duì)于乘子更新問(wèn)題，最優(yōu)乘子值計(jì)算為：

62、?（22）

63、其中，表示步長(zhǎng)，當(dāng)，迭代算法停止，其中表示算法結(jié)束閾值；

64、基于算力分配值，最優(yōu)帶寬分配值計(jì)算為：

65、?（23）。

66、進(jìn)一步地，所述步驟（3），包括：

67、（3.1）提出的虛擬電廠聚合功率動(dòng)態(tài)控制設(shè)計(jì)具體步驟為：

68、可再生能源的功率動(dòng)態(tài)控制過(guò)程可表述為：

69、?（24）

70、其中，與分別為第個(gè)可再生能源的功率輸出和設(shè)定點(diǎn)，是第個(gè)可再生能源的時(shí)間常數(shù)；

71、將上述動(dòng)態(tài)過(guò)程用狀態(tài)空間模型表示為：

72、?（25）

73、其中，輸入表示第個(gè)可再生能源的功率設(shè)定值，狀態(tài)和輸出表示第個(gè)可再生能源動(dòng)態(tài)控制功率設(shè)定值的功率輸出；

74、設(shè)在第個(gè)虛擬電廠中有個(gè)可再生能源，則第個(gè)虛擬電廠的功率輸出定義為：

75、?（26）

76、其中，，，，

77、，，其中狀態(tài)表示第個(gè)虛擬電廠中每個(gè)可再生能源的功率輸出，輸入表示第個(gè)虛擬電廠中每個(gè)可再生能源的功率設(shè)定值，輸出為第個(gè)虛擬電廠的聚合功率輸出；

78、推導(dǎo)出虛擬電廠聚合功率動(dòng)態(tài)控制離散時(shí)間狀態(tài)空間模型如下：

79、?（27）

80、其中，，表示采樣時(shí)間和為單位矩陣；

81、令和為預(yù)測(cè)與控制時(shí)域，從（27）推導(dǎo)出：

82、?（28）

83、?（29）

84、其中，，

85、，

86、

87、，

88、?，

89、定義分布式模型預(yù)測(cè)控制的第個(gè)虛擬電廠的目標(biāo)函數(shù)為：

90、?（30）

91、?（31）

92、?（32）

93、其中，和表示正定加權(quán)矩陣，表示從第個(gè)邊緣控制器收到的聚合功率控制設(shè)定值中得到的參考值；

94、將（30）-（32）用矩陣寫為：

95、?（33）

96、?（34）

97、?（35）

98、其中，，，

99、，

100、

101、，

102、，，

103、，其中和分別表示第個(gè)虛擬電廠中第個(gè)可再生能源的下界和上界功率控制輸入，和分別為第個(gè)虛擬電廠中第個(gè)可再生能源的下界和上界功率控制輸入變量差；

104、最小化目標(biāo)函數(shù)（30）和約束條件（31）和（32），得到在 k時(shí)刻最優(yōu)控制序列為：

105、?（36）

106、其中，第一個(gè)元素被作為第個(gè)虛擬電廠聚合功率控制動(dòng)態(tài)特性的分布式模型預(yù)測(cè)控制律；

107、所提出的數(shù)字簽密算法實(shí)施具體步驟為：

108、以模型預(yù)測(cè)控制器至虛擬電廠的通信過(guò)程為例，令模型預(yù)測(cè)控制器提供的控制信號(hào)在[0，99]kw的范圍內(nèi)，將明文記為 pt，具體為：

109、?（37）

110、其中，為控制信號(hào)的每位數(shù)字值，以為例,和分別表示其整數(shù)位和小數(shù)位；

111、首先，任選兩個(gè)不同的大素?cái)?shù)和，令，根據(jù)歐拉函數(shù)計(jì)算，然后選取一個(gè)滿足（38）的大整數(shù)，通過(guò)求解（39）得到另一個(gè)整數(shù)，具體為：

112、?（38）

113、?（39）

114、其中，為最大公約數(shù)，為任意整數(shù)，且，對(duì)于 pt中的每個(gè)，利用（40）與（41）生成公鑰，模型預(yù)測(cè)控制器的私鑰和數(shù)字簽名：

115、?（40）

116、?（41）

117、其中，為取模運(yùn)算；

118、在實(shí)施數(shù)字簽名之后，對(duì) pt和使用goldreich-goldwasser-halevi加密。虛擬電廠的密鑰為該格的一組理想的基，它由一組線性無(wú)關(guān)的向量組成，記為，滿足如下約束：

119、?（42）

120、其中，det代表行列式，表示的維數(shù)，表示這些向量的hadamard比率，其中，越接近1，這些向量越正交，虛擬電廠的公鑰被視為格的不理想基，它的hadamard比率非常小，計(jì)算為

121、?（43）

122、其中，表示的整數(shù)矩陣，在 pt中，其加密過(guò)程描述為：

123、?（44）

124、其中，表示密文，表示隨機(jī)擾動(dòng)，接收到后，虛擬電廠將其解密為原始 pt和簽名，表示為：

125、?（45）

126、其中，是四舍五入運(yùn)算，此外，和的加密和解密過(guò)程完全相同。根據(jù)恢復(fù)的和，虛擬電廠的簽名驗(yàn)證如下：

127、?（46）

128、其中，為簽名的狀態(tài)，1、0分別表示接受和拒絕。

129、一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器上并可在所述處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)所述的多樣化通信問(wèn)題下虛擬電廠調(diào)頻信息物理一體化設(shè)計(jì)方法。

130、一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)指令，該計(jì)算機(jī)指令被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)所述的多樣化通信問(wèn)題下虛擬電廠調(diào)頻信息物理一體化設(shè)計(jì)方法。

131、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種多樣化通信問(wèn)題下虛擬電廠調(diào)頻信息物理一體化設(shè)計(jì)方法所達(dá)到的有益效果包括：

132、（1）本發(fā)明提出的虛擬電廠參與頻率調(diào)節(jié)的控制架構(gòu)，能夠有效挖掘利用虛擬電廠聚合配電網(wǎng)側(cè)海量可再生分布式資源的調(diào)節(jié)潛力以支撐電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)需求；

133、（2）本發(fā)明針對(duì)目前研究中沒(méi)有考慮克服通信網(wǎng)絡(luò)不確定性所產(chǎn)生通信成本，提出一種云邊協(xié)同下針對(duì)丟包的虛擬電廠功率調(diào)度和通信資源分配的聯(lián)合設(shè)計(jì)方案，不僅能夠有效減少丟包對(duì)虛擬電廠功率調(diào)度的影響，而且保證虛擬電廠頻率調(diào)節(jié)通信可靠性的同時(shí)兼顧所產(chǎn)生的通信成本；

134、（3）本發(fā)明針對(duì)目前研究中在計(jì)及與克服惡意的網(wǎng)絡(luò)攻擊影響方面尚屬空白，提出一種邊端協(xié)同下預(yù)防網(wǎng)絡(luò)攻擊的高可靠信息傳輸方法來(lái)減少網(wǎng)絡(luò)攻擊對(duì)功率動(dòng)態(tài)控制的影響，有效提高了虛擬電廠提供頻率調(diào)節(jié)服務(wù)的準(zhǔn)確性。