基于通信拓扑完备矩阵的主动配电网分布式协同交互方法

摘要

本发明提供一种基于通信拓扑完备矩阵的主动配电网分布式协同交互方法，包括以下步骤：确定通信拓扑完备矩阵，并对通信拓扑完备矩阵中的控制节点进行排序；对通信拓扑完备矩阵的完备性进行校验；对通信拓扑完备矩阵进行冗余扩展。本发明通过设计满足顺序完整性条件和N-n规则的主动配电网分布式多级通信拓扑完备矩阵，实现主动配电网中多个控制节点的协同交互，实现适应多级分布式电源接入的主动配电网分层分布式控制要求和未来应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种交互方法，具体涉及一种基于通信拓扑完备矩阵的主动配电网分布式协 同交互方法。

背景技术

主动配电网的分区分布式协调控制算法与其通信拓扑设计密不可分。以信息通信最小化 原则，设计具有一定冗余特性、容错特性的通信拓扑结构是主动配电网分层分布式协同运行 控制的支撑，如附图1所示的通信网络架构是未来主动配电网通信网络的主要形式。在主动 配电网分层分布式控制结构中，一组同区域的可控资源(新能源、响应负荷、储能等)之间 的本地通信网络的拓扑结构可以是随时间变化，即具有所谓的可间断性，同时也可能是异步 的，在这种情况下，描述拓扑结构的通信拓扑完备矩阵由分段常数阵构成。为了确保在一个 给定的控制逻辑下，在一组同区域的可控资源中实现一致性分布式控制，需要在分布式可控 资源之间“有策略”地共享本地信息。

可以试想，诸如附图1所示的基础设施层中各种分布式电源、可响应负荷、可调储能， 以及网络设备等可控资源之间的通信渠道越多，在同层同区域内就有更多信息传播，自然就 能更快地收敛到期望的控制效果和利用率，但是这样必然会导致通信成本的大幅度增加，成 为一种不经济的解决方案，因此需要寻找最经济最优的通信准则。建立通信拓扑结构设计的 完备性准则(即通信矩阵完备遍历准则)是一个比较适合的技术途径。

为此，可利用经典或现代分布式控制理论中有效收敛性等价条件，寻找分区分布式资源 以及划分区域间的最小通信量下的拓扑等价条件，根据主动配电网分区分布式资源特点，建 立考虑随机性、鲁棒性和经济性等特性的通信网络拓扑优化模型，结合经典或现代分布式控 制理论(如同伦原理，合作控制理论，领导节点理论等)，实现通信拓扑的动态切换优化机理， 提高协调优化和控制策略的中间动态性能。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于通信拓扑完备矩阵的主动配电网分 布式协同交互方法，通过构建初始通信拓扑矩阵，进而得到通信拓扑完备矩阵，并完成对通 信拓扑完备矩阵的完备性校验和冗余扩展。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种基于通信拓扑完备矩阵的主动配电网分布式协同交互方法，所述方法包 括以下步骤：

步骤1：确定通信拓扑完备矩阵，并对通信拓扑完备矩阵中的控制节点进行排序；

步骤2：对通信拓扑完备矩阵的完备性进行校验；

步骤3：对通信拓扑完备矩阵进行冗余扩展。

所述步骤1中，所述控制节点包括分布式风电节点、光伏发电节点、常规电源节点、馈 线节点和负荷母线节点。

其特征在于：所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1-1：生成初始通信拓扑矩阵，具体有：

设主动配电网中某控制节点为i，除i之外的其它控制节点为j，i∈[1,m]，j∈[1,m]，m 为主动配电网中控制节点总数，控制节点i的初始通信拓扑矩阵用S表示，有：

$S=\left(s_{ij}\left(t\right)\right)=\left(\begin{array}{ccccc}{s}_{10}\left(t\right)& s_{11}& ...& ...& s_{1m}\left(t\right)\\ s_{20}\left(t\right)& s_{21}\left(t\right)& s_{22}& ...& s_{2m}\left(t\right)\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ s_{m0}\left(t\right)& s_{m1}\left(t\right)& ...& ...& s_{mm}\end{array}\right)\in R^{m\times \left(m+1\right)}---\left(1\right)$

式(1)中，s_ij(t)表示控制节点i和j在t时刻的连接关系，s_i0(t)表示t时刻是否存在其 他控制节点指向控制节点i，R表示实数；

步骤1-2：根据以下约束条件判断初始通信拓扑矩阵是否为通信拓扑完备矩阵，若以下约 束条件都满足，则表明初始通信拓扑矩阵为通信拓扑完备矩阵；

1)s₁₁＝s₂₂＝…＝s_nn；

2)如果控制节点i和j在t时刻具有连接关系，则s_ij(t)＝1，否则s_ij(t)＝0；

3)t时刻存在其他控制节点指向控制节点i，则s_i0(t)＝1，否则s_i0(t)＝0；

步骤1-3：根据通信拓扑完备矩阵的约束条件调整通信拓扑完备矩阵中控制节点的优先 级。

所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2-1：按照时间间隔对通信拓扑完备矩阵进行随机分段，得到通信拓扑完备子矩阵；

步骤2-2：判断通信拓扑完备子矩阵是否满足顺序完整性条件，若满足则分段成功，否则 回到返回步骤2-1重新进行随机分段。

所述步骤2-2中，若通信拓扑完备子矩阵的下三角为完整的，即至少存在一个s_ij(t)≠0， 其中i＜j，则表明通信拓扑完备子矩阵满足顺序完整性条件。

所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3-1：根据通信拓扑完备矩阵构建控制节点的连接关系曲线图；

步骤3-2：根据N-n规则增加冗余信道；

步骤3-3：根据冗余信道更新主动配电网的通信拓扑完备矩阵。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供的基于通信拓扑完备矩阵的主动配电网分布式协同交互方法，通过构建初始 通信拓扑矩阵，进而得到通信拓扑完备矩阵，并完成对通信拓扑完备矩阵的完备性校验和冗 余扩展。通过设计满足顺序完整性条件和N-n规则的主动配电网分布式多级通信拓扑完备矩 阵，实现主动配电网中多个控制节点的协同交互，实现适应多级分布式电源接入的主动配电 网分层分布式控制要求和未来应用前景。

附图说明

图1是基于分布式协同优化的主动配电网信息系统的通信网络示意图；

图2是满足顺序完整性条件的通信拓扑矩阵连接图；

图3是不满足顺序完整性条件的通信拓扑矩阵连接图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种基于通信拓扑完备矩阵的主动配电网分布式协同交互方法，所述方法包 括以下步骤：

步骤1：确定通信拓扑完备矩阵，并对通信拓扑完备矩阵中的控制节点进行排序；

步骤2：对通信拓扑完备矩阵的完备性进行校验；

步骤3：对通信拓扑完备矩阵进行冗余扩展。

所述步骤1中，所述控制节点包括分布式风电节点、光伏发电节点、常规电源节点、馈 线节点和负荷母线节点。

其特征在于：所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1-1：生成初始通信拓扑矩阵，具体有：

设主动配电网中某控制节点为i，除i之外的其它控制节点为j，i∈[1,m]，j∈[1,m]，m 为主动配电网中控制节点总数，控制节点i的初始通信拓扑矩阵用S表示，有：

$S=\left(s_{ij}\left(t\right)\right)=\left(\begin{array}{ccccc}{s}_{10}\left(t\right)& s_{11}& ...& ...& s_{1m}\left(t\right)\\ s_{20}\left(t\right)& s_{21}\left(t\right)& s_{22}& ...& s_{2m}\left(t\right)\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ s_{m0}\left(t\right)& s_{m1}\left(t\right)& ...& ...& s_{mm}\end{array}\right)\in R^{m\times \left(m+1\right)}---\left(1\right)$

式(1)中，s_ij(t)表示控制节点i和j在t时刻的连接关系，s_i0(t)表示t时刻是否存在其 他控制节点指向控制节点i，R表示实数；

步骤1-2：根据以下约束条件判断初始通信拓扑矩阵是否为通信拓扑完备矩阵，若以下约 束条件都满足，则表明初始通信拓扑矩阵为通信拓扑完备矩阵；

1)s₁₁＝s₂₂＝…＝s_nn；

2)如果控制节点i和j在t时刻具有连接关系，则s_ij(t)＝1，否则s_ij(t)＝0；

3)t时刻存在其他控制节点指向控制节点i，则s_i0(t)＝1，否则s_i0(t)＝0；

步骤1-3：根据通信拓扑完备矩阵的约束条件调整通信拓扑完备矩阵中控制节点的优先 级。

所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2-1：按照时间间隔对通信拓扑完备矩阵进行随机分段，得到通信拓扑完备子矩阵；

步骤2-2：判断通信拓扑完备子矩阵是否满足顺序完整性条件，若满足则分段成功，否则 回到返回步骤2-1重新进行随机分段；

根据协同控制理论，通信拓扑达到分布式控制有效性的最低要求是所谓的顺序完整性条 件。顺序完整性条件是一种严格的方法，用来显示通信拓扑及其连接关系在时间间隔的累积 效应，这个性质给出了分布式控制通信网络的最低限度要求。顺序完整性条件即要求通信矩 阵S(t)是分段连续的，但是在数学上，S_∞:0＝{S(0),S(t₁),...}是连续完整的。其数学表达如：设 一个通信拓扑矩阵可以被分段记为序列{S₀,S₁,S₂,S₃}，其中S(t_k)在{S₀,S₁,S₂,S₃}中随机地选 择，并且有：

$\left(\begin{array}{c}{S}_0=\left(\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 1& 1& 0& 0\\ 0& 1& 1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 1& 1& 0\\ 1& 0& 0& 1& 1& 1\\ 1& 0& 0& 0& 1& 1\end{array}\right),S_1=\left(\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 1& 0& 0\\ 0& 1& 1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 1& 1& 0\\ 1& 0& 0& 1& 1& 1\\ 1& 0& 0& 0& 1& 1\end{array}\right),S_2=\left(\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 1& 1& 0& 0\\ 0& 1& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 1& 1& 0\\ 1& 0& 0& 1& 1& 1\\ 1& 0& 0& 0& 1& 1\end{array}\right),\\ S_3=\left(\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 1& 1& 0& 0\\ 0& 1& 1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 1& 1& 0\\ 1& 0& 0& 1& 1& 1\\ 1& 0& 0& 0& 1& 1\end{array}\right).\end{array}\right)$

所述步骤2-2中，若通信拓扑完备子矩阵的下三角为完整的，即至少存在一个s_ij(t)≠0， 其中i＜j，则表明通信拓扑完备子矩阵满足顺序完整性条件。

所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3-1：根据通信拓扑完备矩阵构建控制节点的连接关系曲线图；

如果通信网络可以通过直观的图形理论描述，则顺序完整性条件可以形象地解释为：在 每个时间间隔上，通信拓扑完备矩阵序列对应的复合图形(或在所有区间通信拓扑完备矩阵 的二进制表)是紧密相连的，至少具有一个全局可到达的节点。换句话说在某种意义上，所 有其它节点可以通过的定向分支到达全局可到达的节点。为了说明它的应用，根据通信拓扑 完备矩阵中的非零元素，通过连接控制节点，构建如附图2和附图3所示的通信矩阵S(t_k)相 应的曲线图。其中，每个节点图形内部的数字表示节点的序号，图中的每一条有向路径表示 了通信拓扑矩阵中的一个连接关系S_ij(t)。通过构筑曲线图可以很容易地确定所得到的图形是 否至少具有一个全局可到达的节点。附图2具有作为唯一全局可达节点；附图3中没有全局 可达节点，因为有两个孤立的节点群。

步骤3-2：根据N-n规则增加冗余信道，增加电网通信冗余性，提高系统抗灾能力；

N-n规则中，假定通信信道的总数为N，当n条通信信道在一定的时间内不能正常工作， 通信矩阵对应其余的通信信道可以完成，即对于剩余的通信信道的通信矩阵应保持“完整”， 那么可以就说通信网络满足N-n规则。应该指出的是，主动配电网的分布式通信的收敛速度 取决于所述通信网络的连接关系，所以对于一个分层分布式控制的主动配电网，在一定的物 理和经济的限制范围内设计一个合理的连接通信网络很重要

步骤3-3：根据冗余信道更新主动配电网的通信拓扑完备矩阵。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域 的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换， 这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求 保护范围之内。