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控制与算法 SiC器件 微电网 ★ 5.0

微电网二级控制与通信QoS的协同优化:信息物理系统的跨层视角

Co-Optimization of Microgrid Secondary Control and Communication QoS: A Cross-Layer Perspective in Cyber–Physical System

作者
期刊 IEEE Transactions on Industrial Informatics
出版日期 2025年1月
技术分类 控制与算法
技术标签 SiC器件 微电网
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 微电网 网络物理电力系统 服务质量 频率调节 电压调节
语言:

中文摘要

在采用分层控制的微电网(一种典型的信息物理电力系统,CPPS)中,信息层面的故障可能会以跨层的方式导致物理系统受损。特别是在极端条件下,通信设施的可靠性可能会受到威胁,导致服务质量(QoS)下降,并随后以跨层的方式扰乱频率和电压调节。本文提出了一种针对服务质量、频率调节和电压调节的协同优化技术,该技术包括:1)一个专门的信息物理电力系统模型,用于定量分析资源分配对物理状态(特别是频率和电压)的跨层影响;2)一个多目标公式,旨在提高服务质量,同时尽量减少对物理状态调节的影响;3)一种权重调整的模型参考自适应搜索算法,利用信息物理电力系统模型的特点来缩小搜索空间。与仅专注于优化服务质量的现有技术相比,本文提出的技术虽然在服务质量上有轻微折损(0.34%),但实现了频率偏差降低13.74%、电压偏差降低4.57%。

English Abstract

In a microgrid with hierarchical control, a typical cyber–physical power system (CPPS), cyber failures may induce physical system damage in a cross-layer fashion. Particularly during extreme conditions, the reliability of communication facilities may be jeopardized, inducing a degraded quality of service (QoS) and subsequently disrupting frequency and voltage regulation in a cross-layer fashion. This article proposes a co-optimization technique on QoS, frequency regulation and voltage regulation that comprises: 1) a specialized CPPS model for quantitatively analyzing the cross-layer impact of resource allocation to physical states, specifically frequency and voltage; 2) a multiobjective formulation aimed at enhancing QoS while concurrently minimizing the impact on physical states regulation; and 3) a weight adjusted model reference adaptive search algorithm to narrow the search space by leveraging the characteristics of our CPPS model. Compared with state-of-the-art techniques that focus solely on optimizing QoS, our proposed technique achieves a reduction of frequency (13.74%) and voltage (4.57%) deviations, albeit with a minor compromise in QoS (0.34%).
S

SunView 深度解读

从阳光电源微电网解决方案的业务视角来看,该论文提出的信息-物理系统跨层协同优化技术具有重要的工程应用价值。当前,阳光电源的光储一体化系统在分层控制架构下,通信层故障确实可能引发物理层的频率和电压失稳,特别是在极端天气或电网扰动场景下,这一跨层级联效应会直接影响系统可靠性和并网性能。

该研究的核心创新在于将通信QoS指标与频率、电压调节性能纳入统一优化框架,这与阳光电源储能变流器PCS和微网控制器的设计理念高度契合。论文提出的CPPS建模方法能够量化通信资源分配对物理状态的影响,这为阳光电源优化二次控制策略提供了理论工具。实测数据显示,该技术仅牺牲0.34%的通信QoS,即可实现频率偏差降低13.74%、电压偏差降低4.57%,这种性能平衡对于提升阳光电源微网系统的并网友好性和电能质量具有直接价值。

从技术成熟度评估,该方法基于模型参考自适应搜索算法,计算复杂度相对可控,适合嵌入阳光电源现有的EMS能量管理系统。然而,实际部署仍面临挑战:一是需要在真实通信网络环境下验证算法鲁棒性,二是多目标权重调整策略需要针对不同应用场景(工商业微网、户用储能、离网系统)进行定制化开发。

建议阳光电源将此技术纳入下一代智能微网控制器的研发路线图,特别是在海外高比例新能源渗透市场,这种跨层协同优化能力将成为差异化竞争优势,同时可作为IEC 61850等通信标准升级的技术储备。