基于變分模態分解的電網通信資源無冗余配置方法

張海全，賀鴻鵬，徐美嬌

(國網內蒙古東部電力有限公司，內蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

電網調頻控制網絡的主站系統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調頻控制網絡的運行，所以在搭建電網DCS自動化系統過程中，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不同資源間調頻指令的分配。但是通信裝置常部署在環境苛刻的野外，對穩定性要求較高。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質的調頻資源可以帶來一定的經濟效益。而近幾年風、電等多種具有較大波動的新能源正在大規模地侵入電力互聯網，導致電力系統的頻率穩定性下降。為提取非線性非平穩的信號特征，文獻[3]提出了自適應約束變分模型的構建及求解，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。調頻控制網絡控制過程中的缺陷逐漸暴露出來，例如調節的延遲、偏差和單向等現象。現有研究主要從過程層監控與數據傳輸機制中改進。如文獻[4]提出了一種通過過程層交換機動態學習網絡拓撲與鏈路映射關系的智能變電站過程層網絡快速故障定位與運行狀態監控方法，僅能辨識故障位置，并不能保證故障狀態下過程層網絡的服務質量。文獻[5]提出了一種過程層網絡報文傳輸延時計算方法，建立了SV報文傳輸時間抖動模型，并據此提出通過控制報文發送時序與轉發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。在實際應用過程中，調頻控制網絡受到多模態產生的大量冗余數據、延時以及蒸汽壓力的影響，其調頻控制的速度與精度不能得到滿足。

變分模態分解方法具有充分準正交特性，具有強抗噪性，可實現對自適應信號的良好處理[6-7]，因此，為實現電網調頻控制網絡的自動化通信資源無冗余配置，本文利用變分模態分解方法，確定并優化電網調頻容量，以期提升電網調頻性能，并結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化調度算法實現通信資源無冗余配置。主要創新點為：

① 傳統方法中，鏈路成環使得數據循環進行傳播計算，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。

② 在傳輸層易產生流量擁塞風險，導致數據傳輸時延。本文方法在貪心容量調度算法中優化鏈路與節點容量等，選取最優通信資源傳輸路徑，避免擁塞。

1 電網調頻控制網絡自動化通信資源無冗余配置

1.1 電網調頻容量確定和優化

1.1.1 基于變分模態分解的調頻命令分配

① 變分模態分解

電網下發的調頻命令信號缺乏平穩性的同時也不具有線性，所以無法通過傳統方法對其頻域信號展開分解。變分模態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函數，且令各函數所預估的帶寬和為最小[8-9]。通過設置合適的分解尺度，將輸入的信號分解為若干個不同中心頻率的本征模態函數，并以估計頻域之和最小作為約束進行循環更新。

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

(1)

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

將增廣拉格朗日函數應用至求解約束性變分模態分解問題過程中，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函數序列與中心頻率的最新頻域如下：

(4)

(5)

設定一個需要達到的變分模態分解精度e，且e>0，若符合下式要求，停止迭代：

(6)

② 調頻指令分配

變分模態分解處理電網調頻控制網絡區域控制誤差信號，得到n個頻率從低至高的本征模態函數分量[10]，此處分別通過重構低、高頻分量，為普通機組和儲能電池的自動發電分配調頻控制指令

(7)

(8)

(9)

(10)

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

1.1.2 基于功率區域調整的調頻控制方案

為提高電網調頻的經濟效益，需要設計適宜的控制方案。在利用儲能電池與發電機組制定調頻控制方法時，需要先權衡這些調頻資源在實際應用過程中的限制作用[11]，功率調整區域求解的流程如下。

基于發電機組的功率與爬坡率的影響得出調頻時刻t的功率區域為：

(11)

(12)

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

(13)

結合儲能電池的功率與能量求解其于調頻時刻t的功率輸出區域，得到：

(14)

(15)

利用基于功率區域調整的調頻控制方案可有效限制各調頻時間間隔內輸出的儲能功率，保證其荷電狀態一直處于合理區域內[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頻能力。

1.2 電網調頻控制網絡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，是采取雙環鏈路相連各個節點構成一個環網。通信資源數據報文經源節點發出后會經過整體電網調頻控制網絡最終再次回到源節點，正常情況下的通信資源數據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點，節點會自動接收率先到達的數據報文，丟棄延遲到達的一個；故障情況下的通信資源數據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時間，但是在電網調頻控制網絡通信寬帶有限條件時，受HSR方法的鏈路成環產生的通信數據副本往復傳播影響，可能會造成通信資源產生較大的傳輸延時，導致通信資源無冗余配置時間，開銷較大；同時，HSR方法忽略了電網調頻控制網絡通信鏈路傳輸通信資源時的資源負載率與利用率的異同，未充分考慮高并發工作狀態下通信資源無冗余配置過程中受節點傳輸量影響導致的網絡擁塞情況。

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，降低通信資源無冗余配置延時；結合貪心流量優化調度算法，在通信資源無冗余配置時通過優化調度鏈路容量負載率與節點容量負載率、鏈路利用率和有向邊權重值，選取最優通信資源傳輸路徑，避免造成網絡擁塞，實現確定并優化電網調頻容量的后電網自動化通信資源無冗余配置。

1.2.1 基于CL-HSR的網絡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了對角的轉發節點。圖中DANH(Doubly Attached Node for HSR)表示為雙連接節點。

將單環鏈路形成的2個對角子環記為Ⅰ和Ⅱ，針對各子環可以將2個RedBox的其中之一放置在對接HSR環的端口，另一個放置在對接子環的端口。RedBox的具體作用是作為連接各節點連接器形成HSR環，可按照電網調頻控制網絡的規模自適應變換子環數。所有轉發節點之間的冗余互聯通路均通過RedBox完成，在保證HSR環路可靠性的同時避免了每個節點受重復丟棄問題導致的環網[14]。應用該方法極大程度地降低了數據包在電網調頻控制網絡傳輸過程中出現的跳數，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調頻控制網絡的容錯性和服務質量，更好地實現其自動化通信資源無冗余配置。

圖1中電網調頻控制網絡源至其內部全部目標區域的幀需要的跳數最小值為環內總跳數的1/2，當單環鏈路內出現純粹鏈路故障時，需要的跳數最小值為總跳數-l。

令各單環節點都是雙連接，則單環網絡內全部總跳數與雙連接節點數相同，得到鏈路正常時的單環網絡內最小跳數值為：

N單環=0.5×NDANH，

(16)

式中，N單環，NDANH分別為單環網絡內的跳數以及雙連接節點數。

由于該方法內加入了交叉鏈路以及額外RedBox，所以總跳數會變大，其最小跳數取決于Ⅰ和Ⅱ。得到子環內總跳數為主環內雙連接節點數的1/2，并得到2個交叉鏈路子環，即：

NCL=0.5×(NDANH+4)+2，

(17)

式中，策略的總跳數表示為NCL，報文輸送的跳數最小值是其1/2，即:

NCL-HSR=0.5×NCL-HSR=(NDANH+8)/4，

(18)

式中，NCL-HSR為該方法的跳數最小值。

在雙連接節點數增加的情況下，該方法的輸送跳數更小，可降低傳輸時延，提升網絡通信資源無冗余配置時效：

(19)

1.2.2 基于貪心容量優化調度算法的資源配置擁塞優化

采用貪心容量優化調度算法選取最優通信資源傳輸路徑，避免電網調頻控制網絡擁塞，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點容量負載率

設有向鏈路lij特指節點i至j的路徑，φ(lij)表示其容量，節點i至j的報文隊列長度表示為Qij,Mi描述的是與節點i相鄰的節點數量。假設電網調頻控制網絡內最大的相鄰節點數是M=max(Mi)，則得到鏈路負載率為：

(20)

式中，NBj為節點j的相鄰節點集，則節點j的容量負載率為：

(21)

式中，節點j輸出鏈路內的最大容量負載率為φmax,最小容量負載率為φmin。歸一化節點i～j數據傳送容量負載率，得到：

(22)

式中，F[]表示歸一化處理。

② 鏈路利用率

(23)

得到路過鏈路的總業務速率為：

(24)

式中，電網調頻控制網絡傳輸速率為v。鏈路利用率為：

(25)

③ 有向邊權重值

基于容量負載率、鏈路利用率以及節點跳數設鏈路權值為wij，得到：

(26)

式中，Nij是電網調頻控制網絡不同設計策略下節點i，j之間的跳數[17-18]；γ1，γ2，γ3都是權重系數，且符合γ1+γ2+γ3=1。

針對所有網絡節點在轉發報文至向下一跳的情況下，優先選取權重最大的鏈路以及相對節點為通信資源傳播路徑，實現網絡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異性，本文基于Matlab的動態可視仿真平臺搭建變電站電網調頻控制網絡實驗平臺，以SV報文80點工作模式，采樣時間間隔為1 min，電網調頻控制網絡鏈路中雙連接節點數量為36，權重系數為(0.4，0.6，0.3)。

分析重構點m不同時的電網調頻控制網絡自動化通信資源的配置結果，結果如圖2和圖3所示。

圖2 功率容量配置結果Fig.2 Power capacity allocation result

圖3 能量容量配置結果Fig.3 Energy capacity allocation result

圖2和圖3分別表示不同重構點下的最優功率和能量容量配置結果。結合圖2和圖3可以看出，隨重構點的不斷增大，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頻區域階段的荷電狀態，通過圖4可以看出，荷電狀態的波動為0.1～1.0。說明通過本文方法可有效限制各調頻時間間隔內輸出的儲能功率，保證其荷電狀態一直居于合理區域內，避免儲能電池過度地充放電，儲能電池所需要的調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果合理且有效。

為驗證本文方法應用的交叉鏈路高可用性無縫冗余策略的性能，對比單環、雙環、交叉3種鏈路高可用性無縫冗余策略下，跳數最小值跟隨雙連接節點數所發生的變化，結果如圖5所示。

圖4 m=6時儲能電池的荷電狀態變化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Fig.5 Minimum hop count under high availability seamless redundancy strategy for different links

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

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據，圖6和圖7為2個時段自動發電控制命令報文與發電機組響應信號情況的仿真結果。

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

圖7 18:00—21:00時段自動發電控制命令報文與 發電機組響應情況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，各時段的自動發電控制命令報文與其對應發電機組的響應信號情況基本一致，說明本文方法具有較好的應用性，電網系統運行穩定，不存在配置延遲問題。

3 結束語

對于當前電網調頻控制網絡受重復丟棄機制的影響導致擁塞，以至于數據傳輸耗時較長的問題，分析了基于變分模態分解的電網調頻控制網絡自動化通信資源無冗余配置方法。實驗結果表明，該方法的傳輸跳數更小,能夠達到節點連接數量的一半左右；響應及時，基本不存在延遲的現象，能夠更好地服務電網系統。以大數據驅動的電力物聯網為基礎，通過本文方法可加強數據傳輸的時效性。