[论文解读] Enhanced Secondary Frequency Control via Distributed Peer-to-Peer Communication

Chenye Wu, Soummya Kar+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2014

Frequency Control in Power Systems参考文献 20被引用 6

一句话总结

本文提出了一种分布式二次频率控制框架，通过结合对等通信与一致性加全局创新控制结构，提升了系统稳定性与经济效率。该方法通过使用实时ACE信号和本地通信，使频率稳定速度优于传统AGC，且在最小通信需求下实现了与最优经济调度的$c\epsilon$-接近。

ABSTRACT

Distributed generation resources have become significantly more prevalent in the electric power system over the past few years. This warrants reconsideration on how the coordination of generation resources is achieved. In this paper, we particularly focus on secondary frequency control and how to enhance it by exploiting peer-to-peer communication among the resources. We design a control framework based on a consensus-plus-global-innovation approach, which guarantees bringing the frequency back to its nominal value. The control signals of the distributed resources are updated in response to a global innovation corresponding to the ACE signal, and additional information exchanged via communication among neighboring resources. We show that such a distributed control scheme can be very well approximated by a PI controller and can stabilize the system. Moreover, since our control scheme takes advantage of both the ACE signal and peer-to-peer communication, simulation results demonstrate that our control scheme can stabilize the system significantly faster than the AGC framework. Also, an important feature of our scheme is that it performs $cε$-close to the centralized optimal economic dispatch, where $c$ is a positive constant depending only on the cost parameters and the communication topology and $ε$ denotes the maximum rate of change of overall system.

研究动机与目标

• 解决现代电力系统中高比例分布式资源渗透背景下集中式自动发电控制（AGC）的局限性。
• 通过在分布式资源之间实现直接通信，而不完全依赖中央控制器，提升二次频率控制性能。
• 设计一种控制框架，确保系统稳定性的同时实现成本效益高的经济调度。
• 证明稀疏的本地通信可显著提升响应速度，相较于传统AGC具有优势。
• 表明该分布式方案在不泄露私有成本信息的前提下，渐近逼近集中式最优经济调度。

提出的方法

• 控制框架采用一致性加全局创新方法，每个资源根据全局ACE信号和相邻资源的本地信息更新其控制信号。
• 控制律整合了来自ACE的全局创新项与来自对等通信的本地一致性项，以平衡频率恢复与经济调度。
• 系统动态通过摇摆方程建模，控制更新在每个测量周期后迭代应用，确保实时响应能力。
• 理论上证明该方法可稳定系统，并收敛至距离集中式最优调度$ c\epsilon $以内的解，其中$ c $取决于成本参数与网络拓扑。
• 设计避免对强连通通信图的要求，允许稀疏且局部化的通信。
• 通过在单区域与多区域电力系统中，于不同负载条件与通信延迟下进行的仿真，验证了该方法的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅使用本地对等通信与全局ACE信号的分布式控制方案，是否能在响应速度上显著快于传统AGC，实现二次频率控制的快速稳定？
• RQ2 所提出的共识加全局创新框架如何在系统动态与实时更新条件下确保稳定性与收敛性？
• RQ3 该分布式方案在不泄露私有成本参数的前提下，能在多大程度上实现成本效益高的经济调度？
• RQ4 在通信稀疏或存在延迟的情况下，该方案的性能会如何退化？
• RQ5 在多区域系统中，该框架能否在恢复频率的同时维持联络线潮流约束？

主要发现

• 在负荷增加0.005 pu后，所提出的分布式控制方案在8秒内完成系统稳定，显著快于AGC，后者即使在0.16秒更新间隔下也需超过12秒。
• 当$\Delta T = 4$秒时，该方案仅通过两次控制更新即实现系统稳定，展现出极高的响应速度。
• 当$\Delta T = 0.4$秒时，AGC框架无法将频率维持在额定范围内，而所提方案仍能保持稳定性能，与0.08秒更新间隔下的表现相当。
• 在5分钟的时间范围内，与最优调度的相对偏差从25%降低至7%，显示出优异的成本效益。
• 在三区域系统中，该方案保证了联络线潮流偏差为零，证实其能够有效维持区域间功率流动约束。
• 理论分析表明，该方案可实现与集中式最优调度$ c\epsilon $-接近的解，其中$ c $仅取决于成本参数与通信拓扑。