基于移动网络的分布式电网连接的主动同步控制策略

抽象的

本文介绍了基于移动网络的分布式电网连接的主动同步控制方案。该方案避免了传统控制方法的缺点，例如长的等待时间和低可靠性，并且可以满足“HotPlug在线”分布式电网连接的要求。该方案使用移动网络在操作前收集和检测分布式电力系统和大电网之间的电压滑移信息。当电压滑移不能满足网格连接的要求时，积极调节分布式电力系统的侧电压信息。通过PI调整调节幅度差和相位差信号，并且产生的调整信号分别通过具有不同权重系数的移动网络发送到相应的控制器。在接收器接收到调节信号之后，它通过移位垂直特性曲线来改变其输出电压的幅度和频率，从而实现分布式电力系统侧电压和大电网侧电压最终。最后，使用仿真分析和实验来验证主动同步控制策略的有效性和实用性。

1.介绍

分布式电力系统在正常情况下与大电网相连。当检测到大电网故障时，可及时将分布式电力系统与大电网分离，进入离网独立运行状态。无论是并网运行还是离网运行，都需要对分布式电力系统与其他分布式电源和储能设备进行协调和控制，以保证系统的稳定[1，2］．

由于分布式生成系统的网格连接和离网状态之间的过渡，涉及随机波动和间歇性的大量信息。准确的网格连接操作也受通信网络和数据处理容量的容量限制。如果涉及大规模信息的测量设备无法与上电网调度及时互连，它将直接导致分布式发电系统的网格连接和偏网操作的故障。参与分布式发电系统和离网操作的测量终端被广泛分布，并且大部分容量相对较小。传统的光纤专用网络，无线专用网络等通信方法是高成本，并且连接数量有限[3.- - - - - -5］．因此，可以利用移动网络提供的大连接的优点来提高测量终端访问的数量和成本性能。文献[6提出了一种调度算法。该算法首先根据拓扑结构将任务划分为不同的层次，然后使用三个字符串对算法中的基因进行编码，以便更好地反映云环境的异构性和弹性。最后，利用HEFT生成完成时间和成本最小的个体。文献[7]分析了具有道路基础设施的多路排队式货车车辆与路侧单元(rsu)之间的接入和连通性概率。本文将连通性概率表示为公路上车辆在指定的跳数范围内能够到达道路旁至少一个RSU的概率。此外，除了考虑同一道路上的连接外，还研究了车辆通过相邻道路上的车辆与RSU之间的连接。文献[8]通过基于KNN (K-nearest neighbor)和SVR (support vector regression)的时间序列预测，从历史记录中提出用户消费行为的周期性趋势。它为大量的商品和有限的移动设备提供了高度个性化和精准的营销方法。

上述研究的基础上,本文设计了一种分布式发电系统的发电操作系统移动网络的基础上,针对低质量信息访问速度的问题,稳定性差,高延迟短时间操作的控制系统的分布式发电系统9，10.］．通过利用具有低延迟和大连接的移动网络的特性，与分布式生成系统的网格连接操作相关的参数，包括协作感知，监控区域中的监控对象以及其他信息，可以完全访问。信息将被传输或上传到该区域的后台管理系统。在故障情况下，实现了分布式传输系统的实时监控，以促进快速维护和离网控制操作。

2.材料和方法

2．1.数据采集系统总体框架

在本文中，该系统架构图，如图所示1被设计用于在分布式发电系统的电网连接的开关的两侧的数据采集。该系统采用WCDMA网络收集关于电网连接的交换机的两侧上的数据。同时，该数据被发送并通过WCDMA网络实时处理。最后，数据被发送到接口逆变器的控制系统。

如图所示1，数据采集系统主要包括三个级别：数据采集层，数据处理层和数据中央处理层[11.，12.］．数据采集层用于采集交换机的现场数据。采集到的数据通过WCDMA网络传输到中控室，对数据进行查询、存储、处理、显示等相关操作;数据处理层，主要包括数据预处理操作，如数据清洗、转换、加载等操作。

2.1.1。WCDMA网络体系结构

基于WCDMA的并网交换机数据采集系统由中控室、数据采集装置、WCDMA通信模块等组成，如图所示2．

在WCDMA网络系统中，MSC和VLR通常组合使用，两者都在相同的物理网络实体上实现[13.- - - - - -15.］．MSC类似于全网的呼叫控制的大脑，它的主要功能是决定如何处理其控制下的用户设备的呼叫控制过程，以及管理用户设备的移动性[16.，17.］．此外，MSC/VLR还具有完整的认证和加密功能。GMSC是WCDMA移动网络电路交换域与外部网络之间的网关节点[18.，19.］．GMSC的主要功能是在移动网络和固定网络之间作为移动网关，并在PSTN用户呼叫移动用户时完成入站呼叫的路由功能。SGSN执行移动性管理，安全管理，访问控制和路由功能。GGSN负责在GPRS PLMN和外部分组数据网络之间提供接口，并提供必要的互联网安全机制。HLR的主要功能是存储用户的合同信息，支持新业务和身份验证[20.- - - - - -23.］．AUC是功能实体，负责在认证中心生成相应的认证参数。

2.1.2。数据传输和处理策略

本文采用的方案是随机线性网络编码。当用户1需要与其他用户共享文件M时，首先需要对文件进行分割米进入P部分 ［24.- - - - - -26.］．当用户1接收从其他用户文件请求，一个新的文件，将产生和重新编码后发送给所述请求者p本地文件切片： 在哪里 是个p维编码向量在有限域GF（256）随机选择的。

当重新编码的数据时，需要将值和随机编码向量串接在编码数据前进行解码。封装后的数据在网络中传输 ．

当中间节点2接收 数据，它可以切换到AP模式。收到文件请求后，节点2将随机选择编码向量以编码本地拥有的数据并将其发送到请求者。

当用户收到时P线性独立数据，他可以使用公式来解码原始文件[27.，28.］．首先,提取编码矩阵一个从编码文件X，并找到逆矩阵 ．然后,乘以X会恢复原始文件吗米：

一旦用户已经获得的所有数据和解码的原始数据，它可以切换到AP模式和成为新的数据源将数据发送到其他用户[29.，30.］．

数字3.示出了基于网络编码的文件共享网络与基于传统的复制的方案之间的差异。在图中3.（a），设备1（文件所有者）需要将两条数据（a和b）发送到网络中的每个设备。在第一阶段中，设备1随机地从数据A和B中选择一个数据，以发送到相邻设备（设备2,3和4）。当设备2,3和4接收所有数据时，它们切换到AP模式，并且只需要将接收的数据转发到相邻节点。然而，在图3.（b）所示，装置1发送不同的线性组合的数据向相邻节点，而当这些相邻节点处于AP模式，所述线性组合的数据也将被发送到其相邻装置。例如，设备3发送的数据的新的线性组合到设备5。在图3.（b）中，在第三阶段中，我们观察到，装置2和5具有的所有数据。然而，在图3.（a），设备2和5仅接收部分数据。可以看出，使用网络编码的方案具有更高的共享效率。在图中3.，只有五个设备，网络传输最多两跳。在具有更多设备的实验方案中，每个设备将在接收到部分数据后切换到AP模式，这更有利于在大量设备之间共享文件。通过网络设备的多个继电器数据，网络的覆盖率大大扩展。

2.2。主动同步控制策略

2.2.1。滑动信号检测

滑差信号是中央控制器判断分布式电力系统侧电压信息是否满足并网标准的重要指标。过零检测方法作为目前最常用的滑差信号检测方法，原理简单，易于实现，但存在检测时间长、抗干扰能力弱的缺点[31.，32.］．

为了克服这些缺点，国内外专家研究了滑差信号检测方法的改进:(1）改进的零交叉检测方案：电压采样曲线由多项式安装。在稳定状态下，实现精确的频率跟踪，但抗干扰能力弱[1，14.，33.］．（2）基于离散傅里叶变换的方案具有较强的抗谐波干扰能力。但由于计算复杂、运算时间长、频率变化快，滑差信号误差较大[34.，35.］．

提出了一种快速、有效的滑差信号检测方法。将A、B和C三相电压信号两相同步旋转坐标系,振幅不同,相位差,两边的电压和频率不同的分布式电力系统和大电网可以快速、准确地获得通过简单而有效的计算(36.- - - - - -38.］．

假设分布式电力系统的两侧和大型电网都是理想的平衡三相正弦交流电压，其表达式如下：

根据坐标变换，双方的电压信息被转换成相同的旋转坐标系。电压的上分布式动力系统和大电网的两侧上的DQ轴分量分别是

为了便于计算电压差，假定电网电压矢量较大为 ，角频率是 ，分布式电力系统电压矢量为 ，角频率是［9，39.，40］．一般电压矢量图如图所示4，电压逆时针旋转。

根据两侧电压的DQ轴分量，幅度差，相位差和频率差可以计算如下：

2.2.2。主动同步控制策略的设计

通过调整输出电压的幅度和频率来控制多个逆变器的有源电流和反应电流。调整过程已完成，达到新的稳定操作状态。此时，可以均匀地分开主动和无功电流。特定表达式如下：

在隔离的情况下，如果多台逆变器的下垂系数满足其容量的反比关系，则电流可根据其容量成比例分布。逆变器容量比设置为n,然后

具有不同容量的逆变器并联系统的主动和无功功率循环的表达如下所示：

此外,

逆变器输出电压可由式(7)和(10.)：

根据公式(10.)时，需消除稳态电压偏差，凹陷系数与容量成反比。因此,有 ．

根据上述分析，考虑到循环的角度，系统的等同阻抗与逆变器的容量成反比，这可以根据逆变器实现具有不同容量的逆变器的平行连接，根据容量。

由于下垂控制中的集成链路，系统的频率将在达到稳定状态时自动同步。这里，

结合电流下垂控制方程，可得:

从上面的等式可以看出，为了使反应电流准确地与容量比例地与容量比例地共享负载，只需要将相应的下垂系数设置成比例。

当系统阻抗是纯电阻时，等式（10.)可以简化为

根据公式(7)和(14.），有功电流和电压，无功电流，以及系统的角频率的控制框图，可以得出。根据该控制框图，可以得到逆变器的输出有功电流和无功电流：

根据公式(3.)，可以看出，由于无功电流的暂降控制存在一个整体环节，稳态条件下的静态差值会得到一定程度的抑制。由于有功电流没有积分调节功能，很难实现有功电流的平均分割。

因此，可以考虑计算其自身输出的电压幅度与收集的公共连接点处的电压幅度之间的差异。之后，通过PI调节器调节差异。最后，PI调节器的输出变量被添加到电压输出表达式（17.)的原始下垂控制方程:

由此得到自适应控制方法，如图所示5： 在哪里和是检测负载电流中谐波和无功电流的表观容量l_f.abc,分别。可由下列公式(18.)和(19.),分别为: 其中，其中1,2和3分别是所选择的坐标系中的电网电压，反应电流和谐波电流的有效值分量。有效值的计算公式如下： 在哪里 是电网的电力频率周期，和是电网的基波角频率。

不计算谐波电流的表观容量，而是找到一个近似和简单的方法。

在理想情况下，电网电压无畸变且三相不对称可表示为

电网电压的相位为0°，因此线电压可以表示为

进一步得到三相不可控整流器非线性负载电流的解析表达式为:

可以获得以下公式：

如果以电网电压为导向 ，大电网电压的DQ轴分量可以表示为

此时，方程(25.) - (27.)可以简化为

根据方程(29.) - (31.），轴分量中的负载电流的平均值是

同理，谐波电流的最大DQ轴分量可表示为

此外，根据方程的定义（21.），可以如下获得谐波电流的DQ轴分量的有效值：

服用 和 作为一个例子，有效值和在一段时间内Tcan be calculated as 5.65 A and 1.63 A, respectively; The maximum和的也可以分别计算为9.05a和2.85a。

根据定义，自相关波形系数和为D轴和Q轴上的谐波负载电流 式中，−和=分别为D轴和Q轴下谐波电流的瞬时最大值。

应当注意，控制策略以一定比例补偿每个分布生成系统的检测到的谐波和反应电流，并且仅根据其自身的容量分配反应性和谐波电流。

２.３.仿真和实验

为了验证所提出的控制策略的正确性和可行性，进行了仿真和实验验证。测试条件如图所示6:测试系统由两个分布式发电系统组成，在分布式发电系统仿真监控中心放置一个5.8 GHz无线网桥。其中，分布式发电系统1与分布式发电系统2之间的距离约为1 - 1.5 km，分布式发电系统2与监测中心之间的距离约为2 km。各部分参数如表所示1．

2.3.1。模拟

(1)无线通信网络性能测试与分析．运行测试软件程序，最后得到测试结果，如表所示2和数字7和8．试验数据统计见表2．RSSI是接收信号强度指示的缩写，这是指接收的信号强度。数字7和8分别示出了无线网络数据传输的吞吐量和响应时间。发现其吞吐量范围为0.689至14.321。响应时间为0.111和0.251。可以看出，该无线网络的通信效果可以基本上满足少量分布式电源的通信需求，并且有足够的允许率，并且分组丢失率小，远小于2％。网络的整体性能符合应用要求。

(2)主动同步控制策略仿真分析．为了验证所提出的控制方案的有效性，首先，将仿真模型根据图中示出的分布式电源系统结构建6，每个部分的参数显示在表中1．然后进行模拟。

实验过程如图所示9：在初始时刻，分布式发电系统连接到大电网。在突然负载增加之后，系统侧的幅度和频率减小。滑移信号的幅度和频率增加到额定输出，并且在用主动同步调节调整滑动信号之后，输出功率达到负载的额定需求。分布式发电系统可以保持与大电网同步操作，并且模拟验证了本文提出的主动同步控制方案的正确性。

2.3.2。实验

为了进一步验证该方案的正确性，实验在实验平台上进行。实验的背景显示在上一节中。

在开始时，逆变器的输出电压是一样的大电网侧的电压信息。在某一时刻，负载3突然增加。在此之后，在检测到滑差信号，因为滑信号是用于中央控制器，以确定分布式发电系统的侧电压信息是否满足电网连接标准的一个重要指标。作为最常见的滑移信号检测的方法，所述过零检测方法在原理上简单且易于实现。然而，它有很长的检测时间和薄弱抗干扰能力的缺点。使用在本文所提出的改进的过零检测方法，所述滑移信号检测单元可以快速，准确地获得分布式发电系统和大电网之间的滑动信号。最后，滑信号波形如图所示10.是获得。

从数字中可以看出11.，滑移信号检测单元检测到分布式电力系统与大电网两侧电压幅值差约为5 V，频率差约为0.5 Hz，相位差为的周期性变换T = 2 s. Obviously, the voltage amplitude on the side of the distributed generation system is greatly different from that on the side of large power grid, which does not meet the grid-connection standard and will still produce a large impulse current. Therefore, it is impossible to reconnect the distributed generation system with the large power grid, so the slip signal needs to be synchronously adjusted actively.

数字10.显示电压滑移波形而不有主动同步调整。可以看出，电压滑移周期性变化。关闭分布式电网连接开关接近1.7 s，因此此时，电压滑动是最小值，电流影响最小。但是，如果您错过了这一刻，电压滑变得更大，并且您需要再次等待。频率差异越小，等待时间越长，然后将再次出现具有最小电压滑动的瞬间。什么时候t= 1.8 s时，本地控制器同时调整分布式电源系统的电压幅值、相位和频率。检测到的电压滑差信号的变化如图所示12.，并且PCC点和大电网两侧的A相电压和滑动波形如图所示13.．

从数字中可以看出12.，经过主动调整后，幅值、频率、相位差在约1 s后均降为0。主动调节时，本地接收机接收到被调节信号后，首先对本地输出电压进行调整。其实质是通过改变凹陷特性曲线来改变输出电压的幅值和频率。分布式发电系统公共耦合点的电压信息随着其输出电压的变化而变化，最终实现与电网大电压的同步。

从图中可以看出13.即，在相应的时刻，分布式电力系统的侧电压完全跟踪大网格侧面的电压。它表明，在主动同步调节之后，分布式电力系统侧的电压可以与大电网同步。验证了所提出的主动同步控制方案的正确性。

结论

本文研究了分布式电力系统和大型电网之间的同步问题，提出了一种可以应用于分布式电网连接系统的有源同步控制方案。在分层控制策略的背景下，调节信号通过在分布式电力系统的中央控制层的移动网络发送到局部控制层，然后通过移位吊扇来改变分布式电厂的输出电压信息特征曲线，然后改变PCC点处的电压信息，直到它与大电网侧的电压信息同步。最后，进行了模拟和实验验证。结果表明，经过一段时间后，分布式电力系统的公共耦合点处的电压信息与大电网两端的电压信息基本上匹配并同步，这验证了主动同步的正确性和有效性控制方案。

数据可用性

本文研究中使用的数据可根据要求提供相应的作者。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

本研究由辽宁省教育部科研基金项目资助（项目编号.JL-2015）;辽宁省科技规划项目，产业重点问题和工业化指导计划（项目编号。2019JH8 / 10100065）;沉阳工程学院研究项目（项目编号。LGQN-1906）。

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