基于变分模态分解的电网通信资源无冗余配置方法

张海全，贺鸿鹏，徐美娇

(国网内蒙古东部电力有限公司，内蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

电网调频控制网络的主站系统与远程终端之间的通信主要依靠的是通信资源，其性能的可靠与否直接决定了整个电网调频控制网络的运行，所以在搭建电网DCS自动化系统过程中，首先要解决的是通信资源配置的问题。文献[1]提出考虑机组的爬坡限制以及储能的功率和荷电状态限制，以每分钟的功率为约束，通过指令信号越限时再分配实现不同资源间调频指令的分配。但是通信装置常部署在环境苛刻的野外，对稳定性要求较高。在储能电池的接入下，文献[2]对电池储能参与调频的成本-效益和容量配置等进行了研究， 表明电池储能作为优质的调频资源可以带来一定的经济效益。而近几年风、电等多种具有较大波动的新能源正在大规模地侵入电力互联网，导致电力系统的频率稳定性下降。为提取非线性非平稳的信号特征，文献[3]提出了自适应约束变分模型的构建及求解，得到频率成分固定的信号分量，利用Hilbert变换提取振荡特征参数。调频控制网络控制过程中的缺陷逐渐暴露出来，例如调节的延迟、偏差和单向等现象。现有研究主要从过程层监控与数据传输机制中改进。如文献[4]提出了一种通过过程层交换机动态学习网络拓扑与链路映射关系的智能变电站过程层网络快速故障定位与运行状态监控方法，仅能辨识故障位置，并不能保证故障状态下过程层网络的服务质量。文献[5]提出了一种过程层网络报文传输延时计算方法，建立了SV报文传输时间抖动模型，并据此提出通过控制报文发送时序与转发条件的延时抖动抑制方法，但文中并未展开故障链路下传输延时防抖动研究。在实际应用过程中，调频控制网络受到多模态产生的大量冗余数据、延时以及蒸汽压力的影响，其调频控制的速度与精度不能得到满足。

变分模态分解方法具有充分准正交特性，具有强抗噪性，可实现对自适应信号的良好处理[6-7]，因此，为实现电网调频控制网络的自动化通信资源无冗余配置，本文利用变分模态分解方法，确定并优化电网调频容量，以期提升电网调频性能，并结合交叉链路高可用性无缝冗余通信链路配置方法和贪心容量优化调度算法实现通信资源无冗余配置。主要创新点为：

① 传统方法中，链路成环使得数据循环进行传播计算，计算冗余度较高。因此本文方法采用交叉链路配置方案，从而减少传播跳数。

② 在传输层易产生流量拥塞风险，导致数据传输时延。本文方法在贪心容量调度算法中优化链路与节点容量等，选取最优通信资源传输路径，避免拥塞。

1 电网调频控制网络自动化通信资源无冗余配置

1.1 电网调频容量确定和优化

1.1.1 基于变分模态分解的调频命令分配

① 变分模态分解

电网下发的调频命令信号缺乏平稳性的同时也不具有线性，所以无法通过传统方法对其频域信号展开分解。变分模态分解方法基于适宜分解尺度划分信号得到多个不同中心频率的本征模态函数，且令各函数所预估的带宽和为最小[8-9]。通过设置合适的分解尺度，将输入的信号分解为若干个不同中心频率的本征模态函数，并以估计频域之和最小作为约束进行循环更新。

基于适宜分解尺度K对调频命令信号进行变分模态分解，获取K个不同中心频率的子模态函数序列uk(t)(k=1,2,…,K)，且存在{uk}={u1,u2,…,uk}，并令各子序列所预估的带宽和为最小值，所有子模态函数序列的和与电网输入的调频命令功率和相等，得到变分问题的组建公式为：

(1)

式中，子模态函数中心频率{ωk}={ω1,ω2,…,ωk}；δ(t)表示单位脉冲函数；j表示频域信号。

将增广拉格朗日函数应用至求解约束性变分模态分解问题过程中，得到：

(2)

式中，α，λ(t)分别为惩罚因子和拉格朗日乘子。

(3)

通过傅里叶变换获取更新后子模态函数序列与中心频率的最新频域如下：

(4)

(5)

设定一个需要达到的变分模态分解精度e，且e>0，若符合下式要求，停止迭代：

(6)

② 调频指令分配

变分模态分解处理电网调频控制网络区域控制误差信号，得到n个频率从低至高的本征模态函数分量[10]，此处分别通过重构低、高频分量，为普通机组和储能电池的自动发电分配调频控制指令

(7)

(8)

(9)

(10)

为了避免少数尖峰信号以及功率响应效率对调频命令分配的限制，将其与容量系数γ1和γ2相乘，γ1,γ2∈[0,1]，系数大小取决于所得分配命令信号。

1.1.2 基于功率区域调整的调频控制方案

为提高电网调频的经济效益，需要设计适宜的控制方案。在利用储能电池与发电机组制定调频控制方法时，需要先权衡这些调频资源在实际应用过程中的限制作用[11]，功率调整区域求解的流程如下。

基于发电机组的功率与爬坡率的影响得出调频时刻t的功率区域为：

(11)

(12)

由于影响储能电池功率区域的因素除其自身容量之外还有荷电状态[12]，所以求解储能电池t时刻的荷电状态得到：

(13)

结合储能电池的功率与能量求解其于调频时刻t的功率输出区域，得到：

(14)

(15)

利用基于功率区域调整的调频控制方案可有效限制各调频时间间隔内输出的储能功率，保证其荷电状态一直处于合理区域内[13]，避免储能电池过度地充放电，在降低其自身损耗的同时令其拥有一定的随时调频能力。

1.2 电网调频控制网络自动化通信资源无冗余配置

高可用性无缝冗余(HSR)通信资源配置方法，是采取双环链路相连各个节点构成一个环网。通信资源数据报文经源节点发出后会经过整体电网调频控制网络最终再次回到源节点，正常情况下的通信资源数据报文在无冗余配置时，报文的2个副本会在同一时刻传输至各个源节点，节点会自动接收率先到达的数据报文，丢弃延迟到达的一个；故障情况下的通信资源数据报文在无冗余配置时，2个副本中只有一个副本能到被传输至节点。尽管HSR通信资源配置方法可以确保通信资源的无冗余配置与零恢复时间，但是在电网调频控制网络通信宽带有限条件时，受HSR方法的链路成环产生的通信数据副本往复传播影响，可能会造成通信资源产生较大的传输延时，导致通信资源无冗余配置时间，开销较大；同时，HSR方法忽略了电网调频控制网络通信链路传输通信资源时的资源负载率与利用率的异同，未充分考虑高并发工作状态下通信资源无冗余配置过程中受节点传输量影响导致的网络拥塞情况。

本文提出交叉链路高可用性无缝冗余(CL-HSR)通信资源配置方法，有效缩短通信资源传输跳数，降低通信资源无冗余配置延时；结合贪心流量优化调度算法，在通信资源无冗余配置时通过优化调度链路容量负载率与节点容量负载率、链路利用率和有向边权重值，选取最优通信资源传输路径，避免造成网络拥塞，实现确定并优化电网调频容量的后电网自动化通信资源无冗余配置。

1.2.1 基于CL-HSR的网络通信资源无冗余配置

CL-HSR通信资源配置方法，如图1所示。

图1 CL-HSR通信资源配置方法Fig.1 CL-HSR communication resource allocation method

可以看出，该方法通过所有双工链路串联了对角的转发节点。图中DANH(Doubly Attached Node for HSR)表示为双连接节点。

将单环链路形成的2个对角子环记为Ⅰ和Ⅱ，针对各子环可以将2个RedBox的其中之一放置在对接HSR环的端口，另一个放置在对接子环的端口。RedBox的具体作用是作为连接各节点连接器形成HSR环，可按照电网调频控制网络的规模自适应变换子环数。所有转发节点之间的冗余互联通路均通过RedBox完成，在保证HSR环路可靠性的同时避免了每个节点受重复丢弃问题导致的环网[14]。应用该方法极大程度地降低了数据包在电网调频控制网络传输过程中出现的跳数，令各端口之间的传输延时最大值得以减小。由此可见，该方法能够有效提升电网调频控制网络的容错性和服务质量，更好地实现其自动化通信资源无冗余配置。

图1中电网调频控制网络源至其内部全部目标区域的帧需要的跳数最小值为环内总跳数的1/2，当单环链路内出现纯粹链路故障时，需要的跳数最小值为总跳数-l。

令各单环节点都是双连接，则单环网络内全部总跳数与双连接节点数相同，得到链路正常时的单环网络内最小跳数值为：

N单环=0.5×NDANH，

(16)

式中，N单环，NDANH分别为单环网络内的跳数以及双连接节点数。

由于该方法内加入了交叉链路以及额外RedBox，所以总跳数会变大，其最小跳数取决于Ⅰ和Ⅱ。得到子环内总跳数为主环内双连接节点数的1/2，并得到2个交叉链路子环，即：

NCL=0.5×(NDANH+4)+2，

(17)

式中，策略的总跳数表示为NCL，报文输送的跳数最小值是其1/2，即:

NCL-HSR=0.5×NCL-HSR=(NDANH+8)/4，

(18)

式中，NCL-HSR为该方法的跳数最小值。

在双连接节点数增加的情况下，该方法的输送跳数更小，可降低传输时延，提升网络通信资源无冗余配置时效：

(19)

1.2.2 基于贪心容量优化调度算法的资源配置拥塞优化

采用贪心容量优化调度算法选取最优通信资源传输路径，避免电网调频控制网络拥塞，提升通信资源无冗余合理配置，保障通信资源传输可靠性。

① 链路容量负载率与节点容量负载率

设有向链路lij特指节点i至j的路径，φ(lij)表示其容量，节点i至j的报文队列长度表示为Qij,Mi描述的是与节点i相邻的节点数量。假设电网调频控制网络内最大的相邻节点数是M=max(Mi)，则得到链路负载率为：

(20)

式中，NBj为节点j的相邻节点集，则节点j的容量负载率为：

(21)

式中，节点j输出链路内的最大容量负载率为φmax,最小容量负载率为φmin。归一化节点i～j数据传送容量负载率，得到：

(22)

式中，F[]表示归一化处理。

② 链路利用率

(23)

得到路过链路的总业务速率为：

(24)

式中，电网调频控制网络传输速率为v。链路利用率为：

(25)

③ 有向边权重值

基于容量负载率、链路利用率以及节点跳数设链路权值为wij，得到：

(26)

式中，Nij是电网调频控制网络不同设计策略下节点i，j之间的跳数[17-18]；γ1，γ2，γ3都是权重系数，且符合γ1+γ2+γ3=1。

针对所有网络节点在转发报文至向下一跳的情况下，优先选取权重最大的链路以及相对节点为通信资源传播路径，实现网络通信资源无缝冗余配置。

2 实验分析

为验证本文方法的可行性与优异性，本文基于Matlab的动态可视仿真平台搭建变电站电网调频控制网络实验平台，以SV报文80点工作模式，采样时间间隔为1 min，电网调频控制网络链路中双连接节点数量为36，权重系数为(0.4，0.6，0.3)。

分析重构点m不同时的电网调频控制网络自动化通信资源的配置结果，结果如图2和图3所示。

图2 功率容量配置结果Fig.2 Power capacity allocation result

图3 能量容量配置结果Fig.3 Energy capacity allocation result

图2和图3分别表示不同重构点下的最优功率和能量容量配置结果。结合图2和图3可以看出，随重构点的不断增大，储能电池负荷的能量越来越小，其所配置的功率和能量容量也会越来越小。

图4是储能电池于整体调频区域阶段的荷电状态，通过图4可以看出，荷电状态的波动为0.1～1.0。说明通过本文方法可有效限制各调频时间间隔内输出的储能功率，保证其荷电状态一直居于合理区域内，避免储能电池过度地充放电，储能电池所需要的调频命令能量要求能够得到满足，且其利用率较高，说明本文方法的配置结果合理且有效。

为验证本文方法应用的交叉链路高可用性无缝冗余策略的性能，对比单环、双环、交叉3种链路高可用性无缝冗余策略下，跳数最小值跟随双连接节点数所发生的变化，结果如图5所示。

图4 m=6时储能电池的荷电状态变化Fig.4 Charge state change of energy storage battery when m=6

图5 不同链路高可用性无缝冗余策略下最小跳数Fig.5 Minimum hop count under high availability seamless redundancy strategy for different links

对比普通单环、双环链路，本文所设计的交叉链路高可用性无缝冗余策略的跳数最小值能够于双连接节点数较多的情况下缩减一半，实现端口之间延时量极大程度上的节省。

分别模拟并采集某天06:00—09:00与18:00—21:00时间段的用电时段数据，图6和图7为2个时段自动发电控制命令报文与发电机组响应信号情况的仿真结果。

图6 06:00—09:00时段自动发电控制命令报文与 发电机组响应情况Fig.6 Automatic power generation control command message and generator set response at 06:00—09:00

图7 18:00—21:00时段自动发电控制命令报文与 发电机组响应情况Fig.7 Automatic power generation control command message and generator set response at 18:00—21:00

由图6和图7可以看出，各时段的自动发电控制命令报文与其对应发电机组的响应信号情况基本一致，说明本文方法具有较好的应用性，电网系统运行稳定，不存在配置延迟问题。

3 结束语

对于当前电网调频控制网络受重复丢弃机制的影响导致拥塞，以至于数据传输耗时较长的问题，分析了基于变分模态分解的电网调频控制网络自动化通信资源无冗余配置方法。实验结果表明，该方法的传输跳数更小,能够达到节点连接数量的一半左右；响应及时，基本不存在延迟的现象，能够更好地服务电网系统。以大数据驱动的电力物联网为基础，通过本文方法可加强数据传输的时效性。