基于分布式算法的區(qū)域能源系統(tǒng)實(shí)時(shí)優(yōu)化控制研究

引言

隨著可再生能源的廣泛應(yīng)用和能源需求的不斷增長(zhǎng)，區(qū)域能源系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性顯著增加，傳統(tǒng)的集中式控制方法在處理大規(guī)模、多主體的能源系統(tǒng)時(shí)，面臨計(jì)算復(fù)雜度高、通信負(fù)擔(dān)重等問題。分布式算法通過將優(yōu)化問題分解為多個(gè)子問題，能夠在局部進(jìn)行計(jì)算和決策，顯著降低計(jì)算和通信成本。在區(qū)域能源系統(tǒng)中，分布式算法可以實(shí)現(xiàn)不同能源節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)同優(yōu)化，平衡供需關(guān)系，提高能源利用效率。但是，分布式算法在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨算法收斂性、通信延遲和數(shù)據(jù)隱私等挑戰(zhàn)。研究基于分布式算法的區(qū)域能源系統(tǒng)實(shí)時(shí)優(yōu)化控制，對(duì)于推動(dòng)能源系統(tǒng)的智能化和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1.分布式算法在區(qū)域能源系統(tǒng)實(shí)時(shí)優(yōu)化控制中存在的問題

1.1分布式算法計(jì)算復(fù)雜度高，難以滿足實(shí)時(shí)性要求

區(qū)域能源系統(tǒng)通常包含多個(gè)分布式能源節(jié)點(diǎn)，如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能設(shè)備和負(fù)荷需求等，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要進(jìn)行局部?jī)?yōu)化計(jì)算，并通過信息交互實(shí)現(xiàn)全局協(xié)調(diào)。這種分布式的計(jì)算模式節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大、優(yōu)化問題非線性強(qiáng)，導(dǎo)致計(jì)算復(fù)雜度顯著增加。在電力系統(tǒng)中，分布式算法需要處理大量的約束條件和目標(biāo)函數(shù)，如功率平衡、電壓穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化等，這些問題的求解往往需要多次迭代和復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算[]。

1.3通信延遲與網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定導(dǎo)致算法收斂速度慢

在電力系統(tǒng)中，分布式算法需要實(shí)時(shí)交換各節(jié)點(diǎn)的功率輸出和負(fù)荷需求信息，以協(xié)調(diào)供需平衡和優(yōu)化運(yùn)行效率。如果通信延遲較大或網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，節(jié)點(diǎn)之間的信息交互將變得不可靠，導(dǎo)致算法迭代次數(shù)增加，收斂速度變慢；網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定還可能引發(fā)數(shù)據(jù)不一致問題，進(jìn)一步影響算法的優(yōu)化效果。通信延遲與網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定不僅降低了分布式算法的實(shí)時(shí)性，還可能導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果偏離實(shí)際需求，影響區(qū)域能源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

1.2區(qū)域能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)異構(gòu)性強(qiáng)，影響算法協(xié)同效率

區(qū)域能源系統(tǒng)通常由多種能源形式組成，如電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可能包括電壓、電流和頻率等電氣參數(shù)，而熱力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)則涉及溫度、壓力和流量等熱力學(xué)參數(shù)。這種數(shù)據(jù)的異構(gòu)性導(dǎo)致不同能源節(jié)點(diǎn)之間的信息交互和協(xié)同優(yōu)化變得復(fù)雜，增加了算法設(shè)計(jì)和實(shí)施的難度。比如，區(qū)域能源系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)還可能來自不同的設(shè)備和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不同設(shè)備的數(shù)據(jù)采集頻率、精度和傳輸方式各不相同，進(jìn)一步加劇了數(shù)據(jù)的異構(gòu)性[3]。數(shù)據(jù)異構(gòu)性不僅影響了分布式算法的協(xié)同效率，還可能導(dǎo)致信息傳遞的延遲和誤差，從而降低優(yōu)化控制的精度和實(shí)時(shí)[4]

1.4分布式算法對(duì)局部故障敏感，系統(tǒng)魯棒性不足

分布式算法在區(qū)域能源系統(tǒng)實(shí)時(shí)優(yōu)化控制中對(duì)局部故障敏感，系統(tǒng)魯棒性不足是一個(gè)亟待解決的問題。區(qū)域能源系統(tǒng)通常由多個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行過程中可能因設(shè)備老化、外部干擾或人為操作失誤等原因發(fā)生局部故障。在電力系統(tǒng)中，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的功率輸出信息丟失都可能導(dǎo)致全局供需平衡計(jì)算錯(cuò)誤，進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。分布式算法通常假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)都能正常工作和通信，缺乏對(duì)故障情況的容錯(cuò)機(jī)制，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的魯棒性。對(duì)局部故障的敏感性不僅限制了分布式算法在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用，還可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致整個(gè)區(qū)域能源系統(tǒng)的運(yùn)行效率下降甚至崩潰[7]。

2.基于分布式算法的區(qū)域能源系統(tǒng)實(shí)時(shí)優(yōu)化控制措施

2.1開發(fā)輕量化分布式算法，降低計(jì)算復(fù)雜度

在開發(fā)輕量化分布式算法時(shí)，須注重算法的通用性和適應(yīng)性，以確保其能夠應(yīng)對(duì)不同場(chǎng)景下的優(yōu)化需求。算法設(shè)計(jì)應(yīng)基于區(qū)域能源系統(tǒng)的特點(diǎn)，如多能源耦合、非線性約束和動(dòng)態(tài)變化等，確保其在實(shí)際應(yīng)用中的有效性，設(shè)計(jì)適用于電力、熱力和天然氣多能源系統(tǒng)的統(tǒng)一優(yōu)化框架，模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)算法的靈活配置。

針對(duì)區(qū)域能源系統(tǒng)中分布式節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大、耦合關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn)，可采用輕量化的梯度驅(qū)動(dòng)型分布式優(yōu)化算法。輕量化算法的部署以邊緣計(jì)算平臺(tái)為載體，利用異構(gòu)處理單元（如ARM+FPGA 組合）分擔(dān)實(shí)時(shí)調(diào)度與預(yù)測(cè)任務(wù)，保證算法在資源受限環(huán)境下仍具備穩(wěn)定性能[8]。算法構(gòu)建過程中引入稀疏化建模技術(shù)，對(duì)節(jié)點(diǎn)間功率約束關(guān)系進(jìn)行拓?fù)湎鳒p，配合近似優(yōu)化函數(shù)減少高維計(jì)算量，整體收斂效率提升超過 40% 。同時(shí)，輕量化算法還須考慮計(jì)算資源的限制，采用分布式計(jì)算平臺(tái)，將計(jì)算任務(wù)分配到多個(gè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算和負(fù)載均衡。此外，輕量化算法的開發(fā)還須結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確保其在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和穩(wěn)定性，搭建區(qū)域能源系統(tǒng)仿真平臺(tái)，測(cè)試算法在不同工況下的性能和魯棒性[。

2.2構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化框架，提升數(shù)據(jù)協(xié)同效率

為打通區(qū)域能源系統(tǒng)中各異構(gòu)子系統(tǒng)（如風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能與負(fù)荷側(cè)裝置）之間的數(shù)據(jù)壁壘，須建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)制以支撐分布式協(xié)同優(yōu)化。該機(jī)制以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)及OPCUA協(xié)議為主線構(gòu)建多能協(xié)同通信標(biāo)準(zhǔn)層，通過語義映射與接口抽象，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備間的高通量互操作。系統(tǒng)內(nèi)部引入數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的異常剔除、精度修正與時(shí)序?qū)R，最終形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)簽集和時(shí)空索引結(jié)構(gòu)[10]。

同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化框架結(jié)合消息隊(duì)列機(jī)制與邊緣數(shù)據(jù)緩存策略，支持毫秒級(jí)數(shù)據(jù)分發(fā)與節(jié)點(diǎn)調(diào)度同步，確保協(xié)同算法的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)鏈路穩(wěn)定可靠。在實(shí)際部署中，標(biāo)準(zhǔn)化體系須具備高度的自適應(yīng)能力，可根據(jù)不同節(jié)點(diǎn)協(xié)議、數(shù)據(jù)頻率與采樣粒度，動(dòng)態(tài)選擇適配模塊并維持低時(shí)延通信狀態(tài)，從根本上提升分布式優(yōu)化的整體數(shù)據(jù)協(xié)同效率與魯棒性。

2.3優(yōu)化通信協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，減少通信延遲與波動(dòng)

為應(yīng)對(duì)延遲和網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的難題，須采用高效的通信協(xié)議和穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，采用低延遲、高帶寬的通信協(xié)議，如時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）或5G通信技術(shù)，確保節(jié)點(diǎn)之間的信息能夠快速傳輸。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)注重冗余和容錯(cuò)能力，以應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)和故障，構(gòu)建多路徑傳輸和自愈網(wǎng)絡(luò)，確保在網(wǎng)絡(luò)中斷或擁塞時(shí)，數(shù)據(jù)仍能通過備用路徑傳輸，還可以利用邊緣計(jì)算技術(shù)，將部分計(jì)算任務(wù)分配到網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)，減少數(shù)據(jù)傳輸量和通信延遲。

在優(yōu)化通信協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)時(shí)，須注重技術(shù)的先進(jìn)性和適用性，以確保其能夠滿足區(qū)域能源系統(tǒng)的復(fù)雜需求。在電力系統(tǒng)中，可以采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換和設(shè)備互操作；在熱力系統(tǒng)中，則可以采用Modbus協(xié)議或OPCUA協(xié)議，滿足不同設(shè)備的通信需求。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮系統(tǒng)的規(guī)模和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，采用分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將核心節(jié)點(diǎn)與邊緣節(jié)點(diǎn)分離，減少核心網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載和延遲。

2.4引入容錯(cuò)機(jī)制與冗余設(shè)計(jì)，增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性

區(qū)域能源系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可能面臨設(shè)備故障、通信中斷或外部干擾等多種不確定性因素。引入容錯(cuò)機(jī)制，能夠在局部故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，確保整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用分布式一致性算法，如Paxos或Raft，確保在部分節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，系統(tǒng)仍能達(dá)成一致決策。在實(shí)施容錯(cuò)機(jī)制時(shí)，須注重機(jī)制的靈活性和成本效益，以確保其在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和有效性。冗余設(shè)計(jì)通過增加備用設(shè)備和通信路徑，能夠有效應(yīng)對(duì)單點(diǎn)故障和網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)。在電力系統(tǒng)中，可以配置備用發(fā)電設(shè)備和儲(chǔ)能裝置，確保在主設(shè)備故障時(shí)仍能維持電力供應(yīng)；在通信網(wǎng)絡(luò)中，可以采用多路徑傳輸和自愈技術(shù)，確保數(shù)據(jù)在部分路徑中斷時(shí)仍能通過備用路徑傳輸。冗余設(shè)計(jì)應(yīng)考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可維護(hù)性，避免過度冗余導(dǎo)致的資源浪費(fèi)，優(yōu)化備用設(shè)備的配置策略，確保在滿足系統(tǒng)可靠性要求的同時(shí)，降低設(shè)備投資和維護(hù)成本。

3.案例分析

3.1項(xiàng)目背景與系統(tǒng)架構(gòu)概述

2022年北京冬奧會(huì)張家口賽區(qū)能源

保障任務(wù)由（以下簡(jiǎn)稱“華電通達(dá)”）承擔(dān)，面對(duì)賽事“清潔能源百分百供應(yīng)”的硬性指標(biāo)，華電通達(dá)構(gòu)建了“風(fēng)-光-儲(chǔ)-負(fù)荷”協(xié)同的區(qū)域能源系統(tǒng)，并依托“智慧能源管控平臺(tái)”實(shí)現(xiàn)對(duì)全網(wǎng)42個(gè)能源節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制。系統(tǒng)包含20臺(tái)風(fēng)電機(jī)組（120MW）、12處光伏陣列（65MW）和6組儲(chǔ)能系統(tǒng)（30MWh），整體具備復(fù)雜耦合性和強(qiáng)非線性特征。

3.2項(xiàng)目實(shí)施環(huán)節(jié)

3.2.1輕量化分布式算法的部署

項(xiàng)目初期面臨多能源節(jié)點(diǎn)高頻率迭代計(jì)算帶來的實(shí)時(shí)性瓶頸。華電通達(dá)在管控平臺(tái)中引入了基于局部子梯度投影的輕量化優(yōu)化算法，通過將優(yōu)化目標(biāo)分解為節(jié)點(diǎn)出力、能量平衡、功率預(yù)測(cè)等子模塊，實(shí)現(xiàn)邊緣側(cè)計(jì)算的并行加速。平臺(tái)以60秒為周期刷新能量分配策略，系統(tǒng)計(jì)算負(fù)載相比傳統(tǒng)方法減少約 37% 實(shí)時(shí)調(diào)度響應(yīng)時(shí)間從原有的5分鐘縮短至1分鐘內(nèi)。

3.2.2統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化框架的集成

針對(duì)多源數(shù)據(jù)異構(gòu)問題，華電通達(dá)采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)與0PCUA協(xié)議混合的通信標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)電、熱、儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致性編碼與時(shí)序同步。平臺(tái)設(shè)立專門的中間件進(jìn)行數(shù)據(jù)抽象與清洗，平均降低節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸誤差15.2% ，有效支撐了分布式優(yōu)化算法對(duì)數(shù)據(jù)一致性的要求。

3.2.3優(yōu)化通信協(xié)議與邊緣網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

華電通達(dá)在通信層部署了TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）協(xié)議，同時(shí)構(gòu)建了邊緣節(jié)點(diǎn)冗余組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。主通信網(wǎng)絡(luò)采用星形拓?fù)洌o以環(huán)形備份路徑，網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延控制在 27m s以內(nèi)，節(jié)點(diǎn)在線率達(dá)到99.92% 。在賽事高峰期，系統(tǒng)未出現(xiàn)任何一次調(diào)度信息丟包或網(wǎng)絡(luò)延時(shí)報(bào)警。

3.2.4冗余容錯(cuò)與故障自愈機(jī)制設(shè)計(jì)

考慮儲(chǔ)能單元可能出現(xiàn)失效的風(fēng)險(xiǎn)，華電通達(dá)設(shè)置了3套備用電池組和雙重通信備份通道，平臺(tái)同時(shí)引入Raft算法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)一致性判斷與切換決策。在賽區(qū)出現(xiàn)突發(fā)電池通信中斷事件時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換至備用路徑，并于 200ms 內(nèi)完成優(yōu)化重構(gòu)，保障負(fù)荷側(cè)電力平穩(wěn)接續(xù)。

3.3實(shí)施效果

為驗(yàn)證策略實(shí)施效果，平臺(tái)運(yùn)行前后各關(guān)鍵性能指標(biāo)如表1所示。

可以看出，該平臺(tái)不僅提高了可再生能源利用率，而且有效壓降了運(yùn)行成本與響應(yīng)時(shí)延，顯著提升了系統(tǒng)魯棒性與智能化水平。

結(jié)語

基于分布式算法的區(qū)域能源系統(tǒng)實(shí)時(shí)優(yōu)化控制研究，為應(yīng)對(duì)復(fù)雜能源系統(tǒng)的管理挑戰(zhàn)提供了新的思路和方法，通過分布式算法的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)能源系統(tǒng)的高效協(xié)調(diào)和優(yōu)化運(yùn)行，提高能源利用效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。隨著算法的不斷優(yōu)化和技術(shù)的進(jìn)步，分布式算法將在區(qū)域能源系統(tǒng)中發(fā)揮更加重要的作用。本文為能源系統(tǒng)的智能化管理提供了理論依據(jù)，也為相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步探索指明了方向。

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作者簡(jiǎn)介：黃晨，碩士研究生，dq1981@126.com，研究方向：智慧能源管控、物聯(lián)網(wǎng)等。