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一种开放电能网络电力路由器的最优控制方法
摘 要：开放电网作为一种适应于自由电力市场的需求方网络来研究。电能路由器通过一种
将指定电力公司的“电力包”自治和分配式的方法到达指定用户的方式来控制存储设备。论文
给出了一种应用于确定电力路由器控制作用的最优控制方法。得到的最优控制作用根据能量
储存能力的不等式约束把用户负载模式和路由器供应模式的差距最小化。论文给出了一个数
值例子来验证最优控制理论应用的有效性。
关键词：开放电网；电力路由器；最优控制
中图分类号：TP273+.1
1．引言
近年来，像英国和美国这样越来越多的国家宣称，电力市场开始朝向自由化的全球趋势
发展。在自由化电力市场的背景下，特别是一些小规模电力供应商参与地区供电系统的情况
下，一种开放电能网络的概念被提出，开放电能网络作为一种新型电力网络，以确保潮流控
制与电力交换的多样性相一致[1]。
2．开放电能网络概念
放电能网络最主要的特征是潮流控制在基础信息交换和能量存储方面起作用；提供与供
电部门生产进度和用户消费进度相关信息的流动电力，并且利用这些信息把电力传送到用户
终端。作者将提到的具有相关信息的供应电力称之为“包”
开放电能网（OEEN）支持以下功能：
1. 通过信息交换设备的负载需求信号的转换
2. 通过电能存储设备的潮流控制和保持供需平衡
3. 通过负载控制器对所有需求点不同来源电力的选择性接受
3．电力路由器的流量控制
电力路由器通过与电能包相关的电量数据来控制存储装置来保持电厂和用户之间的供
需平衡。然而，保持这样一种平衡的路由器性能受电能存储性能的约束，并且电能包并不一
定根据各自请求来发送。在这样的背景下，我们讨论了怎样把最优控制理论应用到计算出一
种合适电力路由器的操作进度，来保证与存储装置充放电限额有关的电厂与用户之间的供需
平衡[2]。
最优控制理论应用
电力路由器控制存储装置的充放电来尽可能的使通过发电进度发送的电能包 ( )iP t 和各
自的消耗进度 ( )jD t 匹配。充放电时间 ( )sP t 通过决定什么样的电能包实际状态 ( )jU t 被传送
到存储容量限制下的消费点来建立。解决这样的问题意味着路由器能够在保持供需平衡的同
时进行存储控制，提供可行的电能包 ( )jU t 来完全遵从请求消费进度 ( )jD t ，如果这样的依
据不可行，供求之间会发生一种失衡，必须采取相应的措施，如其他路由器协调控制请求、
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消费方负载调节、发电方输出调节、潮流请求的拒绝、请求商用供应商来支持供需平衡等等。
本论文只研究了各自路由器的操作；一些像考虑到供需平衡这方面的因素下如何补偿在路由
器不能处理的电能包这样的问题将不予考虑。这样的问题需要更进一步的调查[3]。
因此，以上的问题可以用下面的方式来阐述。
[目标]在一个时间段 0[ , ]ft t 内，把第j个用户请求的消耗进度 ( )jD t 与路由器执行的实际
电能包 ( )jU t 之间的差异最小化。
0
min f
t
tu
Ldt∫ （1）
这里面的
2{ ( ) ( )}
1
j j
m
L D t U t
j
= ∑ −
= （2）
这里面的m是消费点的总数。
[系统规定参数]
电能存储的动力学
( ) ( ) ( )
1 1
s i j
n m
dE P t P t U t
dt
i j
= = ∑ − ∑
= = （3）
( )iP t 是第i个电影的生产进度（W）， ( )E t 是存储的电能（J），n是发电机的总数。
存储容量的限制条件是
max0 ( )E t E≤ ≤ （4）
maxE 是存储容量（J）
随着在 0t 和 ft 时刻的存储电能 0E 和 fE ，上面公式的问题是固定在两端状态量的最优
控制理论， ( )jU t 和 ( )E t 作为独立的控制变量和状态变量。一般的讲，需要一些设备来解决
此类问题。在给定的情况下，公式（4）中状态约束通过函数 ( )f E 来描述，添加到公式（2）
的L中，L和 ( )f E 提供了各自权数 1c 和 2 1( 1 )c c= − 。等式（1）通过引入不明确的拉格朗日
乘子λ为不同的约束（3）进行扩展：
0
*min
, ,
ft
t
L dt
E U λ ∫ （5a）
* 2
1 2{ ( ) ( )} { (( )} { ( ) ( ) }
1 1 1
j j i j
m n m
dE
L c D t U t c f E t P t U t
dt
j i j
λ= ∑ − + + ∑ − ∑ −
= = = (5a)
这个欧拉方程通常适合上面公式的最优控制问题。在给定的情况下，电能包 ( )jU t 通过
解决在初始状态 0E 和最终状态 fE 两个边界值下微分方程和代数方程问题来获取：
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*
1
( ) ( )
1 1
( )( ) ( )
2
( 1, 2, m)
i j
j j
n m
dE P t U t
dt
i j
d L
dt E
tU t D t
c
j
λ
λ
⎫⎪= ∑ − ∑ ⎪⎪= = ⎪⎪∂= − ⎬∂ ⎪⎪= + ⎪⎪⎪= ⋅⋅⋅ ⎭， （6）
在电力路由器中，生产进度 ( )iP t 和消耗进度 ( )jD t 作为连接到能源包的数据被事先预
知；
因此，在实际发送数据包前，找到公式（6）中的 ( )jU t ，以及对存储进行充放电，以
便在能量包发送的时刻目标消费模式等于 ( )jU t 。
存储 fE 最终状态的确定方法依赖于通过路由器接受从电源发送的能量包发送请求使
用的方法。例如，假设电力路由器为每个间隔时间T单独执行包流量的控制，同时所有电源
在同一时间间隔T内发给它们的包流量请求。在这种情况下，它能在每个时间间隔结束时指
定存储电能的最终状态 fE 。 fE 的值能在接下来的每个时间间隔内估算出。这意味着在每
个间隔存储电能的最终状态 fE 能回到初始状态 0E ，除非存储装置的容量限额考虑到流量控
制中。所以，每个时间间隔的状态 fE 和各自初始状态 0E 同等的被描述。如此以来，当明确
了起始点和终点，存储电能的最终状态 fE 也就能确定了；
数值分析
本质上将，电力路由器要同时处理多个不同的电能包。本论文验证了一种在一个发电机
和一个用户之间的最简单的电力流情况下设置电力路由器的方法。最优控制的持续时间假定
为100分钟，生产进度 ( )P t 和消耗进度 ( )D t 给定情况如图1：
图 1 电力路由器接受的流量数据
Fig1 Flow control data received by power router
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在0到50分钟时间段内，产生的电能超过了消费的需求，在50-100分钟内，相反的，需
求大于供应。在两个阶段不平衡的电能量是相同的。
图2显示了存储容量分别在达到上限值 maxE 等于50pu w/h、初始电能 (0)E 、最终状态
(100)E 时数值分析的结果。最优控制计算算法运用了共轭梯度的方法。从图2（a）中可以
看出，电能包的 ( )U t 可以通过路由器遵循用户的消耗进度 ( )D t 中推出。但这种遵循不是完
全的。从上面的所说的那样，流量控制数据的接受通过路由器指定从0到50分钟和50到100
分钟的时间间隔电能余量相同来实现。因此，存在着 ( )U t 和 ( )D t 相一致的可能性。从图2
（b）所示的存储电能变化可以看到，充电和放电之间有个差值， ( )U t 和 ( )D t 可以考虑成
是相等的。
图 2 电力路由器的控制操作
Fig1 Control operation of power router
4 结论
论文讨论了在自由化电力市场背景下基于信息交换和电能存储的一种开放电能网络的
新型电力网。介绍了开放电能网的基本功能，给出了一种通过使用最优控制来设定路由器的
操作进度方法。结果表明开放电能网和路由器的实用性。
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参考文献
[1] of electrictiy market:newest trends of articles in Denki Shinbun(1995).
[2] and -type power network for effective transmission of small power packets from
distributed generator ,,B,-575(1995).
[3] Optimal University Press(1988).
An optimal control method for Power Router in an Open
Electirc Energy Network
Zhang Yue
Qingdao Universtity of Science and Technology, Qingdao, Shangdong, PRC (266042)
Abstract
The Open Electric Energy Network(OEEN) has been studied as a demand-side network suitable for a
free market of electric energy router controls the storage device in such a way that the
“electricity packet” reaches a specified consumer from a specified power producer autonomously and
in the distributed manner. This paper shows that optimal control theory can be applied to determine the
control action of electric energy obtained optimal control action minimizes the difference
between the load pattern of the consumer and the supply pattern of the router under the inequality
constraints of energy storage capacity. A numerical example is given in order to check the validity of
optimal control theory application.
Keywords: OEEN; Elcctric power router; optimal control
作者简介：张跃，男，1985年生，硕士研究生，主要研究方向是模式识别、电力网络。
