Operational Resilience Assessment: A Frequency-Domain Approach for DC Microgrids

📄 arXiv: 2312.03576v1 📥 PDF

作者: Ali Hosseinipour, Maral Shadaei, Javad Khazaei

分类: eess.SY

发布日期: 2023-12-06

💡 一句话要点

提出频域方法评估DC微电网的操作韧性

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 操作韧性 频域分析 DC微电网 能量不平衡 实时评估 传递函数 脉冲功率负载

📋 核心要点

  1. 现有的时域能量不平衡指数在实时操作韧性评估中存在不足，尤其是在下垂控制的DC微电网中。
  2. 论文提出使用频域指标中的$ ext{H}2$和$ ext{H} ext{∞}$范数来评估DC微电网的操作韧性，能够实时计算并提供直观结果。
  3. 案例研究表明，频域方法在脉冲功率负载干扰下的操作韧性评估中表现优于传统时域方法。

📝 摘要（中文）

DC船载微电网（SMGs）是一种高度动态的系统，容易受到极端天气和战时任务操作等各种网络物理干扰的影响。本文提出了一种基于频域指标的实时操作韧性（OR）评估方法，以应对DC SMGs在动态干扰下的挑战。首先，讨论了使用能量不平衡指数进行时域OR评估的缺陷，指出其在没有二次电压恢复控制的下垂控制DC SMGs中无法进行实时评估。随后，提出了系统候选传递函数的$ ext{H}2$和$ ext{H} ext{∞}$范数作为韧性度量，表明所提范数能够实时计算并提供直观的能量不平衡结果。通过对脉冲功率负载（PPL）干扰下的DC SMG进行案例研究，验证了时域OR评估的不足及所提频域指标的有效性。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决DC船载微电网在动态干扰下的实时操作韧性评估问题。现有的时域能量不平衡指数无法满足实时评估的需求，尤其是在缺乏二次电压恢复控制的情况下。

核心思路：论文提出通过频域指标，特别是$ ext{H}2$和$ ext{H} ext{∞}$范数，来评估DC微电网的操作韧性。这种方法能够实时计算并提供更直观的能量不平衡结果。

技术框架：整体架构包括对DC微电网的建模、频域传递函数的计算、以及基于$ ext{H}2$和$ ext{H} ext{∞}$范数的韧性评估。主要模块包括系统建模、频域分析和韧性评估。

关键创新：最重要的技术创新在于引入频域范数作为操作韧性的评估指标，克服了传统时域方法的局限性，能够实时反映系统的能量不平衡状态。

关键设计：在参数设置上，选择合适的传递函数以计算系统的阻抗，并利用$ ext{H}2$和$ ext{H} ext{∞}$范数进行韧性评估，确保评估结果的准确性和实时性。具体的损失函数和网络结构设计未在摘要中详细说明，需进一步查阅论文。

📊 实验亮点

实验结果表明，所提频域方法在脉冲功率负载干扰下的操作韧性评估中，较传统时域方法具有显著提升，能够实时提供更直观的能量不平衡结果，验证了其有效性。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括船舶电力系统、微电网管理及其他需要高韧性电力供应的场景。通过实时评估操作韧性，能够有效提升系统在极端条件下的稳定性和可靠性，具有重要的实际价值和未来影响。

📄 摘要（原文）

DC shipboard microgrids (SMGs) are highly dynamic systems susceptible to failure due to various cyber-physical disturbances, such as extreme weather and mission operations during wartime. In this paper, the real-time operational resilience (OR) evaluation of DC SMGs against dynamic disturbances is proposed using frequency-domain metrics. To this end, first the drawbacks of time-domain OR evaluation using an energy imbalance index is discussed. As the time-domain energy imbalance index is shown to be incapable of real-time OR assessment, particularly in the context of droop-controlled DC SMGs without secondary voltage restoration control, the $\mathcal{H}2$ and $\mathcal{H\infty}$ norms of candidate transfer functions (TFs) of the system are proposed as measures of resilience. It is shown that the proposed norms calculated for the bus impedance TF of the system provides intuitive results in terms of energy imbalance and can be computed in real time. The case studies conducted for the study DC SMG under pulsed power load (PPL) disturbances demonstrate the shortcoming of the time-domain OR evaluation and the capability of the proposed frequency-domain metrics in intuitive OR evaluation of DC SMGs.