基于量子加密通信的分布式电源协调控制方法与系统与流程

1.本发明涉及分布式电源控制技术领域，特别是涉及基于量子加密通信的分布式电源协调控制方法与系统。


背景技术：

2.在新型电力系统中，新能源大规模并网、源网荷储等智能化终端设备大量接入，系统对通信技术的依赖程度日趋增强，传统信息支撑面临诸多挑战。近年来，世界范围内网络攻击事件频发，网络安全形势愈发严峻，且威胁增长迅速。作为关乎经济命脉和能源安全的技术行业，新能源的发展要做好关键信息基础设施安全防护，满足信息系统安全、业务安全、数据安全和工控安全的要求。
3.因此，需要实现分布式资源数据传输的安全可靠来支撑新型电力系统发展建设的基础。分布式能源接入配网呈现点多量大、容量较小、电压等级低、主体多样等特征，采用光纤接入成本高、维护难度大，分布式电源多以无线通信的方式接入电网安全接入区。目前主要受限于网络安全防护要求，在无线公网通信时尚不能承载分布式电源控制业务。
4.在分布式电源的功率控制方面，国内外在分布式光伏电源接入配电网的电压控制技术在集中式的协同控制和分散式的自治控制的相关研究主要如下：1)集中式的协同控制在对增强型设备的协调控制时，一部分从功率主动调节能力入手，从集中调控的角度建立了主动配电网的储能系统多目标优化配置模型。文献[刘建涛,张建成.一种基于超级电容器的光伏系统电压控制方法研究[j].电网与清洁能源,2010(11):107-111.]建立了用于独立光伏发电的超级电容器储能系统模型，指出在光伏发电系统受到光照变化及负载扰动的情况下，通过与超级电容器储能系统的协调配合，可以有效地稳定光伏系统的输出电压。为了充分发挥各种储能技术的优点，使其优势互补，相关学者对复合储能系统进行了研究，能改善系统的电能质量，提高并网稳定性。dstatcom是近些年逐渐兴起的一种动态无功补偿设备，其作用是快速响应电网运行需要，能够平滑连续地补偿平衡无功负荷，其工作时能有稳定的输出，不受电网干扰和节点电压的影响，因此在倡导主动管理的主动配电网中能起到积极的推进作用。文献[吕志鹏,罗安,周柯,等.静止同步补偿器与微网在配电网无功电压协同控制中的联合运用[j].中国电机工程学报,2010,30:18-24.]从消纳更多分布式电源的角度出发，提出了一种由dstatcom和微网组成的无功电压协同控制系统，前者作为快速连续的无功电源进行小容量的无功调节，而分布式电源作为离散的控制手段进行大容量的分级无功调节，两者配合完成配电网中的无功协同控制。
[0005]
在对分布式电源控制时，文献[邢海军,程浩忠,张逸.基于多种主动管理策略的配电网综合无功优化[j].电网技术,2015,39(6):1504-1510.]针对光伏电源接入配电网的情况提出了一种优化控制策略来管理光伏的无功功率，利用线路的节点电压水平通过矩阵计算和最优潮流得到各光伏电站的无功出力最优定值，以改善中低压配电网电压质量。文献[刘自发,刘刚,刘幸.基于量子差分进化算法的分布式电源协调优化调度[j].电网技术,
2013, 37(7):1922-1928.]建立了一种主动配电网的集中无功优化模型，考虑了主动配电网中各种主动管理措施，包括分布式电源的无功调节、配电网络重构等，并在模型中加入了变压器损耗，考虑了不同措施之间的优先次序，使得其模型更具实际意义。然而，由于分布式电源的随机性、不确定性会造成无功补偿装置的频繁投切，设备运行成本也会相应增加，为此，文献[陈飞,刘东,陈云辉.主动配电网电压分层协调控制策略[j].电力系统自动化,2015,39(9):61-67.] 把变压器分接头操作次数、电容器投切次数归入到目标函数中进行统筹控制。文献[黄有为,王承民,林子钊.配网无功电压分散协调控制策略研究[j].电力系统保护与控制,2005, 33(18):36-39.]结合主动配电网复杂多样的可控元素，提出了一种适用于主动配电网的电压分层协调控制策略，采用自上而下的方式来管理分布式电源的调节和oltc和无功补偿设备，通过等效节点电压上下限指标可以规避常规电压控制中的调节震荡问题。
[0006]
2)分散式的自治控制考虑到分布式电源接入后对配电网的主要影响是电压抬升问题，国内研究主要集中于通过电容器进行分散式自治控制的无功补偿。
[0007]
在电容器补偿的分散控制方面，目前一般都按照相关的技术导则对电容器实现自动投切控制，也有文献对这种基本的自动控制进行改进。文献[张勇军,黄向敏,陈旭.负荷相关的低压动态无功补偿电容器自动控制方法:cn,cn 103606932 a[p].2014.]考虑到电容器容量投入不能连续调节，提出了一种协调主站和子站的无功电压分散控制策略，先对各子站进行独立优化控制，并反馈到上级调度，由调度部门对这些反馈量进行协调之后，再把修正后的协调量下达到子站执行，由此克服了就地控制的局限性使得电容器投入后的无功偏差量最小。该文献介绍了一种电容器组实时投切的模糊控制器，只需输入电容器组所在的节点电压和功率因数角的正弦值，通过模糊规则库和模糊推理就可以实现电容器的就地自动控制。文献[张勇军,黄向敏,李钦豪。阶梯式配电网低压智能电容器控制方法:中国, cn201410023940[p].2014-04-30]考虑了不同负荷状态下对无功补偿需求的差异性，提出一种负荷相关的电容器自动控制方法，针对负荷轻载、常载和重载分别设定了3组功率因数区间进行电容器的自动投切。
[0008]
在控制业务信号的传输方面，目前可采用光纤通信和无线通信方式。每个光伏电站光缆敷设相关设备的投入大，还伴随着建设施工慢、维护工作量大等问题。采用无线通信方式，目前不满足网络安全防护要求，无法将其投入实际生产应用。


技术实现要素：

[0009]
针对分布式电源控制业务信号的传输方面存在的安全问题，本技术提出了基于量子加密通信的分布式电源协调控制方法与系统，利用量子通信技术与现有无线通信网络安全防护技术兼容机制，提升无线通信网络在电力系统应用中得安全等级。
[0010]
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：本技术公开的基于量子加密通信的分布式电源协调控制系统，包括：量子安全服务系统、量子安全接入网关以及量子cpe，所述量子安全服务系统与安全隔离装置相连接，安全隔离装置与量子安全接入网关相连接，量子安全接入网关与分布式电源协调监控装置无线连接，分布式电源协调监控装置与量子cpe相连接。
[0011]
本发明在安全隔离装置处通过量子安全接入网关使用量子密钥加密业务数据，再通过分布式电源协调监控装置处的量子cpe解密，实现在通讯安全的前提下利用公网传输数据。
[0012]
作为优选，所述量子安全服务系统内设有量子密钥生成装置，量子密钥生成装置包括量子密钥生成与管理终端和随机数发生器，量子密钥生成与管理终端生成的对称密钥为量子安全接入网关和量子cpe提供会话密钥，随机数发生器生成用于加密会话密钥的保护密钥。两种密钥分别进行作为优选，还包括量子密钥调度系统，所述量子密钥调度系统包括交换密码机及量子密钥充注系统；所述交换密码机用于存储会话密钥和保护密钥，并利用保护密钥对会话密钥进行加密封装，所述量子密钥充注系统用于为量子安全接入网关和量子cpe预先充注保护密钥。
[0013]
本发明在电力监控系统无线安全接入区防火墙和i区调度自动化业务系统部署量子安全服务平台系统，将进行全局优化计算的工作站布置在一区，通过配网自动化系统d5200实现与分布式电源协调监控装置的协调控制。
[0014]
本发明还提供基于量子加密通信的分布式电源协调控制方法，其步骤如下：步骤一：生产控制大区业务系统生成业务数据并发送至安全隔离装置；步骤二：量子安全接入网关从安全隔离装置接收业务数据并利用会话密钥加密，得到加密后的业务数据；步骤三：量子安全接入网关在无线安全接入区内通过无线传输网络将加密后的业务数据传输至加装量子cpe的协调监控终端；步骤四：量子cpe利用会话密钥对加密后的业务数据进行解密，得到业务数据；步骤五：协调监控终端将业务数据转换成指令传到逆变器进行功率调节。
[0015]
作为优选，还包括密钥的预先分发步骤，包括：所述会话密钥由量子密钥生成与管理终端生成，会话密钥由保护密钥进行加密后分发至量子安全接入网关和量子cpe，其中所述保护密钥由随机数发生器生成。
[0016]
作为优选，所述对逆变器进行功率调节包括：在无功、电压控制方面，根据发电单元的额定值和实时有功出力，实时计算站内所有发电单元的无功功率出力的限制，利用直接无功功率控制(按调度指令遥调)、母线电压自动控制或恒功率因数自动控制的方式进行调节；在有功、频率控制方面，根据电力系统稳态暂态运行要求，利用直接有功功率控制(按照调度指令遥调)、一次调频功能或电力系统振荡抑制的方式进行调节。
[0017]
作为优选，所述会话密钥和保护密钥在生成后，存储于交换密码机，由交换密码机利用保护密钥对会话密钥进行加密封装后再进行分发，其中所述量子安全接入网关和量子cpe 由量子密钥充注系统预先充注保护密钥。
[0018]
与现有技术相比，有益效果在于：1)本技术在电力监控系统无线安全接入区防火墙和i区调度自动化业务系统部署量子安全服务平台系统，将进行全局优化计算的工作站布置在一区，通过配网自动化系统d5200实现与分布式电源协调监控装置的协调控制；
2)量子密钥具有比传统密钥分发机制更高的安全性，保证了分布式电源控制信号在无线网络中的安全传输；3)根据电网调度中心的无功和电压的控制要求，结合光伏电站配网模型和逆变器的工况，求解无功功率优化的分解值，下发给各个逆变器进行的调节，直至达到控制要求；4)可根据电力系统暂态稳定的需要，结合有功出力的限值指挥光伏电站实现有功功率控制，实现了分布式电源远程参与并快速响应电网调频调压。
附图说明
[0019]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]
图1是本发明实施例中的系统架构图。
[0021]
图2是本发明的通用线路结构参数示意图。
[0022]
图3是本发明的逆变器的有功和无功容量曲线。
具体实施方式
[0023]
本技术提出的基于量子加密通信的分布式电源协调控制系统，包括：接入区防火墙和 i区调度自动化业务系统；接入区防火墙和i区调度自动化业务系统上均部署有量子安全服务系统，量子安全服务系统与安全隔离装置相连接，安全隔离装置与量子安全接入网关相连接，量子安全接入网关通过4g/5g与分布式电源协调监控装置相连接，分布式电源协调监控装置与逆变器相连接。
[0024]
本技术利用量子通信技术与现有无线通信网络安全防护技术兼容机制，提升无线通信网络在电力系统应用中得安全等级，实现分布式电源参与电网调频调压功能。
[0025]
以下结合附图1-3，对本发明的技术方案作进一步阐释：如图1所示，本技术的实施例1公开的基于量子加密通信的分布式电源协调控制系统，包括：接入区防火墙和i区调度自动化业务系统；接入区防火墙和i区调度自动化业务系统上均部署有量子安全服务系统，量子安全服务系统与安全隔离装置相连接，安全隔离装置与量子安全接入网关相连接，量子安全接入网关通过4g/5g与分布式电源协调监控装置相连接，分布式电源协调监控装置与逆变器相连接。分布式电源协调监控装置上设有量子cpe，量子cpe 分别与所述量子安全接入网关、所述逆变器相连接。将具备协调优化控制的工作站布置在i 区，通过配网自动化系统d5200实现与分布式电源协调监控装置的协调控制。
[0026]
所述量子安全服务系统内设有量子密钥生成装置，基于无线网络的量子密钥生成装置在原理上是基于光纤网络的量子保密通信系统设计，将量子密钥生成与管理终端基于bb84 协议生成的量子密钥脱离有线网络实现基于无线网络的在线安全分发，实现应用侧基于量子保密技术的业务数据加解密。量子密钥生成装置包括量子密钥生成与管理终端和随机数发生器，量子密钥生成与管理终端生成的对称密钥为应用设备(量子cpe、量子安全接入网关) 提供会话密钥，随机数发生器生成会话密钥的保护密钥。会话密钥采用对称密
钥模式，密钥生成速率相对比较低，生成的量子密钥具有真随机性，而且未来的密钥未来生成(比如2个月后使用的量子密钥需要1个月后才能生成)，具有密钥的不可预知性，在一定程度上保护了当前量子应用密钥的安全性。随机数生成器生成的密钥作为充注密钥和基于一次一密技术的加解密密钥，随机数的密钥生成能力可以达到600mbps以上，可以为海量终端提供充注密钥。在量子安全服务系统中，随机数发生器生成的量子密钥作为会话密钥的加密密钥，即：会话密钥每次在平台侧分发时，均会采用随机数发生器生成的密钥进行一次一密的加密，分发到应用终端(比如量子安全接入网关、量子cpe)后再使用充注密钥进行解密。由量子密钥生成与管理终端生成的对称密钥采用随机数发生器生成的密钥进行一次一密方式加密后进行分发，保证了会话密钥在分发过程中的安全性，同时随机数发生器强大的密钥生成能力，解决了海量终端密钥的预先充注问题。本实施例解决了基于无线网络的量子密钥安全分发问题，使得量子安全服务平台云化部署，量子密钥基于4g/5g网络远程分发成为可能。
[0027]
本实施例还包括量子密钥调度系统，所述量子密钥调度系统包括交换密码机和量子密码服务平台系统；所述交换密码机用于存储量子密钥生成与管理终端和量子随机数发生器生成的量子密钥，在交换密码机中实现对会话密钥进行一次一密封装，确保在线分发的会话密钥为加密状态。所述量子密码服务平台系统负责对应用设备的请求进行响应，确保会话密钥可以送达量子cpe和量子安全接入网关。
[0028]
本技术的实施例2公开了一种基于量子加密通信的分布式电源协调控制方法，其步骤如下：步骤一：生产控制大区业务系统生成业务数据并发送至安全隔离装置；步骤二：量子安全接入网关从安全隔离装置接收业务数据并利用会话密钥加密，得到加密后的业务数据；步骤三：量子安全接入网关在无线安全接入区内通过无线传输网络将加密后的业务数据传输至加装量子cpe的协调监控终端；步骤四：量子cpe利用会话密钥对加密后的业务数据进行解密，得到业务数据；步骤五：协调监控终端将业务数据转换成指令传到逆变器进行功率调节。
[0029]
以光伏逆变器为例，所述对光伏逆变器进行功率调节包括：在无功、电压控制方面，根据发电单元的额定值和实时有功出力，实时计算站内所有发电单元的无功功率出力的限制，最大限度的利用发电单元的无功调节能力，实现无功电压控制；无功电压控制的控制方式包括按调度指令进行无功功率控制、母线电压自动控制和恒功率因数自动控制。
[0030]
在有功、频率控制方面，根据电力系统稳态暂态运行要求，实施发电单元的有功功率调节。有功功率调节的控制方式包括按照调度指令进行有功功率控制、一次调频功能和电力系统振荡抑制。
[0031]
在功率控制方面，以图2所示的线路为例，假设负荷(电源)均集中在线路末端，图中为线路首端电压，为线路末端电压，p、q分别为负载有、无功功率，r为线路电阻， x
l
为线路电抗。
[0032]
则线路的电压关系为：
分析上式，假设忽略影响较小的虚部，可以得到线路末端的电压降δu，如下式：当光伏发电功率非常大且无法全部就地消纳时，其发出的部分功率(极端情况即就地消纳为零时则是全部功率)将通过线路向系统倒送，此时上式中的有功功率p的方向将发生改变，即pr将变为负值，当pr的绝对值大于qx
l
时，将导致δu变为负值，从而使得线路末端即接入光伏电的负载端电压高于变电站母线电压，甚至出现严重过电压问题。
[0033]
本实施例采用的解决方案为：增加无功功率q的值，即让光伏逆变器在发出有功功率的同时也发出感性无功功率。理论依据如下：以电力电子器件组成的逆变器其控制灵活，若其容量足够大(或利用其剩余容量)，可以在不需要减少其有功出力的情况下，通过调节逆变器的无功电流，调节输出无功功率。
[0034]
光伏逆变器可调无功与其容量之间的关系为：式中：是逆变器的最大无功输出容量；p
pv
是光伏发电的有功(即逆变器输出+损耗的有功)；s
inv
是逆变器的容量，约为额定有功容量的1.0～1.1倍。
[0035]
图3为光伏逆变器的容量曲线。a点pv并网有功为额定功率逆变器的最大无功输出能力为如一个额定并网有功为5kw、额定逆变器容量为5.5kva的光伏发电，当并网有功输出为5kw时，逆变器可调无功容量为2.29kvar，该数值约为额定有功容量的 46％，可见通过适当增加逆变器的容量可使提高逆变器的无功调节能力。由图3还可看出，逆变器的无功调节能力随着光伏并网功率的变化而变化并成反比关系，例如，图3中当pv 并网有功功率减少到逆变器运行点从a点转移到b点，逆变器的最大无功输出能力增大到夜间，并网有功输出为0kw时，可调无功容量数值等于逆变器容量数值。
[0036]
本发明在电力监控系统无线安全接入区防火墙和i区调度自动化业务系统部署量子安全服务平台系统。将进行全局优化计算的工作站布置在一区，通过配网自动化系统d5200实现与分布式电源协调监控装置的协调控制。保证了分布式电源控制信号在无线网络中的安全传输；根据电网调度中心的无功和电压的控制要求，结合光伏电站配网模型和逆变器的工况，求解无功功率优化的分解值，下发给各个逆变器进行的调节，直至达到控制要求；同时可根据电力系统暂态稳定的需要，结合有功出力的限值指挥光伏电站实现有功功率控制，实现了分布式电源远程参与并快速响应电网调频调压。
[0037]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进
都落入要求保护的本发明范围内。