在无通信条件下对分布式直流微电网的传感器故障容错控制

当传感器失灵时保持供电

现代舰船、数据中心乃至偏远村庄越来越多地由将太阳能电池板、电池和电子变换器串联在一起的小型本地直流（DC）电网供电。这些直流“微电网”既高效又灵活，但高度依赖微小设备——电压和电流传感器——来保持安全和平衡的电力水平。当这些传感器出现问题时，整个系统可能会震荡甚至停机。本文提出了一种方法，使直流微电网能够在实时情况下自我保护，抵御错误的传感器读数，且不依赖中央控制或单元间的持续通信。

为什么小型直流电网很重要

直流微电网正在获得关注，因为它们天然地适配太阳能电池板、电池和快充等技术，这些设备本身就以直流工作。与传统交流（AC）系统相比，直流系统可减少能量损耗并更易于控制。典型的直流微电网通过短电缆连接若干本地发电单元——每个单元都有电源、直流-直流变换器和附近负载。为安全运行，每个单元必须将本地电压保持在窄带范围内，并公平分配总负荷以避免单个设备过载。这需要对每个单元的电压和电流进行精确测量，以供其控制器和电网保护系统使用。

当“眼睛和耳朵”失灵时

在实际中，传感器并不完美。它们会老化、漂移、变得噪声化，或因恶劣环境与元件磨损而突然失效。在直流微电网中，保护装置可在千分之一秒内做出反应，若传感器偏差或失效，可能触发不必要的停机、掩盖真实故障，或导致某个单元承担远超其应有的负荷。早期方法试图通过增加硬件传感器、依赖多重软件观测器或使用单元间通信交叉校验数据来应对这些问题。但这些解决方案往往成本高、响应更慢、复杂性更强，并容易受到网络攻击或通信延迟的影响。许多方法在多传感器同时失效或故障模式随时间不规则变化时也难以应对。

一种本地“感知—校正—执行”策略

作者提出了一种新的控制框架，使直流微电网中的每个单元仅凭自身测量和参数就能防护传感器故障。该方法的核心是一个称为比例-积分型未知输入观测器的数学工具。通俗地说，这是一个智能滤波器，将单元实际测得的数据与其内部模型所预测的行为进行比较。任何持续的不匹配都被解释为传感器故障，而非电网的真实变化。该观测器同时估计电压和电流的故障信号，即使多个故障同时发生或快速变化也能工作。关键是，它在不向邻居请求数据的情况下完成估计，从而避免了通信瓶颈和网络安全风险。

用校正后的信息安全地调度功率

一旦观测器推断出各传感器的误差，控制器便从原始测量值中减去该误差。实际上，它重构了健康传感器应报告的数值，并将其输入到两层控制中：基于耗散性的电压控制器，使本地电压接近目标值；以及一种一致性（consensus）式算法，调整每个单元的输出以实现与其额定值成比例的电流分配。由于该设计仅使用本地电气量，每个单元可以实现即插即用操作，添加或移除单元无需重新调参。作者还改进了观测器，使其能滤除大部分通常困扰电力变换器的随机测量噪声，从而使故障估计更加干净和可靠。

方法的验证

为检验该方案的效果，研究者对一个六单元直流微电网进行了仿真，施加了一系列具有挑战性的传感器问题：读数漂移、突变、时变畸变，甚至某一单元电压和电流传感器同时完全丧失。他们还测试了在传感器故障时单元断开再重接的情形。若不进行故障补偿，这些问题会迅速破坏电压调节、引起电流剧烈波动并导致不公平的功率分配。而在所提框架作用下，电网保持稳定、电流平衡良好、且电压接近目标。系统对新故障的响应在微秒量级，并在几毫秒内恢复到正常状态。基于硬件在环的实时实验确认该方法能在实际平台上实现足够快的运行速度，并在处理难以应对且快速变化的传感器故障时优于最近的一种竞争控制器。

这对未来电力系统意味着什么

通俗地说，作者为直流微电网提供了一种“看穿”失效仪表并继续平稳运行的能力，无需额外硬件或中央监管。每个单元携带轻量级的故障检测与校正层，能在运行时清除错误读数，让现有控制器仿佛正常运行一样继续工作。这使得构建模块化、可扩展且具抗网络攻击能力的直流电力系统更为容易，能容忍现实传感器的种种瑕疵。随着直流微电网在舰船、建筑、充电站和偏远社区的推广，这类自我保护的控制方案可在部分“眼耳”失灵时发挥保持电力可靠性的关键作用。

引用: Ouahabi, M.S., Benyounes, A., Barkat, S. et al. Communication-free fault-tolerant control of distributed DC microgrid against sensor faults. Sci Rep 16, 8591 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41518-y

关键词: 直流微电网, 故障容错控制, 传感器故障, 分布式控制, 可再生能源系统