基于M ulti-Agent自適應/協調控制的智能電網

唐忠，郭威

（上海電力學院計算機與信息工程學院，上海 200090）

隨著我國1 000 kV特高壓主干電網的建設和投入運行，大區域聯網使得電力系統成為更復雜、可靠性要求更高的系統.日益耗盡的化石燃料和不斷加劇的溫室效應，使得發展風力發電、光伏發電等可再生能源發電技術成為不可逆轉的趨勢，處于配電側的分布式發電要求與輸電側通過控制中心統一調配，并與需求側響應.通信與信息處理技術的發展使得電力運行時的資源優化配置成為可能.非線性電力設備以及電網擾動嚴重影響了計算機和電子設備的正常工作，迫切要求更高級的電力電子技術和控制技術來解決電能質量問題.智能電網作為大區域聯網安全、分布式發電集成、電力市場優化配置與電能質量等問題的電力解決方案，受到了國內外廣泛的關注.

本文從智能電網的定義出發，介紹了智能電網自愈性、用戶互動性，以及優質的電能質量、可再生能源方便接入、成熟的電力市場和資產優化管理等5個關鍵特征，并在此基礎上深入探討了智能電網所需的7大關鍵技術及其研究進展，提出了基于Multi-Agent的自適應/協調控制，有效地解決了分布式發電與大電網的集成問題，其高級的電力電子技術與控制策略是保證電能質量與大電網穩定的有效手段，先進的決策技術是提高電網資產利用效率的有效方法.

1 智能電網的特征

到目前為止，智能電網并沒有一個統一的定義.由美國電力科學研究院開展的IntelliGrid項目提出未來電力系統是一個融合電力輸送能源基礎設施和信息基礎設施的能源系統，其核心是推動電力工程、通信和信息技術的集成.歐洲各國則更強調分布式可再生能源發電與大型集中式發電廠的集成［1，2］.

智能電網包括以下5個關鍵特征［3］.

（1）自愈性能夠實時掌控電網的運行狀態，及時發現、快速診斷及消除故障隱患;在盡量少的人工干預下，快速隔離故障、自我恢復，避免了大面積停電的發生.

（2）用戶互動性實現了與客戶的智能互動，以最佳的電能質量和供電可靠性滿足客戶需求;通過與智能控制中心的交互，客戶能夠參與到電力交易中來.

（3）優質的電能質量通過高級的電力電子技術以及控制技術，解決了與頻率和電壓相關的各種電能質量問題，滿足了電子設備、計算機等高精密儀器的正常工作.

（4）可再生能源的接入和分布式儲能通過運用微電網技術和電能變化技術，將可再生能源發電和分布式儲能融為一體，以提供分布式發電的“即插即用”式的方便接入和退出.

（5）成熟的電力市場和資產優化管理通過電力市場將電力系統的運行需求與用戶需求緊密聯系起來，為電力市場的所有參與者提供公平競價的機會.同時，通過對電網資產運行狀態的在線監測和潮流控制，提高電力設備的使用效率.

圖1 含分布式發電的4層Agent結構

2 智能電網的關鍵技術

本文提出的基于Multi-Agent的自適應/協調控制，是智能電網體系建立的基礎，是針對大區域聯網所產生的能源間斷、大電網穩定性問題的新型控制方法，其含分布式發電的輸電、配電網的4層Agent結構如圖1所示.

基于Multi-Agent的自適應/協調控制的智能電網包括以下7項關鍵技術.

2.1 網絡拓撲結構

靈活的網絡拓撲結構是指在含分布式電源的配電網中，通過先進的配電網重構算法，使系統在經歷故障時，將故障影響局限在最小范圍，并能迅速通過其他連接恢復對其他部分的供電.

配電網供電恢復是一個多目標、多階段、多約束的非線性優化問題，在滿足恢復后配電網連通性和輻射狀、饋線不過載等條件下，實現開關操作次數最小、恢復負荷最多、饋線容量裕度最大等目標，提出最優的開關操作方案.常用的配電網供電恢復算法包括啟發式搜索算法、模糊評估算法、遺傳算法、專家系統方法、模擬退火算法、多Agent系統理論和基于圖論的方法，以及上述算法的組合［4］.

未來智能電網的發展將伴隨著分布式能源的系統集成，因此基于Multi-Agent的分布協調/自適應控制可以很好地適應電力系統向分布化和層次化發展的需求，提出了基于上級電網Agent，以及微電網Agent和元件Agent組成的3層多代理控制系統，解決了配電網供電恢復非線性優化問題所產生的“組合爆炸”問題，其具有以下優點：

（1）不受干擾的情況下自行控制元件運行，并可根據知識系統和外界環境的情況進行推理和規劃，以解決自身領域內的各類問題;

（2）可與其他實體通信，并協調合作解決復雜問題;

（3）針對每個微電網元件和每個Agent都可以制定不同的控制策略，從而使對每個元件的控制達到最優.

2.2 集成能量管理和通信體系

在系統中安放大量的傳感器并將它們連接到一個安全的通訊網中，使分布式計算設施與自動化設備在統一的通信標準上進行互聯.集成能量管理和通信體系（IECSA）對可重用的體系組件和一個公共的接口集，以及用于執行能源企業和工業級應用的語言［5］進行了定義.通過對業務需求的分析，IECSA將電力系統抽象為6個業務領域：市場運作、輸電、配電、客戶服務、主發電和分布式能源，并在此基礎上建立了20個IECSA環境.這些IECSA環境考慮了變電站、調度控制中心、現場設備、發電廠、客戶、分布式能源控制中心和外部業務關聯單位之間的通信需求，同時也考慮了變電站、控制中心、發電廠和客戶內部的通信需求.每一個IECSA環境實際上是一組具有共性的電力系統需求，包括配置需求、服務質量需求、安全需求和數據管理需求4個方面.針對這4類需求，IECSA給出了嚴格的語言描述或定量定義.

因此，IECSA的通信標準與框架模型的架構可以滿足智能電網分布式與集成式兩種方式的要求.

2.3 系統快速仿真與模擬

系統快速仿真與模擬（FSM）是通過分布式的智能網絡代理（Intelligent Network Agents，INAs）來實現跨地理邊界和組織邊界的智能控制，它能提供實時的狀態估計，用于安全監視、評估與優化，還能提供比實時更快的預測仿真［6，7］.分布式的智能網絡可以代理收集和交流系統信息，并對局部控制做出決策，同時根據整個系統要求協調這些決策.

目前，實現快速仿真的預測方法有兩個研究方向：一是靜態模型和動態特性相結合的分析計算;二是基于信號分析的實時直接測量推算.兩者都要求具有較高的數據交換速度和測量信號精度.在諸多研發項目中，美國OSIsoft公司設計的實時性能管理（Realtime Performance Management，RtPM）已初見成效.

2.4 分布式發電技術

分布式電源（DG）的種類主要包括太陽能光伏發電、風力發電、燃料電池，以及儲能裝置等.與電網發電不同，分布式電源可以視為直接由用戶控制虛擬負荷分布式發電設備的啟停.即使接入配電系統，也可不參與自動發電的控制，甚至可以在配網側安裝逆功率繼電器，使其在正常狀況下不向電網注入功率［8，9］.

由于DG在配電網上為任意潮流，其自身的特點將對電網產生以下影響.

（1）分布式發電使得原來簡單的單電源輻射網絡變成復雜的多電源網絡，導致原有的配電網饋線保護出現靈敏度低、拒動、誤動等一系列問題.含有DG的配網保護主要包括3種策略：一是采用綜合電流幅值比較法，借助判定矩陣搜索故障區段的關聯區域［10］;二是基于孤島檢測方法在反孤島前提下實現計劃孤島方案［11］;三是采用基于多智能代理的分布式智能保護系統［12，13］.

（2）分布式發電容易引起系統電壓和頻率的偏差，產生電壓波動和閃變等電能質量問題.因此應該在配電側對應加入DFACTS設備，包括有源電力濾波器、靜止無功補償器、靜止同步補償器、動態電壓恢復器、統一電能質量補償器、超導蓄能器和電池蓄能器等.

（3）分布式發電具有分布自主和不確定因素等諸多特點，很難采用集中管理.具有分布式問題求解特點的MAS技術，是解決該微電網問題的有效途徑.

2.5 高級計量體系

高級計量體系（AMI）是由安裝在用戶側的智能電表，位于電力公司內的計量數據管理系統（MDMS）和通訊系統，以及用戶住宅內的室內網絡（HAN）組成的［14，15］.

智能電表可以同時實現多種計量，支持雙向通信功能和遠程控制，并可以作為通向HAN的網關，為用戶提供實時電價和用電信息，從而實現室內用電裝置的負荷控制，達到需求側管理的目的.

智能電表內置可編程的數據采集模塊、雙向通信模塊，以及基于ARM平臺的新型負荷管理終端，通過雙向通信網絡將量測的大量數據存儲在量測數據管理系統中，并通過該系統分析和管理用戶的計量計費信息，還負責與配電網控制中心和用戶側其他系統的接口，為智能電網的決策運行和需求側管理提供基礎數據支持.AMI的通信信道包括本地通信和遠程通信兩種，其通信方式包括光纖、230 MHz專網、電力線寬帶和窄帶載波通信、GPRS/CDMA及小功率無線通信等.

HAN是一種在用戶家庭內連接各種數字設備的局域網，如智能電表、智能溫度控制器、開關等，其通信方式主要是無線寬帶，經過路由器與因特網連接.關于HAN采用何種通信標準尚未達成統一，歐洲傾向于通用分組無線電業務（GPRS），美國則傾向于W iMax.

2.6 高級電力電子技術

高級電力電子技術在發電領域的應用包括基于雙饋感應發電機的變速風電機組，基于永磁同步發電機的變速風電機組，以及太陽能發電中的逆變器等;在輸電領域的應用包括高壓直流輸電、基于電壓源換流器的柔性直流輸電，以及柔性交流輸電等;在配電領域的應用包括用戶電力技術和DFACTS［15，16］.

目前，我國電力電子技術的主要研究方向有：全控電力電子器件以及大功率變流器的制造;電力電子全數字化控制技術;系統控制軟件技術等.

2.7 綜合決策支持系統

綜合決策支持系統包括電網各控制點之間以及供需互動有關控制結點之間，為交互方便和安全保密所提供的可視化技術、加密技術和門戶管理等.它可以通過高級應用軟件，在正常、緊密和恢復狀態下，向供需雙方提供基于知識的綜合決策支持.綜合智能電網對決策支持與控制技術有以下4個要求［16］：一是快速負荷和氣象預測技術;二是快速安全穩定計算方法、判據和控制策略;三是快速仿真和建模;四是超短期潮流分析及故障定位.

綜合決策系統需要處理海量的數據，而本文提出的基于Multi-Agent的分布協調控制是海量數據的分布式處理，可以克服計算機設備的限制，將成為未來綜合決策支持系統的基礎.

3 結論

（1）基于Multi-Agent的分布協調/自適應控制可以滿足靈活的網絡拓撲控制需求，實現電網自愈，也可以實現系統快速模擬與仿真，是分布式電源靈活接入與綜合決策支持系統的基礎.

（2）智能電網IECSA通信標準和智能電表通信標準有待盡快統一.

（3）全控電力電子器件及大功率變流器、電力電子全數字化控制技術，以及系統控制軟件，仍需要進一步研究與開發.

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（編輯白林雪）