基于多AGENT的配電網電壓無功 調控制系統的構建方案

喬祎峰,章 健

(1.華北電力大學經濟與管理學院,北京 102206;2.上海市電力公司市區供電公司,上海 200080)

電力系統電壓無功控制的對象是各母線電壓和無功功率,電壓合格與否直接關系到整個電網的穩定運行[1-3],合理配置無功補償容量,通過變壓器分接頭及無功補償設備的優化調節改變電網的無功潮流分布,對于降低網損、提高電壓水平、改善電壓質量和實現電力系統經濟運行意義重大[4]。然而,隨著電網規模的不斷擴大和電力改革的日益深入,當前的電力系統出現了以分區為管理單元的新變化,傳統的集中式無功電壓優化系統已經不能滿足電網運行的實時性和可靠性要求[5]。基于多Agent系統的無功電壓分布式協調控制系統由一組在邏輯上或者物理上分步的許多Agent組成,它們通過協作完成共同的任務,并通過將大的復雜系統劃分成小的、彼此相互通信及協調的、易于管理的系統,實現復雜電力系統的無功協調控制。本文將根據目前電力系統分層分區控制、全網數據分散、各子網相互影響的實際情況,建立一個基于多Agent系統無功控制的框架模型,包括MAS的框架結構、各級Agent具體功能、硬件配置等的構建。

1 多Agent系統的特征

多Agent系統由一組在邏輯上或者物理上分步的許多Agent組成。系統中的每個 Agent都具有自治性和主動性[6-7],并能根據自身的能力獨立解決問題域中的問題。同時,多Agent系統還具有系統內部的交互性和系統整體的封裝性[8],系統中的成員Agent可以通過相互間的通信進行交互和協調,完成系統的整體功能,提高大規模復雜系統問題的求解能力和求解的效率。

對于電力系統無功協調控制來說,利用多A-gent系統的自治性和交互性,可以實現代理與無功元件的一對一控制,從而減少每個代理的數據處理量[9]。同時,通過相同和相鄰層級代理間適當的信息交流,確保無功控制滿足整個電網要求,提高電網的協調能力。

2 無功協調控制系統的框架

2.1 系統的體系和結構

在本文中多Agent配電網電壓無功協調系統采用混合式結構[10-11],見圖1。其中,包含一個或多個配網Agent,系統中的每一個配網A-gent對所轄成員代理進行實時監控,同時通過與同層級Agent的相互通訊,制定自身配網無功調節的任務計劃、無功管理等[12-15],并將無功調節方案發布給區域Agent。區域Agent在接到方案后,通過對所轄區域內各節點Agent的運行情況及周邊區域Agent運行情況的綜合分析,制定具體的節點元件無功調節大小,并將所需無功大小通知對應的節點Agent。節點Agent在接收區域Agent調節通知后,根據自身情況對無功元件進行具體操作,同時將調節后的運行狀態實時反饋給區域Agent,并等待下一步協調。此種無功控制結構平衡了集中式和分布式兩種結構的優點和不足,在保持各自Agent獨立性的前提下,通過同層或相鄰層級之間一定量數據的相互聯系確保了各Agent決策的合理性,適應了配電網無功控制復雜、開放的特性。

圖1 多Agent系統結構示意圖

2.2 Agent功能

為統一Agent模式,同時根據配網無功控制管理需求和各級代理主要功能,Agent可以拆分為應用控制、數據采集、數據處理、數據儲存和數據傳輸等多個模塊,如圖2所示。

圖2 Agent功能分布圖

其中,數據采集模塊負責Agent所控制節點的數據采集。應用控制模塊負責對相應設備進行調節,模塊中儲存了相應控制程序,當電網需要進行無功調節時,可以通過控制功能,實現對所控設備的無功調節。數據處理模塊在不同層級的A-gent中存放不同優化算法達到處理相關數據的目的,如在區域Agent中利用智能無功優化算法對所管轄的區域電網節點進行優化計算。數據存儲模塊負責存儲相關數據,為數據處理提供數據,同時為管理者提供有效數據查詢。數據傳輸模塊負責與同級或者上下級Agent間保持數據傳輸,從而保持無功優化協調的有效性。

2.3 通訊方式

為確保配電網無功協調靈活性、可靠性,并實現Agent信息共享、全局性決策,保持整個多A-gent系統的協調性,本文通過采用聯邦系統通訊與廣播通訊相結合,以及黑板系統兩種通信方式,從而滿足各個Agent能獲得足夠的數據以保證自身Agent的控制和與其他Agent的協同控制。

(1)聯邦系統通訊與廣播通訊相結合 這是一種直接的信息傳輸方法,采用這種方法各代理之間的交互可以是通過聯邦體來實現,代理可以動態地加入聯邦體,接受聯邦體提供的服務。這些服務包括接受代理加入、記錄加入代理的能力和任務、提供通信服務、對代理提出的請求提供響應以及提供知識轉換與消息路由等等。采用這種方法各代理之間的交互也可以通過廣播進行消息傳輸,通過廣播把消息發給每個代理或一個組,通常發送者要指定唯一的地址,唯有符合該條件的代理才能夠讀取這個消息。

(2)黑板系統 這是一種間接的信息傳輸方法,由于直接的信息傳輸兩個代理間消息是直接交換的,執行中沒有緩沖,如果不發送給它,該代理就不能讀取,因此為了保證其他代理系統可以獲得相應的數據,還將采用間接信息傳輸的黑板系統進行補充。黑板系統通過一個共享的被稱為黑板的數據倉庫進行通信,黑板是一個Agent寫入消息、公布結果并獲取信息的全局數據庫或知識庫,所有必要的信息都可以張貼在黑板上供所有的Agent檢索。在應用中黑板系統按照所研究的Agent問題劃分為幾個層次,工作于相同層次的Agent能夠訪問相應的黑板層以及鄰近的層次。

3 電壓無功協調控制

在多Agent無功協調控制系統框架下,各A-gent可在分層原則進行相互通訊、協調運作。

3.1 協調控制系統的具體分層

在電網的無功控制中多Agent系統的控制可以分為三個層級:一級代理為節點Agent,進行對單個無功補償設備或變壓器等無功設備的具體控制,一個節點Agent對應一個控制設備;二級代理為區域Agent,負責對所轄區域內節點A-gent進行協調控制,從而達到整個區域無功分配的目的;三級代理為配網Agent,負責對所轄配網內區域Agent的無功分配管理,實現整個配網的無功調節,是配網無功協調系統中最高級Agent。

(1)一級代理 一級代理由節點 Agent組成,可以直接對無功補償設備和電壓分接頭進行控制。這層代理對外界有抗干擾能力,能夠對外界微小的變化做出相應的調整,在調整過程中不需要上級代理的干涉。一級代理同時具備數據采集、存儲、通訊和控制功能。其中數據采集功能負責采集所控節點狀態,包括電壓、電流、有功無功、變壓器分接頭、變壓器溫度等的采集;存儲功能負責存放采集下來的數據、元件Agent自身的操作流程、無功補償設備配置情況等;通訊功能負責與區域Agent通訊,接收指令,并通過與相鄰節點Agent通訊微調無功輸出;控制功能根據區域A-gent發出的無功控制命令,調節無功電源出力或有載調壓分接頭位置,確保電壓在安全可控范圍。

(2)二級代理 二級代理由區域 Agent組成,采用集中控制,主要負責對所轄節點Agent進行協調控制。區域Agent主要用于優化所在區域無功電壓控制運行,其主要功能有無功優化、存儲和通訊等。其中,無功優化功能通過在知識庫中存放的無功電壓優化算法(例如遺傳算法,蟻群算法等智能算法),分配所管轄節點無功出力;存儲功能儲存所管轄區域電壓、電流有功無功等節點參數,同時儲存優化計算后的結果,以便其他級別的Agent查詢;通訊功能負責與上級Agent通訊,協調無功控制方案;負責與下級Agent通訊,接收下級Agent信息,發布調控命令。

(3)三級代理 三級代理由配網 Agent組成,負責整個網絡的優化、添加、刪除區域Agent的等工作,對電網有作重大決策的決策權,是最高一級代理,其主要功能有優化、通訊和存儲等。其中優化功能運用網格并行計算優化每個區域的電壓、無功情況,并與區域Agent相互通訊協調使整個配電網無功配置最優化;通訊功能負責接收配網Agent信息,并發布調控信息;存儲功能負責把電網分區結果、優化計算結果、優化計算的參數和各Agent的設備信息等數據存儲起來,供同級配網Agent或所轄Agent代理查詢。

3.2 協調控制

在實現多Agent分層后,通過基于多Agent系統的配網無功協調控制的程序可以實現配電網的具體無功優化,如圖3所示。程序中的初始化主要用來定義各個代理的基本行為準則。例如在元件Agent中定義,當所采集電壓超出設定值但小于3%時,可由元件Agent進行自行調節使電壓恢復穩定;當電壓超出設定值且大于3%時,由元件Agent向區域Agent傳輸本節點運行參數,由區域Agent統一進行總體調度處理。程序中的節點Agent為節點上各種無功元件提供獨立的控制,包括發電機、調相機、電容器、SVCD和STATCOM等。程序中的區域Agent,在區域管轄范圍內對各元件代理進行協調控制以達到目標最優化。程序中的預估環節主要是用于提供預估模型,對區域配網的內部情況和外部情況進行綜合分析,提出控制策略為各代理控制提供參考。程序中的信息處理為配電網與區域電網之間提供一個統一的信息通訊平臺,把上級電網的信息整理并轉換為區域電網代理所能運用的標準格式后提供給預估環節。程序中的配電網Agent具有整體協調控制配電網的功能,并與其他配電網Agent相互交流。

圖3 多Agent協調控制的程序

多Agent協調控制運行有如下步驟。第一步,初始化單元,把各個代理運行時所必須的約束條件和基本準則分配到各代理中。第二步,由節點Agent采集節點參數及無功元件的運行參數,同時在一定范圍內為各元件提供必要的控制。第三步,節點Agent把所控制元件的運行狀況提供給區域Agent,同時區域Agent對節點Agent提供控制策略并交由節點Agent自行改變各元件的運行狀態。第四步,各區域Agent首先把各自管轄區域的運行狀況提供給配網Agent,配網A-gent結合其他外部配網Agent的運行參數,進行初步的數據處理后通過信息處理系統統一格式傳給預估環節。第五步,預估環節通過模型預測后把每個區域的無功控制策略反饋到相應的區域Agent。在區域Agent改變電網運行狀態后,配網Agent再一次把運行參數提交給預估環節以進行進一步的調整。

通過不斷的協調控制,多Agent將會使配電網在滿足對上級電網提供適當電能的同時,保證了自身電網的安全、可靠、經濟運行。

3 結論

本文給出了一個基于多Agent的配電網電壓無功協調控制系統的結構方案,目的是根據電壓無功控制分散、分布的特點將多Agent技術引入到配電網無功電壓調節中。方案中的A-gent系統共分節點Agent,區域Agent和配網A-gent三級,通過對所在節點無功設備的直接操作以及地區電網之間的相互協調,實現了整個配電網的無功協調控制。隨著多Agent理論的不斷成熟和深入研究,網絡化、分布式的多Agent技術在配電網電壓無功控制中將能得到更好的應用。

[1]郭紅霞,吳捷,劉永強,等.基于強化學習算法的靜止同步補償電壓控制器[J].電網技術,2004,28(19):9-13.

[2]盛戈皞,江秀臣,范習輝,等.基于多Agent的二級電壓控制系統的實現及性能分析[J].電網技術,2005,29(24):42-48.

[3]孫元章,姚小寅,劉鋒.二級電壓控制對電力系統穩定性的影響[J].中國電機工程學報,2000,20(24):28-32.

[4]李林川,王建勇,陳禮義等.電力系統無功補償優化規劃[J].電機工程學報,1999,(19)2:18-22.

[5]張明軍,曹立霞,厲吉文,等。考慮多分區無功電壓優化的多Agent系統[J].電力系統自動化,2004,28(17):70-74.

[6]楊旭升,盛萬興,王孫安.多 Agent電網運行決策支持系統體系結構研究[J].電力系統自動化,2002,26(18):45-49.

[7]侯志彥.多Agent技術在電網調度系統中的應用研究[D].華北電力大學,2006.

[8]朱培紅.基于移動多Agent的分布式網絡性能監測的研究[D].武漢大學,2004.

[9]李欣然,蘇盛,陳元新.AGENT技術在電力綜合負荷模型辨識系統中的應用[J].電力自動化設備,2002,22(9):50-53.

[10]羅凱明,李興源.基于多代理技術的不間斷電力變電站設計方案[J].電網技術,2004(22):1-5.

[11]侯志彥,鄭顧平.多Agent技術在電網調度系統中的應用研究[D].華北電力大學,2006.

[12]DIMEAS A L,HA TZIA RGYRIOU N D.A MAS architecture for Microgrids control[R]//Proceedings of the 13th International Conference on Intelligent sy stem s Application to Power system s.IEEE.2005:402-404.

[13]DIMEAS A L,HA TZIA RGYRIOU N D.Agent based Control for Microgrids[R]//Power Engineering Society General Meeting.IEEE 2007:1-5.

[14]HOMMELBERG M P F,WARMER C J,KAMPHUIS I G,KOK J K,SCHAEFFER G J.Distributed Control Concepts using Multi Agent technology and Automatic Markets[R]//An indispensable feature of smart power grid s.Power Engineering Society General Meeting,IEEE.2007:1-7.