基于多Agent的微電網(wǎng)電壓無功控制系統(tǒng)

薛 偉，許 培

(江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無錫214122)

0 引言

在能源供應(yīng)和環(huán)境保護(hù)等多方面的壓力下，微電網(wǎng)獲得了越來越多的重視和應(yīng)用。由于微電網(wǎng)其分布式特性、海量的控制數(shù)據(jù)和靈活多變的控制方式使得傳統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度、集中控制方式難以有效的解決這些問題，因此，以分布式控制為基礎(chǔ)的多Agent系統(tǒng)(MAS)得到了廣泛重視和研究。但目前多Agent技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用多集中于協(xié)調(diào)市場交易和對能量進(jìn)行管理等方面，對微電網(wǎng)頻率、電壓等的控制還有待更深入的研究。

文獻(xiàn)［1］總結(jié)了分布式電源影響配電網(wǎng)電壓控制的幾點(diǎn)因素，分析了微電網(wǎng)電壓控制中的一些問題。文獻(xiàn)［2］首次將Agent技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)電壓無功控制，但該文并沒有給出詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)策略。本文在參考一些電壓無功控制相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，提出了基于多Agent的微電網(wǎng)三級分布式電壓無功控制系統(tǒng)，并重點(diǎn)探討了系統(tǒng)二級電壓控制，建立了電壓控制的數(shù)學(xué)模型，并提出了多Agent電壓無功的控制策略，最后在IEEE—39系統(tǒng)上的仿真說明了本文所提方案的可行性和有效性。

1 分級電壓無功控制思想

無功功率和有功功率一樣，任何瞬間電網(wǎng)中的無功功率總應(yīng)是動態(tài)平衡的，有功功率對應(yīng)系統(tǒng)的頻率，可以全網(wǎng)調(diào)度，而無功功率對應(yīng)于電壓，無法全網(wǎng)調(diào)度。當(dāng)無功平衡被破壞時(shí)，將引起電壓的偏移。因此，任何時(shí)候要達(dá)到無功平衡，這就要求有足夠的電壓無功控制能力。電壓無功控制主要是通過電壓無功控制設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，包括發(fā)電機(jī)自動電壓調(diào)節(jié)器(AVR)、靜止無功補(bǔ)償器(SVC)、靜止無功發(fā)生器(STATCOM)以及快速自動投切電容器和電抗器等。圖1給出了無功補(bǔ)償調(diào)壓過程示意圖。

曲線1和曲線2的交點(diǎn)a為額定電壓下的無功平衡點(diǎn)，當(dāng)負(fù)荷增加變?yōu)榍€4時(shí)，則曲線1和曲線4的交點(diǎn)b為新的無功平衡點(diǎn)，但顯然該點(diǎn)電壓低于額定電壓。如果此時(shí)調(diào)整無功電壓，使無功電源的電壓特性曲線上移至曲線3，則曲線3和曲線4的交點(diǎn)c所確定的電壓可恢復(fù)為(或接近)額定電壓。

圖1 無功補(bǔ)償調(diào)壓過程示意圖Fig 1 Schematic diagram of reactive power compensation voltage regulating process

分級電壓控制思想是把整個(gè)電網(wǎng)分成各個(gè)控制區(qū)域，通過各區(qū)域內(nèi)的電壓無功控制設(shè)備進(jìn)行無功調(diào)節(jié)，很好地解決了無功功率不能長距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了無功就地平衡。分級電壓無功控制思想由法國率先提出，受到了各國電力系統(tǒng)的廣泛關(guān)注［3］。這種電壓分級控制方案已在巴西、意大利、西班牙等國家付諸實(shí)施，并取得了滿意的效果［4，5］。目前，普遍被認(rèn)同的無功電壓控制系統(tǒng)是三級組織結(jié)構(gòu)［6～8］。這種分布式、區(qū)域化的思想非常符合微電網(wǎng)和MAS的特點(diǎn)和要求。

2 多Agent的微電網(wǎng)電壓無功控制系統(tǒng)

2.1 基于多Agent的微電網(wǎng)電壓無功控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)

該系統(tǒng)以基于多Agent的分層分布式控制系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)［9］，按分級電壓無功控制思想的要求，把整個(gè)系統(tǒng)分為三級Agent電壓無功控制，如圖2所示。

圖2 多Agent的三級電壓無功控制結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Structure diagram of three-stage voltage reactive power control based on multi-agent technology

三級電壓控制Agent為電網(wǎng)級控制Agent，一般設(shè)置在電網(wǎng)的系統(tǒng)調(diào)度中心，用以監(jiān)測整個(gè)電網(wǎng)的狀態(tài)，協(xié)調(diào)下級微電網(wǎng)控制Agent，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。

二級微電網(wǎng)Agent為協(xié)調(diào)級Agent，設(shè)在微網(wǎng)控制中心。當(dāng)微電網(wǎng)主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)電壓發(fā)生變化后，根據(jù)三級電壓A－gent確定的此微電網(wǎng)主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)參考值電壓，來協(xié)調(diào)控制此微電網(wǎng)內(nèi)的一級電壓控制Agent，以達(dá)到系統(tǒng)范圍內(nèi)良好的電壓無功平衡，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

一級電壓控制Agent為元件執(zhí)行級Agent，設(shè)在每個(gè)電壓控制節(jié)點(diǎn)。主要針對電壓無功控制設(shè)備的調(diào)控，它們主要接受二級電壓控制Agent的控制無功調(diào)壓信號，控制無功調(diào)壓設(shè)備，對整個(gè)微電網(wǎng)提供無功調(diào)壓支持。

其中二級電壓無功控制是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電壓分級控制的關(guān)鍵。

2.2 二級電壓控制的數(shù)學(xué)算法

對于選定的某一微電網(wǎng)，微網(wǎng)內(nèi)任一節(jié)點(diǎn)的無功平衡方程為［10］

式中 Bij為節(jié)點(diǎn)i和j之間的互導(dǎo)納，QTLi為相鄰微網(wǎng)注入節(jié)點(diǎn)i的無功潮流，當(dāng)不考慮微網(wǎng)間彼此影響時(shí)，可令QTL=0;線性化系統(tǒng)模型可用如下靈敏度方程來表示

式中 CUΔUG為對負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓的影響，CQΔQL為無功擾動引起的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓變化。該式即為采用二級電壓控制后負(fù)荷電壓偏差的表達(dá)式。

3 多Agent電壓無功控制決策步驟和控制策略

1)電壓無功監(jiān)測:三級電壓Agent負(fù)責(zé)監(jiān)測整個(gè)大電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓，收集各微網(wǎng)級Agent的電壓無功數(shù)據(jù)，分析整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，并對整個(gè)電網(wǎng)狀態(tài)做出評估。

2)電壓無功綜合控制策略:協(xié)調(diào)級Agent根據(jù)控制級Agent的反饋信息和自身的微網(wǎng)電壓無功監(jiān)測，對執(zhí)行級Agent做出最優(yōu)的控制動作命令。

文獻(xiàn)［11］提出電氣距離的概念并闡述了其與信息理論的關(guān)系，同時(shí)用基于電氣距離的方法對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)可控性和可觀性進(jìn)行分析。受該思想的啟發(fā)，本文提出了基于操作優(yōu)劣距離最短為判據(jù)來確定最優(yōu)操作動作的控制策略。當(dāng)微網(wǎng)Agent檢測到本地電壓無功出現(xiàn)異常時(shí)，則根據(jù)上面的二級電壓無功控制算法計(jì)算出電壓無功偏差，并做出最優(yōu)的操作動作選擇。

這里首先定義5個(gè)最基本的操作動作:不動作、降檔(升壓)、升檔(降壓)、投電容(切電抗)、切電容(投電抗)。這5個(gè)動作基本涵蓋了現(xiàn)有的無功電壓控制設(shè)備的基本功能，將這5種操作動作在U-Q平面上矢量化，如圖3所示。

不動作矢量:f0=(Q，U);升壓矢量:f1=(Q－ΔQu，U+ΔUu);降壓矢量:f2=(Q+ ΔQu，U－ΔUu);投電容矢量:f3=(Q－ΔQq，U+ ΔUq);切電容矢量:f4=(Q+ ΔQq，U－ΔUq)。電壓無功控制策略就是通過選擇最優(yōu)操作動作矢量fi(i=0～4)或其組合使當(dāng)前工作點(diǎn)不斷向最優(yōu)控制目標(biāo)工作點(diǎn)逼近的過程。

定義操作優(yōu)劣距離為

其意義為執(zhí)行完第i號操作動作后的工作點(diǎn)Mi(Qi，Ui)到最優(yōu)控制目標(biāo)工作點(diǎn)Mp(Qp，Up)的距離。以Si最小為最優(yōu)控制目標(biāo)條件，從而來確定最優(yōu)操作動作。

3)電壓無功控制的實(shí)現(xiàn):為防止過于靈敏的電壓無功控制對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成負(fù)面影響，可以定義電壓和無功功率的上下限:UL≤U≤UH，QL≤Q≤QH，在U-Q平面上形成一個(gè)矩形的不動作區(qū)。若2種操作動作后的優(yōu)劣距離相等，則采用“電壓優(yōu)先”的原則，即優(yōu)先保證電壓合格，盡量采用投切電容的策略。執(zhí)行級Agent根據(jù)微網(wǎng)Agent控制動作命令，控制相應(yīng)的無功電壓控制設(shè)備，執(zhí)行相應(yīng)操作動作。

圖3 操作動作矢量圖Fig 3 Diagram of operative vector

4 數(shù)字仿真分析

這里基于新英格蘭10機(jī)39節(jié)點(diǎn)(IEEE—39)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，該系統(tǒng)經(jīng)常被用于可靠性和電壓控制的研究。這里把系統(tǒng)劃分成微電網(wǎng)形式，要求盡量減少微網(wǎng)間的相互關(guān)聯(lián)，呈弱耦合關(guān)系，從而保證對一個(gè)微網(wǎng)內(nèi)的二級電壓控制不會導(dǎo)致另一微網(wǎng)的電壓失穩(wěn)。這里將新英格蘭系統(tǒng)分為6個(gè)微網(wǎng)區(qū)，如圖4所示。

圖4 IEEE—39系統(tǒng)分區(qū)圖Fig 4 The divided diagram of IEEE—39 system

采用文獻(xiàn)［12］的主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)選擇方法，其中微網(wǎng)4的主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)為4，5和10。各微網(wǎng)內(nèi)都裝有無功電壓控制設(shè)備，并在主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)電壓處設(shè)置執(zhí)行級Agent，當(dāng)微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷電壓發(fā)生變化時(shí)，微網(wǎng)Agent能夠感知到某節(jié)點(diǎn)電壓異常，計(jì)算出與參考電壓的偏差，確定最優(yōu)操作策略，并通知相應(yīng)的執(zhí)行級Agent采取動作進(jìn)行無功電壓調(diào)節(jié)以獲得預(yù)期的系統(tǒng)電壓水平，使主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)電壓滿足系統(tǒng)要求。通常IEEE—39系統(tǒng)是以100 kV為基準(zhǔn)的，為了提高仿真速度，這里將基準(zhǔn)參數(shù)修改為1kV。圖5給出了多Agent電壓無功控制后的節(jié)點(diǎn)電壓的分布，可見，在實(shí)施多Agent電壓無功控制后，系統(tǒng)電壓基本恢復(fù)，尤其主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的電壓和初始值非常接近。

圖5 微網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓分布圖Fig 5 Distribution diagram of micro-grid’s node voltage

圖6分析了在擾動情況下節(jié)點(diǎn)電壓的時(shí)域特性，這里選擇了具有代表性的微網(wǎng)4的主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)4作為分析對象，并與常規(guī)二級電壓控制系統(tǒng)［13］進(jìn)行了比較。從圖中可看出:當(dāng)主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)發(fā)生電壓跌落后，多Agent電壓無功控制系統(tǒng)能充分有效利用無功電壓控制設(shè)備，使節(jié)點(diǎn)電壓有效恢復(fù)，恢復(fù)程度能達(dá)到較好的水平。

圖7顯示為負(fù)荷擾動后發(fā)電機(jī)5無功出力情況，在應(yīng)用多Agent電壓無功控制后，通過調(diào)整發(fā)電機(jī)AVR，迅速有效地增加無功出力，以彌補(bǔ)系統(tǒng)的無功缺額。

圖6 負(fù)荷擾動時(shí)節(jié)點(diǎn)4電壓特性曲線Fig 6 Voltage characteristic curves of node 4 when load disturbances

圖7 負(fù)荷擾動時(shí)發(fā)電機(jī)5無功力輸出曲線Fig 7 Reactive power output curves of generator 5 when load disturbances

多Agent電壓無功控制系統(tǒng)還在電壓崩潰、電壓故障預(yù)防等方面具有良好的控制作用，這里限于篇幅，不一一仿真驗(yàn)證。

5 結(jié)論

本文分析了微電網(wǎng)電壓無功控制原理，結(jié)合多Agent技術(shù)，提出了基于多Agent的微電網(wǎng)電壓無功控制系統(tǒng)，并給出了該系統(tǒng)的控制策略。MAS技術(shù)是近年來的一個(gè)熱門研究領(lǐng)域，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用也得到了廣泛的研究，基于多Agent技術(shù)的電壓無功控制具有較好的靈活性、智能性和開放性，相對于常規(guī)單純依靠電力電子技術(shù)來說實(shí)現(xiàn)了跨越式的飛躍。最后通過仿真分析說明了該系統(tǒng)對微電網(wǎng)電壓、節(jié)點(diǎn)電壓、系統(tǒng)無功平衡等具有良好的調(diào)節(jié)控制作用。

［1］Salman SK.The impact of embedded generation on voltage regulation and losses of distribution networks［C］∥IEE Colloquium on the Impact of Embedded Generation on Distribution Networks，1996:21－25.

［2］Wang Haifeng.Multi－agent coordination for the secondary voltage control in power system contingencies［C］∥IEE Proceedings of Generation，Transmission and Distribution，2001:61－66.

［3］Paul JP，Leost JY，Tesseron JM.Survey of the secondary voltage control in France:Present realization and investigation［J］.IEEE Trans on Power Systems，1987，2(2):505－511.

［4］Corsi S，Pozzi M，Bazzi U.A simple real－time and on－line voltage stability index under test in Italian secondary voltage regulation［C］∥CIGRE Conference，Paris，2000:38－115.

［5］Taranto G N，Martins N，F(xiàn)alcao D M.Benefits of applying secondary voltage control schemes to the Brazilian system［J］.IEEE Trans on Power System，2000，2(4):937－942.

［6］Sancha JL，F(xiàn)ernandez J L，Cortes A.Secondary voltage control:Analysis，solution and simulation results for the Spanish transmission system［J］.IEEE Trans on Power Systems，1996，11(2):630－638.

［7］Su Ching Tzong，Lin Chien Tung.A new fuzzy control approach to voltage profile enhancement for power systems［J］.IEEE Trans on Power Systems，1996，11(3):1654－1659.

［8］Vu H，Pruvot P，Launay C.An improved voltage control on largescale power systems［J］.IEEE Trans on Power Systems，1996，11(3):1295－1303.

［9］Wooldridge M.An introduction to multi－agent system［M］.New York:J Wiley，2002:63－71.

［10］Marjia D I，Liu Xiaojin，Leung G.Improved secondary and new tertiary voltage control［J］.IEEE Trans on Power Systems，1995，10(4):1851－1862.

［11］Lagonotte P，Sabonnadiere J C，Leost J.Structural analysis of the electrical system:Application to secondary voltage control in France power system［J］.IEEE Trans on Power Systems，1989，4(2):479－486.

［12］Conejo A，Aguilar M J.Secondary voltage control:Nonlinear selection of pilot buses，design of an optimal control law and simulation results［J］.Proceedings of IEE on Generation，Transmission and Distribution，1998，145(1):77－81.

［13］范 磊，陳 珩.二級電壓控制研究［J］.電力系統(tǒng)自動化，2000，24(11):18－21.