基于多Agent的微電網(wǎng)電壓控制系統(tǒng)

李輝，賴祥生，江修波

(1.福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建 閩侯 350108;2國網(wǎng)福建省電力有限公司技術(shù)中心，福建 福州 350007;3.國網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350003)

1 引言

隨著分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，缺乏靈活性和可擴(kuò)展性的傳統(tǒng)集中式智能控制方法已難以適應(yīng)分布式電源的快速增長。多代理系統(tǒng)(multi-agent system，MAS)具有良好的集中、分散特性，在微電網(wǎng)管理和控制等多個領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注［1］。

微電網(wǎng)與傳統(tǒng)大電網(wǎng)相比截然不同，其規(guī)模較小，主要采用清潔能源發(fā)電，并且分布式能源種類多樣［2－3］。由于微電網(wǎng)具有分布式特性、靈活的控制方式以及大規(guī)模的控制數(shù)據(jù)等特點(diǎn)，所以難以將傳統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度、集中的控制方式應(yīng)用于微電網(wǎng)當(dāng)中［4－6］。如果能夠使微電網(wǎng)的各個元器件都具有一定的自治能力和智能性，那么就可以使得負(fù)責(zé)集中控制的元器件不必進(jìn)行大量的運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制，而且具有智能性的元器件能夠?qū)植扛蓴_產(chǎn)生快速反應(yīng)。集中控制和分散控制相結(jié)合的方式將成為微電網(wǎng)控制的最佳手段之一，取代原有的統(tǒng)一調(diào)度方式。因此，基于分布式控制的具有良好的集中、分散特性的多代理系統(tǒng)(MAS)得到了廣泛的重視和研究［7］。代理(Agent)是一種新型的分布式人工智能技術(shù)，它能使邏輯上和物理上分散的系統(tǒng)并行、協(xié)調(diào)地實(shí)現(xiàn)問題求解。隨著MAS的發(fā)展和成熟，這種技術(shù)已被廣泛應(yīng)用，近年來也受到控制界的關(guān)注［8］。

由于微電源自我調(diào)節(jié)的能力有限，儲能元件的有限容量、可變負(fù)載類型的多樣性，且對電壓有較高要求等原因，要滿足負(fù)荷的要求單靠微電網(wǎng)自身的調(diào)節(jié)能力還不夠。負(fù)荷波動較大時，電壓的調(diào)節(jié)對微電網(wǎng)來說很難實(shí)現(xiàn)，有時可能會造成電壓崩潰;假設(shè)微電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力已經(jīng)能夠滿足負(fù)荷變化，當(dāng)負(fù)荷變化尤其是無功負(fù)荷變化時也可能造成電壓波動較大。

本文根據(jù)一些電壓控制文獻(xiàn)的研究，提出了基于多Agent的微電網(wǎng)電壓控制系統(tǒng)，利用負(fù)荷的切換和超級電容的切換相結(jié)合的方式，改善微電網(wǎng)的電壓控制問題，并對其進(jìn)行了仿真驗證，證明了該系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電壓的自我協(xié)調(diào)控制。

2 基于多Agent的微電網(wǎng)電壓控制的原理

微電網(wǎng)電壓控制的目的是快速協(xié)調(diào)微電網(wǎng)系統(tǒng)中的無功電壓控制設(shè)備，維持控制區(qū)域電壓水平，提高電壓穩(wěn)定性［9］。對分布式特性很強(qiáng)的微電網(wǎng)來說，應(yīng)該采用分布式的控制方法來進(jìn)行電壓控制，分級電壓控制是目前比較流行的分布式電壓控制方法，配電網(wǎng)中主要采用二級電壓控制系統(tǒng)。

基于多Agent的微電網(wǎng)電壓控制系統(tǒng)的原理是建立在基于多Agent的分層分布式控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)上，根據(jù)二級電壓控制系統(tǒng)的基本要求，先把整個微電網(wǎng)按照可控及不可控微源、儲能裝置、無功補(bǔ)償設(shè)備以及可變負(fù)荷等分為多個電壓控制節(jié)點(diǎn)，然后在每個電壓控制節(jié)點(diǎn)處裝設(shè)一級控制Agent，而在微電網(wǎng)控制中心設(shè)立調(diào)級Agent，構(gòu)成一個完整的二級微電網(wǎng)電壓控制多Agent系統(tǒng)如圖1所示，一級管理Agent作為電壓控制系統(tǒng)的本地控制。這種方法的基本思想是將控制器之間的相互作用看出合作，達(dá)成各控制器控制作用的相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)控制區(qū)域或系統(tǒng)的總體控制目標(biāo)。整個Agent系統(tǒng)按照MAS的原理和技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和協(xié)調(diào)各控制器的運(yùn)行，對微電網(wǎng)電壓進(jìn)行優(yōu)化控制［10］。

圖1 基于多Agent的微電網(wǎng)電壓控制系統(tǒng)原理圖

與傳統(tǒng)意義上的分散控制理論不同，基于Agent技術(shù)的控制理論把各電壓控制器視為具有協(xié)作性和自主性等主動行為能力的控制Agent，形成一個合理有序的Agent網(wǎng)絡(luò)，所有的Agent一方面依照運(yùn)行情況獨(dú)立完成特定的調(diào)壓任務(wù)，另一方面則通過系統(tǒng)與同級A-gent之間傳遞、分享信息和任務(wù)，接受上級Agent執(zhí)行的調(diào)壓任務(wù)和反饋，實(shí)現(xiàn)全面協(xié)調(diào)系統(tǒng)，以保持微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的目的。

3 基于多Agent的微電網(wǎng)電壓控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

多Agent系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有集中、分布和混合式三種。基于微電網(wǎng)的特點(diǎn)選擇混合式結(jié)構(gòu)，所有Agent之間相互平等、獨(dú)立，并且代表每個系統(tǒng)元件進(jìn)行電壓無功控制，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中一級控制主要針對無功控制調(diào)節(jié)裝置;二級控制主要針對微電網(wǎng)運(yùn)行狀況的協(xié)調(diào)與控制，即針對微電網(wǎng)Agent(協(xié)調(diào)級Agent)，通過自身分析以確定直接執(zhí)行整個電網(wǎng)電壓的協(xié)調(diào)與控制。此外一級控制Agent之間的控制信息可通過信息交換系統(tǒng)如黑板系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交換。

圖2 基于多Agent的微電網(wǎng)電壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

各級控制的具體功能如下。

(1)一級控制:匯總并呈報設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和可操作數(shù)目等基本情況;分析判斷二級控制發(fā)出的指令的合理性與正確性;監(jiān)控節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀況，并在自身能力范圍內(nèi)計及相互影響的條件下進(jìn)行電壓調(diào)控，使得各Agent能夠相互照應(yīng)，在覆蓋范圍內(nèi)某節(jié)點(diǎn)電壓越限而Agent無法通過自身電壓控制時，除了有監(jiān)控本區(qū)節(jié)點(diǎn)電壓、維持該電壓水平的能力之外，也同時具有協(xié)調(diào)鄰近區(qū)域節(jié)點(diǎn)電壓水平的能力。

(2)二級控制:協(xié)調(diào)級Agent能夠計算基本潮流、分析靈敏度;能夠分析、判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀況;具有自動識別連線狀態(tài)和自檢、恢復(fù)能力［11］。

3.2 Agent功能和任務(wù)

正常情況下，微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)級Agent會定期向各執(zhí)行級Agent發(fā)出電壓調(diào)節(jié)的指示，并接受各執(zhí)行任務(wù)過程中的信息反饋，具體的操作規(guī)則與協(xié)調(diào)二級電壓控制(CSVC)的思想大致相同。

微電網(wǎng)協(xié)調(diào)級Agent的基本任務(wù)包括:監(jiān)視每一級執(zhí)行級Agent節(jié)點(diǎn)的電壓，采集微電網(wǎng)內(nèi)各負(fù)荷的有功和無功、各微電源的有功和無功、儲能元件信息，依據(jù)微電網(wǎng)參數(shù)、電壓限制規(guī)則和控制設(shè)備的有功、無功限制等，獲得微電網(wǎng)各點(diǎn)的電壓水平和無功儲備狀況;正常工作條件下，根據(jù)各點(diǎn)實(shí)時反饋的電壓信息，通過預(yù)定的推算規(guī)則，來確定各一級執(zhí)行Agent所在位置的電壓參考值，并發(fā)送執(zhí)行命令至各級執(zhí)行A-gent;在緊急情況下，接受執(zhí)行級Agent協(xié)助調(diào)壓請求，選擇最適合的一級執(zhí)行Agent承擔(dān)該調(diào)壓任務(wù)，并發(fā)送執(zhí)行請求至該Agent，同時將消息發(fā)送至其余Agent;緊急情況下，當(dāng)僅靠某點(diǎn)執(zhí)行級Agent的電壓調(diào)節(jié)已無法消除該執(zhí)行級Agent區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)電壓越限時，微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)級Agent向相鄰電壓控制區(qū)執(zhí)行級A-gent發(fā)出通信指令，使其參與進(jìn)行二級電壓協(xié)調(diào)控制，在最短時間內(nèi)將電壓波動消除，并及時反饋相關(guān)信息［12］。

控制微電源AVR或其他無功功率源的控制器作為執(zhí)行級Agent，其基本任務(wù)包括:收集本地信息，諸如電壓、有功、無功等的變化，評估鄰近線路和本地節(jié)點(diǎn)的電壓水平，一旦檢測到電壓越限，一級執(zhí)行Agent將自主地作出決策，通過調(diào)節(jié)該電壓控制器給定參考電壓值來改變無功輸出，使得電壓水平盡快恢復(fù)正常，并報告微電網(wǎng)協(xié)調(diào)Agent其相關(guān)信息;正常情況下，接受微電網(wǎng)協(xié)調(diào)或其他執(zhí)行級Agent的調(diào)壓任務(wù)執(zhí)行請求，并反饋相關(guān)執(zhí)行信息;

在緊急情況下，當(dāng)執(zhí)行級Agent按自治方式調(diào)節(jié)時，若該Agent所在的無功電壓控制設(shè)備達(dá)到安全運(yùn)行限值，但電壓水平還沒恢復(fù)至安全運(yùn)行范圍內(nèi)，則向微電網(wǎng)協(xié)調(diào)級Agent請求由其他執(zhí)行級Agent幫助完成任務(wù)［13］。

此外，執(zhí)行級Agent自身的電壓調(diào)節(jié)水平不應(yīng)受到其協(xié)調(diào)控制行為威脅，即確保該Agent的控制對象運(yùn)行在安全穩(wěn)定的運(yùn)行范圍內(nèi)。例如，發(fā)電機(jī)AVR的Agent在執(zhí)行任務(wù)時應(yīng)滿足以下限制:機(jī)端電壓在允許范圍內(nèi);輸出無功在允許范圍內(nèi);定轉(zhuǎn)子電流發(fā)熱在允許范圍內(nèi);發(fā)電機(jī)運(yùn)行在具有一定穩(wěn)定裕度的范圍內(nèi);AVR整定值一次調(diào)節(jié)增量在允許范圍內(nèi)［14］。

3.3 Agent結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制

根據(jù)上文所述各級Agent的功能及任務(wù)不同，其具體結(jié)構(gòu)也有所不同。為此分別設(shè)計微電網(wǎng)執(zhí)行級Agent及協(xié)調(diào)級Agent基本結(jié)構(gòu)如下。

(1)執(zhí)行級Agent

執(zhí)行級Agent的目標(biāo)是維持所控節(jié)點(diǎn)無功平衡、保持該節(jié)點(diǎn)電壓合格，控制該節(jié)點(diǎn)的無功功率和電壓。它由通信模塊、傳感器、決策模塊、規(guī)則庫、算法模塊、執(zhí)行模塊等組成［15］，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 微電網(wǎng)執(zhí)行級Agent結(jié)構(gòu)框圖

(2)協(xié)調(diào)級Agent

協(xié)調(diào)級Agent管理微電網(wǎng)中所有執(zhí)行級Agent，并綜合協(xié)調(diào)各執(zhí)行級Agent的電壓控制行為，使微電網(wǎng)的無功電壓維持在正常或優(yōu)化水平上，并有較為豐富的無功儲備。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 微電網(wǎng)協(xié)調(diào)級Agent結(jié)構(gòu)框圖

3.4 Agent控制策略

當(dāng)系統(tǒng)在正常情況下，控制系統(tǒng)是以實(shí)現(xiàn)全局的優(yōu)化控制為目標(biāo)，保持整個系統(tǒng)的電壓水平和良好的無功分布。在這種情況下，協(xié)調(diào)級Agent是控制的中心，采用優(yōu)化協(xié)調(diào)控制算法計算出各執(zhí)行級Agent的控制目標(biāo)，執(zhí)行級Agent接收控制命令，通過調(diào)節(jié)電壓控制器來保持無功電壓設(shè)備的端電壓。緊急情況下，附近的節(jié)點(diǎn)電壓出現(xiàn)異常，相關(guān)的執(zhí)行級Agent感知后以自治方式選擇快速反應(yīng)的控制算法，自我調(diào)節(jié)電壓控制設(shè)備的整定值，提升現(xiàn)地電壓水平，使該節(jié)點(diǎn)電壓迅速恢復(fù)。如果因為自身容量的限制，現(xiàn)地的自主控制不能使異常電壓完全恢復(fù)，那么立即發(fā)送協(xié)助調(diào)壓請求消息給協(xié)調(diào)級Agent，由協(xié)調(diào)級Agent進(jìn)行協(xié)調(diào)指揮，根據(jù)其他執(zhí)行級Agent的電壓控制能力依次選擇其他最有效的控制Agent協(xié)助完成調(diào)壓任務(wù)。當(dāng)檢測到本地或鄰近節(jié)點(diǎn)電壓異常時，執(zhí)行級Agent將以自治方式工作，快速調(diào)節(jié)電壓控制的整定值，改變控制設(shè)備的無功出力，以減輕系統(tǒng)電壓下降的趨勢［16］。

以發(fā)電機(jī)控制為例，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)無功出力是現(xiàn)有發(fā)電機(jī)的勵磁控制方式，使發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓為設(shè)定值。在這種方式中，一旦系統(tǒng)的輸電線發(fā)生意外，即使系統(tǒng)電壓降至電壓穩(wěn)定的臨界值，發(fā)電機(jī)也不能產(chǎn)生達(dá)到設(shè)備允許量的無功功率。當(dāng)發(fā)電機(jī)采用電壓控制A-gent自治方式執(zhí)行時，事實(shí)上相當(dāng)于高壓側(cè)控制。在傳統(tǒng)勵磁控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加額外補(bǔ)償控制。引入對無功電流的補(bǔ)償，控制輸電網(wǎng)高壓側(cè)的電壓為給定值。如果受控母線的電壓預(yù)定為Uref，則發(fā)電機(jī)端電壓Ug可控制為

式中:Xt為升壓變壓器電抗;Xdr為電壓隨無功電流變化斜率，Iq=Q/Vg。

這時，受控母線的實(shí)際電壓為U=Uref－XdrIq，則發(fā)電機(jī)端電壓控制的整定值應(yīng)控制為Uref=Ugobj/k+XdrIq，其中k為變壓器變比。

在電壓異常的情況下采用自治方式進(jìn)行控制可以充分利用發(fā)電機(jī)的無功功率裕度，保持輸電系統(tǒng)的送端電壓為一定值，從而減輕整個系統(tǒng)電壓下降的趨勢，提高電壓穩(wěn)定性［17］。

4 建模仿真分析

微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)包括孤網(wǎng)運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種狀態(tài)，以孤網(wǎng)運(yùn)行下的微電網(wǎng)電壓控制為例，模擬了孤網(wǎng)環(huán)境下微電網(wǎng)的電壓變化，以驗證基于多Agent技術(shù)的微電網(wǎng)電壓控制的思想。本節(jié)構(gòu)建了基本微電網(wǎng)模型以便進(jìn)行仿真研究。該模型可用于微電網(wǎng)可靠性和電壓控制研究，包括一個可控微電源、一個超級電容器、一定量的可變負(fù)荷以及適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測設(shè)備。

對微電網(wǎng)進(jìn)行二級電壓控制系統(tǒng)設(shè)計，首先應(yīng)該對所研究的模型進(jìn)行電壓控制區(qū)域的劃分，即確定各個Agent所掌握的節(jié)點(diǎn)范圍，從而保證對Agent的電壓調(diào)節(jié)不會導(dǎo)致另一Agent范圍內(nèi)的電壓失穩(wěn)。在綜合研究了多種Agent分區(qū)方案后，本文將所設(shè)計系統(tǒng)分成三個一級控制Agent及一個微電網(wǎng)協(xié)調(diào)級Agent(記為AG－M)。一級控制Agent分別控制可控微電源(記為AG－1)、超級電容器(記為AG－2)、可變負(fù)荷(記為AG－3)。仿真圖如圖5所示。

圖5 基于多Agent的微電網(wǎng)電壓控制模型

正常情況下，微電源能夠按照負(fù)荷的需求提供足夠的輸出功率以維持負(fù)荷電壓的穩(wěn)定。

當(dāng)微電源的輸出功率大于負(fù)荷所需功率時，AG－1檢測到自身輸出功率較多，不能得到完全消耗，于是向AG－M發(fā)出協(xié)助請求。AG－M接收到AG－1的協(xié)助請求后，綜合分析微電網(wǎng)內(nèi)的功率及電壓變化趨勢，向AG－2發(fā)出協(xié)助調(diào)壓指示，并向AG－1發(fā)出指令。AG－2在接到AG－M指令后開始執(zhí)行協(xié)助調(diào)壓任務(wù)，由AG－2范圍內(nèi)的超級電容開始充電，存儲能力。其充電過程如圖6所示。

在0.00～1.50s范圍內(nèi)，微電源輸出功率大于負(fù)荷所需，AG－2接收到上級Agent的協(xié)助調(diào)壓指令后超級電容器開始充電，存儲能量。

圖6 超級電容器充電過程

當(dāng)AG－3檢測到本地節(jié)點(diǎn)及線路上電壓的微小波動，即負(fù)荷略有增加的情況，它將通過調(diào)節(jié)自主地消除電壓波動，使節(jié)點(diǎn)電壓維持正常狀態(tài)，并將整個調(diào)節(jié)過程記錄到AG－3的數(shù)據(jù)庫中，如圖7所示。

圖7 正常情況下負(fù)荷電壓調(diào)節(jié)波形圖

故障情況下，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，電壓也發(fā)生變化，需要多Agent系統(tǒng)的調(diào)節(jié)來保證故障消除前系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。當(dāng)微電源發(fā)生C相單相接地短路時，AG－1檢測到自身監(jiān)控范圍內(nèi)的短路情況，由于短路瞬間無法消除，于是向AG－M發(fā)出協(xié)助調(diào)壓請求。AG－M接收到協(xié)助調(diào)壓請求后向AG－2發(fā)出協(xié)助調(diào)壓指令，超級電容器放電，以維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，并向AG－M發(fā)回任務(wù)協(xié)助信息，如圖8，圖9所示。

圖8 超級電容器放電波形

圖9 故障情況下負(fù)荷端電壓波形

由圖8可以看出:在2s時，微電源發(fā)生單相接地短路，超級電容器在接收到微電網(wǎng)協(xié)調(diào)級Agent的協(xié)助調(diào)壓請求后開始放電，以維持微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。由圖9可知，在超級電容器的補(bǔ)償作用下，負(fù)荷端電壓基本能夠維持在正常范圍內(nèi)，直至故障解除。

5 結(jié)論

從仿真結(jié)果可以看出，采用基于多Agent系統(tǒng)的微電網(wǎng)電壓控制系統(tǒng)能夠在系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)及受到各種程度擾動的緊急情況下，充分利用系統(tǒng)無功控制設(shè)備的無功儲備，迅速而有效地消除電壓波動，為系統(tǒng)電壓穩(wěn)定提供保證。這對提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性是非常有效的。

［1］丁明，羅魁，畢銳.孤島模式下基于多代理系統(tǒng)的微電網(wǎng)能量協(xié)調(diào)控制策略［J］.電力系統(tǒng)及其自動化，2013，37(5):1－8.

［2］魯宗相，王彩霞.微電網(wǎng)研究綜述［J］.電力系統(tǒng)及其自動化，2007，31(19):100－106.

［3］蘇玲，張建華，王利，等.微電網(wǎng)相關(guān)問題及技術(shù)研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(19):235－239.

［4］楊琦，馬世英，李勝，等.微型電網(wǎng)運(yùn)行及控制設(shè)計［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2011，26(1):267－273.

［5］時珊珊，魯宗相，閔勇，等.微電源特性分析及其對微電網(wǎng)負(fù)荷電壓的影響［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34(17):68－71.

［6］盛鹍，孔力，齊智平，等.新型電網(wǎng)——微電網(wǎng)(Micro grid)研究綜述［J］.繼電器，2007，35(12):75－81.

［7］魯斌，衣楠.孤島模式下微電網(wǎng)自趨優(yōu)分布式無功電壓控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動化，2014，38(9):218－225.

［8］羅艷.基于MAS的地區(qū)電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化控制策略研究［D］.北京:華北電力大學(xué)，2006.

［9］張曄.基于多Agent系統(tǒng)的二級電壓協(xié)調(diào)控制研究［D］.浙江:浙江大學(xué)，2006.

［10］章健，艾芊，王新剛.多代理系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)及其自動化，2008，32(24):80－82.

［11］陳策，劉俊勇.基于多Agent的地區(qū)電壓無功控制［J］.四川電力技術(shù)，2006，29(2):5－9.

［12］謝清華.基于 Multi－Agent的微網(wǎng)電壓控制技術(shù)研究［D］.北京:華北電力大學(xué)，2009.

［13］盛戈暤，涂光瑜，羅毅，等.基于多Agent的二級電壓控制系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2002:20－25.

［14］蔡雄.基于多智能體的二級電壓控制系統(tǒng)［D］.廣州:廣東工業(yè)大學(xué)，2005.

［15］趙麗平.基于Multi－agent的電能質(zhì)量監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2006.

［16］盛戈暤，江秀臣，范習(xí)輝，等.基于多Agent的二級電壓控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及性能分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2005:20－25.

［17］許碧峰.二級電壓控制策略的研究［D］.南京:東南大學(xué)，2006.