李中雷 宋蕙慧 曲延濱

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）信息與電氣工程學(xué)院 山東 威海 264209）

1 引言

近年來(lái)隨著全球環(huán)境和能源問(wèn)題的日益突出，大力發(fā)展可再生能源發(fā)電成為解決環(huán)境和能源問(wèn)題的有效途徑。由于分布式發(fā)電技術(shù)具有投資小，清潔環(huán)保，供電可靠和發(fā)電方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，它作為利用可再生能源的理想形式得到了快速發(fā)展[1]。然而，隨著分布式電源滲透率的提高，其間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了很大影響。另外，分布式電源相對(duì)大電網(wǎng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)不可控源，因此大電網(wǎng)往往采取限制、隔離的方式來(lái)處置分布式電源，以期減小其對(duì)大電網(wǎng)的沖擊。IEEE P1547 對(duì)分布式能源的入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)做了規(guī)定：當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，分布式電源必須馬上退出運(yùn)行。這就大大限制了分布式能源效能的充分發(fā)揮。為協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式電源間的矛盾，充分挖掘分布式能源為電網(wǎng)和用戶所帶來(lái)的價(jià)值和效益，在本世紀(jì)初，學(xué)者們提出了微電網(wǎng)的概念[2]。

微電網(wǎng)將分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能及控制裝置結(jié)合在一起，形成一個(gè)統(tǒng)一自治的可控小型發(fā)配電系統(tǒng)，能有效解決大電網(wǎng)與分布式電源間的矛盾，推動(dòng)分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展[3]。微電網(wǎng)技術(shù)為大規(guī)模分布電源應(yīng)用提供了一種有效方法，是新型電力電子技術(shù)、分布式發(fā)電、可再生能源發(fā)電技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)的綜合。微電網(wǎng)正常時(shí)通過(guò)變壓器并網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)微電網(wǎng)從公共連接點(diǎn)脫離后，它本身至少可給其中一部分負(fù)荷提供電能，運(yùn)行于孤島狀態(tài)[4]。目前電力公司一般不允許電網(wǎng)無(wú)計(jì)劃孤島運(yùn)行和自動(dòng)同步，主要基于人和設(shè)備安全考慮。然而，微電網(wǎng)可以孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行，能在兩者之間平滑切換，從而充分利用微電網(wǎng)中的分布式電源[5,6]。

文獻(xiàn)[7]提出了一種由中央控制 agent 和設(shè)備agent 組成的2 層結(jié)構(gòu)的MAS，并設(shè)計(jì)了含有分布式電源的主動(dòng)配電網(wǎng)的孤島運(yùn)行控制器。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于多代理技術(shù)的正常狀態(tài)下電力系統(tǒng)維護(hù)線路的倒閘操作的方法。文獻(xiàn)[9]提出了一種用于配電系統(tǒng)故障恢復(fù)的分布式結(jié)構(gòu)的MAS 系統(tǒng)。并對(duì)示例網(wǎng)絡(luò)的幾種故障進(jìn)行了供電恢復(fù)分析。但agent 動(dòng)作仍需要RD-BA 的集中控制，并不是完全分布式的結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[10]分析了幾種典型的控制結(jié)構(gòu)，并為帶有高滲透率分布式發(fā)電的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)分層控制結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[11]分析了微電網(wǎng)分散控制和集中控制各自的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合兩種控制方法基于多代理技術(shù)提出了一種具有兩層控制結(jié)構(gòu)的分散協(xié)調(diào)控制策略用以維護(hù)運(yùn)行于孤島狀態(tài)的微電網(wǎng)受到外界擾動(dòng)時(shí)的電壓穩(wěn)定。

微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，主網(wǎng)向微電網(wǎng)內(nèi)注入功率維持微電網(wǎng)內(nèi)部功率的平衡，保持其穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)微電網(wǎng)突然進(jìn)入孤島狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，會(huì)造成微電網(wǎng)的功率缺額。若不及時(shí)處理使供需達(dá)到平衡狀態(tài)，會(huì)使微電網(wǎng)不能穩(wěn)定運(yùn)行，造成對(duì)區(qū)域內(nèi)重要負(fù)荷供電的中斷。本文提出一種完全分布式的MAS來(lái)解決微電網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行所引起的功率缺額問(wèn)題，盡量保持對(duì)區(qū)域內(nèi)重要負(fù)荷的供電，還可根據(jù)分布式發(fā)電的具體情況恢復(fù)對(duì)一部分已斷電負(fù)荷的供電。該MAS 不需要對(duì)agent 進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，每個(gè)agent 都可以依據(jù)自己所掌握的信息獨(dú)立動(dòng)作。仿真結(jié)果表明，本文提出的MAS 能快速的穩(wěn)定微電網(wǎng)的孤島狀態(tài)維持對(duì)區(qū)域內(nèi)重要負(fù)荷的供電。

2 負(fù)荷恢復(fù)供電數(shù)學(xué)模型

電網(wǎng)在一些不可預(yù)見(jiàn)的事故發(fā)生后可能會(huì)造成智能電網(wǎng)中的微電網(wǎng)突然孤島運(yùn)行，在這種情況下電網(wǎng)運(yùn)行人員首先考慮的是微電網(wǎng)能夠繼續(xù)可靠地運(yùn)行，維持微電網(wǎng)內(nèi)的重要負(fù)荷的穩(wěn)定供電，并盡可能多的恢復(fù)已斷電負(fù)荷的供電。在這種情況下，并不關(guān)心系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。因此可采用電流近似代替功率的方法，以電流代替負(fù)荷的功率來(lái)估算系統(tǒng)的潮流。

本文從微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的角度考慮，采用的負(fù)荷恢復(fù)目標(biāo)函數(shù)為

式中，Si為第i個(gè)負(fù)荷的功率，本文中用電流代替；xi為第i個(gè)負(fù)荷連接狀態(tài)（xi=0 表示負(fù)荷與電網(wǎng)連接，xi=1 表示負(fù)荷與電網(wǎng)斷開(kāi)）；λi為第i個(gè)負(fù)荷的加權(quán)系數(shù)，表示負(fù)荷的重要等級(jí)；N為系統(tǒng)中的負(fù)荷數(shù)量。

本文采用文獻(xiàn)[7]中的常規(guī)約束條件：

容量約束

式中，Cj為母線j能夠提供的最大功率；Bj為從母線j獲得電能的支路集合；Pi為母線j流入支路i的功率。

支路功率約束

式中，Pi為支路i中功率值；Pimax為支路i允許流動(dòng)的最大功率。

有功功率平衡約束

式中，Tj為向母線j供電的支路集合；Bj為從母線j獲得電能的支路集合；Sj為與母線j連接的負(fù)荷；xj為負(fù)荷Sj的狀態(tài)變量。

4）不包括DG時(shí)的輻射狀供電約束。

式中，Tj為向母線j供電的支路集合；yj為支路j的狀態(tài)變量。

3 微電網(wǎng)孤島緊急協(xié)調(diào)控制MAS 結(jié)構(gòu)

3.1 協(xié)調(diào)控制MAS 的結(jié)構(gòu)

圖1為一個(gè)包含兩個(gè)DG 的小型微電網(wǎng)系統(tǒng)。帶箭頭的線段表示負(fù)荷；負(fù)荷下方數(shù)字表示功率；電源下方P 值表示此時(shí)發(fā)出的功率值；R 表示可調(diào)功率的范圍，線路上的數(shù)值表示潮流值。該微電網(wǎng)由3 條母線、3 條輸電線路、9 個(gè)開(kāi)關(guān)、一個(gè)儲(chǔ)能裝置、2 個(gè)DG 和2 個(gè)負(fù)荷組成。AC1 是微電網(wǎng)與主網(wǎng)的連接線，PCC（Point of Common Coupling）是公共連接點(diǎn)，主網(wǎng)和微電網(wǎng)之間通過(guò)PCC 進(jìn)行能量交換。

圖1 微電網(wǎng)Fig.1 Microgrid

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)是一個(gè)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，呈放射狀結(jié)構(gòu)分布，潮流的方向是單向的。DG 的接入使無(wú)源電網(wǎng)變?yōu)橛性措娋W(wǎng)，DG 注入到電網(wǎng)中的有功功率和無(wú)功功率將改變電網(wǎng)潮流的分布。如圖2所示，當(dāng)PG

圖2 功率流動(dòng)示意圖Fig.2 Scheme of power flow

由于DG 的接入對(duì)電網(wǎng)的影響，本文采用一種由公共連接點(diǎn)智能體（PCC agent，PA）和母線智能體（bus agent，BA）組成的完全分布式MAS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)孤島后維持重要負(fù)荷供電的功能，如圖3所示。該MAS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是完全分布式的，因此不受網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響，該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性與靈活性。與集中式的方法不同，該控制系統(tǒng)沒(méi)有中央控制器，不存在單點(diǎn)故障問(wèn)題，具有很強(qiáng)的魯棒性。

圖3 多代理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Architecture of the MAS

MAS 中每個(gè)agent 只掌握本地的信息，PA 掌握PCC 的相關(guān)信息，BA 掌握的信息包括母線的狀態(tài)，連接在該母線上的DG 和負(fù)荷的參數(shù)，可控開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷狀態(tài)，與該母線連接的線路信息等。每個(gè)agent只能控制連接在該母線上的 DG 和母線附近的開(kāi)關(guān)，例如BA3 控制的是開(kāi)關(guān)S5，S8，S9 及DG2。每個(gè)agent 均可以與相鄰agent 進(jìn)行信息交互且具有一定的自治性。

MAS 系統(tǒng)中每個(gè)agent 都不具有獨(dú)立完成控制目標(biāo)的能力，單個(gè)agent 如果只依靠自己所掌握的信息不進(jìn)行信息交流就不足以做出正確的動(dòng)作，所以需要與其他agent 進(jìn)行通訊。因此需要制定相應(yīng)的通訊機(jī)制，確保每個(gè)agent 都可以與區(qū)域內(nèi)其他任何一個(gè)agent 進(jìn)行信息交互。本文采用了一種遞進(jìn)式的信息通訊方式現(xiàn)舉例說(shuō)明。當(dāng)BA2 在系統(tǒng)中搜尋DG2 的信息，BA2 本身沒(méi)有DG2 的信息，向BA1 查詢信息。BA1 收到BA2 的查詢消息后，BA1本身沒(méi)有DG2 的信息，BA1 會(huì)繼續(xù)發(fā)送查詢消息給BA3 直到查詢到所需要的信息，查詢結(jié)束，并向BA2回復(fù)DG2 的信息。

3.2 MAS 協(xié)調(diào)控制策略

當(dāng)微電網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行時(shí)，以原來(lái)與電網(wǎng)相連的BA 為主agent 稱作M—BA 來(lái)調(diào)配其他BA 共同完成負(fù)荷恢復(fù)工作。孤島發(fā)生后PA 根據(jù)微電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)線路上的潮流流向判斷，若功率由主網(wǎng)流向微電網(wǎng)則發(fā)送“啟動(dòng)”消息至 M—BA，通知其開(kāi)始工作。M—BA 收到“啟動(dòng)”消息后收集微電網(wǎng)內(nèi)的信息，包括微電網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)能裝置狀態(tài)，負(fù)荷的信息以及DG 的功率狀況。MAS 協(xié)調(diào)控制策略分為兩個(gè)階段：

第一階段是維持對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷的持續(xù)供電。因?yàn)閮?chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)的速度較快可迅速增大輸出功率滿足區(qū)域內(nèi)重要負(fù)荷的功率需求，所以該階段的控制策略是以消息傳遞的方式搜尋儲(chǔ)能裝置使其增加輸出功率從而達(dá)到對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷持續(xù)供電的目的。其控制過(guò)程如圖4所示。M—BA 根據(jù)所收集的信息以微電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)由主網(wǎng)流向微電網(wǎng)的功率為目標(biāo)發(fā)出“請(qǐng)求”消息，經(jīng)過(guò)區(qū)域內(nèi)BA 的層層傳遞直到搜尋到可用的儲(chǔ)能裝置，在搜尋到可用的儲(chǔ)能裝置后BA 根據(jù)所請(qǐng)求的功率和支路約束條件運(yùn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)。當(dāng)BA 收到“請(qǐng)求”消息時(shí)，將遵循支路約束條件，利用所請(qǐng)求的功率值和該BA的局部信息對(duì)消息內(nèi)容進(jìn)行修改，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)“請(qǐng)求”消息直到滿足功率需求或無(wú)可請(qǐng)求的BA 為止。

搜尋過(guò)程結(jié)束后更新消息內(nèi)容并轉(zhuǎn)發(fā)至M—BA，如果不滿足負(fù)荷的要求則要進(jìn)行負(fù)荷的卸載，通知相應(yīng)BA 執(zhí)行卸載操作。其中修改規(guī)則為：將所收到“請(qǐng)求”消息中的功率值與該母線連接的儲(chǔ)能系統(tǒng)所增加的輸出功率相減得到差值作為新的請(qǐng)求功率值。

第二階段是增加DG 輸出功率替換儲(chǔ)能系統(tǒng)增加的輸出功率，如DG 的備用容量比儲(chǔ)能系統(tǒng)增加的輸出功率值大則可以恢復(fù)已斷電的負(fù)荷。雖然儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快，但由于其容量限制并不能對(duì)微電網(wǎng)的負(fù)荷持續(xù)供電。微電網(wǎng)進(jìn)入孤島狀態(tài)后，首先通過(guò)增加儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的功率暫時(shí)向重要負(fù)荷供電，維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。然后通過(guò)增加DG的輸出功率長(zhǎng)時(shí)間維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行并盡可能恢復(fù)已斷電負(fù)荷。其控制過(guò)程如圖5所示。M—BA

圖4 第一階段控制過(guò)程Fig.4 First stage of control procedure

圖5 第二階段控制過(guò)程Fig.5 Second stage of control procedure

依據(jù)第一階段收到的消息內(nèi)容中儲(chǔ)能系統(tǒng)增加輸出的功率和可調(diào)DG 可增加輸出功率的大小作比較，根據(jù)比較結(jié)果以不同的功率值為目標(biāo)發(fā)出“請(qǐng)求”消息（若儲(chǔ)能增加的輸出功率大于可調(diào)DG 可以增加輸出的功率以儲(chǔ)能發(fā)出功率作為目標(biāo)，儲(chǔ)能增加輸出的功率小于可調(diào)DG 可增加輸出的功率以總功率作為目標(biāo)），經(jīng)過(guò)BA 的層層傳遞直到搜尋到可調(diào)節(jié)功率的DG，在搜尋到可調(diào)DG 后，BA 根據(jù)所請(qǐng)求的功率值和支路約束條件增大可調(diào)DG 的功率輸出。當(dāng)BA 收到“請(qǐng)求”消息時(shí)，將遵循支路約束條件，利用所請(qǐng)求的功率值和該BA 的局部信息對(duì)消息內(nèi)容進(jìn)行修改，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)“請(qǐng)求”消息直到滿足功率需求或無(wú)可請(qǐng)求的BA 為止。

搜尋過(guò)程結(jié)束后更新消息內(nèi)容并轉(zhuǎn)發(fā)至M—BA，如果以儲(chǔ)能發(fā)出功率作為目標(biāo)則需要進(jìn)一步進(jìn)行負(fù)荷卸載，如果以總功率為目標(biāo)則以可調(diào)DG 增加輸出的功率與儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)出功率的差值恢復(fù)已斷電負(fù)荷。其中修改規(guī)則為：將所收到“請(qǐng)求”消息中的功率與該母線連接的DG 所增加輸出的功率相減得到的差值作為新的請(qǐng)求功率值。

4 仿真結(jié)果

本文采用的測(cè)試系統(tǒng)如圖6所示。該微電網(wǎng)由6 條母線、6 條輸電線路、21 個(gè)開(kāi)關(guān)、3 個(gè)DG、2個(gè)儲(chǔ)能裝置和6 個(gè)負(fù)荷組成。負(fù)荷供電的優(yōu)先級(jí)由L1 至L6 依次增大。本文以JADE 為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用JAVA 語(yǔ)言設(shè)計(jì)MAS。

圖6 示例系統(tǒng)Fig.6 Example system

某一時(shí)刻，PCC 斷開(kāi)與主網(wǎng)的連接，微電網(wǎng)與主網(wǎng)之間不再有功率交換進(jìn)入孤島狀態(tài)。Agent 之間的通訊協(xié)商過(guò)程如圖7所示。

當(dāng)微電網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，PA 根據(jù)其并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)與主網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線的功率大小和方向判斷微電網(wǎng)的電力需求為8 個(gè)單位。PA 發(fā)送“啟動(dòng)”消息至M—BA，后者收到“啟動(dòng)”消息后收集微電網(wǎng)內(nèi)的信息。

圖7 通訊過(guò)程Fig.7 Communication process

根據(jù)圖7中的消息2—11，M—BA 訪問(wèn)微電網(wǎng)內(nèi)所有BA。通過(guò)所收集到的信息確定區(qū)域內(nèi)有可用儲(chǔ)能，開(kāi)始進(jìn)行第一階段的控制。M—BA 發(fā)送“請(qǐng)求”消息至其他BA，增大區(qū)域內(nèi)儲(chǔ)能裝置的輸出功率滿足區(qū)域內(nèi)重要負(fù)荷的功率需求。圖7中消息12 為M—BA 發(fā)送“請(qǐng)求”消息至BA2，請(qǐng)求8 個(gè)單位的功率。BA2 根據(jù)本文所提出的控制策略使與母線2 連接的儲(chǔ)能裝置1 增加輸出3 個(gè)單位的 功率并修改“請(qǐng)求”消息。消息13 為BA2 轉(zhuǎn)發(fā)“請(qǐng)求”消息至BA3，請(qǐng)求5 個(gè)單位的功率。BA3 使儲(chǔ)能裝置2 增加輸出2 個(gè)單位的功率并修改“請(qǐng)求”信息。消息14—16 為BA3 發(fā)送“請(qǐng)求”消息和BA2得到“回復(fù)”消息的部分，消息17—21 為BA2 繼續(xù)搜尋儲(chǔ)能裝置及M—BA 得到“回復(fù)”消息的部分。M—BA 得到“回復(fù)”消息后，由于還存在 3個(gè)單位的功率缺額，因此依照負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)，L1 被選擇卸載，以滿足功率的平衡，維持微電網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷的供電，第一階段的控制結(jié)束。

第一階段的控制結(jié)束后立即開(kāi)始第二階段的控制。M—BA 根據(jù)第一階段收到的消息內(nèi)容得知儲(chǔ)能系統(tǒng)增加輸出5 個(gè)單位的功率，可調(diào)DG 可增加輸出4 個(gè)單位的功率。所以以儲(chǔ)能系統(tǒng)增加輸出的5個(gè)單位的功率為目標(biāo)發(fā)送“請(qǐng)求”消息。圖7中消息22—24 為M—BA 發(fā)送“請(qǐng)求”消息并經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)至BA5，請(qǐng)求5 個(gè)單位的功率。BA5 根據(jù)本地信息使DG2 增加輸出1 個(gè)單位的功率并修改“請(qǐng)求”消息。消息27—28 為BA2 發(fā)送“請(qǐng)求”消息至BA4和BA6，BA4 和BA6 使DG1 和DG3分別增加輸出2 個(gè)單位和1 個(gè)單位的功率。消息29—31 為搜尋DG 過(guò)程結(jié)束后將更新后的消息內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)至M—BA的部分。M—BA 得到“回復(fù)”消息后，由于還存在1 個(gè)單位的功率缺額，因此依照負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)，L2被選擇卸載，第二階段控制結(jié)束。微電網(wǎng)進(jìn)入穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文針對(duì)微電網(wǎng)由并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)的情況，提出一種完全分布式的MAS 來(lái)解決微電網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行時(shí)對(duì)區(qū)域內(nèi)重要負(fù)荷持續(xù)供電的問(wèn)題。根據(jù)微電網(wǎng)具有分布特性及大量控制數(shù)據(jù)的情況，該MAS 采用了完全分布式的結(jié)構(gòu)，不僅受網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響很小而且具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和魯棒性。本文提出的MAS 增強(qiáng)了微電網(wǎng)進(jìn)入孤島狀態(tài)時(shí)對(duì)負(fù)荷供電的可靠性，使微電網(wǎng)進(jìn)入孤島狀態(tài)時(shí)更加安全穩(wěn)定。

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