基于M ulti-Agent自适应/协调控制的智能电网

唐忠，郭威

（上海电力学院计算机与信息工程学院，上海 200090）

随着我国1 000 kV特高压主干电网的建设和投入运行，大区域联网使得电力系统成为更复杂、可靠性要求更高的系统.日益耗尽的化石燃料和不断加剧的温室效应，使得发展风力发电、光伏发电等可再生能源发电技术成为不可逆转的趋势，处于配电侧的分布式发电要求与输电侧通过控制中心统一调配，并与需求侧响应.通信与信息处理技术的发展使得电力运行时的资源优化配置成为可能.非线性电力设备以及电网扰动严重影响了计算机和电子设备的正常工作，迫切要求更高级的电力电子技术和控制技术来解决电能质量问题.智能电网作为大区域联网安全、分布式发电集成、电力市场优化配置与电能质量等问题的电力解决方案，受到了国内外广泛的关注.

本文从智能电网的定义出发，介绍了智能电网自愈性、用户互动性，以及优质的电能质量、可再生能源方便接入、成熟的电力市场和资产优化管理等5个关键特征，并在此基础上深入探讨了智能电网所需的7大关键技术及其研究进展，提出了基于Multi-Agent的自适应/协调控制，有效地解决了分布式发电与大电网的集成问题，其高级的电力电子技术与控制策略是保证电能质量与大电网稳定的有效手段，先进的决策技术是提高电网资产利用效率的有效方法.

1 智能电网的特征

到目前为止，智能电网并没有一个统一的定义.由美国电力科学研究院开展的IntelliGrid项目提出未来电力系统是一个融合电力输送能源基础设施和信息基础设施的能源系统，其核心是推动电力工程、通信和信息技术的集成.欧洲各国则更强调分布式可再生能源发电与大型集中式发电厂的集成［1，2］.

智能电网包括以下5个关键特征［3］.

（1）自愈性能够实时掌控电网的运行状态，及时发现、快速诊断及消除故障隐患;在尽量少的人工干预下，快速隔离故障、自我恢复，避免了大面积停电的发生.

（2）用户互动性实现了与客户的智能互动，以最佳的电能质量和供电可靠性满足客户需求;通过与智能控制中心的交互，客户能够参与到电力交易中来.

（3）优质的电能质量通过高级的电力电子技术以及控制技术，解决了与频率和电压相关的各种电能质量问题，满足了电子设备、计算机等高精密仪器的正常工作.

（4）可再生能源的接入和分布式储能通过运用微电网技术和电能变化技术，将可再生能源发电和分布式储能融为一体，以提供分布式发电的“即插即用”式的方便接入和退出.

（5）成熟的电力市场和资产优化管理通过电力市场将电力系统的运行需求与用户需求紧密联系起来，为电力市场的所有参与者提供公平竞价的机会.同时，通过对电网资产运行状态的在线监测和潮流控制，提高电力设备的使用效率.

图1 含分布式发电的4层Agent结构

2 智能电网的关键技术

本文提出的基于Multi-Agent的自适应/协调控制，是智能电网体系建立的基础，是针对大区域联网所产生的能源间断、大电网稳定性问题的新型控制方法，其含分布式发电的输电、配电网的4层Agent结构如图1所示.

基于Multi-Agent的自适应/协调控制的智能电网包括以下7项关键技术.

2.1 网络拓扑结构

灵活的网络拓扑结构是指在含分布式电源的配电网中，通过先进的配电网重构算法，使系统在经历故障时，将故障影响局限在最小范围，并能迅速通过其他连接恢复对其他部分的供电.

配电网供电恢复是一个多目标、多阶段、多约束的非线性优化问题，在满足恢复后配电网连通性和辐射状、馈线不过载等条件下，实现开关操作次数最小、恢复负荷最多、馈线容量裕度最大等目标，提出最优的开关操作方案.常用的配电网供电恢复算法包括启发式搜索算法、模糊评估算法、遗传算法、专家系统方法、模拟退火算法、多Agent系统理论和基于图论的方法，以及上述算法的组合［4］.

未来智能电网的发展将伴随着分布式能源的系统集成，因此基于Multi-Agent的分布协调/自适应控制可以很好地适应电力系统向分布化和层次化发展的需求，提出了基于上级电网Agent，以及微电网Agent和元件Agent组成的3层多代理控制系统，解决了配电网供电恢复非线性优化问题所产生的“组合爆炸”问题，其具有以下优点：

（1）不受干扰的情况下自行控制元件运行，并可根据知识系统和外界环境的情况进行推理和规划，以解决自身领域内的各类问题;

（2）可与其他实体通信，并协调合作解决复杂问题;

（3）针对每个微电网元件和每个Agent都可以制定不同的控制策略，从而使对每个元件的控制达到最优.

2.2 集成能量管理和通信体系

在系统中安放大量的传感器并将它们连接到一个安全的通讯网中，使分布式计算设施与自动化设备在统一的通信标准上进行互联.集成能量管理和通信体系（IECSA）对可重用的体系组件和一个公共的接口集，以及用于执行能源企业和工业级应用的语言［5］进行了定义.通过对业务需求的分析，IECSA将电力系统抽象为6个业务领域：市场运作、输电、配电、客户服务、主发电和分布式能源，并在此基础上建立了20个IECSA环境.这些IECSA环境考虑了变电站、调度控制中心、现场设备、发电厂、客户、分布式能源控制中心和外部业务关联单位之间的通信需求，同时也考虑了变电站、控制中心、发电厂和客户内部的通信需求.每一个IECSA环境实际上是一组具有共性的电力系统需求，包括配置需求、服务质量需求、安全需求和数据管理需求4个方面.针对这4类需求，IECSA给出了严格的语言描述或定量定义.

因此，IECSA的通信标准与框架模型的架构可以满足智能电网分布式与集成式两种方式的要求.

2.3 系统快速仿真与模拟

系统快速仿真与模拟（FSM）是通过分布式的智能网络代理（Intelligent Network Agents，INAs）来实现跨地理边界和组织边界的智能控制，它能提供实时的状态估计，用于安全监视、评估与优化，还能提供比实时更快的预测仿真［6，7］.分布式的智能网络可以代理收集和交流系统信息，并对局部控制做出决策，同时根据整个系统要求协调这些决策.

目前，实现快速仿真的预测方法有两个研究方向：一是静态模型和动态特性相结合的分析计算;二是基于信号分析的实时直接测量推算.两者都要求具有较高的数据交换速度和测量信号精度.在诸多研发项目中，美国OSIsoft公司设计的实时性能管理（Realtime Performance Management，RtPM）已初见成效.

2.4 分布式发电技术

分布式电源（DG）的种类主要包括太阳能光伏发电、风力发电、燃料电池，以及储能装置等.与电网发电不同，分布式电源可以视为直接由用户控制虚拟负荷分布式发电设备的启停.即使接入配电系统，也可不参与自动发电的控制，甚至可以在配网侧安装逆功率继电器，使其在正常状况下不向电网注入功率［8，9］.

由于DG在配电网上为任意潮流，其自身的特点将对电网产生以下影响.

（1）分布式发电使得原来简单的单电源辐射网络变成复杂的多电源网络，导致原有的配电网馈线保护出现灵敏度低、拒动、误动等一系列问题.含有DG的配网保护主要包括3种策略：一是采用综合电流幅值比较法，借助判定矩阵搜索故障区段的关联区域［10］;二是基于孤岛检测方法在反孤岛前提下实现计划孤岛方案［11］;三是采用基于多智能代理的分布式智能保护系统［12，13］.

（2）分布式发电容易引起系统电压和频率的偏差，产生电压波动和闪变等电能质量问题.因此应该在配电侧对应加入DFACTS设备，包括有源电力滤波器、静止无功补偿器、静止同步补偿器、动态电压恢复器、统一电能质量补偿器、超导蓄能器和电池蓄能器等.

（3）分布式发电具有分布自主和不确定因素等诸多特点，很难采用集中管理.具有分布式问题求解特点的MAS技术，是解决该微电网问题的有效途径.

2.5 高级计量体系

高级计量体系（AMI）是由安装在用户侧的智能电表，位于电力公司内的计量数据管理系统（MDMS）和通讯系统，以及用户住宅内的室内网络（HAN）组成的［14，15］.

智能电表可以同时实现多种计量，支持双向通信功能和远程控制，并可以作为通向HAN的网关，为用户提供实时电价和用电信息，从而实现室内用电装置的负荷控制，达到需求侧管理的目的.

智能电表内置可编程的数据采集模块、双向通信模块，以及基于ARM平台的新型负荷管理终端，通过双向通信网络将量测的大量数据存储在量测数据管理系统中，并通过该系统分析和管理用户的计量计费信息，还负责与配电网控制中心和用户侧其他系统的接口，为智能电网的决策运行和需求侧管理提供基础数据支持.AMI的通信信道包括本地通信和远程通信两种，其通信方式包括光纤、230 MHz专网、电力线宽带和窄带载波通信、GPRS/CDMA及小功率无线通信等.

HAN是一种在用户家庭内连接各种数字设备的局域网，如智能电表、智能温度控制器、开关等，其通信方式主要是无线宽带，经过路由器与因特网连接.关于HAN采用何种通信标准尚未达成统一，欧洲倾向于通用分组无线电业务（GPRS），美国则倾向于W iMax.

2.6 高级电力电子技术

高级电力电子技术在发电领域的应用包括基于双馈感应发电机的变速风电机组，基于永磁同步发电机的变速风电机组，以及太阳能发电中的逆变器等;在输电领域的应用包括高压直流输电、基于电压源换流器的柔性直流输电，以及柔性交流输电等;在配电领域的应用包括用户电力技术和DFACTS［15，16］.

目前，我国电力电子技术的主要研究方向有：全控电力电子器件以及大功率变流器的制造;电力电子全数字化控制技术;系统控制软件技术等.

2.7 综合决策支持系统

综合决策支持系统包括电网各控制点之间以及供需互动有关控制结点之间，为交互方便和安全保密所提供的可视化技术、加密技术和门户管理等.它可以通过高级应用软件，在正常、紧密和恢复状态下，向供需双方提供基于知识的综合决策支持.综合智能电网对决策支持与控制技术有以下4个要求［16］：一是快速负荷和气象预测技术;二是快速安全稳定计算方法、判据和控制策略;三是快速仿真和建模;四是超短期潮流分析及故障定位.

综合决策系统需要处理海量的数据，而本文提出的基于Multi-Agent的分布协调控制是海量数据的分布式处理，可以克服计算机设备的限制，将成为未来综合决策支持系统的基础.

3 结论

（1）基于Multi-Agent的分布协调/自适应控制可以满足灵活的网络拓扑控制需求，实现电网自愈，也可以实现系统快速模拟与仿真，是分布式电源灵活接入与综合决策支持系统的基础.

（2）智能电网IECSA通信标准和智能电表通信标准有待尽快统一.

（3）全控电力电子器件及大功率变流器、电力电子全数字化控制技术，以及系统控制软件，仍需要进一步研究与开发.

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（编辑白林雪）