基于IEC61850的多代理系统在微电网运行控制中的应用

郝雨辰，吴在军，窦晓波，胡敏强，李 桃，赵 波

（1.东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096；2.江苏省电力设计院，江苏 南京 211102；3.浙江省电力试验研究院，浙江 杭州 310014）

0 引言

微电网将一定区域内分散的分布式发电系统组织起来形成一个能源网络化供应系统，既可独立运行，也可通过公共连接点PCC（Point of Common Coupling）直接与低压配电网连接，与大电网互为支撑，能满足用户对电能安全、稳定和多样化的需要[1-4]。

目前微电网的控制方式主要包括主从控制、对等控制和基于多代理（multi-Agent）系统的控制[4-6]，其中multi-Agent系统的分布性和智能性符合微电网的特点，因此被广泛用于微电网的运行控制中。基于统一信息模型的代理（Agent）之间的通信是multi-Agent系统实现的关键。IEC61850作为电力公用事业通信网络与系统的国际标准为电力系统无缝通信奠定了基础，但将其应用于微电网的研究尚不多见。

文献[7-8]提出将multi-Agent系统和IEC61850用于变电站的广域后备保护和信息一体化平台的设计中。文献[9-13]介绍了multi-Agent系统和IEC61850的兼容方法：文献[9]提出将IEC61850中的逻辑节点直接视为Agent；文献[10]指出根据Agent的功能变化动态分配相应的逻辑节点；文献[11-13]研究multi-Agent系统的分层结构与IEC61850逻辑模型的融合，并直接依靠后者的底层通信。上述方法虽一定程度上解决了multi-Agent系统与IEC61850之间的兼容问题，但弱化了multi-Agent系统的协商合作功能。

本文针对微电网复杂的运行控制问题，研究IEC61850和multi-Agent系统方法在微电网中的适用性以及两者之间的兼容，特别是IEC61850的信息模型向Agent通信语言ACL（Agent Communication Language）的映射方法，使此信息模型成为Agent之间通信的统一参考，满足微电网运行过程中各单元Agent之间合作信息的统一性和互操作性，实现微电网的经济稳定运行。

1 微电网模型

图1为本文所建微电网模型结构图，包括微型燃气轮机MT（Micro Turbine）、质子交换膜燃料电池PEMFC（Proton Exchange Membrane Fuel Cell）、光伏PV（PhotoVoltaic）电池、蓄电池等分布式电源和储能单元。微型燃气轮机具有运行效率高、能量体积比大、输出功率可控等优点[14-15]，在微电网独立运行模式下，作为U/f控制的稳压电源；质子交换膜燃料电池具有启动迅速、输出功率可调节的特点[16]，在微电网系统中作为PQ控制的功率电源；光伏电池输出受环境因素影响较大，通常工作在最大功率点跟踪MPPT（Maximum Power Point Tracking）[17]状态。各单元通过电力电子变换装置接入220 V交流母线，整个微电网系统通过电力电子断路器与低压配电网连接。

图1 微电网模型结构图Fig.1 Structure of microgrid model

2 微电网中IEC61850与multi-Agent系统的兼容

微电网的稳定运行、与配电网的协同控制以及多源信息平台的构建，需要实现不同厂商设备的互联互通，multi-Agent系统方法作为分布式控制和人工智能的产物提供了技术上的保证；IEC61850是一套完整的基于通信的电力自动化功能建模规范，提供了有力的理论支撑。

2.1 基于IEC61850的微电网信息模型

IEC61850最初是为解决变电站内不同厂商的智能电子设备的互操作和系统集成而制定的[18-19]，如今已衍生到电力系统的各个领域。

IEC61850-7-420定义了与分布式能源有关的逻辑设备和逻辑节点[20]，包括燃料电池、光伏电池、热电联产、蓄电池等分布式电源和储能装置，整流器、逆变器等电力电子接口，以及与系统运行相关的物理量。这些逻辑设备和逻辑节点包含了微电网中的大多数组成单元。

针对图1所示的微电网模型结构，基于IEC61850的信息模型和建模规范，建立符合IEC61850的微电网系统信息模型，如图2所示。

IEC61850-7-420仅定义了与分布式能源相关的部分逻辑节点，因此按照自定义逻辑节点规范，分别针对斩波器、负荷的基本特征，按照微电网中心控制单元 MGCC（MicroGrid Central Controller）、配电网控制单元 DNC（Distribution Network Controller）的基本要求新建相关逻辑节点。分布式能源设备电连接点 ECP（Electrical Coupling Point）表示分布式能源、负荷与微电网，以及微电网与配电网间的连接关系，通常在该连接点处有一个开关或断路器。微电网中本地控制单元LC（Local Controller）的作用类似于IEC61850中定义的分布式能源装置控制器，表示一个单独的分布式能源的可操作特性。

2.2 微电网运行控制中的multi-Agent系统结构

微电网对电力系统供电可靠性的保证、电能质量的提高，以及对用户多样性需求的满足使其成为电力系统发展的趋势，但也带来了对传统集中控制的冲击，造成集中控制效率的低下、控制参数的激增，促使集中控制向分布式智能控制自然演变。multi-Agent系统方法作为分布式控制和人工智能的产物，可以满足微电网的运行和管理需要[21-23]。multi-Agent系统方法在微电网中的适应性表现在以下几点。

a.微电网是由一定地理区域内分散的分布式电源和负荷所构成，与multi-Agent系统中分布式的Agent单元具有逻辑结构上的统一。

b.multi-Agent系统中的各Agent具有根据自身运行特点和控制目标，制定相应策略的自主性，能实现微电网系统中不同特点分布式单元的控制要求，也易于满足微电网系统中隶属于不同用户和业主的分布式单元不同运行目标的需要。

c.multi-Agent系统中的各Agent既具有运行控制的自主性，同时也具备彼此通信、相互配合解决复杂问题的合作性，可用于具有多控制参数、多参与单元、复杂任务目标的微电网。

图1所示的微电网系统具有明显的分层分布特点，通过对微电网系统的功能分解，参照Agent的BDI模型[24]，建立适用于微电网运行控制的 multi-Agent系统结构，如图3所示。

图2 基于IEC61850的微电网信息模型Fig.2 IEC61850-based information model for microgrid

图3 基于multi-Agent系统的微电网功能模型Fig.3 Functional model based on multi-Agent system for microgrid

本文不研究配电网对微电网的管理方法，因此DNC Agent的功能模块在图3中未叙述。虽然微电网底层的分布式电源、储能装置和负荷类型众多，但就功能抽象而言，基本功能模块一致，因此用LC Agent代表底层的所有单元。

2.3 IEC61850向multi-Agent系统的映射

图2、图3分别从IEC61850和multi-Agent系统的角度对微电网进行了细节描述和功能抽象。针对微电网运行控制的研究，IEC61850与multi-Agent系统的兼容实际上就是利用multi-Agent系统对微电网的功能分解，实现对IEC61850描述的微电网信息模型的解析和重构，使微电网运行控制的参与者能互联互通，通过协同合作使整个系统能够经济稳定运行。

ACL既是Agent间沟通合作的桥梁，也是实现Agent对IEC61850信息模型表达的技术手段。符合FIPA（Foundation for Intelligent Physical Agents）国际标准的ACL语言包括发送者、接收者、消息内容、本体（ontology）等13项基本元素，其中ontology提供了类似于字典的功能，可以用于对消息内容中各进行段的解释说明，便于实现整个multi-Agent系统的无缝通信。

根据FIPA关于ACL ontology的说明，JADE平台提供了自定义ontology的方法。完整的ontology定义主要包含3个元素：概念（concept），用于对事物的具体描述；断言（predicate），对concept元素用途的说明；代理动作（Agent actions），表明由 Agent执行的一系列动作。其中concept元素可以嵌套形成与IEC61850逻辑节点相同的树形结构，利用predicate元素可以使同样的concept表达不同的功能。

IEC61850的逻辑节点既包含了定值与状态信息，也包含了控制信息。本文中，考虑到concept元素与IEC61850逻辑节点结构上的一致性，可以实现信息描述上的融合；利用Agent actions元素实现功能定义上的统一；通过predicate元素区分上级控制器Agent下达的控制信息和下级单元Agent上传的状态信息。

图4为本文实现IEC61850与multi-Agent系统兼容的方法，将IEC61850定义的逻辑节点信息映射到ACL的ontology中，生成自定义的MG-ontology。Agent内部通过IEC61850模型描述微电网的状态，Agent之间则依靠ACL信息进行通信。利用MG-ontology实现对IEC61850描述的微电网状态信息的封装以及对接收的ACL信息的解析。构建基于IEC61850的multi-Agent系统无缝通信网络，实现两者兼容。

图4 IEC61850向ACL ontology的映射Fig.4 Mapping of IEC61850 to ACL ontology

通过对MG-ontology的完善，使其包含与微电网运行相关的所有IEC61850的逻辑节点，可重复用于微电网运行控制的multi-Agent系统中，便于实现multi-Agent系统信息交互统一性和互操作性。

3 基于multi-Agent系统的微电网控制策略

为了验证上述基于IEC61850的multi-Agent系统方法在微电网孤岛运行中的可靠性和有效性，利用3台计算机构建相应的multi-Agent系统框架，如图5所示。

图5 应用于微电网孤岛运行控制的multi-Agent系统框架Fig.5 Multi-Agent system for operation and control of islanded microgrid

3台计算机间通过百兆以太网互联，计算机A负责模拟微电网的运行，并将实时信息通过数据报通信协议（UDP）发送给运行PEMFC Agent的计算机B和运行PV Agent的计算机C。各Agent根据微电网运行信息以及所属微电源的特性，发挥Agent的自主性与合作性，利用包含IEC61850模型的ACL信息通信，控制微电网中各单元的工作状态，从而使整个微电网系统经济稳定运行。

MGCC Agent是multi-Agent系统应用于微电网控制的核心，其通过采集系统运行状态信息，查询系统内各单元登记信息，制定改变微电源工作状态、切负荷等决策，维持系统的经济稳定运行，并记录运行日志。各微电源和储能装置的Agent在启动和运行期间均可向MGCC Agent进行登记、修改和删除其状态信息。

微型燃气轮机作为微电网孤岛状态下的可调大功率电源，MT Agent采用U/f控制方法调节其输出电压，从而稳定整个孤岛微电网系统的电压幅值和频率。因为微型燃气轮机具有输出功率越接近于额定功率运行效率越高的特点[25]，同时为了应对负荷的实时波动而储备一定的调节裕量，本文设定MT Agent控制微型燃气轮机的输出功率尽可能维持在额定功率的85%～95%。

PEMFC Agent根据MGCC Agent的调节命令，采用PQ控制方法改变质子交换膜燃料电池的输出功率，并控制其接入或退出微电网系统。本文中设定：正常状态下MGCC Agent根据系统功率变化情况每15 min向PEMFC Agent发送功率调节指令；微型燃气轮机输出功率一旦越限，MGCC Agent立即向PEMFC Agent发送功率调节命令。

PV Agent采用爬山法控制光伏电池工作在MPPT模式[17]，在接入或退出微电网系统之前，向MGCC Agent发送ACL信息，登记或删除关于光伏电池的状态描述。

依靠各单元Agent的自主运行和Agent间的通信合作，建立基于multi-Agent系统的微电网控制策略如图6所示。其中，PM*T为微型燃气轮机额定功率，PF*C为质子交换膜燃料电池额定功率。

图6 基于multi-Agent系统的微电网控制策略Fig.6 Control strategy based on multi-Agent system for microgrid

MGCC Agent作为multi-Agent系统应用于微电网控制的核心，根据系统运行信息和各微电源的运行状态，综合处理各种事件，并将决策结果下发至各单元Agent，如表1所示。

表1 MGCC Agent决策系统Tab.1 Decision-making system of MGCC Agent

4 仿真与分析

根据图1、图5所示微电网结构图和multi-Agent系统框架，采用JADE平台和MATLAB仿真软件的混合编程方法，建立基于IEC61850和multi-Agent系统的微电网仿真模型。其中利用MATLAB/Simulink模拟微电网的运行，并将系统实时运行信息通过快速的UDP传输给其他计算机，偶尔出现的数据包缺失也不会影响Agent的正常决策。包含IEC61850模型的ACL信息则通过JADE平台采用TCP/IP协议进行传输，确保决策命令的可靠交互。

根据表2所列分布式电源参数，在图7所示夏季典型日负荷曲线以及温度和光照强度曲线[26]之上叠加±5%的随机误差，以模拟实际运行控制中的负荷变化和自然条件干扰。针对光伏接入、运行和退出微电网的情况，不考虑无功功率的影响，验证所采用的基于IEC61850的multi-Agent系统方法在微电网运行控制中应用的可靠性和有效性。

表2 微电网系统主要元件参数Tab.2 Parameters of key components for microgrid

图7 夏季典型日负荷与气象数据Fig.7 Typical daily load and meteorology data in summer

4.1 光伏电池接入微电网

鉴于微电网实际运行过程中系统负荷和自然条件的随机波动，使得光伏电池在05∶10左右有功率输出，触发表1中事件4，PV Agent即与MGCC Agent通信，控制光伏电池以PQ控制的MPPT方式接入微电网，由于系统负荷较小，并且微型燃气轮机输出功率不满足表1中事件1所述情况，因此出于经济性考虑，燃料电池不参与系统调节，MT Agent控制微型燃气轮机采用U/f控制方式稳定微电网电压和频率。此过程中微型燃气轮机、光伏电池和质子交换膜燃料电池有功功率输出情况如图8所示。

PV Agent与MGCC Agent间的通信过程如图9所示，PV Agent率先发送请求（Propose）接入微电网信息，信息内容中包含利用IEC61850表示的光伏电池参数，之后MGCC Agent根据当前系统状态回复接收（Accept Proposal）信息，将 PV Agent中的逻辑节点DPVC的控制数据ArrModCtr置为1，要求光伏电池工作在MPPT模式，并将光伏电池的基本参数通知（Inform）MT Agent，要求微型燃气轮机对光伏电池接入可能引起的电压波动作好准备。

图8 光伏电池接入微电网Fig.8 Integration of PV cell into microgrid

图9 光伏电池接入过程中Agent间信息交互Fig.9 Information exchange between Agents during PV cell integration

上述Agent之间通信过程所采用的Propose、Accept Proposal、Inform等表示通信状态属性的信息均属于FIPA定义的标准通信信息。

以PV Agent发送给MGCC Agent的Propose信息为例，利用JADE查看此信息，它的ontology参数为自定义的基于 IEC61850的 MG-ontology，利用MG-ontology实现multi-Agent系统与IEC61850的兼容，因此，信息的内容部分为符合IEC61850的光伏电池参数描述。

4.2 光伏电池在微电网中运行

选择中午时段研究光伏电池在微电网中的运行情况，微型燃气轮机作为系统稳压电源一直工作在U/f控制模式，随着系统负荷增长，微型燃气轮机输出功率不断增大，直至11∶42左右触发表1中事件1，此时MGCC Agent与PEMFC Agent通信，要求燃料电池作为PQ控制的可调功率电源参与微电网的调度管理，之后微型燃气轮机输出功率一旦越限，即由微电网中心控制单元调节燃料电池输出功率。微电网系统中微型燃气轮机、光伏电池和质子交换膜燃料电池有功功率输出情况如图10（a）所示。

上述运行过程中各单元Agent间的通信过程如图10（b）所示，微型燃气轮机输出功率首次越上限时，MT Agent通知（Inform）MGCC Agent，由 MGCC Agent命令（Request）PEMFC Agent启动燃料电池，并将PEMFC Agent中用IEC61850模型表示的燃料电池控制器逻辑节点DFCL中的控制数据FuelShut置为True，然后 MGCC Agent调节 PEMFC Agent的输出功率，仅需将功率设置值写入与燃料电池相连的逆变器逻辑节点ZINV的输出功率定值数据OutWSet中。

图10 光伏电池在微电网中的运行Fig.10 Operation of PV cell in microgrid

4.3 光伏电池退出微电网

MGCC Agent、MT Agent和 PEMFC Agent通过协商合作，共同维持系统功率平衡，由于光照强度降低，光伏电池最终在18∶52左右触发表1中的事件4，退出微电网系统。上述过程中各微电源的输出功率情况，以及各单元Agent间的通信过程如图11所示。

如图11（b）所示，由于系统负荷变化和光伏电池输出功率的减少，微型燃气轮机多次触发表1中事件1和2，由此导致MGCC Agent改变PEMFC Agent中逻辑节点ZINV的输出功率设定值OutWSet，最终在18∶30时使得燃料电池输出功率越上限，造成表1中事件3的发生，由于此时微型燃气轮机输出功率较大，不宜减小燃料电池输出功率，因此MGCC Agent命令PEMFC Agent维持额定功率输出。

图11 光伏电池退出微电网Fig.11 Disconnection of PV cell

5 结语

为实现multi-Agent系统在微电网运行控制中的广泛应用，本文提出利用IEC61850的信息模型作为Agent间消息传递的基础。分析了IEC61850和multi-Agent系统在微电网运行控制中的适应性，并从两者各自的角度对微电网进行建模，指出IEC61850与 multi-Agent系统的兼容，实际上就是利用multi-Agent系统对微电网的功能分解，实现对IEC61850描述的微电网信息模型的解析和重构，multi-Agent通信语言ACL是实现兼容的重要手段。通过对光伏电池接入、运行和退出微电网的仿真分析，说明两者兼容的具体实现，同时考虑到微电网系统实际运行过程中负荷的变化以及自然条件的干扰，验证基于IEC 61850的multi-Agent系统方法在微电网运行控制中的可靠性和有效性。