主动配电网中联络变压器和无功补偿装置的多代理控制方法

刘鸣春, 马瑞

(长沙理工大学电气与信息工程学院,长沙市 410004)



主动配电网中联络变压器和无功补偿装置的多代理控制方法

刘鸣春, 马瑞

(长沙理工大学电气与信息工程学院,长沙市 410004)

为了协调控制主动配电网中联络变压器与无功补偿装置，建立了基于多代理技术的全局协调控制模型。多代理技术凭借其灵活的结构和代理自治性，能够较好地将集中式控制与分布式控制结合在一起，建立的区域主导节点决策模型，能够实现电压越限区域电压薄弱节点的动态跟踪。将合同网通信协议和调压优先原则相结合，通过对无功-电压灵敏度指标的竞争，能够实现联络变压器和区域无功补偿元件补偿量计算的时序优化。最后在IEEE33配电系统中进行了仿真，仿真结果表明多代理技术能够协调联络变压器与无功补偿装置进行电压调节。

多代理技术; 主动配电网; 有载调压变压器; 无功补偿装置; 协调控制

0 引 言

主动配电网是应对高渗透率分布式电源(distributed generation，DG)接入的技术模式之一，可通过主动管理和控制来充分利用网络中的调节能力，在未来智能配电网中占重要地位，而电压管理是主动配电网重点关注的问题之一[1-4]。

主动配电网有着与微电网类似的特征，传统集中的调度方法控制较难实现[5-6]，而通过将部分控制权分配给各个局部控制装置，让其有一定的自主权和智能性，使集中控制不必采用复杂的模型，从而可避免大规模的数学运算[7]。使集中控制与分散控制有效配合是主动配电网的最佳控制手段之一，而多代理技术能够较好地将集中控制与分散控制结合在一起。近几年，基于多代理技术的控制思想越来越多地被应用到电力系统的配电系统中[7-14]。例如文献[7]运用多代理技术实现了集中式与分布式控制思路相结合的控制思路，运用合同网协议实现了具有动态性能最优的控制模式；文献[8]提出了孤岛模式下基于多代理系统的微电网能量协调控制策略，并提到了运用主导代理的方式；文献[9]将多代理技术运用在含分布式电源的故障自恢复系统中。这都体现出多代理系统可适用于含分布式电源的配电网。文献[10-13]研究了如何运用多代理技术解决低压配电网中有载调压变压器协调控制问题，但并没有考虑协调离散型无功补偿元件与连续型无功补偿元件，而文献[15-16]提出了电压控制中连续变量与离散变量的协调方法，但并未涉及具有分布式特征的主动配电网。

基于以上分析，本文将连续变量与离散变量的协调方法与多代理技术相结合，提出一种全局协调控制主动配电网联络变压器与无功补偿装置的方法。该方法将有载调压变压器和全网的无功补偿装置作为协调控制目标，建立基于多代理技术的全局控制模型。以多代理控制思想为基础，在文献[7]的基础上，首先利用电压满意度评价指标建立区域主导节点的决策模型，实现对紧急工况下电压薄弱节点的动态追踪，再基于合同网通信协议机制建立区域主导代理协调策略，通过对灵敏度指标的竞争，优化连续变量与离散变量控制顺序，实现区域内无功补偿装置补偿量计算的时序优化，最后在IEEE33配电系统中进行算例仿真。

1 主动配电网多代理模型

1.1 主动配电网与被动配电网

传统配电网一般将DG视为负荷，其运行模式和控制策略相对简单，一旦出现任何的不合格电压情况，DG就必须离网运行，这样就大大降低了DG接入的容量，不易处理高渗透率下DG接入配电网的问题。而主动配电系统拥有较为灵活的网络拓扑，可通过主动控制和管理的方式，充分利用网络中的调节能力。主动配电网在技术标准、管理模式、网络结构、模拟计算等方面均适应消纳DG[17]。

而多代理系统凭借其灵活的结构和自治行为，能够适应主动配电网的管理与控制模式。

1.2 多代理模型代理框架

为了体现代理的单元自治性，将多代理系统(multi agent system，MAS)模型分为2类，第1类为变电站代理，第2类为调压单元代理。

(1)变电站代理：包括联络变电站代理与母线代理。联络变电站代理用SA(substation agent)表示,安装在联络变电站中，母线代理用BA(bus agent)表示，安装在主动配电网各个变电站中。

(2)调压单元代理：主要考虑了有载调压变压器(on-load tap changer, OLTC)、以并联电容/电抗器为代表的离散型补偿元件、以静止无功补偿器/静止同步补偿器(SVC/STATCOM)为代表的连续型补偿元件，由于OLTC安装在联络变电站内，其代理可以由SA充当，并联电容/电抗器组与SVC/STATCOM代理用CRA和SSA表示。各代理与相应元件的关系如图1所示。

图1 本文多代理系统模型Fig.1 Multi-agent system model

1.3 合同网协议

采用信息通信是实现灵活复杂协调策略的基础，合同网协议(contract net protocol, CNP)是一种用于分布式通信的机制，广泛用于多代理系统的通信中，CNP的基本思想是主导代理通过以“服务请求”的方式将任务分配给一系列代理，收到“请求”的代理将相应服务响应反馈回去，主导代理收到反馈之后基于相应的考察指标和优化模型进行优化筛选，推导出最优的控制策略，并分配给相应代理，这种机制体现了代理之间的相互协商和竞争。

在本文中，主导代理用无功-电压灵敏度作为考察指标对调压元件进行排序，体现了无功就地补偿的原则，文中多代理系统的CNP如图2所示。

图2 合同网协议示意图Fig.2 Contract net protocol

2 全局协调控制策略模型

主动配电网某区域出现部分节点负荷快速变化、主动配电网分布式能源的高渗透率、分布式机组间歇性而造成的发电机开断都有可能造成区域电压越限。而区域内不同母线的电压质量不同，不同节点的无功支撑调节能力也不同。为了以各调压元件的最优调节顺序实现区域越限电压的平滑调节，本文建立了全局协调控制策略模型，模型主要包括区域主导代理决策模型、调压元件补偿量计算顺序优化模型和基于最优顺序的补偿量计算模型。

2.1 区域主导代理决策模型

在文献[7]的基础上，通过对比电压目标评价指标建立了区域主导代理决策模型，模型如下：

(1)

图3 电压满意度评价函数Fig.3 Voltage satisfaction evaluation function

这项工作可以由联络变电站代理(SA)通过访问SCADA的实时状态库获取主动配电网中各节点的实时电压来完成。

2.2 调压元件补偿量计算顺序优化模型

为了统筹考虑各区域内具有调压能力的元件，通过利用合同网协议，使区域内各元件的灵敏度指标相互竞争，完成协调控制算法中最优序列的决策。区域主导代理通过向区域广播“服务请求”来完成任务分配，收到“请求”的调压元件代理将自身的无功支撑能力反馈给区域主导代理。由于无功-电压灵敏度可反映不同节点的无功对区域主导代理节点电压的耦合程度，灵敏度值较大的调压元件对于主导代理节点的电压支撑能力也较强。因此，将无功-电压灵敏度作为考察指标，再结合“离散元件优先动作，连续元件精细调节”的调压原则[16-17]，确定联络变电所的OLTC获得最高优先权。灵敏度相同时离散元件获得比连续元件高的优先权，灵敏度不同时灵敏度较高的元件获得较高的优先权，最终得出无功支撑量计算的最优序列。

2.3 基于最优顺序的补偿量计算模型

通过调压元件补偿量计算顺序优化模型得出各元件补偿量的最优计算顺序，接下来求取具体补偿数值，继续发挥灵敏度分析在无功补偿中的作用，计算模型是在电压分区的前提下提出的，具体步骤如下：

步骤 1：根据全网电压分别分析每个区域电压是否越限，并计算电压越限的具体数值。

(2)

式中：ΔUviolate为主导代理电压越限值；Un为主导代理电压具体值。

步骤2：统筹分析每个区域电压越限值，计算有载调压变压器抽头位置动作量Δt。

(3)

式中：Coa为OLTC抽头位置对主导代理节点电压的灵敏度；Δt为分接头位置的改变量；“floor()”表示向下取整数；ΔUt为一个分接头位置对应的电压变化量。由于OLTC档位的动作将影响全网的电压，为了保证动作后配网中其他节点电压不越限，需做如下判断后才可动作。

Upre=U0+ΔtΔUtCob

(4)

(5)

(6)

其调压能力ΔUOLTC可由以下公式计算：

ΔUOLTC=CoaΔtΔUt

(7)

步骤3:在步骤2的基础上，统筹考虑越限区域内所有无功补偿装置，依次按照最优序列的顺序计算该区域无功补偿的支撑量，首先计算离散元件的无功支撑量，OLTC动作后的剩余电压调节量为ΔUsurplus(0)=ΔUviolate-ΔUOLTC，则区域无功补偿的无功支撑量按照最优序列依次计算，公式如下：

(8)

s.tk(i)min≤k0(i)+Δk(i)≤k(i)max

(9)

Qmin(i)≤Qs(i)+ΔQ(i)≤Qmax(i)

(10)

式中：Δk(i)为第i台离散元件调节组数；CC(i)为第i台元件的无功对主导节点电压的灵敏度；ΔQk(i)为第i台离散元件的单组容量；ΔQ(i)为第i台连续元件无功调节量；k(i)min、k(i)max为第i台并联电容/电抗器最小、最大组数；k0(i)为并联电容/电抗器初始组数，需要提出的是电容器与电抗器单组容量的数值是相反的。第i台元件的调压能力为

(11)

当ΔUsurplus(i)=0时，就完成了无功补偿无功支撑量的计算, 最后由区域主导代理将各元件的无功支撑量分配给相应的代理，再转化为相应的控制信号，完成电压调节。

2.4 全局协调控制策略的多代理技术实现

应用多代理技术的灵活性和自治性，可以实现本文提出的全局协调控制。从通信的角度看，联络变电站代理(SA)多代理系统的顶层，主要的工作任务有：(1)从SCADA系统中获取实时节点电压和灵敏度信息；(2)监视节点电压并决策区域主导代理；(3)广播并赋权区域主导代理；(4)向区域主导代理发送OLTC补偿量和区域灵敏度信息。母线代理位于联络变电站代理下一级，主要工作任务有：(1)通过匹配SA的广播信息成为区域主导代理；(2)成为区域主导代理后向区域广播服务请求并获取区域中无功补偿元件的调压能力，调压能力主要包括最大容量、当前容量；(3)完成调压元件补偿量计算优化顺序并计算各元件的补偿量；(4)将计算好的补偿量分配给相应元件的代理。调压单元代理位于底层，主要工作任务是：响应主导代理的服务请求和将补偿量转化为相应控制信号给无功补偿装置。

3 算例分析

为了验证本文所提全局控制策略的有效性，在新英格兰33节点配网系统上建立了稳态仿真模型。分别在节点29和节点31上添加电容器组和SVC/STATCOM元件来代表离散型与连续型的无功补偿装置，如图4所示。

区域号为2，OLTC的单步调节量为0.01，最大允许一次动作为一个档位，2台分布式机组容量均为1 MW，运行功率因数为0.95，无功补偿参数如表1所示。

表1 无功补偿参数

Table 1 Reactive power compensation parameters Mvar

为了仿真区域节点越限，假定在t0时刻，2台DG退出电网，这可能发生在风力过大而风机不得不弃风的情况下，待稳态后，节点30、31、32的电压都超出了正常区间，采用本文提出的多代理协调法得出的电压灵敏度值如表2所示，依据本文所提方法，获取调压策略如表3所示。

表2 相关灵敏度值

Table 2 Relative sensitivity value pu

图4 新英格兰33节点配网系统仿真系统Fig.4 Simulation system of New England IEEE33 distribution system表3 组合调压策略Table 3 The combined strategy of voltage regulation

先后投入以上策略，调压效果如表4所示。由表4可知，待所有元件动作后，电压越限情况已经消除，这体现了本文所提方法能够统筹协调全局元件进行调压，并在稳态分析中具有一定的可行性。

表4 组合调压效果

Table 4 Results of combined voltage regulation pu

由于OLTC安装在联络变电站，其分接头的动作会影响全网电压，需在其动作之前判断是否对其他节点电压造成负面影响。运用式(4)计算OLTC动作后全网电压增量，除了本区外其他节点电压平均上升0.010 1 pu，并未造成其他节点越限，因此允许OLTC动作一个档位。

多代理系统代理消息如图5所示，从消息12至17可以看出，联络变电站代理(SA)在区域2出现不合格电压后，通过区域主导代理决策模型，确定节点31为区域主导代理，通过灵敏度计算出OLTC动作量为1，通过广播匹配完毕后完成区域主导代理的赋权，并发送OLTC的动作量与灵敏度信息给区域主导代理。

消息18至34体现了合同网协议机制，区域主导代理依据反馈信息和协调策略确定了区域无功补偿元件补偿量计算的最优序列，即首先计算代理号为36的无功补偿元件，然后依次计算代理号为37、34、35的无功补偿元件。体现了离散元件优先动作，连续元件精细调节的调压原则。

4 结 论

本文提出了一种主动配电网联络变压器与无功补偿装置的全局协调控制方法，能够在电网出现电压越限时充分调动调压元件，合理有效地消除越限电压情况。通过多代理技术，将集中式控制与分布式控制相结合的思想应用于具有分布式特性的主动配电网。建立的区域主导代理的决策模型能够实现对电压薄弱节点的动态追踪，建立的调压元件补偿量计算顺序优化模型能够实现无功补偿装置补偿容量计算的时序优化。

图5 多代理消息图Fig.5 Multi-agent message

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(编辑：张小飞)

Multi-Agent Control Method for Interconnecting Transformer and Reactive Power Compensation Device in Active Distribution Network

LIU Mingchun, MA Rui

(School of Electrical & Information Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China)

For the coordinate control of interconnecting transformer and reactive power compensation device in active distributed network, this paper proposed a global coordinated control model based on multi-agent technology. Multi-agent technology with its flexible structure and agent autonomy could combine the centralized control with the distributed control better; and realize the dynamic tracking of weak-voltage node in voltage over-limit area through building the regional leading agent decision model. By combining CNP (contract net protocol) and voltage regulation priority principle, it could achieve the timing optimization for the compensation amount calculation of interconnecting transformer and regional reactive power compensation elements, through the competition of reactive power-voltage sensitivity index. Finally, this paper carried on the simulation in IEEE33 distribution system, whose results showed that the multi-agent technology could realize the voltage regulation by combine interconnecting transformer with reactive power compensation device.

multi-agent technology; active distribution network; on-load tap changer (OLTC); reactive power compensation device; coordinated control

国家自然科学基金资助项目(51277015)。

TM 862

A

1000-7229(2015)05-0072-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.012

2015-01-12

2015-01-25

刘鸣春(1990)，男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统分析与控制；

马瑞(1971)，男，通信作者，博士，教授，主要研究方向为电力系统分析与控制、低碳电力、主动配电网和电力大数据。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China(51277015).