基于多Agent的微电网电压控制系统

李辉，赖祥生，江修波

(1.福州大学电气工程与自动化学院，福建 闽侯 350108;2国网福建省电力有限公司技术中心，福建 福州 350007;3.国网福建省电力有限公司，福建 福州 350003)

1 引言

随着分布式发电技术的发展，缺乏灵活性和可扩展性的传统集中式智能控制方法已难以适应分布式电源的快速增长。多代理系统(multi-agent system，MAS)具有良好的集中、分散特性，在微电网管理和控制等多个领域受到了广泛的关注［1］。

微电网与传统大电网相比截然不同，其规模较小，主要采用清洁能源发电，并且分布式能源种类多样［2－3］。由于微电网具有分布式特性、灵活的控制方式以及大规模的控制数据等特点，所以难以将传统的统一调度、集中的控制方式应用于微电网当中［4－6］。如果能够使微电网的各个元器件都具有一定的自治能力和智能性，那么就可以使得负责集中控制的元器件不必进行大量的运算，实现实时控制，而且具有智能性的元器件能够对局部干扰产生快速反应。集中控制和分散控制相结合的方式将成为微电网控制的最佳手段之一，取代原有的统一调度方式。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统(MAS)得到了广泛的重视和研究［7］。代理(Agent)是一种新型的分布式人工智能技术，它能使逻辑上和物理上分散的系统并行、协调地实现问题求解。随着MAS的发展和成熟，这种技术已被广泛应用，近年来也受到控制界的关注［8］。

由于微电源自我调节的能力有限，储能元件的有限容量、可变负载类型的多样性，且对电压有较高要求等原因，要满足负荷的要求单靠微电网自身的调节能力还不够。负荷波动较大时，电压的调节对微电网来说很难实现，有时可能会造成电压崩溃;假设微电网的调节能力已经能够满足负荷变化，当负荷变化尤其是无功负荷变化时也可能造成电压波动较大。

本文根据一些电压控制文献的研究，提出了基于多Agent的微电网电压控制系统，利用负荷的切换和超级电容的切换相结合的方式，改善微电网的电压控制问题，并对其进行了仿真验证，证明了该系统可以有效地实现微电网电压的自我协调控制。

2 基于多Agent的微电网电压控制的原理

微电网电压控制的目的是快速协调微电网系统中的无功电压控制设备，维持控制区域电压水平，提高电压稳定性［9］。对分布式特性很强的微电网来说，应该采用分布式的控制方法来进行电压控制，分级电压控制是目前比较流行的分布式电压控制方法，配电网中主要采用二级电压控制系统。

基于多Agent的微电网电压控制系统的原理是建立在基于多Agent的分层分布式控制系统的理论基础上，根据二级电压控制系统的基本要求，先把整个微电网按照可控及不可控微源、储能装置、无功补偿设备以及可变负荷等分为多个电压控制节点，然后在每个电压控制节点处装设一级控制Agent，而在微电网控制中心设立调级Agent，构成一个完整的二级微电网电压控制多Agent系统如图1所示，一级管理Agent作为电压控制系统的本地控制。这种方法的基本思想是将控制器之间的相互作用看出合作，达成各控制器控制作用的相互协调，实现控制区域或系统的总体控制目标。整个Agent系统按照MAS的原理和技术来实现和协调各控制器的运行，对微电网电压进行优化控制［10］。

图1 基于多Agent的微电网电压控制系统原理图

与传统意义上的分散控制理论不同，基于Agent技术的控制理论把各电压控制器视为具有协作性和自主性等主动行为能力的控制Agent，形成一个合理有序的Agent网络，所有的Agent一方面依照运行情况独立完成特定的调压任务，另一方面则通过系统与同级A-gent之间传递、分享信息和任务，接受上级Agent执行的调压任务和反馈，实现全面协调系统，以保持微电网电压稳定的目的。

3 基于多Agent的微电网电压控制系统的设计

3.1 控制系统结构设计

多Agent系统的结构主要有集中、分布和混合式三种。基于微电网的特点选择混合式结构，所有Agent之间相互平等、独立，并且代表每个系统元件进行电压无功控制，整个系统的结构如图2所示。其中一级控制主要针对无功控制调节装置;二级控制主要针对微电网运行状况的协调与控制，即针对微电网Agent(协调级Agent)，通过自身分析以确定直接执行整个电网电压的协调与控制。此外一级控制Agent之间的控制信息可通过信息交换系统如黑板系统实现交换。

图2 基于多Agent的微电网电压控制系统结构图

各级控制的具体功能如下。

(1)一级控制:汇总并呈报设备的运行状态和可操作数目等基本情况;分析判断二级控制发出的指令的合理性与正确性;监控节点运行状况，并在自身能力范围内计及相互影响的条件下进行电压调控，使得各Agent能够相互照应，在覆盖范围内某节点电压越限而Agent无法通过自身电压控制时，除了有监控本区节点电压、维持该电压水平的能力之外，也同时具有协调邻近区域节点电压水平的能力。

(2)二级控制:协调级Agent能够计算基本潮流、分析灵敏度;能够分析、判断系统运行状况;具有自动识别连线状态和自检、恢复能力［11］。

3.2 Agent功能和任务

正常情况下，微电网的协调级Agent会定期向各执行级Agent发出电压调节的指示，并接受各执行任务过程中的信息反馈，具体的操作规则与协调二级电压控制(CSVC)的思想大致相同。

微电网协调级Agent的基本任务包括:监视每一级执行级Agent节点的电压，采集微电网内各负荷的有功和无功、各微电源的有功和无功、储能元件信息，依据微电网参数、电压限制规则和控制设备的有功、无功限制等，获得微电网各点的电压水平和无功储备状况;正常工作条件下，根据各点实时反馈的电压信息，通过预定的推算规则，来确定各一级执行Agent所在位置的电压参考值，并发送执行命令至各级执行A-gent;在紧急情况下，接受执行级Agent协助调压请求，选择最适合的一级执行Agent承担该调压任务，并发送执行请求至该Agent，同时将消息发送至其余Agent;紧急情况下，当仅靠某点执行级Agent的电压调节已无法消除该执行级Agent区域内的节点电压越限时，微电网的协调级Agent向相邻电压控制区执行级A-gent发出通信指令，使其参与进行二级电压协调控制，在最短时间内将电压波动消除，并及时反馈相关信息［12］。

控制微电源AVR或其他无功功率源的控制器作为执行级Agent，其基本任务包括:收集本地信息，诸如电压、有功、无功等的变化，评估邻近线路和本地节点的电压水平，一旦检测到电压越限，一级执行Agent将自主地作出决策，通过调节该电压控制器给定参考电压值来改变无功输出，使得电压水平尽快恢复正常，并报告微电网协调Agent其相关信息;正常情况下，接受微电网协调或其他执行级Agent的调压任务执行请求，并反馈相关执行信息;

在紧急情况下，当执行级Agent按自治方式调节时，若该Agent所在的无功电压控制设备达到安全运行限值，但电压水平还没恢复至安全运行范围内，则向微电网协调级Agent请求由其他执行级Agent帮助完成任务［13］。

此外，执行级Agent自身的电压调节水平不应受到其协调控制行为威胁，即确保该Agent的控制对象运行在安全稳定的运行范围内。例如，发电机AVR的Agent在执行任务时应满足以下限制:机端电压在允许范围内;输出无功在允许范围内;定转子电流发热在允许范围内;发电机运行在具有一定稳定裕度的范围内;AVR整定值一次调节增量在允许范围内［14］。

3.3 Agent结构和运行机制

根据上文所述各级Agent的功能及任务不同，其具体结构也有所不同。为此分别设计微电网执行级Agent及协调级Agent基本结构如下。

(1)执行级Agent

执行级Agent的目标是维持所控节点无功平衡、保持该节点电压合格，控制该节点的无功功率和电压。它由通信模块、传感器、决策模块、规则库、算法模块、执行模块等组成［15］，其结构如图3所示。

图3 微电网执行级Agent结构框图

(2)协调级Agent

协调级Agent管理微电网中所有执行级Agent，并综合协调各执行级Agent的电压控制行为，使微电网的无功电压维持在正常或优化水平上，并有较为丰富的无功储备。其结构如图4所示。

图4 微电网协调级Agent结构框图

3.4 Agent控制策略

当系统在正常情况下，控制系统是以实现全局的优化控制为目标，保持整个系统的电压水平和良好的无功分布。在这种情况下，协调级Agent是控制的中心，采用优化协调控制算法计算出各执行级Agent的控制目标，执行级Agent接收控制命令，通过调节电压控制器来保持无功电压设备的端电压。紧急情况下，附近的节点电压出现异常，相关的执行级Agent感知后以自治方式选择快速反应的控制算法，自我调节电压控制设备的整定值，提升现地电压水平，使该节点电压迅速恢复。如果因为自身容量的限制，现地的自主控制不能使异常电压完全恢复，那么立即发送协助调压请求消息给协调级Agent，由协调级Agent进行协调指挥，根据其他执行级Agent的电压控制能力依次选择其他最有效的控制Agent协助完成调压任务。当检测到本地或邻近节点电压异常时，执行级Agent将以自治方式工作，快速调节电压控制的整定值，改变控制设备的无功出力，以减轻系统电压下降的趋势［16］。

以发电机控制为例，调节发电机无功出力是现有发电机的励磁控制方式，使发电机机端电压为设定值。在这种方式中，一旦系统的输电线发生意外，即使系统电压降至电压稳定的临界值，发电机也不能产生达到设备允许量的无功功率。当发电机采用电压控制A-gent自治方式执行时，事实上相当于高压侧控制。在传统励磁控制系统的基础上添加额外补偿控制。引入对无功电流的补偿，控制输电网高压侧的电压为给定值。如果受控母线的电压预定为Uref，则发电机端电压Ug可控制为

式中:Xt为升压变压器电抗;Xdr为电压随无功电流变化斜率，Iq=Q/Vg。

这时，受控母线的实际电压为U=Uref－XdrIq，则发电机端电压控制的整定值应控制为Uref=Ugobj/k+XdrIq，其中k为变压器变比。

在电压异常的情况下采用自治方式进行控制可以充分利用发电机的无功功率裕度，保持输电系统的送端电压为一定值，从而减轻整个系统电压下降的趋势，提高电压稳定性［17］。

4 建模仿真分析

微电网运行状态包括孤网运行和并网运行两种状态，以孤网运行下的微电网电压控制为例，模拟了孤网环境下微电网的电压变化，以验证基于多Agent技术的微电网电压控制的思想。本节构建了基本微电网模型以便进行仿真研究。该模型可用于微电网可靠性和电压控制研究，包括一个可控微电源、一个超级电容器、一定量的可变负荷以及适当的监测设备。

对微电网进行二级电压控制系统设计，首先应该对所研究的模型进行电压控制区域的划分，即确定各个Agent所掌握的节点范围，从而保证对Agent的电压调节不会导致另一Agent范围内的电压失稳。在综合研究了多种Agent分区方案后，本文将所设计系统分成三个一级控制Agent及一个微电网协调级Agent(记为AG－M)。一级控制Agent分别控制可控微电源(记为AG－1)、超级电容器(记为AG－2)、可变负荷(记为AG－3)。仿真图如图5所示。

图5 基于多Agent的微电网电压控制模型

正常情况下，微电源能够按照负荷的需求提供足够的输出功率以维持负荷电压的稳定。

当微电源的输出功率大于负荷所需功率时，AG－1检测到自身输出功率较多，不能得到完全消耗，于是向AG－M发出协助请求。AG－M接收到AG－1的协助请求后，综合分析微电网内的功率及电压变化趋势，向AG－2发出协助调压指示，并向AG－1发出指令。AG－2在接到AG－M指令后开始执行协助调压任务，由AG－2范围内的超级电容开始充电，存储能力。其充电过程如图6所示。

在0.00～1.50s范围内，微电源输出功率大于负荷所需，AG－2接收到上级Agent的协助调压指令后超级电容器开始充电，存储能量。

图6 超级电容器充电过程

当AG－3检测到本地节点及线路上电压的微小波动，即负荷略有增加的情况，它将通过调节自主地消除电压波动，使节点电压维持正常状态，并将整个调节过程记录到AG－3的数据库中，如图7所示。

图7 正常情况下负荷电压调节波形图

故障情况下，由于系统结构发生变化，电压也发生变化，需要多Agent系统的调节来保证故障消除前系统电压的稳定。当微电源发生C相单相接地短路时，AG－1检测到自身监控范围内的短路情况，由于短路瞬间无法消除，于是向AG－M发出协助调压请求。AG－M接收到协助调压请求后向AG－2发出协助调压指令，超级电容器放电，以维持系统电压稳定，并向AG－M发回任务协助信息，如图8，图9所示。

图8 超级电容器放电波形

图9 故障情况下负荷端电压波形

由图8可以看出:在2s时，微电源发生单相接地短路，超级电容器在接收到微电网协调级Agent的协助调压请求后开始放电，以维持微电网电压稳定。由图9可知，在超级电容器的补偿作用下，负荷端电压基本能够维持在正常范围内，直至故障解除。

5 结论

从仿真结果可以看出，采用基于多Agent系统的微电网电压控制系统能够在系统正常运行状态及受到各种程度扰动的紧急情况下，充分利用系统无功控制设备的无功储备，迅速而有效地消除电压波动，为系统电压稳定提供保证。这对提高微电网系统的运行稳定性是非常有效的。

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