基于母线Agent的微电网孤岛协调控制策略

李中雷 宋蕙慧 曲延滨

（哈尔滨工业大学（威海）信息与电气工程学院 山东 威海 264209）

1 引言

近年来随着全球环境和能源问题的日益突出，大力发展可再生能源发电成为解决环境和能源问题的有效途径。由于分布式发电技术具有投资小，清洁环保，供电可靠和发电方式灵活等优点，它作为利用可再生能源的理想形式得到了快速发展[1]。然而，随着分布式电源渗透率的提高，其间歇性和波动性的特点，对电网的安全稳定运行产生了很大影响。另外，分布式电源相对大电网来说是一个不可控源，因此大电网往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源，以期减小其对大电网的冲击。IEEE P1547 对分布式能源的入网标准做了规定：当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行。这就大大限制了分布式能源效能的充分发挥。为协调大电网与分布式电源间的矛盾，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益，在本世纪初，学者们提出了微电网的概念[2]。

微电网将分布式电源、负荷、储能及控制装置结合在一起，形成一个统一自治的可控小型发配电系统，能有效解决大电网与分布式电源间的矛盾，推动分布式发电技术的发展[3]。微电网技术为大规模分布电源应用提供了一种有效方法，是新型电力电子技术、分布式发电、可再生能源发电技术和储能技术的综合。微电网正常时通过变压器并网运行，当微电网从公共连接点脱离后，它本身至少可给其中一部分负荷提供电能，运行于孤岛状态[4]。目前电力公司一般不允许电网无计划孤岛运行和自动同步，主要基于人和设备安全考虑。然而，微电网可以孤岛运行和并网运行，能在两者之间平滑切换，从而充分利用微电网中的分布式电源[5,6]。

文献[7]提出了一种由中央控制 agent 和设备agent 组成的2 层结构的MAS，并设计了含有分布式电源的主动配电网的孤岛运行控制器。文献[8]提出了一种基于多代理技术的正常状态下电力系统维护线路的倒闸操作的方法。文献[9]提出了一种用于配电系统故障恢复的分布式结构的MAS 系统。并对示例网络的几种故障进行了供电恢复分析。但agent 动作仍需要RD-BA 的集中控制，并不是完全分布式的结构。文献[10]分析了几种典型的控制结构，并为带有高渗透率分布式发电的配电系统设计了一个分层控制结构。文献[11]分析了微电网分散控制和集中控制各自的优缺点，结合两种控制方法基于多代理技术提出了一种具有两层控制结构的分散协调控制策略用以维护运行于孤岛状态的微电网受到外界扰动时的电压稳定。

微电网并网运行时，主网向微电网内注入功率维持微电网内部功率的平衡，保持其稳定的运行状态。当微电网突然进入孤岛状态运行时，会造成微电网的功率缺额。若不及时处理使供需达到平衡状态，会使微电网不能稳定运行，造成对区域内重要负荷供电的中断。本文提出一种完全分布式的MAS来解决微电网进入孤岛运行所引起的功率缺额问题，尽量保持对区域内重要负荷的供电，还可根据分布式发电的具体情况恢复对一部分已断电负荷的供电。该MAS 不需要对agent 进行统一调度，每个agent 都可以依据自己所掌握的信息独立动作。仿真结果表明，本文提出的MAS 能快速的稳定微电网的孤岛状态维持对区域内重要负荷的供电。

2 负荷恢复供电数学模型

电网在一些不可预见的事故发生后可能会造成智能电网中的微电网突然孤岛运行，在这种情况下电网运行人员首先考虑的是微电网能够继续可靠地运行，维持微电网内的重要负荷的稳定供电，并尽可能多的恢复已断电负荷的供电。在这种情况下，并不关心系统运行的经济性。因此可采用电流近似代替功率的方法，以电流代替负荷的功率来估算系统的潮流。

本文从微电网的安全稳定运行的角度考虑，采用的负荷恢复目标函数为

式中，Si为第i个负荷的功率，本文中用电流代替；xi为第i个负荷连接状态（xi=0 表示负荷与电网连接，xi=1 表示负荷与电网断开）；λi为第i个负荷的加权系数，表示负荷的重要等级；N为系统中的负荷数量。

本文采用文献[7]中的常规约束条件：

容量约束

式中，Cj为母线j能够提供的最大功率；Bj为从母线j获得电能的支路集合；Pi为母线j流入支路i的功率。

支路功率约束

式中，Pi为支路i中功率值；Pimax为支路i允许流动的最大功率。

有功功率平衡约束

式中，Tj为向母线j供电的支路集合；Bj为从母线j获得电能的支路集合；Sj为与母线j连接的负荷；xj为负荷Sj的状态变量。

4）不包括DG时的辐射状供电约束。

式中，Tj为向母线j供电的支路集合；yj为支路j的状态变量。

3 微电网孤岛紧急协调控制MAS 结构

3.1 协调控制MAS 的结构

图1为一个包含两个DG 的小型微电网系统。带箭头的线段表示负荷；负荷下方数字表示功率；电源下方P 值表示此时发出的功率值；R 表示可调功率的范围，线路上的数值表示潮流值。该微电网由3 条母线、3 条输电线路、9 个开关、一个储能装置、2 个DG 和2 个负荷组成。AC1 是微电网与主网的连接线，PCC（Point of Common Coupling）是公共连接点，主网和微电网之间通过PCC 进行能量交换。

图1 微电网Fig.1 Microgrid

传统的配电网是一个无源网络，呈放射状结构分布，潮流的方向是单向的。DG 的接入使无源电网变为有源电网，DG 注入到电网中的有功功率和无功功率将改变电网潮流的分布。如图2所示，当PG

图2 功率流动示意图Fig.2 Scheme of power flow

由于DG 的接入对电网的影响，本文采用一种由公共连接点智能体（PCC agent，PA）和母线智能体（bus agent，BA）组成的完全分布式MAS 系统结构，实现微电网孤岛后维持重要负荷供电的功能，如图3所示。该MAS 系统结构是完全分布式的，因此不受网络拓扑结构的影响，该系统具有很强的扩展性与灵活性。与集中式的方法不同，该控制系统没有中央控制器，不存在单点故障问题，具有很强的鲁棒性。

图3 多代理系统结构Fig.3 Architecture of the MAS

MAS 中每个agent 只掌握本地的信息，PA 掌握PCC 的相关信息，BA 掌握的信息包括母线的状态，连接在该母线上的DG 和负荷的参数，可控开关的开断状态，与该母线连接的线路信息等。每个agent只能控制连接在该母线上的 DG 和母线附近的开关，例如BA3 控制的是开关S5，S8，S9 及DG2。每个agent 均可以与相邻agent 进行信息交互且具有一定的自治性。

MAS 系统中每个agent 都不具有独立完成控制目标的能力，单个agent 如果只依靠自己所掌握的信息不进行信息交流就不足以做出正确的动作，所以需要与其他agent 进行通讯。因此需要制定相应的通讯机制，确保每个agent 都可以与区域内其他任何一个agent 进行信息交互。本文采用了一种递进式的信息通讯方式现举例说明。当BA2 在系统中搜寻DG2 的信息，BA2 本身没有DG2 的信息，向BA1 查询信息。BA1 收到BA2 的查询消息后，BA1本身没有DG2 的信息，BA1 会继续发送查询消息给BA3 直到查询到所需要的信息，查询结束，并向BA2回复DG2 的信息。

3.2 MAS 协调控制策略

当微电网进入孤岛运行时，以原来与电网相连的BA 为主agent 称作M—BA 来调配其他BA 共同完成负荷恢复工作。孤岛发生后PA 根据微电网并网时线路上的潮流流向判断，若功率由主网流向微电网则发送“启动”消息至 M—BA，通知其开始工作。M—BA 收到“启动”消息后收集微电网内的信息，包括微电网内储能装置状态，负荷的信息以及DG 的功率状况。MAS 协调控制策略分为两个阶段：

第一阶段是维持对微电网内重要负荷的持续供电。因为储能系统响应的速度较快可迅速增大输出功率满足区域内重要负荷的功率需求，所以该阶段的控制策略是以消息传递的方式搜寻储能装置使其增加输出功率从而达到对微电网内重要负荷持续供电的目的。其控制过程如图4所示。M—BA 根据所收集的信息以微电网并网时由主网流向微电网的功率为目标发出“请求”消息，经过区域内BA 的层层传递直到搜寻到可用的储能装置，在搜寻到可用的储能装置后BA 根据所请求的功率和支路约束条件运行储能系统。当BA 收到“请求”消息时，将遵循支路约束条件，利用所请求的功率值和该BA的局部信息对消息内容进行修改，继续转发“请求”消息直到满足功率需求或无可请求的BA 为止。

搜寻过程结束后更新消息内容并转发至M—BA，如果不满足负荷的要求则要进行负荷的卸载，通知相应BA 执行卸载操作。其中修改规则为：将所收到“请求”消息中的功率值与该母线连接的储能系统所增加的输出功率相减得到差值作为新的请求功率值。

第二阶段是增加DG 输出功率替换储能系统增加的输出功率，如DG 的备用容量比储能系统增加的输出功率值大则可以恢复已断电的负荷。虽然储能系统的响应速度很快，但由于其容量限制并不能对微电网的负荷持续供电。微电网进入孤岛状态后，首先通过增加储能系统输出的功率暂时向重要负荷供电，维持微电网的稳定运行。然后通过增加DG的输出功率长时间维持微电网的稳定运行并尽可能恢复已断电负荷。其控制过程如图5所示。M—BA

图4 第一阶段控制过程Fig.4 First stage of control procedure

图5 第二阶段控制过程Fig.5 Second stage of control procedure

依据第一阶段收到的消息内容中储能系统增加输出的功率和可调DG 可增加输出功率的大小作比较，根据比较结果以不同的功率值为目标发出“请求”消息（若储能增加的输出功率大于可调DG 可以增加输出的功率以储能发出功率作为目标，储能增加输出的功率小于可调DG 可增加输出的功率以总功率作为目标），经过BA 的层层传递直到搜寻到可调节功率的DG，在搜寻到可调DG 后，BA 根据所请求的功率值和支路约束条件增大可调DG 的功率输出。当BA 收到“请求”消息时，将遵循支路约束条件，利用所请求的功率值和该BA 的局部信息对消息内容进行修改，继续转发“请求”消息直到满足功率需求或无可请求的BA 为止。

搜寻过程结束后更新消息内容并转发至M—BA，如果以储能发出功率作为目标则需要进一步进行负荷卸载，如果以总功率为目标则以可调DG 增加输出的功率与储能系统发出功率的差值恢复已断电负荷。其中修改规则为：将所收到“请求”消息中的功率与该母线连接的DG 所增加输出的功率相减得到的差值作为新的请求功率值。

4 仿真结果

本文采用的测试系统如图6所示。该微电网由6 条母线、6 条输电线路、21 个开关、3 个DG、2个储能装置和6 个负荷组成。负荷供电的优先级由L1 至L6 依次增大。本文以JADE 为开发平台，采用JAVA 语言设计MAS。

图6 示例系统Fig.6 Example system

某一时刻，PCC 断开与主网的连接，微电网与主网之间不再有功率交换进入孤岛状态。Agent 之间的通讯协商过程如图7所示。

当微电网进入孤岛运行状态时，PA 根据其并网运行时与主网的联络线的功率大小和方向判断微电网的电力需求为8 个单位。PA 发送“启动”消息至M—BA，后者收到“启动”消息后收集微电网内的信息。

图7 通讯过程Fig.7 Communication process

根据图7中的消息2—11，M—BA 访问微电网内所有BA。通过所收集到的信息确定区域内有可用储能，开始进行第一阶段的控制。M—BA 发送“请求”消息至其他BA，增大区域内储能装置的输出功率满足区域内重要负荷的功率需求。图7中消息12 为M—BA 发送“请求”消息至BA2，请求8 个单位的功率。BA2 根据本文所提出的控制策略使与母线2 连接的储能装置1 增加输出3 个单位的 功率并修改“请求”消息。消息13 为BA2 转发“请求”消息至BA3，请求5 个单位的功率。BA3 使储能装置2 增加输出2 个单位的功率并修改“请求”信息。消息14—16 为BA3 发送“请求”消息和BA2得到“回复”消息的部分，消息17—21 为BA2 继续搜寻储能装置及M—BA 得到“回复”消息的部分。M—BA 得到“回复”消息后，由于还存在 3个单位的功率缺额，因此依照负荷的优先级，L1 被选择卸载，以满足功率的平衡，维持微电网内重要负荷的供电，第一阶段的控制结束。

第一阶段的控制结束后立即开始第二阶段的控制。M—BA 根据第一阶段收到的消息内容得知储能系统增加输出5 个单位的功率，可调DG 可增加输出4 个单位的功率。所以以储能系统增加输出的5个单位的功率为目标发送“请求”消息。图7中消息22—24 为M—BA 发送“请求”消息并经转发至BA5，请求5 个单位的功率。BA5 根据本地信息使DG2 增加输出1 个单位的功率并修改“请求”消息。消息27—28 为BA2 发送“请求”消息至BA4和BA6，BA4 和BA6 使DG1 和DG3分别增加输出2 个单位和1 个单位的功率。消息29—31 为搜寻DG 过程结束后将更新后的消息内容转发至M—BA的部分。M—BA 得到“回复”消息后，由于还存在1 个单位的功率缺额，因此依照负荷的优先级，L2被选择卸载，第二阶段控制结束。微电网进入稳定的运行状态。

5 结论

本文针对微电网由并网运行状态进入孤岛运行状态的情况，提出一种完全分布式的MAS 来解决微电网进入孤岛运行时对区域内重要负荷持续供电的问题。根据微电网具有分布特性及大量控制数据的情况，该MAS 采用了完全分布式的结构，不仅受网络拓扑结构的影响很小而且具有很强的扩展性和鲁棒性。本文提出的MAS 增强了微电网进入孤岛状态时对负荷供电的可靠性，使微电网进入孤岛状态时更加安全稳定。

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