基于多代理系统的主动配电网电压协调控制

岳超 朱旭 李鑫 祁秋民

摘  要：通过建立三层分区电压协调控制架构，分析多代理系统应用在主动配电网协调控制中产生的影响，提出有载调压变压器结合电容器组的调压控制策略，运用仿真平台搭建元件模型，结合算例进行仿真分析，证明所提出的电压控制策略的可行性。

关键词：主动配电网  电压协调控制  多代理系统

中图分类号：TM711                                文献标识码：A                         文章编号：1672-3791（2019）03（b）-0034-05

主动配电网的运行受到分布式电源间歇性、波动性的影响，带来电压、供电可靠性及继电保护等问题，其中电压问题尤为突出[1]。多代理技术的自治性、灵活性、学习性等特点契合了主动配电网电压控制的需要，可以通过多代理系统构建一个集中式与分布式混合的电压控制体系，以满足主动配电网电压协调控制的要求[2]。

该文运用多代理系统的思想，合理利用配电网调压设备，以综合系统电压偏差小、配网运营商投资成本耗费低、动态响应速度快为控制目标，选择有载调压变压器和电容器组的控制方法，构建基于多代理系统的电压协调控制架构[3]。

1  主动配电网与多代理系统

1.1 主动配电网的概念

主动配电网（Active Distribution Network，ADN）的定义为：可以对分布式电源、柔性负载和储能装置等系统中可控能源进行自发控制的配电网，也可通过灵活地改变网络拓扑对配电网潮流进行管理[4]。

1.2 分布式电源接入对主动配电网电压的影响

分布式电源的接入对主动配电网电压的影响主要分为3个方面。

（1）分布式电源的连接位置：不考虑其他影响时，分布式电源接入点越接近线路末端，所起到的电压支撑作用越强。

（2）分布式电源的出力大小：当条件（1）及其他条件不变时，仅改变分布式电源的输出时，电压的支撐作用随输出功率的增加而增大;在分布式电源输出功率单调变化时，网络电压出现先抬升后下降、逐渐下降、先下降后抬升再下降的情况。

（3）当分布式电源的出力超过主动配电网总负荷和网络损耗之和时，此时潮流由分布式电源流向电源，分布式电源接入点电压将超过电源点的电压。

1.3 Agent与多代理系统

1.3.1 Agent技术

Agent是指对流程运行中的策略或控制目的进行描绘，进而产生的一个具有自主行为能力的实体，它根据数值计算或规则推理，能够完成指定的行为目标，而且可以利用通信数据传输同其他Agent和流程中的其他对象进行信息交互，达到信息沟通与协调配合。Agent概念的核心是勾勒一种动态响应的实体，该实体能自主学习、自优化，并具有依照环境变化调节自身行为的能力。Agent具有智能化求解问题的特性，它的行为充分体现了智能体的智能特性。

1.3.2 多代理系统

多代理系统（Multi-Agent System，MAS）属于分布式人工智能的范畴，它的作用是让逻辑中和物理中分散的系统，通过同步与协调的方式产生问题的解[5]。多代理系统是由多个Agent完成彼此间的通信，通过协调或者协作的运行方式，达到所设目标的多Agent集合体。MAS中的多个Agent在所处的环境中，既根据对环境的反应，完成各自分担的任务，又进行有效的沟通、协商和局部合作，作为一个整体实现目的。MAS通过分布式求解和整体配合的有序行为，提高了对于问题的求解能力，有效避免了单一代理知识不全面、信息利用不准确的局限性。

1.3.3 MAS在主动配电网的协调控制中的应用

MAS在主动配电网的协调控制的详细流程如下。

（1）初始化每个运行环节Agent的控制条件和标准。

（2）初始化系统的网络信息。

（3）初级Agent匹配主动配电网的设备，即通过接收初级Agent自身所需的配网运行状态的信息，该信息的源头均来自量测单元Agent。初级Agent控制主动配电网的可控元件以达到所需的控制目的。

（4）中级Agent接收到来自初级Agent的信息，经过运算和判断，发送控制策略控制初级Agent的动作，并分析所在区域是否满足控制要求，若不满足要求，则向高级Agent提交区域的运行状态。

（5）高级Agent接受到中级Agent的请求和运行情况，指挥可影响整个配电网的元件进行调节，控制所有中级Agent的行为，使整个主动配电网处于合理状态。

（6）各个主动配电网（如：主动配电网A，B，C，…，N）的高级Agent将自身配网控制相关的状态信息上报给上级电网控制中心，上级电网分析判断后将其转发给信息处理系统，信息经统一翻译成Agent可读取的格式后，由决策模块进行接收。决策模块生成各主动配电网的控制方案后，由各配网高级Agent接收此信息，高级Agent完成对配电网的控制后，由上级电网和高级Agent再传给决策模块，决策模块再一次调整，构成一个闭环的控制。

（7）主动配电网在MAS的不断协调控制的作用下，既可以保证自身的安全稳定运行，也对上级电网和周边主动配电网提供有效的支持。

2  基于MAS的主动配电网电压控制方法

该文利用MAS的思想，将主动配电网电压协调控制分成单元层、线路层、配网层3层架构。

（1）单元层。MAS架构中的第一层，控制着量测系统中的远程终端单元（Remote Terminal Unit，RTU）和并联电容器组。其中，前者称作量测单元Agent，后者命名为电容器组单元Agent。单元层Agent负责收集MAS系统和控制目标相关的的底层量测信息，并就地控制所屬元件的动作行为。除了向上级Agent传递需要的信息外，还与同层的附近其他Agent进行信息交互。其中，电容器组单元根据上层线路Agent的调节指令，实时调节电容器组的投切容量。

（2）线路层。MAS架构中的第二层，按照主动配电网区域划分的标准，每一个线路层级Agent对应一条配电网馈线。作为控制系统的中间级，线路层级Agent既要接受下级Agent传来的电压分布信息，同时控制着是否允许下级Agent的决策指令生效，即当判断为区域电压越限时，向单元层Agent发送调节指令;还要向上级Agent上报此时的区域电压越限信息，在下级Agent无法完成电压调节任务时，请求上级Agent的协助。

（3）配网层。属于分层结构的第三层，也是最高层。该层设置配网Agent，负责接受各线路Agent传来的电压信息，从而掌握整个主动配电网的电压情况。

当发生区域电压越限，并且本地电容器组投切无法满足调压要求时，向下级Agent发送协调控制信号，并由配网Agent 控制变压器进入调压模式，调节主变压器分接头，保证全网电压达到调压要求，主动配电网运行在允许范围内。

3  电压协调控制的仿真分析

3.1 仿真系统介绍

该文利用Matlab/Simulink平台，搭建了含有分布式电源、有载调压变压器和并联电容器组的IEEE33主动配电网仿真模型。有载调压变压器作为配电网主变压器安装在节点0与1之间，变压器额定容量为10MVA，变比为35kV/12.66kV，分接头安在一次绕组，分接头各档电压标幺值为1±8×0.01875p.u.，设定延时Td为4s，调节固定机械延时Tm为1s;在节点1，5，17，21，24设置无功补偿电容器组，安装电容器组数分别为3，3，3，5，5（如图1所示）。

由于辐射状网络结构馈线末端是本线电压最低点，在馈线末端安装合理容量的分布式电源更能发挥对主动配电网电压的支撑作用;且在实际中一般都分散装设，离电源点较远。所以，该仿真选择在一条馈线的末端17号节点处，设置额定容量为0.5MVA的分布式电源并网。

3.2 仿真试验与结果分析

由于主动配电网电压波动的来源可能是负荷的波动，或是分布式电源输出的变化，该文考虑两种比较极端情形下进行仿真求证，情形如下。

情形一，负荷的剧烈波动：10s时，14、15、16号节点的有功负荷增加0.5MW。

情形二，分布式电源输出的变化伴随有负荷的波动：50s时，输出增加2.5MW，同时切掉14、15号节点的负荷。

3.2.1 系统初始电压分布

系统初始态为满负荷运行，所有无功补偿电容器组全部切除，变压器运行于非调压模式，仅相当于一台降压变压器。在17号节点处连接分布式电源前，与17号节点接入输出为0.5MW，功率因数0.95，即发出无功功率0.164Mvar的分布式电源后，观察到系统初始电压分布分别如图2和图3所示。

可以观察到，分布式电源的接入改变了配电网的电压分布，在合适的位置接入容量合理的分布式电源会对配网电压起到支撑作用，并能改善网络的电压分布。

3.2.2 防止负荷突然增加造成的电压骤降

接入分布式电源后，系统进入情形一，系统电压分布情况如图4所示。

可以看出，在14、15、16号节点所接负荷突然增加时，它们附近处节点的电压迅速降低至电压最低限度以下。

在电压越限后，测量单元Agent收集到远程终端单元的电压越限量测信息，迅速将其发送给向上级馈线2的线路Agent。线路Agent进行判别后，由其决策模块选择最佳的投入策略，并将其传给电容器组单元Agent，电容器组单元Agent收到发来的信息后，控制电容器组的投入，动作结果见表1。

在部分电容器投入后，此时配网各节点电压如图5。通过量测单元Agent得到的电压变化的结果，不难发现，在电容器组进行补偿之后，系统电压有了明显的抬升，但由于增加的负荷比较大，电压下降比较严重，只有部分节点的电压恢复到允许偏差范围内，仍有14、15、16号节点附近电压并未在限度之内。

收到电压越限信息后，电容器组单元Agent向上级馈线2线路Agent发送请求主变压器分接头调节电压。馈线2线路Agent经过分析判断，将此线路的电压越限信息传给配网Agent，配网Agent控制OLTC完成电压协调控制。此时，OLTC置于调压模式，记此时时刻为0时刻，此次电压协调控制的结果见图6。

在主变压器抽头动作后，该系统电压有了整体提升，14、15、16号节点附近电压也满足了电压质量的要求，配网电压重新恢复了正常水平。配网Agent接收到更新的电压信息，将有载调压变压器置于非调压模式。

3.2.3 防止分布式电源输出突然增加造成的电压突升

50s时，分布式电源输出突然变为2.5MW，功率因数依然为0.95，即发出无功功率0.822Mvar，且伴随有14、15号节点负荷切除。此刻，该主动配电网进入情形二。采用下垂控制的分布式电源发出有功无功功率变化情况见图7，初始时分布式电源输出由0变化至0.5MW，50s时分布式电源输出由0.5MW变化到2.5MW。

在情形一和情形二分布式电源输出变化的过程中，下垂控制模块输出的参考电压幅值的先有突变，后分别稳定在309V和315V（见图8）。

而下垂控制模块输出参考频率波动后最终稳定于50Hz上下（见图9）。