基于多代理技术的多区域综合能源管理系统架构设计

赵 号，原云周，徐德树，刘 伟，刘晓鸥

（1. 中国能源建设集团 天津电力设计院有限公司，天津 300180；2. 天津电气科学研究院有限公司，天津 300180）

0 引言

随着化石能源的不断减少以及环境问题的日益严重，新能源发电和天然气发电快速发展［1—3］，综合能源系统（integrated energy system，IES）是实现多能源互补、促进可再生能源消纳的有效途径，是能源互联网和电力物联网实现的重要载体，是未来能源发展的必然趋势。

综合能源系统指在规划、建设和运行等过程中，通过对能源的产生、传输与分配（能源网络）、转换、存储、消费等环节进行有机协调与优化后，形成的能源产供销一体化系统［4—5］。目前鲜有对多区域综合能源管理系统的研究。

综合能源管理系统是综合能源系统的“大脑”，能够支撑区域能源运行、调度、管理等，对综合能源利用进行智能化管理与控制。文献［6］设计了面向能源互联网的多能流综合能量管理系统，重点介绍了能量管理系统的主要功能模块，但是没有给出整体的管理系统架构。文献［7］提出了一种单区域的综合能源智能管控系统，但是无法解决区域间的能量交换问题。

随着能源互联网的快速发展，区域网络之间的结合将日益紧密，多区域综合能源系统将是未来社会能源发展的主要技术。因此，开展多区域综合能源管理系统架构研究具有重要的战略意义。

多区域综合能源系统中，各个区域综合能源系统以及各区域内多种能源系统，既要相对独立，又要保持信息互通。近年来多代理技术发展迅速，代理具有感知能力、信息通信能力以及较强的自主能力［8］，多代理系统（multi-agent system，MAS）中，各代理之间具有相互通信功能，代理个体有解决问题的能力，并且具有并行处理问题的能力，在电力系统已经得到广泛应用［9］。

针对多区域综合能源系统涉及能源系统种类多、协同优化运行困难的问题，本文建立区域综合能源系统结构框架和多区域综合能源管理系统，在此基础上，建立基于多代理技术的多区域综合能源管理系统架构，最后设计了基于多代理技术的多区域综合能源管理系统JADE平台。

1 多区域综合能源管理系统

1.1 区域综合能源系统

区域综合能源系统主要包括电力系统、天然气系统以及热力系统，结构如图1所示。

图1 区域综合能源系统结构Fig.1 Regional integrated energy system structure

1.1.1 电力系统部分

本文建立的区域综合能源系统结构中电力系统包括发电部分、电力网络、储电装置及负荷终端。发电部分包括常规发电机组、热电联产机组、碳捕集机组、燃气机组、风力发电以及光伏发电，电力网络包括输电网络和配电网络。电负荷包括工业负荷、交通负荷、生活用电负荷等。电锅炉属于特殊电负荷，由于电锅炉能够为热力系统提供热力能源，因此单独对电锅炉进行分类讨论。储电装置能够进行充放电，与电力网络进行电能交换，本部分能量流动平衡公式如式（1）所示

式中：Pt为t时刻区域内所有常规发电机组有功功率之和；Pw,t为t时刻区域内所有风电机组有功功率之和;PPV,t为t时刻区域内所有光伏机组有功功率之和;Pc,t为t时刻区域内所有碳捕集机组有功功率之和；Pchp,t为t时刻区域内所有热电联产机组有功功率之和；PGT,t为t时刻区域内所有燃气机组有功功率之和；Pbt,t为t时刻区域内所有储电装置有功功率之和，功率为正表示放电，为负表示充电；PL,t为t时刻区域内所有电负荷之和；PP2G,t为t时刻区域内所有电转气厂站消耗有功功率之和；PEB,t为t时刻区域内所有电锅炉消耗有功功率之和；Ploss,t为t时刻区域内总的网络损失。

1.1.2 天然气系统部分

天然气系统包括天然气源、天然气网络、储气罐以及天然气负荷。天然气源主要包括天然气井以及电转气产生的天然气。天然气网络将天然气源和天然气负荷连接起来，满足天然气负荷需求。天然气负荷主要包括工业用气负荷和生活用气负荷。储气罐能够进行充放气，具有调节天然气网络潮流，为天然气系统提供备用的作用。本部分能量流动平衡公式如式（2）所示

式中：Wt为t时刻区域内所有天然气井天然气功率之和；WP2G,t为t时刻区域内所有电转气厂站天然气功率之和；Wgs,t为t时刻区域内所有储气罐天然气功率之和；功率为正表示放气，为负表示充气；WL,t为t时刻区域内所有天然气负荷之和；WGT,t为t时刻区域内所有燃气机组消耗天然气功率之和。

1.1.3 热力系统部分

热力系统由热源、供热网络和热负荷组成，热源主要包括电锅炉产热、热电联产机组产热以及燃气机组产热。供热网络将热源与热负荷连接起来，满足热负荷的热力需求。热负荷主要包括工业用热负荷以及生活用热负荷。储热装置能够充放热，具有减少能源消耗，保证为热负荷供热的功能。本部分能量流动平衡公式如式（3）所示

式中：Qchp,t为t时刻区域内所有热电联产机组热功率之和；QGT,t为t时刻区域内所有燃气机组热功率之和；QEB,t为t时刻区域内所有电锅炉热功率之和；QTES,t为t时刻区域内所有储热装置热功率之和；功率为正表示放热，为负表示储热；QL,t为t时刻区域内所有热负荷之和。

1.1.4 电-气耦合部分

电-气耦合部分包括电转气。电转气是利用电解水产生氢气，然后氢气与二氧化碳反应产生天然气，对于电力系统来说，电转气属于电负荷，在天然气系统中属于天然气源，电转气利用多余的电能生产天然气，能够增加新能源发电的渗透率，减少天然气井的开采量。电转气能量流动平衡公式如式（4）所示

式中：φ为电转气厂站的转换效率；Hg为天然气热值。

1.1.5 电-热耦合部分

电-热耦合部分包括热电联产机组和电锅炉两部分。热电联产机组能够发电和供热，由于热电联产机组本身“以热定电”的特点，导致其调峰能力受到极大的限制，产生大量弃风。电锅炉消耗电能产生热能，为热力系统提供热能需求，连同储热装置能够满足一定的热能需求，在一定程度上缓解热电联产机组“以热定电”。热电联产机组和电锅炉部分能量流动平衡公式分别如式（5）和式（6）所示

式中：α、β、γ分别为热电联产机组运行区间不等式约束的系数；μ为电锅炉的制热效率。

1.1.6 电-热-气耦合部分

在区域综合能源系统中电-热-气耦合部分主要包括燃气机组，燃气机组消耗天然气，产生电能和热能，对于天然气系统来说，燃气机组属于天然气负荷，而对于电力系统来说，燃气机组属于发电部分，并且燃气机组在调峰能力方面有明显的优势，在电力系统中发挥着不可替代的作用；对于热力系统来说，燃气机组属于产热部分，能够为热负荷提供热能。将电力系统、天然气系统和热力系统3个系统之间的耦合日益紧密。燃气机组能量流动平衡公式如式（7）和（8）所示

式中：η为燃气机组的气转电的转换效率；δ为燃气机组的气转热的转换效率。

1.2 多区域综合能源管理系统

本文建立的多区域综合能源管理系统如图2所示，包括多区域综合能源系统能源管理中心以及各区域能源管理系统。有n个区域的多区域综合能源系统中能量流动平衡公式如式（9）所示

图2 多区域综合能源管理系统Fig.2 Multi-region integrated energy management system

式中：Si为区域i所需的能量；Si-n为区域n向区域i提供的能量。

多区域综合能源系统能源管理中心管理各区域能源管理系统，可以直接对各区域能源管理系统下达控制命令，也可以接收各区域能源管理系统的请求并生成相应解决方案。多区域综合能源系统能源管理中心主要作用为协调各区域之间的能源交换问题，保证每个区域的多种能源合理利用，实现区域互联。

各区域能源管理系统需要完成多区域综合能源系统管理中心的指令，并且能够跟其他区域能源管理系统联合优化运行，得到最优运行方案。

2 基于多代理技术的多区域综合能源管理系统架构

本文根据多区域综合能源管理系统结构及区域综合能源系统结构建立了基于多代理技术的两级多区域综合能源管理系统架构，包括一个上层代理和多个下层代理，如图3所示。

图3 基于多代理技术的多区域综合能源管理系统架构Fig.3 Architecture of multi-region integrated energy management system based on multi-agent technology

从图3 中可以看出，本文建立的多代理系统上层代理为多区域综合能源系统能源管理中心总代理；下层代理包括学习中心代理、求解中心代理和区域综合能源管理系统子代理。能源管理中心总代理可以向所有下层代理发送控制指令，同时可以接收区域综合能源管理系统子代理的请求，制定运行策略并反馈给下层代理。学习中心代理、求解中心代理执行上层代理控制指令并反馈执行情况，同时可以接收区域综合能源管理系统子代理的请求并反馈运行策略。区域综合能源管理系统子代理执行上层代理控制指令并反馈执行情况，可以向上层代理、学习中心代理和求解中心代理发送请求并接收相应反馈信息，同时各区域综合能源管理系统子代理之间可以交互运行信息，实现多区域综合能源系统最优化运行。

（1）多区域综合能源系统能源管理中心总代理

多区域综合能源系统能源管理中心总代理负责所有区域的各类能源管理，其能够与各个区域综合能源管理系统子代理进行数据交换。能源管理中心总代理可以对各区域子代理发送指令，同时接收各区域子代理请求，分析各区域子代理的问题，协调各区域综合能源系统优化运行，得到最优解决方案，将该执行命令发送至相应的区域子代理，达到全区域综合能源系统的最优化运行，实现能源的合理利用，达到节能减排的最终目标。

（2）学习中心代理

学习中心代理在整个周期工作，其结构如图4所示。中心总代理和区域子代理从学习中心代理中匹配案例，并获取对应的解决方案。事件结束后，学习中心代理分析事件的发生原因以及响应过程，总结经验，更新数据库数据，提高应对多区域综合能源系统中能源不足或过剩问题的能力。学习中心代理能够和中心总代理、区域子代理以及求解中心代理直接交换信息。

图4 学习中心代理结构Fig.4 Learning center agent structure

学习中心代理包括分析代理、评估代理、推理代理和数据存储代理。分析代理负责分析事件发生的原因、事件演变过程和损失大小；评估代理负责建立评估系统，评估事件应对策略是否合理，并提出改进措施；推理代理负责根据已发生的事件推理多区域综合能源系统中潜在的问题，并建立对应的响应方案，存储到数据库中作为备用；数据存储代理负责存储分析代理、评估代理和推理代理的数据信息，所有案例以及对应的响应方案均存储在其中，当多区域综合能源系统中发生能源利用问题时，数据存储代理将会向决策者提供参考和经验。

（3）求解中心代理

求解中心代理负责向其他代理提供相应问题的求解方法，从而使各代理获得相应的策略。求解中心代理可以与中心总代理、学习中心代理和区域子代理直接交换信息，在管理系统工作过程中，求解中心代理随时准备接收请求，并反馈合适的求解方法。

求解中心代理的构成框架如图5 所示，包括数学模型分析代理和求解方法代理。数学模型分析代理负责评估数学模型的类型，即确定模型为确定性模型或者不确定性模型。求解方法代理负责提供问题所需的求解方法，例如智能算法、场景分析法、深度学习、鲁棒优化方法等。求解中心代理的基本工作流程为：当求解中心代理收到请求信息后，数学模型分析代理将分析问题的数学模型并确认其类型，之后，求解方法代理将提供合适的方法求解该问题。

图5 求解中心代理框架Fig.5 Agent structure of solution center

（4）区域综合能源管理系统子代理

区域综合能源管理系统子代理主要负责本区域内电力系统、天然气系统、热力系统的联合优化运行，协调各系统能源的综合利用。区域子代理需要接收能源管理中心总代理下达的指令，完成上级的要求。当子代理遇到不能处理的问题时，向上级中心总代理发送请求，等待上级中心总代理反馈解决方案。各区域子代理之间可以相互传递信息实现局部区域的最优化运行。区域综合能源管理系统子代理架构如图6所示，包括电力系统协调代理、天然气系统协调代理、热力系统协调代理、电-气耦合系统协调代理、电-热耦合系统协调代理、电-热-气耦合系统协调代理。

图6 区域综合能源管理系统子代理架构Fig.6 Regional integrated energy management system subagent architecture

（5）多区域综合能源管理系统工作流程

图7为基于多代理技术的多区域综合能源管理系统工作流程图。

图7 基于多代理技术的多区域综合能源管理系统Fig.7 Multi-region integrated energy management system based on multi-agent technology

3 多代理系统运行平台

多代理系统必须在具有通用标准通信语言的通用软件环境中运行，本章采用遵循FIPA-ACL 标准的JADE平台实现多代理系统的运行。

JADE平台提供一组函数和类实现代理功能，即代理管理系统（agent management service，AMS）、目录服务（directory facilitator，DF）和信息传送系统（message transport services，MTS）。AMS负责管理代理平台，包括代理状态和代理目录标识符。DF负责为代理提供平台中代理的黄页服务，便于代理可以方便地在平台中找到需要联系的其他代理。MTS负责在代理之间传送信息。JADE 平台包括一个主容器和多个子容器，可以跨越多个计算机进行连接，主容器是伴随JADE 平台产生的，子容器必须在主容器上注册，AMS、DF和其他的管理服务是在主容器上执行的。平台中的所有代理必须在DF 中注册获得一个独一无二的ID，并且定义代理类型和功能，注册完成后，代理将在容器中存在并受容器的管理。

本文中，JADE平台包括一个主容器和(n+2)子容器（n为区域的数量），如图8所示，主容器中存放AMS、DF和能源管理中心总代理，子容器1存放区域1能源管理系统子代理及其下层代理，子容器2存放区域2能源管理系统子代理及其下层代理，子容器存放n区域n能源管理系统子代理及其下层代理，子容器n+1存放学习中心代理，子容器n+2 存放求解中心代理，各容器及各代理直接根据第3章中的通信规则进行通信，根据文中介绍的工作流程自动完成多区域综合能源系统能源管理工作。

图8 基于多代理技术的多区域综合能源管理系统JADE平台Fig.8 JADE platform of multi-region integrated energy management system based on multi-agent technology

4 结束语

本文首先建立了区域综合能源系统结构框架，该系统主要包括电力系统、天然气系统、热力系统、电-气耦合系统、电-热耦合系统、电-热-气耦合系统，对各组成部分功能进行分析介绍。其次，建立了多区域综合能源管理系统，多区域综合能源系统能源管理中心与各区域能源管理系统联合优化运行，得到多区域最优运行策略。最后，建立了基于多代理技术的多区域综合能源管理系统架构，该多代理系统包括为多区域综合能源系统能源管理中心总代理、学习中心代理、求解中心代理和区域综合能源管理系统子代理，文中详细介绍了各代理功能以及系统工作流程。在此基础上设计了基于多代理技术的多区域综合能源管理系统JADE平台以实现多代理系统的运行。D