基于多AGENT的配電網(wǎng)電壓無功 調(diào)控制系統(tǒng)的構(gòu)建方案

喬祎峰,章 健

(1.華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,北京 102206;2.上海市電力公司市區(qū)供電公司,上海 200080)

電力系統(tǒng)電壓無功控制的對象是各母線電壓和無功功率,電壓合格與否直接關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1-3],合理配置無功補(bǔ)償容量,通過變壓器分接頭及無功補(bǔ)償設(shè)備的優(yōu)化調(diào)節(jié)改變電網(wǎng)的無功潮流分布,對于降低網(wǎng)損、提高電壓水平、改善電壓質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行意義重大[4]。然而,隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和電力改革的日益深入,當(dāng)前的電力系統(tǒng)出現(xiàn)了以分區(qū)為管理單元的新變化,傳統(tǒng)的集中式無功電壓優(yōu)化系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和可靠性要求[5]?；诙郃gent系統(tǒng)的無功電壓分布式協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)由一組在邏輯上或者物理上分步的許多Agent組成,它們通過協(xié)作完成共同的任務(wù),并通過將大的復(fù)雜系統(tǒng)劃分成小的、彼此相互通信及協(xié)調(diào)的、易于管理的系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電力系統(tǒng)的無功協(xié)調(diào)控制。本文將根據(jù)目前電力系統(tǒng)分層分區(qū)控制、全網(wǎng)數(shù)據(jù)分散、各子網(wǎng)相互影響的實(shí)際情況,建立一個(gè)基于多Agent系統(tǒng)無功控制的框架模型,包括MAS的框架結(jié)構(gòu)、各級Agent具體功能、硬件配置等的構(gòu)建。

1 多Agent系統(tǒng)的特征

多Agent系統(tǒng)由一組在邏輯上或者物理上分步的許多Agent組成。系統(tǒng)中的每個(gè) Agent都具有自治性和主動性[6-7],并能根據(jù)自身的能力獨(dú)立解決問題域中的問題。同時(shí),多Agent系統(tǒng)還具有系統(tǒng)內(nèi)部的交互性和系統(tǒng)整體的封裝性[8],系統(tǒng)中的成員Agent可以通過相互間的通信進(jìn)行交互和協(xié)調(diào),完成系統(tǒng)的整體功能,提高大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)問題的求解能力和求解的效率。

對于電力系統(tǒng)無功協(xié)調(diào)控制來說,利用多A-gent系統(tǒng)的自治性和交互性,可以實(shí)現(xiàn)代理與無功元件的一對一控制,從而減少每個(gè)代理的數(shù)據(jù)處理量[9]。同時(shí),通過相同和相鄰層級代理間適當(dāng)?shù)男畔⒔涣?確保無功控制滿足整個(gè)電網(wǎng)要求,提高電網(wǎng)的協(xié)調(diào)能力。

2 無功協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的框架

2.1 系統(tǒng)的體系和結(jié)構(gòu)

在本文中多Agent配電網(wǎng)電壓無功協(xié)調(diào)系統(tǒng)采用混合式結(jié)構(gòu)[10-11],見圖1。其中,包含一個(gè)或多個(gè)配網(wǎng)Agent,系統(tǒng)中的每一個(gè)配網(wǎng)A-gent對所轄成員代理進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,同時(shí)通過與同層級Agent的相互通訊,制定自身配網(wǎng)無功調(diào)節(jié)的任務(wù)計(jì)劃、無功管理等[12-15],并將無功調(diào)節(jié)方案發(fā)布給區(qū)域Agent。區(qū)域Agent在接到方案后,通過對所轄區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)Agent的運(yùn)行情況及周邊區(qū)域Agent運(yùn)行情況的綜合分析,制定具體的節(jié)點(diǎn)元件無功調(diào)節(jié)大小,并將所需無功大小通知對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)Agent。節(jié)點(diǎn)Agent在接收區(qū)域Agent調(diào)節(jié)通知后,根據(jù)自身情況對無功元件進(jìn)行具體操作,同時(shí)將調(diào)節(jié)后的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋給區(qū)域Agent,并等待下一步協(xié)調(diào)。此種無功控制結(jié)構(gòu)平衡了集中式和分布式兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和不足,在保持各自Agent獨(dú)立性的前提下,通過同層或相鄰層級之間一定量數(shù)據(jù)的相互聯(lián)系確保了各Agent決策的合理性,適應(yīng)了配電網(wǎng)無功控制復(fù)雜、開放的特性。

圖1 多Agent系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 Agent功能

為統(tǒng)一Agent模式,同時(shí)根據(jù)配網(wǎng)無功控制管理需求和各級代理主要功能,Agent可以拆分為應(yīng)用控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)儲存和數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷鄠€(gè)模塊,如圖2所示。

圖2 Agent功能分布圖

其中,數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)Agent所控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。應(yīng)用控制模塊負(fù)責(zé)對相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié),模塊中儲存了相應(yīng)控制程序,當(dāng)電網(wǎng)需要進(jìn)行無功調(diào)節(jié)時(shí),可以通過控制功能,實(shí)現(xiàn)對所控設(shè)備的無功調(diào)節(jié)。數(shù)據(jù)處理模塊在不同層級的A-gent中存放不同優(yōu)化算法達(dá)到處理相關(guān)數(shù)據(jù)的目的,如在區(qū)域Agent中利用智能無功優(yōu)化算法對所管轄的區(qū)域電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。數(shù)據(jù)存儲模塊負(fù)責(zé)存儲相關(guān)數(shù)據(jù),為數(shù)據(jù)處理提供數(shù)據(jù),同時(shí)為管理者提供有效數(shù)據(jù)查詢。數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)與同級或者上下級Agent間保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸,從而保持無功優(yōu)化協(xié)調(diào)的有效性。

2.3 通訊方式

為確保配電網(wǎng)無功協(xié)調(diào)靈活性、可靠性,并實(shí)現(xiàn)Agent信息共享、全局性決策,保持整個(gè)多A-gent系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性,本文通過采用聯(lián)邦系統(tǒng)通訊與廣播通訊相結(jié)合,以及黑板系統(tǒng)兩種通信方式,從而滿足各個(gè)Agent能獲得足夠的數(shù)據(jù)以保證自身Agent的控制和與其他Agent的協(xié)同控制。

(1)聯(lián)邦系統(tǒng)通訊與廣播通訊相結(jié)合 這是一種直接的信息傳輸方法,采用這種方法各代理之間的交互可以是通過聯(lián)邦體來實(shí)現(xiàn),代理可以動態(tài)地加入聯(lián)邦體,接受聯(lián)邦體提供的服務(wù)。這些服務(wù)包括接受代理加入、記錄加入代理的能力和任務(wù)、提供通信服務(wù)、對代理提出的請求提供響應(yīng)以及提供知識轉(zhuǎn)換與消息路由等等。采用這種方法各代理之間的交互也可以通過廣播進(jìn)行消息傳輸,通過廣播把消息發(fā)給每個(gè)代理或一個(gè)組,通常發(fā)送者要指定唯一的地址,唯有符合該條件的代理才能夠讀取這個(gè)消息。

(2)黑板系統(tǒng) 這是一種間接的信息傳輸方法,由于直接的信息傳輸兩個(gè)代理間消息是直接交換的,執(zhí)行中沒有緩沖,如果不發(fā)送給它,該代理就不能讀取,因此為了保證其他代理系統(tǒng)可以獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù),還將采用間接信息傳輸?shù)暮诎逑到y(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充。黑板系統(tǒng)通過一個(gè)共享的被稱為黑板的數(shù)據(jù)倉庫進(jìn)行通信,黑板是一個(gè)Agent寫入消息、公布結(jié)果并獲取信息的全局?jǐn)?shù)據(jù)庫或知識庫,所有必要的信息都可以張貼在黑板上供所有的Agent檢索。在應(yīng)用中黑板系統(tǒng)按照所研究的Agent問題劃分為幾個(gè)層次,工作于相同層次的Agent能夠訪問相應(yīng)的黑板層以及鄰近的層次。

3 電壓無功協(xié)調(diào)控制

在多Agent無功協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框架下,各A-gent可在分層原則進(jìn)行相互通訊、協(xié)調(diào)運(yùn)作。

3.1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的具體分層

在電網(wǎng)的無功控制中多Agent系統(tǒng)的控制可以分為三個(gè)層級:一級代理為節(jié)點(diǎn)Agent,進(jìn)行對單個(gè)無功補(bǔ)償設(shè)備或變壓器等無功設(shè)備的具體控制,一個(gè)節(jié)點(diǎn)Agent對應(yīng)一個(gè)控制設(shè)備;二級代理為區(qū)域Agent,負(fù)責(zé)對所轄區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)A-gent進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,從而達(dá)到整個(gè)區(qū)域無功分配的目的;三級代理為配網(wǎng)Agent,負(fù)責(zé)對所轄配網(wǎng)內(nèi)區(qū)域Agent的無功分配管理,實(shí)現(xiàn)整個(gè)配網(wǎng)的無功調(diào)節(jié),是配網(wǎng)無功協(xié)調(diào)系統(tǒng)中最高級Agent。

(1)一級代理 一級代理由節(jié)點(diǎn) Agent組成,可以直接對無功補(bǔ)償設(shè)備和電壓分接頭進(jìn)行控制。這層代理對外界有抗干擾能力,能夠?qū)ν饨缥⑿〉淖兓龀鱿鄳?yīng)的調(diào)整,在調(diào)整過程中不需要上級代理的干涉。一級代理同時(shí)具備數(shù)據(jù)采集、存儲、通訊和控制功能。其中數(shù)據(jù)采集功能負(fù)責(zé)采集所控節(jié)點(diǎn)狀態(tài),包括電壓、電流、有功無功、變壓器分接頭、變壓器溫度等的采集;存儲功能負(fù)責(zé)存放采集下來的數(shù)據(jù)、元件Agent自身的操作流程、無功補(bǔ)償設(shè)備配置情況等;通訊功能負(fù)責(zé)與區(qū)域Agent通訊,接收指令,并通過與相鄰節(jié)點(diǎn)Agent通訊微調(diào)無功輸出;控制功能根據(jù)區(qū)域A-gent發(fā)出的無功控制命令,調(diào)節(jié)無功電源出力或有載調(diào)壓分接頭位置,確保電壓在安全可控范圍。

(2)二級代理 二級代理由區(qū)域 Agent組成,采用集中控制,主要負(fù)責(zé)對所轄節(jié)點(diǎn)Agent進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。區(qū)域Agent主要用于優(yōu)化所在區(qū)域無功電壓控制運(yùn)行,其主要功能有無功優(yōu)化、存儲和通訊等。其中,無功優(yōu)化功能通過在知識庫中存放的無功電壓優(yōu)化算法(例如遺傳算法,蟻群算法等智能算法),分配所管轄節(jié)點(diǎn)無功出力;存儲功能儲存所管轄區(qū)域電壓、電流有功無功等節(jié)點(diǎn)參數(shù),同時(shí)儲存優(yōu)化計(jì)算后的結(jié)果,以便其他級別的Agent查詢;通訊功能負(fù)責(zé)與上級Agent通訊,協(xié)調(diào)無功控制方案;負(fù)責(zé)與下級Agent通訊,接收下級Agent信息,發(fā)布調(diào)控命令。

(3)三級代理 三級代理由配網(wǎng) Agent組成,負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化、添加、刪除區(qū)域Agent的等工作,對電網(wǎng)有作重大決策的決策權(quán),是最高一級代理,其主要功能有優(yōu)化、通訊和存儲等。其中優(yōu)化功能運(yùn)用網(wǎng)格并行計(jì)算優(yōu)化每個(gè)區(qū)域的電壓、無功情況,并與區(qū)域Agent相互通訊協(xié)調(diào)使整個(gè)配電網(wǎng)無功配置最優(yōu)化;通訊功能負(fù)責(zé)接收配網(wǎng)Agent信息,并發(fā)布調(diào)控信息;存儲功能負(fù)責(zé)把電網(wǎng)分區(qū)結(jié)果、優(yōu)化計(jì)算結(jié)果、優(yōu)化計(jì)算的參數(shù)和各Agent的設(shè)備信息等數(shù)據(jù)存儲起來,供同級配網(wǎng)Agent或所轄Agent代理查詢。

3.2 協(xié)調(diào)控制

在實(shí)現(xiàn)多Agent分層后,通過基于多Agent系統(tǒng)的配網(wǎng)無功協(xié)調(diào)控制的程序可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的具體無功優(yōu)化,如圖3所示。程序中的初始化主要用來定義各個(gè)代理的基本行為準(zhǔn)則。例如在元件Agent中定義,當(dāng)所采集電壓超出設(shè)定值但小于3%時(shí),可由元件Agent進(jìn)行自行調(diào)節(jié)使電壓恢復(fù)穩(wěn)定;當(dāng)電壓超出設(shè)定值且大于3%時(shí),由元件Agent向區(qū)域Agent傳輸本節(jié)點(diǎn)運(yùn)行參數(shù),由區(qū)域Agent統(tǒng)一進(jìn)行總體調(diào)度處理。程序中的節(jié)點(diǎn)Agent為節(jié)點(diǎn)上各種無功元件提供獨(dú)立的控制,包括發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)、電容器、SVCD和STATCOM等。程序中的區(qū)域Agent,在區(qū)域管轄范圍內(nèi)對各元件代理進(jìn)行協(xié)調(diào)控制以達(dá)到目標(biāo)最優(yōu)化。程序中的預(yù)估環(huán)節(jié)主要是用于提供預(yù)估模型,對區(qū)域配網(wǎng)的內(nèi)部情況和外部情況進(jìn)行綜合分析,提出控制策略為各代理控制提供參考。程序中的信息處理為配電網(wǎng)與區(qū)域電網(wǎng)之間提供一個(gè)統(tǒng)一的信息通訊平臺,把上級電網(wǎng)的信息整理并轉(zhuǎn)換為區(qū)域電網(wǎng)代理所能運(yùn)用的標(biāo)準(zhǔn)格式后提供給預(yù)估環(huán)節(jié)。程序中的配電網(wǎng)Agent具有整體協(xié)調(diào)控制配電網(wǎng)的功能,并與其他配電網(wǎng)Agent相互交流。

圖3 多Agent協(xié)調(diào)控制的程序

多Agent協(xié)調(diào)控制運(yùn)行有如下步驟。第一步,初始化單元,把各個(gè)代理運(yùn)行時(shí)所必須的約束條件和基本準(zhǔn)則分配到各代理中。第二步,由節(jié)點(diǎn)Agent采集節(jié)點(diǎn)參數(shù)及無功元件的運(yùn)行參數(shù),同時(shí)在一定范圍內(nèi)為各元件提供必要的控制。第三步,節(jié)點(diǎn)Agent把所控制元件的運(yùn)行狀況提供給區(qū)域Agent,同時(shí)區(qū)域Agent對節(jié)點(diǎn)Agent提供控制策略并交由節(jié)點(diǎn)Agent自行改變各元件的運(yùn)行狀態(tài)。第四步,各區(qū)域Agent首先把各自管轄區(qū)域的運(yùn)行狀況提供給配網(wǎng)Agent,配網(wǎng)A-gent結(jié)合其他外部配網(wǎng)Agent的運(yùn)行參數(shù),進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)處理后通過信息處理系統(tǒng)統(tǒng)一格式傳給預(yù)估環(huán)節(jié)。第五步,預(yù)估環(huán)節(jié)通過模型預(yù)測后把每個(gè)區(qū)域的無功控制策略反饋到相應(yīng)的區(qū)域Agent。在區(qū)域Agent改變電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)后,配網(wǎng)Agent再一次把運(yùn)行參數(shù)提交給預(yù)估環(huán)節(jié)以進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整。

通過不斷的協(xié)調(diào)控制,多Agent將會使配電網(wǎng)在滿足對上級電網(wǎng)提供適當(dāng)電能的同時(shí),保證了自身電網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3 結(jié)論

本文給出了一個(gè)基于多Agent的配電網(wǎng)電壓無功協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案,目的是根據(jù)電壓無功控制分散、分布的特點(diǎn)將多Agent技術(shù)引入到配電網(wǎng)無功電壓調(diào)節(jié)中。方案中的A-gent系統(tǒng)共分節(jié)點(diǎn)Agent,區(qū)域Agent和配網(wǎng)A-gent三級,通過對所在節(jié)點(diǎn)無功設(shè)備的直接操作以及地區(qū)電網(wǎng)之間的相互協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)了整個(gè)配電網(wǎng)的無功協(xié)調(diào)控制。隨著多Agent理論的不斷成熟和深入研究,網(wǎng)絡(luò)化、分布式的多Agent技術(shù)在配電網(wǎng)電壓無功控制中將能得到更好的應(yīng)用。

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