區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)信息物理建模及控制策略

陳 娟 ，黃元生 ，魯 斌

（1.華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理系，河北 保定 071003；2.華北電力大學(xué) 計(jì)算機(jī)系，河北 保定 071003）

0 引言

化石能源儲(chǔ)量的日趨減少、環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等問題對(duì)節(jié)能減排提出了更高的要求，亟需大力發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)活動(dòng)全過程的能源消費(fèi)低碳化甚至零碳化，做好低碳區(qū)域能源規(guī)劃工作是解決這些問題的關(guān)鍵。

區(qū)域分布式能源系統(tǒng)RDES（Regional Distributed Energy System）的構(gòu)建是能源規(guī)劃的核心內(nèi)容，其以有利于多能互補(bǔ)利用、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、規(guī)模化經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)勢(shì)逐漸成為推動(dòng)低碳經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要手段之一。與傳統(tǒng)意義上的區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)相比，RDES具有供能強(qiáng)度低、供能不穩(wěn)定、供能效率低、供能品位低、資源分布不均等缺點(diǎn)，這些都給低碳能源的充分利用帶來了不少的障礙。然而，隨著可再生能源與信息技術(shù)的快速發(fā)展，能源互聯(lián)網(wǎng)（energy internet）［1-2］的出現(xiàn)為克服上述不足提供了一種有效措施，為分布式能源的高效利用與全面推廣帶來了新的曙光。文獻(xiàn)［3］指出，以能源互聯(lián)網(wǎng)為核心的第三次工業(yè)革命將給人類社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式與生活方式帶來深遠(yuǎn)影響。

由于能源領(lǐng)域的變革對(duì)于工業(yè)與社會(huì)發(fā)展具有決定性影響，一些主要發(fā)達(dá)國(guó)家的政府已開始關(guān)注和重點(diǎn)推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。德國(guó)率先提出了“E-Energy”計(jì)劃，力圖打造新型能源網(wǎng)絡(luò)，在整個(gè)能源供應(yīng)體系中實(shí)現(xiàn)數(shù)字化互聯(lián)及計(jì)算機(jī)控制和監(jiān)測(cè)［4］。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)支持建立了FREEDM（Future Renewable Electric Energy Delivery and Management）研究中心，目的是研發(fā)可以實(shí)現(xiàn)分布式設(shè)備即插即用的下一代電力系統(tǒng)，并以此作為能源互聯(lián)網(wǎng)的原型［1］。在廣域分布式設(shè)備的協(xié)調(diào)與控制方面，文獻(xiàn)［1］指出能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是發(fā)展支持分布式發(fā)電、儲(chǔ)能、可控負(fù)荷等設(shè)備即插即用的標(biāo)準(zhǔn)接口，并提出了固態(tài)變壓器的概念，利用其可以將低壓配網(wǎng)與上游網(wǎng)絡(luò)分隔開來，減小上游網(wǎng)絡(luò)的電壓和頻率波動(dòng)對(duì)分布式設(shè)備的影響，提高系統(tǒng)的兼容性和靈活性。在電力系統(tǒng)與天然氣網(wǎng)絡(luò)的融合方面，文獻(xiàn)［5］提出了能源中心的概念，以此作為未來集成電力、天然氣及其他能源形式的多能源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建模工具，并且初步研究了氣電網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)運(yùn)行問題，建立了能源中心最優(yōu)調(diào)度、多能源網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)潮流等問題的基本模型。在電力系統(tǒng)與交通系統(tǒng)的融合方面，文獻(xiàn)［6］對(duì)充電設(shè)施與電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)規(guī)劃問題做了探索性的研究。文獻(xiàn)［7］引入了基于用戶平衡的交通配流模型對(duì)交通流量進(jìn)行計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上以截獲的交通流量最大、配電系統(tǒng)網(wǎng)損以及節(jié)點(diǎn)電壓偏移最小為目標(biāo)，建立了電動(dòng)汽車充電站規(guī)劃的多目標(biāo)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)［8］在分析比較了智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系和區(qū)別的基礎(chǔ)上，給出了能源互聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)和組成，指出了能源互聯(lián)網(wǎng)的研究框架與核心技術(shù)。文獻(xiàn)［9］則就能源互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行和管理中所面臨的新問題，對(duì)實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和探討?？梢钥闯觯P(guān)于能源互聯(lián)網(wǎng)的研究剛剛興起，成果多處于初期探索階段，還有諸多問題亟待研究和解決，尤其是在與供冷供熱網(wǎng)絡(luò)的融合研究方面，相應(yīng)成果尚未見報(bào)道。

本文在分析了RDES一般結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了冷熱電聯(lián)供下的基于多智能體系統(tǒng)MAS（Multi Agent System）的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)模型，為RDES的部署構(gòu)建了系統(tǒng)框架和組織結(jié)構(gòu)；分析了Agent的構(gòu)造和交互機(jī)制，結(jié)合元胞自動(dòng)機(jī)CA（Cellular Automata）理論給出了考慮冷熱電協(xié)同控制的能源路由器的結(jié)構(gòu)功能及元胞實(shí)現(xiàn)方案，為RDES關(guān)鍵組件的實(shí)現(xiàn)提供了設(shè)計(jì)思路；提出了一種集中分散相融合的分布式協(xié)調(diào)控制策略，有助于RDES實(shí)現(xiàn)可靠且最優(yōu)的運(yùn)行。這三者有機(jī)結(jié)合，模型是框架結(jié)構(gòu)，能源路由器是關(guān)鍵組件，控制策略則扮演著框架范圍內(nèi)依托組件實(shí)現(xiàn)有效運(yùn)轉(zhuǎn)的角色，并通過仿真算例驗(yàn)證了其有效性，從而為低碳區(qū)域能源規(guī)劃提供了一種具體方法，是能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在這方面的一次具體實(shí)踐。

1 RDES的一般結(jié)構(gòu)

RDES將小規(guī)模（幾千瓦至數(shù)萬千瓦）的能源生產(chǎn)系統(tǒng)以分散的方式配置在一定區(qū)域內(nèi)的用戶端附近，按照各用戶不同的用能特點(diǎn)，定制式地滿足用戶對(duì)冷、熱、電的需求，實(shí)現(xiàn)了資源的多元化和能源轉(zhuǎn)化利用技術(shù)的多元化，以充分利用天然氣等清潔能源和當(dāng)?shù)氐母鞣N可再生能源（地?zé)崮?、太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、水能等），避免了傳統(tǒng)的大機(jī)組、大電廠、大電網(wǎng)帶來的能源生產(chǎn)和長(zhǎng)距離傳輸損失，在更大范圍內(nèi)以能源聯(lián)供代替各種分供方式，成為節(jié)能減排最有效的途徑之一。

RDES通常由4個(gè)模塊構(gòu)成，即一次能源供應(yīng)模塊、能源轉(zhuǎn)換模塊、儲(chǔ)能模塊和終端用戶模塊，其一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。一次能源供應(yīng)模塊包括天然氣和各種可再生能源；能源轉(zhuǎn)換模塊包括能源站、換熱站、集熱器、熱泵、散熱器等，本文僅以冷、熱、電這3種最為主要的二次能源形式作為轉(zhuǎn)換對(duì)象進(jìn)行討論；儲(chǔ)能模塊則包括儲(chǔ)冷、儲(chǔ)熱和儲(chǔ)電；終端用戶模塊則包括多個(gè)負(fù)荷區(qū)。具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)赜脩糌?fù)荷的特點(diǎn)，從可利用的一次能源供應(yīng)出發(fā)，搭建符合實(shí)際的系統(tǒng)模型。

圖1 區(qū)域分布式能源系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)Fig.1 General structure of RDES

2 區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的信息物理建模

能源互聯(lián)網(wǎng)的提出為解決RDES存在的不足指明了方向，它將分布式能源所產(chǎn)生的冷、熱、電通過微電網(wǎng)和供冷供熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電力和熱力的互聯(lián)互通，并且支持大規(guī)模分布式電源的接入，支持大規(guī)模氫儲(chǔ)能及其他儲(chǔ)能設(shè)備的接入，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改造電力系統(tǒng)。

建立能源互聯(lián)網(wǎng)的最終目的是協(xié)調(diào)廣域內(nèi)的海量能量生產(chǎn)與消耗設(shè)備，信息在各種設(shè)備之間有效的雙向傳遞是實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)。物理系統(tǒng)的各種調(diào)度與控制功能對(duì)于信息系統(tǒng)的依賴不斷加深，對(duì)于信息質(zhì)量的完整性、準(zhǔn)確性和及時(shí)性提出了更高的要求，即在能源互聯(lián)網(wǎng)中信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)同樣重要。

2.1 基于MAS的信息物理融合模型

對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)信息與物理系統(tǒng)之間的交互研究需要研究信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的統(tǒng)一建模方法，簡(jiǎn)稱為信息物理建模（cyber physical modeling）。文獻(xiàn)［10-12］對(duì)電力系統(tǒng)的信息物理建模做了初步探討，然而在能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的信息物理建模研究還較為鮮見。

區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)模型的提出源于以下思想。

首先，在考慮分布式發(fā)電系統(tǒng)的同時(shí)，借鑒了文獻(xiàn)［13］中的能源總線思想，將來自于可再生能源的熱源或熱匯水，通過作為基礎(chǔ)設(shè)施的公共管網(wǎng)輸送到用戶終端，經(jīng)換熱后回到源頭。能源總線系統(tǒng)形式靈活，多源環(huán)狀管網(wǎng)優(yōu)勢(shì)明顯，具有可擴(kuò)展性?？偩€結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)中局域網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)，還具有諸多優(yōu)點(diǎn)：（1）能夠集成應(yīng)用不同種類的低品位能源，發(fā)揮規(guī)模效益；（2）為末端機(jī)組提供優(yōu)質(zhì)的熱源和熱匯，結(jié)合儲(chǔ)能措施，提升機(jī)組效率；（3）減少輸送能耗；（4）減少集中的冷媒熱媒總流量；（5）末端機(jī)組可以根據(jù)需要運(yùn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)分戶計(jì)量；（6）計(jì)費(fèi)方便等。

其次，RDES是一個(gè)分布式的控制系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中存在著狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)通信、任務(wù)計(jì)算以及指令執(zhí)行等過程。為了提高分布式能源供應(yīng)設(shè)備之間、分布式能源供應(yīng)設(shè)備與負(fù)荷之間以及RDES之間的協(xié)調(diào)控制能力，這就需要一個(gè)強(qiáng)有力的能量管理系統(tǒng)——基于MAS的能量管理系統(tǒng)來保證RDES運(yùn)行的可靠性、安全性和有效性。MAS具有很好的自主性和啟發(fā)性，可以將大型復(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)［14］。在這種模式下，也可以將復(fù)雜的任務(wù)劃分成簡(jiǎn)單的小任務(wù)交給每個(gè)Agent，相對(duì)獨(dú)立又相互協(xié)作地完成整個(gè)任務(wù)。

第三，在分布式能源的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，冷熱的供求和電力的供求不可能同時(shí)滿足用戶的需要，借助于儲(chǔ)能裝置可以將富余的冷熱電儲(chǔ)存起來，按需調(diào)配，起到能量的緩沖作用，可以使區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)刻處于高效運(yùn)行狀態(tài)，以取得區(qū)域分布式能源系統(tǒng)節(jié)能減排效益的最大值。

基于上述思想，本文提出了冷熱電聯(lián)供下的基于MAS的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)模型（見圖2），這里提到的路由Agent是一種稱之為能源路由器（energy router）的智能設(shè)備，它不僅具有Agent的各種特性，而且能夠控制冷、熱和電能。區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of RDES LAN

2.2 Agent的構(gòu)造

在基于MAS的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)模型中，共有2類Agent，分別是能源管理Agent和路由Agent，下面就其構(gòu)造過程進(jìn)行說明。

2.2.1 能源管理 Agent

在一個(gè)區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中，能源管理Agent是唯一的，其主要功能是對(duì)該區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中的路由Agent進(jìn)行監(jiān)視和全局協(xié)調(diào)控制，間接管理網(wǎng)絡(luò)中的各類物理設(shè)備。能源管理Agent根據(jù)來自各路由Agent的數(shù)據(jù)信息，對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控和管理，根據(jù)控制策略組織和管理路由Agent，接受能源互聯(lián)網(wǎng)的命令。它由通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫和運(yùn)算／決策模塊組成。各模塊的功能為：

（1）通信模塊實(shí)現(xiàn)能源管理 Agent同各路由Agent之間的通信功能，用于交換信息、反饋信息或下達(dá)命令等操作；

（2）數(shù)據(jù)采集模塊采集區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部信息，例如微電網(wǎng)母線電壓和系統(tǒng)頻率、冷熱管網(wǎng)壓力和流量等，采集內(nèi)容較為單一；

（3）數(shù)據(jù)庫存有數(shù)據(jù)采集模塊所采集到的信息、全部路由Agent的信息以及關(guān)于控制策略執(zhí)行情況的信息等內(nèi)容；

（4）知識(shí)庫提供各種數(shù)據(jù)（如節(jié)點(diǎn)電壓和頻率的參考整定值等）和相關(guān)算法（如控制策略等）給運(yùn)算／決策模塊；

（5）運(yùn)算／決策模塊是核心模塊，它根據(jù)掌握的信息、數(shù)據(jù)以及算法規(guī)則來判斷區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行情況。

該Agent的模型可以表示為：

其中，ERAgenti表示能源管理 Agent管理的路由Agent的描述，其模型將在 2.2.2 節(jié)中描述；K 表示知識(shí)庫；Policy表示能源管理Agent采取的策略的描述，用來記錄執(zhí)行調(diào)節(jié)策略得到的狀態(tài)-動(dòng)作對(duì)，為后續(xù)調(diào)節(jié)工作做參考，其模型如下：

其中，ID表示物理設(shè)備在區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中的身份標(biāo)識(shí)；State：：=＜st，st+1＞表示該設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)以及下一時(shí)刻的狀態(tài)描述；Action表示執(zhí)行調(diào)節(jié)策略的物理設(shè)備采用的最優(yōu)動(dòng)作。

2.2.2 路由 Agent

路由Agent的主要功能是對(duì)當(dāng)?shù)厮鶎?duì)應(yīng)的各類物理設(shè)備進(jìn)行管理，存儲(chǔ)相關(guān)信息（分布式能源種類、額定功率、負(fù)荷需求等），并監(jiān)測(cè)設(shè)備的功率輸出情況和運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)設(shè)備的運(yùn)行控制，與能源管理Agent及其他路由Agent進(jìn)行通信，接受能源管理Agent的命令等。

它由通信模塊、執(zhí)行模塊、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)采集模塊和設(shè)備節(jié)點(diǎn)組成。各模塊的功能為：

（1）通信模塊實(shí)現(xiàn)路由Agent與設(shè)備單元之間、路由Agent之間以及路由Agent與能源管理Agent之間的通信功能，用于交換信息、下達(dá)命令以及反饋信息等操作；

（2）執(zhí)行模塊將來自能源管理Agent和自身的控制命令傳達(dá)至相應(yīng)設(shè)備單元；

（3）數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)設(shè)備的分布式能源種類、額定功率、負(fù)荷需求以及其他環(huán)境信息等；

（4）與能源管理Agent的數(shù)據(jù)采集目的不同，路由Agent的數(shù)據(jù)采集模塊采集內(nèi)容較為豐富，主要采集設(shè)備的相關(guān)信息，如有功／無功出力情況、運(yùn)行狀態(tài)、控制方式、負(fù)荷需求等信息，并將它們存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。

路由Agent的模型可以表示為：

其中，ID表示ERAgenti在區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中的身份標(biāo)識(shí)；Role表示ERAgenti在區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中扮演的角色，包括電網(wǎng)Agent、供能Agent、儲(chǔ)能Agent和負(fù)荷Agent 4種，從而可以賦予不同的控制策略；Device表示ERAgenti管理的設(shè)備，其模型可以表示為：

其中，Mode表示設(shè)備的控制方式，可選，如P／Q控制方式和V／f控制方式等；Ref表示設(shè)備參數(shù)的設(shè)定值集合。

2.3 Agent的交互機(jī)制

Agent之間傳遞信息而產(chǎn)生的交互是MAS的重要組成部分，本文的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)分布式協(xié)調(diào)運(yùn)行控制系統(tǒng)采用的是基于環(huán)境的交互模型EASI（Environment as Active Support of Interaction）［15］。下面舉例說明如何利用該模型實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中各Agent之間的交互操作。

假設(shè)能源管理Agent要維護(hù)可增發(fā)電量的數(shù)據(jù)表，可通過供能路由Agent，查詢各供能設(shè)備的可增發(fā)電量，后者在收到查詢請(qǐng)求后將供能設(shè)備的可增發(fā)電量發(fā)送給前者。能源管理Agent對(duì)數(shù)據(jù)表進(jìn)行維護(hù)，其交互模型如圖3所示。

圖3 EASI交互模型示例Fig.3 Example of EASI interaction model

在這里，Ω=｛ω1，ω2，ω3｝，ω1、ω2和 ω3分別表示能源管理 Agent（EMAgent）、供能路由 Agent1（ERAgent1）以及消息M1；用power_amount表示可增發(fā)電量，EP1表示ERAgent1管理的供能設(shè)備。ωi有4個(gè)特性：身份標(biāo)識(shí)、傳遞內(nèi)容、內(nèi)容主體和連接目標(biāo)，分別用id、message、message_subject和 connection_object表示，特性對(duì)應(yīng)實(shí)體的值可以根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化而實(shí)時(shí)改變。查詢信息時(shí)與反饋信息時(shí)的環(huán)境模型如圖4所示。

在這里定義3類過濾器：Reception、Emission和Interception過濾器。

Reception過濾器是通過過濾特定特性的值來決定接收者的過濾器。例如，Agent有個(gè)特性id，基于這個(gè)特性的值可以通過建立互動(dòng)的過濾器成為Reception過濾器。例如，ERAgent1通過設(shè)置過濾器可以只接收發(fā)送給自己的查詢可增發(fā)電量的消息，其過濾器模型可表示為：

此類過濾器一般由環(huán)境放置。

圖4 查詢與反饋模型Fig.4 Inquiry model and response model

Emission過濾器是將消息和接收者進(jìn)行匹配的過濾器。例如，EMAgent查詢可增發(fā)電量的消息不僅應(yīng)該通知ERAgent1，還應(yīng)該通知ERAgent2，其過濾器模型可表示為：

此類過濾器一般由EMAgent放置。

Interception過濾器是一種特殊的過濾器，它允許Agent能夠接收到原本不是發(fā)送給它的，但是卻含有其感興趣的信息的消息。例如，ERAgent1向EMAgent上報(bào)其管轄的微源的可增發(fā)電量，而這個(gè)消息恰好對(duì)ERAgent2有幫助，則可以在 ERAgent2處放置一個(gè)Interception過濾器來“偶然聽到”來自ERAgent1的消息，其過濾器模型可表示為：

此類過濾器一般由“偶然收聽”者放置。

3 能源路由器的結(jié)構(gòu)、功能和元胞設(shè)計(jì)

這里，能源路由器借鑒了Internet網(wǎng)絡(luò)路由器的概念，是本文所提出的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)模型中的路由Agent的具體實(shí)現(xiàn)形式，是系統(tǒng)內(nèi)各種物理設(shè)備的協(xié)調(diào)控制者。

3.1 能源路由器的基本結(jié)構(gòu)和功能組成

能源路由器通常是由固態(tài)變壓器SST（Solid State Transformer）、智能能量管理模塊IEMM（Intelligent Energy Management Model）和網(wǎng)絡(luò)通信模塊組成，主要目的在于對(duì)電能進(jìn)行控制。例如，文獻(xiàn)［16］給出了能源路由器的架構(gòu)，路由器由通信平臺(tái)、控制器和固態(tài)變壓器3個(gè)主要功能模塊組成；文獻(xiàn)［17］雖然提出了功能較為全面的能源路由器架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，從能源控制、信息保障、定制化需求和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理4個(gè)方面闡述了能源路由器的特性，但依然是從電能的角度進(jìn)行探討。然而，實(shí)現(xiàn)信息-能源一體化協(xié)調(diào)控制的能源路由器是能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，主要是因?yàn)椋?/p>

（1）固然能源路由器是基于電力傳輸中所存在的低壓網(wǎng)絡(luò)故障、電能質(zhì)量、局域能量管理等問題或需求而提出來的，但是冷熱的傳輸同樣存在著類似的問題，如網(wǎng)絡(luò)故障問題（閥門失靈、管道損壞、管道臟堵等）、供能質(zhì)量問題（水力失調(diào)、管網(wǎng)失衡等）、能量管理問題（熱源交替、分支閥門開度、分支阻力差距調(diào)節(jié)等），這些問題的解決同樣需要類似能源路由器的設(shè)備來完成；

（2）無論是供電還是供冷供熱，其故障的解決、質(zhì)量的保證以及能量的管理都涉及到本地端和區(qū)域協(xié)調(diào)，而多Agent系統(tǒng)的引入可以很好地解決上述問題；

（3）區(qū)域分布式能源系統(tǒng)采用的是冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，任何一種能量的供給都不是獨(dú)立的，而是密切聯(lián)系、相互影響的，即很難做到同時(shí)、恰好地滿足用戶對(duì)冷熱電的需求，往往是滿足了其一而其他能量要么不足要么過剩，因此，若要做到最優(yōu)控制，就必須一體化協(xié)同考慮冷熱電的調(diào)控；

（4）冷熱電等供能通道可整合為一條地下走廊，節(jié)約走廊建設(shè)成本，提高走廊利用率，并且為冷熱電的一體化調(diào)度和管理提供了基礎(chǔ)條件。

由此可見，構(gòu)建多能一體化協(xié)調(diào)控制的能源路由器是必要的和可行的，本文給出了一種新型的能源路由結(jié)構(gòu)（見圖5），以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)統(tǒng)一的綜合能源控制。

圖5 能源路由器的結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of energy router

該能源路由器具備充分融合能量流控制和信息流的能力，可以做到利用信息通信接口及時(shí)反饋能量流狀態(tài)，根據(jù)信息流反饋及時(shí)調(diào)整對(duì)能源系統(tǒng)的控制。網(wǎng)絡(luò)通信模塊利用信息網(wǎng)絡(luò)接口具備Ethernet、Wifi、Zigbee等多種網(wǎng)絡(luò)的接入識(shí)別能力，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換與管理策略機(jī)制的運(yùn)用能夠?qū)崟r(shí)保持網(wǎng)絡(luò)的可用性、擴(kuò)展性、可靠性及安全性；能源控制模塊主要負(fù)責(zé)冷熱電的協(xié)調(diào)與控制，包括遠(yuǎn)程控制、安全保護(hù)以及質(zhì)量控制等；智能能量管理模塊具備智能Agent的主要特性，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中各類設(shè)備及負(fù)載的狀態(tài)，進(jìn)行能量管理和儲(chǔ)能管理決策，并將決策指令通過能量控制器分別下發(fā)給固態(tài)變壓器、冷能調(diào)節(jié)器和熱能調(diào)節(jié)器執(zhí)行。

3.2 能源路由器中元胞的設(shè)計(jì)

區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中各類設(shè)備及負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)隨時(shí)可能發(fā)生變化，具有隨機(jī)性和不確定性特征，轉(zhuǎn)換過程是復(fù)雜的，因此，恰當(dāng)?shù)慕７椒▽?duì)于能源路由器的能量管理決策是至關(guān)重要的。

CA是一種時(shí)間、空間和狀態(tài)均離散，在局部范圍內(nèi)進(jìn)行相互作用的網(wǎng)格動(dòng)力學(xué)模型，能夠?yàn)閺?fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模，可以更好地模擬現(xiàn)實(shí)中的信息處理系統(tǒng)，具有同質(zhì)性、并行性和局部性等核心特征。CA應(yīng)用于區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)這種復(fù)雜系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)如下。

（1）在區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行過程中，設(shè)備單元之間會(huì)發(fā)生相互作用，即一個(gè)設(shè)備的變化可能會(huì)引起其他設(shè)備的變化，因此可將對(duì)區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行過程的研究轉(zhuǎn)化為對(duì)CA及其規(guī)則的研究，更為簡(jiǎn)單易行。

（2）在 CA 中，對(duì)于簡(jiǎn)單系統(tǒng)，可以用“0”和“1”分別表示元胞的正常運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)；對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，還可以用其他的離散值來表示元胞的狀態(tài)，各個(gè)元胞的狀態(tài)會(huì)隨時(shí)間的變化而改變。在區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中，既可以用“0”和“1”的簡(jiǎn)單方式來表示設(shè)備的2種運(yùn)行狀態(tài)，也可以用離散值來表示當(dāng)前設(shè)備的某個(gè)參數(shù)值，這些值都是隨著時(shí)間的變化而改變的。

（3）CA的鄰居模型可以用來描述區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中設(shè)備之間的連接關(guān)系，表現(xiàn)更直觀。

（4）區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中各設(shè)備的運(yùn)行過程復(fù)雜多變，充滿了隨機(jī)性和不確定性，而通過CA構(gòu)造的模型可以被用來研究區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的隨機(jī)性和不確定性問題。

因此，在能源路由器中引入CA，便于對(duì)能量管理實(shí)現(xiàn)輔助決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)模擬和行為預(yù)測(cè)，可以通過簡(jiǎn)單規(guī)則描述系統(tǒng)狀態(tài)變化和輸出狀態(tài)之間的復(fù)雜關(guān)系，實(shí)現(xiàn)故障的傳播和演化過程的模擬和預(yù)測(cè)；由能源路由器的能量管理模塊根據(jù)模擬和預(yù)測(cè)的結(jié)果采取相應(yīng)措施，及時(shí)消除故障，避免連鎖反應(yīng)或者大規(guī)模故障災(zāi)難的發(fā)生。

在區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中，將供能、儲(chǔ)能、負(fù)荷等設(shè)備節(jié)點(diǎn)抽象成元胞，它們的集合構(gòu)成了一個(gè)元胞空間；用數(shù)學(xué)函數(shù)來模擬各設(shè)備的運(yùn)行情況，即規(guī)則；給每個(gè)元胞賦一定的初值，這樣就可以建立起用CA來模擬區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的模型，稱為“區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)模型”。

3.2.1 元胞的定義及狀態(tài)

區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中第i個(gè)元胞位置可表示為：

其中，x=1，2，…，n；y=1，2，…，n；n 為區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)。

在區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中，一個(gè)元胞就代表一個(gè)設(shè)備，元胞的狀態(tài)就代表了設(shè)備的狀態(tài)?？蓪⒃臓顟B(tài)定義為“0”和“1”，“0”表示元胞處于正常運(yùn)行狀態(tài)，“1”表示元胞處于故障或失效狀態(tài)。

3.2.2 元胞的空間、鄰居與時(shí)間

為了更加準(zhǔn)確地反映區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，在區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的CA建模時(shí)，采用鄰域半徑r=1的Moore鄰居模型。

為了確定區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)模型中元胞的時(shí)間，可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)來進(jìn)行推斷，將歷史數(shù)據(jù)與模型的模擬結(jié)果相對(duì)應(yīng)。例如，模型運(yùn)行360～370次的結(jié)果正好與區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行一年監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)，那么就可以推斷一個(gè)元胞時(shí)間是現(xiàn)實(shí)的一天。但是，就目前而言，元胞時(shí)間與現(xiàn)實(shí)時(shí)間還不能做到完全對(duì)應(yīng)，因而元胞時(shí)間的確定仍然是一個(gè)難題。

3.2.3 元胞的轉(zhuǎn)換規(guī)則

元胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)換主要是根據(jù)元胞ri的關(guān)鍵參數(shù)值是否超過合理控制范圍來判斷當(dāng)前元胞的狀態(tài)。若超過則該元胞就會(huì)出現(xiàn)故障，發(fā)生破壞，元胞狀態(tài)值置為“1”；若在控制范圍內(nèi)，則已經(jīng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)或元胞可以經(jīng)過微調(diào)恢復(fù)正常狀態(tài)，此時(shí)狀態(tài)值為“0”。

如表1所示，以微電網(wǎng)為例，頻率和電壓是電氣設(shè)備設(shè)計(jì)和制造的基本技術(shù)參數(shù)，也是衡量電能質(zhì)量好壞的2個(gè)基本指標(biāo)。我國(guó)采用的額定頻率為50 Hz，正常運(yùn)行時(shí)頻率應(yīng)當(dāng)保持在（50±0.2） Hz的范圍之內(nèi)；用戶供電電壓的允許偏移對(duì)于10 kV及以下電壓等級(jí)為±7%，微電網(wǎng)一般由380V～10kV供電電壓組成，假設(shè)按380 V供電，則電壓允許偏差應(yīng)不超過 20～25 V。 將頻率范圍為［-0.05，0.05］Hz、電壓范圍為［-5，5］V的稱為調(diào)節(jié)死區(qū)，該區(qū)域內(nèi)的頻率和電壓值滿足正常運(yùn)行時(shí)的最小偏差要求；將頻率范圍為［-0.15，-0.05）Hz 或（0.05，0.15］Hz、電壓范圍為［-15，-5）V 或（5，15］V 的稱為正常控制區(qū)，該區(qū)域內(nèi)的頻率和電壓滿足正常運(yùn)行時(shí)的偏差要求；將頻率范圍為［-0.2，-0.15）Hz 或（0.15，0.2］Hz、電壓范圍為［-26，-15）V 或（15，26］V 的稱為可調(diào)控制區(qū)，該區(qū)域內(nèi)的頻率和電壓需經(jīng)過調(diào)節(jié)可以恢復(fù)到正常范圍內(nèi)；將頻率范圍為（-∞，-0.2）Hz或（0.2，＋∞） Hz、電壓范圍為（-∞，-26）V 或（26，＋∞）V的稱為緊急控制區(qū)，該區(qū)域內(nèi)的頻率和電壓值已處于故障范圍，有可能會(huì)破壞元件，所以需要經(jīng)過調(diào)節(jié)才能正常使用，否則需要切除該負(fù)荷。

表1 微電網(wǎng)元胞轉(zhuǎn)換規(guī)則Table 1 Rules of microgrid cellular transform

4 分布式協(xié)調(diào)控制策略

在區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中，冷熱電等各類能源的按需有序供給是能源管理中心的基本任務(wù)，同時(shí)確保微電網(wǎng)和供冷供熱網(wǎng)絡(luò)的平衡和穩(wěn)定運(yùn)行，因此，高效、合理的分布式協(xié)調(diào)控制策略必不可少［17-18］。鑒于電力能源的核心地位及其在區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中的骨干支柱作用，本文將對(duì)微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行初步的探討。

微電網(wǎng)的分布式協(xié)調(diào)控制過程是一種自趨優(yōu)的動(dòng)態(tài)過程，具有自主性和自治性，是集中控制與分散控制的統(tǒng)一結(jié)合體，包括兩方面的內(nèi)容：

（1）微電網(wǎng)在正常運(yùn)行情況下，應(yīng)有自動(dòng)防范能力及自動(dòng)診斷能力，并可完成最優(yōu)化運(yùn)行；

（2）故障發(fā)生之后，微電網(wǎng)應(yīng)具備自我恢復(fù)能力，使自身快速到達(dá)新的穩(wěn)定狀態(tài)。

相對(duì)于并網(wǎng)模式而言，孤島模式下的微電網(wǎng)其內(nèi)部所需的負(fù)荷全部由自身提供，調(diào)控難度大，更具代表性，本文針對(duì)孤島模式提出了一種新的微電網(wǎng)自趨優(yōu)分布式協(xié)調(diào)控制策略如圖6所示。

5 算例仿真

本文構(gòu)造了含有3個(gè)子區(qū)域A、B、C的仿真算例，以驗(yàn)證所提模型與控制策略的可行性和有效性。圖7給出了該算例的原始系統(tǒng)模型，其中，假定區(qū)域A的一次能源是天然氣和太陽能，區(qū)域B是天然氣和風(fēng)能，區(qū)域C則是太陽能和風(fēng)能，各區(qū)域均含有商業(yè)、住宅等負(fù)荷區(qū)，并接入市政電網(wǎng)。3個(gè)子區(qū)域即為3個(gè)子微電網(wǎng)，既可并網(wǎng)運(yùn)行，也可孤島運(yùn)行，且在孤島模式下，它們之間存在著相互影響。

圖6 微電網(wǎng)自趨優(yōu)分布式協(xié)調(diào)控制策略Fig.6 Self-approaching optimal strategy of distributed and coordinated control for microgrid

圖7 算例原始系統(tǒng)模型Fig.7 Original system model for case simulation

按照區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的信息物理建模方法，可得如圖8所示的架構(gòu)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行PSCAD仿真實(shí)驗(yàn)。

在圖9仿真實(shí)驗(yàn)中，PCC Agent是路由Agent，提供微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的接口，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行模式之間的切換；LC本地控制Agent也是路由Agent，負(fù)責(zé)對(duì)當(dāng)?shù)厮鶎?duì)應(yīng)的各類物理設(shè)備進(jìn)行管理；微電網(wǎng)Agent則是能源管理Agent。子微電網(wǎng)A包括微型燃?xì)廨啓C(jī)（MT）和光伏電池組（PV1），子微電網(wǎng)B包括燃料電池（FC）和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（WD1），子微電網(wǎng)C包括光伏電池組（PV2）和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（WD2）。

控制策略采用的是圖6所示分布式協(xié)調(diào)控制策略，通過各Agent之間的交互信息實(shí)現(xiàn)多微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制。微電網(wǎng)CA則由微源元胞和負(fù)荷元胞構(gòu)成，其設(shè)計(jì)方法見3.2節(jié)。結(jié)合設(shè)備元胞監(jiān)測(cè)的電壓和頻率的變化值，判斷系統(tǒng)是否可以正常運(yùn)行，進(jìn)行孤島模式下的無功電壓控制仿真實(shí)驗(yàn)。主要考慮光照、風(fēng)速對(duì)多微電網(wǎng)之間的影響，仿真時(shí)開關(guān)QF1斷開，假定仿真時(shí)間為10 s。實(shí)驗(yàn)中，元胞不斷地為Agent提供所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，Agent則根據(jù)這些數(shù)據(jù)通過交互操作來制定優(yōu)化控制策略，以維持電壓和頻率的相對(duì)穩(wěn)定。

5.1 光照強(qiáng)度改變對(duì)各微電網(wǎng)的影響

開始時(shí)光照強(qiáng)度是600 W／m2，第3 s時(shí)增大至800 W ／m2，第 6 s 時(shí)光照強(qiáng)度恢復(fù)到 600 W ／m2，仿真結(jié)果如圖10—12所示，圖11中母線電壓有效值為標(biāo)幺值，后同。

由圖10可以知道，光伏電池在光照強(qiáng)度為600 W／m2時(shí)，微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出的無功功率上升為20 kvar，燃料電池輸出的無功功率上升為10kvar，風(fēng)力發(fā)電機(jī)無功功率維持在0 kvar，光伏電池?zé)o功功率為0 kvar；第3 s時(shí)，光照強(qiáng)度由600 W／m2增加至800 W／m2，光伏電池?zé)o功出力穩(wěn)定在0 kvar，微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池?zé)o功出力維持不變；第6 s時(shí)，光照強(qiáng)度恢復(fù)到600 W／m2，微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池的無功功率仍維持不變。

圖8 算例區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)模型Fig.8 Architectural model of regional energy internet for case simulation

圖9 算例仿真圖Fig.9 Simulative diagram of case simulation

由圖10—12可知，在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，子微電網(wǎng)A在微型燃?xì)廨啓C(jī)的調(diào)節(jié)下，其母線電壓基本維持不變；子微電網(wǎng)B在燃料電池的調(diào)節(jié)下，其母線電壓基本維持不變；子微電網(wǎng)C中的光伏電池組和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無功功率輸出為0 kvar；系統(tǒng)頻率在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)有微小波動(dòng)，但頻率值仍維持在（50±0.02）Hz內(nèi)，能夠滿足微電網(wǎng)運(yùn)行要求。

綜上所述，無功功率和母線電壓在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)基本不變，系統(tǒng)頻率在允許的范圍內(nèi)有較小的波動(dòng)，各微源對(duì)無功電壓的控制取得了較好的效果。因此，子微電網(wǎng)A中的微型燃?xì)廨啓C(jī)不僅對(duì)自身電壓起調(diào)節(jié)作用，還對(duì)子微電網(wǎng)B和C起到了良好的調(diào)節(jié)作用，才使得多微電網(wǎng)整體功率相對(duì)平穩(wěn)。

圖10 光照強(qiáng)度改變時(shí)各微源元胞輸出無功功率Fig.10 Curve of reactive power output vs.light intensity for different micro-energy cellulae

圖11 光照強(qiáng)度改變時(shí)母線電壓有效值Fig.11 Curve of bus voltage RMS vs.light intensity

圖12 光照強(qiáng)度改變時(shí)系統(tǒng)頻率Fig.12 Curve of system frequency vs.light intensity

5.2 風(fēng)速變化對(duì)各子微電網(wǎng)的影響

實(shí)驗(yàn)采用隨機(jī)風(fēng)速，光照強(qiáng)度保持在800 W／m2，仿真結(jié)果如圖13—15所示。

由圖13—15可知，風(fēng)速增大時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無功輸出增多，風(fēng)速減小時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無功輸出減少，且其無功輸出在0 kvar上下波動(dòng)；微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出的無功功率在23 kvar上下波動(dòng)；燃料電池輸出的無功功率在15 kvar上下波動(dòng)；光伏電池組無功輸出恒為0 kvar。多微電網(wǎng)母線電壓在1.0 p.u.上下波動(dòng)，系統(tǒng)頻率在50 Hz上下小范圍波動(dòng)，滿足系統(tǒng)最低要求。

綜上所述，孤網(wǎng)模式下，隨著風(fēng)速的變化，為了維持多微電網(wǎng)系統(tǒng)無功出力的平衡，子微電網(wǎng)A中微型燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)調(diào)節(jié)子微電網(wǎng)B和子微電網(wǎng)C起到了良好的作用，使多微電網(wǎng)中的各微源無功電壓在允許的范圍內(nèi)波動(dòng)，使母線電壓和系統(tǒng)頻率相對(duì)平衡。

圖13 風(fēng)速變化時(shí)各微源元胞輸出無功功率Fig.13 Curve of reactive power output vs.wind speed for different micro-energy cellulae

圖14 風(fēng)速變化時(shí)母線電壓有效值Fig.14 Curve of bus voltage RMS vs.wind speed

圖15 風(fēng)速變化時(shí)系統(tǒng)頻率Fig.15 Curve of system frequency vs.wind speed

6 結(jié)論與展望

我國(guó)低碳區(qū)域能源規(guī)劃工作任重而道遠(yuǎn)，區(qū)域分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展受到我國(guó)特定的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、城市化水平和資源條件的約束，必然需要探索一條適合我國(guó)國(guó)情的自主發(fā)展道路。區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)作為分布式可再生能源的一種高級(jí)利用形式，既要依托智能電網(wǎng)作為堅(jiān)強(qiáng)后盾，又要充分利用互聯(lián)網(wǎng)及其他前沿信息技術(shù)的成功經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步深入研究。

（1）模型與控制策略。本文雖然提出了多能供給模型和協(xié)同控制策略的研究思路和框架，并且以微電網(wǎng)為主部分論證了其合理性和可行性，然而這僅僅是階段性研究成果，其完備性存在著不足。在下一步的研究中，將重點(diǎn)研究精確的能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部隨機(jī)負(fù)荷模型構(gòu)建方法以及多能源供給下的復(fù)合能源統(tǒng)一控制策略，使系統(tǒng)具有自愈、自治和自組織等功能。將冷熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供作為未來新區(qū)建設(shè)和舊區(qū)改造的統(tǒng)一規(guī)劃目標(biāo)和任務(wù)，實(shí)現(xiàn)能源利用效益的最大化，推動(dòng)低碳經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)、有序地向前發(fā)展。

（2）即插即用技術(shù)。針對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)中大量的分布式設(shè)備的接入問題，以往人工式的規(guī)劃和設(shè)計(jì)方法顯然已不現(xiàn)實(shí)，因此，研究分布式設(shè)備的即插即用技術(shù)，包括對(duì)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的研究和多種通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換機(jī)制的研究，將有助于加強(qiáng)能源互聯(lián)網(wǎng)的可擴(kuò)展性、兼容性和分布式設(shè)備的“可見”性。

（3）儲(chǔ)能技術(shù)。研究新型的儲(chǔ)能裝置，使之更加符合分布式可再生能源供能的穩(wěn)定性和容量要求，優(yōu)化儲(chǔ)能控制策略，使系統(tǒng)具有更大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，更加符合能源市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性的要求。

另外，由電力系統(tǒng)、天然氣網(wǎng)絡(luò)、交通系統(tǒng)、供熱供冷網(wǎng)絡(luò)以及信息系統(tǒng)所組成的能源互聯(lián)網(wǎng)無疑是一個(gè)復(fù)雜的多網(wǎng)流系統(tǒng)，計(jì)及各類不確定性因素的協(xié)調(diào)規(guī)劃和運(yùn)行等模型和方法都是需要解決的問題，將對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)和整體系統(tǒng)性能的提升產(chǎn)生積極的促進(jìn)作用。

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