基于多代理系統(tǒng)的主動配電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)控制

岳超 朱旭 李鑫 祁秋民

摘? 要：通過建立三層分區(qū)電壓協(xié)調(diào)控制架構(gòu)，分析多代理系統(tǒng)應(yīng)用在主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制中產(chǎn)生的影響，提出有載調(diào)壓變壓器結(jié)合電容器組的調(diào)壓控制策略，運用仿真平臺搭建元件模型，結(jié)合算例進行仿真分析，證明所提出的電壓控制策略的可行性。

關(guān)鍵詞：主動配電網(wǎng)? 電壓協(xié)調(diào)控制? 多代理系統(tǒng)

中圖分類號：TM711? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）03（b）-0034-05

主動配電網(wǎng)的運行受到分布式電源間歇性、波動性的影響，帶來電壓、供電可靠性及繼電保護等問題，其中電壓問題尤為突出[1]。多代理技術(shù)的自治性、靈活性、學習性等特點契合了主動配電網(wǎng)電壓控制的需要，可以通過多代理系統(tǒng)構(gòu)建一個集中式與分布式混合的電壓控制體系，以滿足主動配電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)控制的要求[2]。

該文運用多代理系統(tǒng)的思想，合理利用配電網(wǎng)調(diào)壓設(shè)備，以綜合系統(tǒng)電壓偏差小、配網(wǎng)運營商投資成本耗費低、動態(tài)響應(yīng)速度快為控制目標，選擇有載調(diào)壓變壓器和電容器組的控制方法，構(gòu)建基于多代理系統(tǒng)的電壓協(xié)調(diào)控制架構(gòu)[3]。

1? 主動配電網(wǎng)與多代理系統(tǒng)

1.1 主動配電網(wǎng)的概念

主動配電網(wǎng)（Active Distribution Network，ADN）的定義為：可以對分布式電源、柔性負載和儲能裝置等系統(tǒng)中可控能源進行自發(fā)控制的配電網(wǎng)，也可通過靈活地改變網(wǎng)絡(luò)拓撲對配電網(wǎng)潮流進行管理[4]。

1.2 分布式電源接入對主動配電網(wǎng)電壓的影響

分布式電源的接入對主動配電網(wǎng)電壓的影響主要分為3個方面。

（1）分布式電源的連接位置：不考慮其他影響時，分布式電源接入點越接近線路末端，所起到的電壓支撐作用越強。

（2）分布式電源的出力大?。寒敆l件（1）及其他條件不變時，僅改變分布式電源的輸出時，電壓的支撐作用隨輸出功率的增加而增大;在分布式電源輸出功率單調(diào)變化時，網(wǎng)絡(luò)電壓出現(xiàn)先抬升后下降、逐漸下降、先下降后抬升再下降的情況。

（3）當分布式電源的出力超過主動配電網(wǎng)總負荷和網(wǎng)絡(luò)損耗之和時，此時潮流由分布式電源流向電源，分布式電源接入點電壓將超過電源點的電壓。

1.3 Agent與多代理系統(tǒng)

1.3.1 Agent技術(shù)

Agent是指對流程運行中的策略或控制目的進行描繪，進而產(chǎn)生的一個具有自主行為能力的實體，它根據(jù)數(shù)值計算或規(guī)則推理，能夠完成指定的行為目標，而且可以利用通信數(shù)據(jù)傳輸同其他Agent和流程中的其他對象進行信息交互，達到信息溝通與協(xié)調(diào)配合。Agent概念的核心是勾勒一種動態(tài)響應(yīng)的實體，該實體能自主學習、自優(yōu)化，并具有依照環(huán)境變化調(diào)節(jié)自身行為的能力。Agent具有智能化求解問題的特性，它的行為充分體現(xiàn)了智能體的智能特性。

1.3.2 多代理系統(tǒng)

多代理系統(tǒng)（Multi-Agent System，MAS）屬于分布式人工智能的范疇，它的作用是讓邏輯中和物理中分散的系統(tǒng)，通過同步與協(xié)調(diào)的方式產(chǎn)生問題的解[5]。多代理系統(tǒng)是由多個Agent完成彼此間的通信，通過協(xié)調(diào)或者協(xié)作的運行方式，達到所設(shè)目標的多Agent集合體。MAS中的多個Agent在所處的環(huán)境中，既根據(jù)對環(huán)境的反應(yīng)，完成各自分擔的任務(wù)，又進行有效的溝通、協(xié)商和局部合作，作為一個整體實現(xiàn)目的。MAS通過分布式求解和整體配合的有序行為，提高了對于問題的求解能力，有效避免了單一代理知識不全面、信息利用不準確的局限性。

1.3.3 MAS在主動配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制中的應(yīng)用

MAS在主動配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制的詳細流程如下。

（1）初始化每個運行環(huán)節(jié)Agent的控制條件和標準。

（2）初始化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信息。

（3）初級Agent匹配主動配電網(wǎng)的設(shè)備，即通過接收初級Agent自身所需的配網(wǎng)運行狀態(tài)的信息，該信息的源頭均來自量測單元Agent。初級Agent控制主動配電網(wǎng)的可控元件以達到所需的控制目的。

（4）中級Agent接收到來自初級Agent的信息，經(jīng)過運算和判斷，發(fā)送控制策略控制初級Agent的動作，并分析所在區(qū)域是否滿足控制要求，若不滿足要求，則向高級Agent提交區(qū)域的運行狀態(tài)。

（5）高級Agent接受到中級Agent的請求和運行情況，指揮可影響整個配電網(wǎng)的元件進行調(diào)節(jié)，控制所有中級Agent的行為，使整個主動配電網(wǎng)處于合理狀態(tài)。

（6）各個主動配電網(wǎng)（如：主動配電網(wǎng)A，B，C，…，N）的高級Agent將自身配網(wǎng)控制相關(guān)的狀態(tài)信息上報給上級電網(wǎng)控制中心，上級電網(wǎng)分析判斷后將其轉(zhuǎn)發(fā)給信息處理系統(tǒng)，信息經(jīng)統(tǒng)一翻譯成Agent可讀取的格式后，由決策模塊進行接收。決策模塊生成各主動配電網(wǎng)的控制方案后，由各配網(wǎng)高級Agent接收此信息，高級Agent完成對配電網(wǎng)的控制后，由上級電網(wǎng)和高級Agent再傳給決策模塊，決策模塊再一次調(diào)整，構(gòu)成一個閉環(huán)的控制。

（7）主動配電網(wǎng)在MAS的不斷協(xié)調(diào)控制的作用下，既可以保證自身的安全穩(wěn)定運行，也對上級電網(wǎng)和周邊主動配電網(wǎng)提供有效的支持。

2? 基于MAS的主動配電網(wǎng)電壓控制方法

該文利用MAS的思想，將主動配電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)控制分成單元層、線路層、配網(wǎng)層3層架構(gòu)。

（1）單元層。MAS架構(gòu)中的第一層，控制著量測系統(tǒng)中的遠程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）和并聯(lián)電容器組。其中，前者稱作量測單元Agent，后者命名為電容器組單元Agent。單元層Agent負責收集MAS系統(tǒng)和控制目標相關(guān)的的底層量測信息，并就地控制所屬元件的動作行為。除了向上級Agent傳遞需要的信息外，還與同層的附近其他Agent進行信息交互。其中，電容器組單元根據(jù)上層線路Agent的調(diào)節(jié)指令，實時調(diào)節(jié)電容器組的投切容量。

（2）線路層。MAS架構(gòu)中的第二層，按照主動配電網(wǎng)區(qū)域劃分的標準，每一個線路層級Agent對應(yīng)一條配電網(wǎng)饋線。作為控制系統(tǒng)的中間級，線路層級Agent既要接受下級Agent傳來的電壓分布信息，同時控制著是否允許下級Agent的決策指令生效，即當判斷為區(qū)域電壓越限時，向單元層Agent發(fā)送調(diào)節(jié)指令;還要向上級Agent上報此時的區(qū)域電壓越限信息，在下級Agent無法完成電壓調(diào)節(jié)任務(wù)時，請求上級Agent的協(xié)助。

（3）配網(wǎng)層。屬于分層結(jié)構(gòu)的第三層，也是最高層。該層設(shè)置配網(wǎng)Agent，負責接受各線路Agent傳來的電壓信息，從而掌握整個主動配電網(wǎng)的電壓情況。

當發(fā)生區(qū)域電壓越限，并且本地電容器組投切無法滿足調(diào)壓要求時，向下級Agent發(fā)送協(xié)調(diào)控制信號，并由配網(wǎng)Agent 控制變壓器進入調(diào)壓模式，調(diào)節(jié)主變壓器分接頭，保證全網(wǎng)電壓達到調(diào)壓要求，主動配電網(wǎng)運行在允許范圍內(nèi)。

3? 電壓協(xié)調(diào)控制的仿真分析

3.1 仿真系統(tǒng)介紹

該文利用Matlab/Simulink平臺，搭建了含有分布式電源、有載調(diào)壓變壓器和并聯(lián)電容器組的IEEE33主動配電網(wǎng)仿真模型。有載調(diào)壓變壓器作為配電網(wǎng)主變壓器安裝在節(jié)點0與1之間，變壓器額定容量為10MVA，變比為35kV/12.66kV，分接頭安在一次繞組，分接頭各檔電壓標幺值為1±8×0.01875p.u.，設(shè)定延時Td為4s，調(diào)節(jié)固定機械延時Tm為1s;在節(jié)點1，5，17，21，24設(shè)置無功補償電容器組，安裝電容器組數(shù)分別為3，3，3，5，5（如圖1所示）。

由于輻射狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)饋線末端是本線電壓最低點，在饋線末端安裝合理容量的分布式電源更能發(fā)揮對主動配電網(wǎng)電壓的支撐作用;且在實際中一般都分散裝設(shè)，離電源點較遠。所以，該仿真選擇在一條饋線的末端17號節(jié)點處，設(shè)置額定容量為0.5MVA的分布式電源并網(wǎng)。

3.2 仿真試驗與結(jié)果分析

由于主動配電網(wǎng)電壓波動的來源可能是負荷的波動，或是分布式電源輸出的變化，該文考慮兩種比較極端情形下進行仿真求證，情形如下。

情形一，負荷的劇烈波動：10s時，14、15、16號節(jié)點的有功負荷增加0.5MW。

情形二，分布式電源輸出的變化伴隨有負荷的波動：50s時，輸出增加2.5MW，同時切掉14、15號節(jié)點的負荷。

3.2.1 系統(tǒng)初始電壓分布

系統(tǒng)初始態(tài)為滿負荷運行，所有無功補償電容器組全部切除，變壓器運行于非調(diào)壓模式，僅相當于一臺降壓變壓器。在17號節(jié)點處連接分布式電源前，與17號節(jié)點接入輸出為0.5MW，功率因數(shù)0.95，即發(fā)出無功功率0.164Mvar的分布式電源后，觀察到系統(tǒng)初始電壓分布分別如圖2和圖3所示。

可以觀察到，分布式電源的接入改變了配電網(wǎng)的電壓分布，在合適的位置接入容量合理的分布式電源會對配網(wǎng)電壓起到支撐作用，并能改善網(wǎng)絡(luò)的電壓分布。

3.2.2 防止負荷突然增加造成的電壓驟降

接入分布式電源后，系統(tǒng)進入情形一，系統(tǒng)電壓分布情況如圖4所示。

可以看出，在14、15、16號節(jié)點所接負荷突然增加時，它們附近處節(jié)點的電壓迅速降低至電壓最低限度以下。

在電壓越限后，測量單元Agent收集到遠程終端單元的電壓越限量測信息，迅速將其發(fā)送給向上級饋線2的線路Agent。線路Agent進行判別后，由其決策模塊選擇最佳的投入策略，并將其傳給電容器組單元Agent，電容器組單元Agent收到發(fā)來的信息后，控制電容器組的投入，動作結(jié)果見表1。

在部分電容器投入后，此時配網(wǎng)各節(jié)點電壓如圖5。通過量測單元Agent得到的電壓變化的結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，在電容器組進行補償之后，系統(tǒng)電壓有了明顯的抬升，但由于增加的負荷比較大，電壓下降比較嚴重，只有部分節(jié)點的電壓恢復到允許偏差范圍內(nèi)，仍有14、15、16號節(jié)點附近電壓并未在限度之內(nèi)。

收到電壓越限信息后，電容器組單元Agent向上級饋線2線路Agent發(fā)送請求主變壓器分接頭調(diào)節(jié)電壓。饋線2線路Agent經(jīng)過分析判斷，將此線路的電壓越限信息傳給配網(wǎng)Agent，配網(wǎng)Agent控制OLTC完成電壓協(xié)調(diào)控制。此時，OLTC置于調(diào)壓模式，記此時時刻為0時刻，此次電壓協(xié)調(diào)控制的結(jié)果見圖6。

在主變壓器抽頭動作后，該系統(tǒng)電壓有了整體提升，14、15、16號節(jié)點附近電壓也滿足了電壓質(zhì)量的要求，配網(wǎng)電壓重新恢復了正常水平。配網(wǎng)Agent接收到更新的電壓信息，將有載調(diào)壓變壓器置于非調(diào)壓模式。

3.2.3 防止分布式電源輸出突然增加造成的電壓突升

50s時，分布式電源輸出突然變?yōu)?.5MW，功率因數(shù)依然為0.95，即發(fā)出無功功率0.822Mvar，且伴隨有14、15號節(jié)點負荷切除。此刻，該主動配電網(wǎng)進入情形二。采用下垂控制的分布式電源發(fā)出有功無功功率變化情況見圖7，初始時分布式電源輸出由0變化至0.5MW，50s時分布式電源輸出由0.5MW變化到2.5MW。

在情形一和情形二分布式電源輸出變化的過程中，下垂控制模塊輸出的參考電壓幅值的先有突變，后分別穩(wěn)定在309V和315V（見圖8）。

而下垂控制模塊輸出參考頻率波動后最終穩(wěn)定于50Hz上下（見圖9）。