唐忠，郭威

（上海電力學(xué)院計算機與信息工程學(xué)院，上海 200090）

隨著我國1 000 kV特高壓主干電網(wǎng)的建設(shè)和投入運行，大區(qū)域聯(lián)網(wǎng)使得電力系統(tǒng)成為更復(fù)雜、可靠性要求更高的系統(tǒng).日益耗盡的化石燃料和不斷加劇的溫室效應(yīng)，使得發(fā)展風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電技術(shù)成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，處于配電側(cè)的分布式發(fā)電要求與輸電側(cè)通過控制中心統(tǒng)一調(diào)配，并與需求側(cè)響應(yīng).通信與信息處理技術(shù)的發(fā)展使得電力運行時的資源優(yōu)化配置成為可能.非線性電力設(shè)備以及電網(wǎng)擾動嚴重影響了計算機和電子設(shè)備的正常工作，迫切要求更高級的電力電子技術(shù)和控制技術(shù)來解決電能質(zhì)量問題.智能電網(wǎng)作為大區(qū)域聯(lián)網(wǎng)安全、分布式發(fā)電集成、電力市場優(yōu)化配置與電能質(zhì)量等問題的電力解決方案，受到了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注.

本文從智能電網(wǎng)的定義出發(fā)，介紹了智能電網(wǎng)自愈性、用戶互動性，以及優(yōu)質(zhì)的電能質(zhì)量、可再生能源方便接入、成熟的電力市場和資產(chǎn)優(yōu)化管理等5個關(guān)鍵特征，并在此基礎(chǔ)上深入探討了智能電網(wǎng)所需的7大關(guān)鍵技術(shù)及其研究進展，提出了基于Multi-Agent的自適應(yīng)/協(xié)調(diào)控制，有效地解決了分布式發(fā)電與大電網(wǎng)的集成問題，其高級的電力電子技術(shù)與控制策略是保證電能質(zhì)量與大電網(wǎng)穩(wěn)定的有效手段，先進的決策技術(shù)是提高電網(wǎng)資產(chǎn)利用效率的有效方法.

1 智能電網(wǎng)的特征

到目前為止，智能電網(wǎng)并沒有一個統(tǒng)一的定義.由美國電力科學(xué)研究院開展的IntelliGrid項目提出未來電力系統(tǒng)是一個融合電力輸送能源基礎(chǔ)設(shè)施和信息基礎(chǔ)設(shè)施的能源系統(tǒng)，其核心是推動電力工程、通信和信息技術(shù)的集成.歐洲各國則更強調(diào)分布式可再生能源發(fā)電與大型集中式發(fā)電廠的集成［1，2］.

智能電網(wǎng)包括以下5個關(guān)鍵特征［3］.

（1）自愈性能夠?qū)崟r掌控電網(wǎng)的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)、快速診斷及消除故障隱患;在盡量少的人工干預(yù)下，快速隔離故障、自我恢復(fù)，避免了大面積停電的發(fā)生.

（2）用戶互動性實現(xiàn)了與客戶的智能互動，以最佳的電能質(zhì)量和供電可靠性滿足客戶需求;通過與智能控制中心的交互，客戶能夠參與到電力交易中來.

（3）優(yōu)質(zhì)的電能質(zhì)量通過高級的電力電子技術(shù)以及控制技術(shù)，解決了與頻率和電壓相關(guān)的各種電能質(zhì)量問題，滿足了電子設(shè)備、計算機等高精密儀器的正常工作.

（4）可再生能源的接入和分布式儲能通過運用微電網(wǎng)技術(shù)和電能變化技術(shù)，將可再生能源發(fā)電和分布式儲能融為一體，以提供分布式發(fā)電的“即插即用”式的方便接入和退出.

（5）成熟的電力市場和資產(chǎn)優(yōu)化管理通過電力市場將電力系統(tǒng)的運行需求與用戶需求緊密聯(lián)系起來，為電力市場的所有參與者提供公平競價的機會.同時，通過對電網(wǎng)資產(chǎn)運行狀態(tài)的在線監(jiān)測和潮流控制，提高電力設(shè)備的使用效率.

圖1 含分布式發(fā)電的4層Agent結(jié)構(gòu)

2 智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

本文提出的基于Multi-Agent的自適應(yīng)/協(xié)調(diào)控制，是智能電網(wǎng)體系建立的基礎(chǔ)，是針對大區(qū)域聯(lián)網(wǎng)所產(chǎn)生的能源間斷、大電網(wǎng)穩(wěn)定性問題的新型控制方法，其含分布式發(fā)電的輸電、配電網(wǎng)的4層Agent結(jié)構(gòu)如圖1所示.

基于Multi-Agent的自適應(yīng)/協(xié)調(diào)控制的智能電網(wǎng)包括以下7項關(guān)鍵技術(shù).

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

靈活的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是指在含分布式電源的配電網(wǎng)中，通過先進的配電網(wǎng)重構(gòu)算法，使系統(tǒng)在經(jīng)歷故障時，將故障影響局限在最小范圍，并能迅速通過其他連接恢復(fù)對其他部分的供電.

配電網(wǎng)供電恢復(fù)是一個多目標、多階段、多約束的非線性優(yōu)化問題，在滿足恢復(fù)后配電網(wǎng)連通性和輻射狀、饋線不過載等條件下，實現(xiàn)開關(guān)操作次數(shù)最小、恢復(fù)負荷最多、饋線容量裕度最大等目標，提出最優(yōu)的開關(guān)操作方案.常用的配電網(wǎng)供電恢復(fù)算法包括啟發(fā)式搜索算法、模糊評估算法、遺傳算法、專家系統(tǒng)方法、模擬退火算法、多Agent系統(tǒng)理論和基于圖論的方法，以及上述算法的組合［4］.

未來智能電網(wǎng)的發(fā)展將伴隨著分布式能源的系統(tǒng)集成，因此基于Multi-Agent的分布協(xié)調(diào)/自適應(yīng)控制可以很好地適應(yīng)電力系統(tǒng)向分布化和層次化發(fā)展的需求，提出了基于上級電網(wǎng)Agent，以及微電網(wǎng)Agent和元件Agent組成的3層多代理控制系統(tǒng)，解決了配電網(wǎng)供電恢復(fù)非線性優(yōu)化問題所產(chǎn)生的“組合爆炸”問題，其具有以下優(yōu)點：

（1）不受干擾的情況下自行控制元件運行，并可根據(jù)知識系統(tǒng)和外界環(huán)境的情況進行推理和規(guī)劃，以解決自身領(lǐng)域內(nèi)的各類問題;

（2）可與其他實體通信，并協(xié)調(diào)合作解決復(fù)雜問題;

（3）針對每個微電網(wǎng)元件和每個Agent都可以制定不同的控制策略，從而使對每個元件的控制達到最優(yōu).

2.2 集成能量管理和通信體系

在系統(tǒng)中安放大量的傳感器并將它們連接到一個安全的通訊網(wǎng)中，使分布式計算設(shè)施與自動化設(shè)備在統(tǒng)一的通信標準上進行互聯(lián).集成能量管理和通信體系（IECSA）對可重用的體系組件和一個公共的接口集，以及用于執(zhí)行能源企業(yè)和工業(yè)級應(yīng)用的語言［5］進行了定義.通過對業(yè)務(wù)需求的分析，IECSA將電力系統(tǒng)抽象為6個業(yè)務(wù)領(lǐng)域：市場運作、輸電、配電、客戶服務(wù)、主發(fā)電和分布式能源，并在此基礎(chǔ)上建立了20個IECSA環(huán)境.這些IECSA環(huán)境考慮了變電站、調(diào)度控制中心、現(xiàn)場設(shè)備、發(fā)電廠、客戶、分布式能源控制中心和外部業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)單位之間的通信需求，同時也考慮了變電站、控制中心、發(fā)電廠和客戶內(nèi)部的通信需求.每一個IECSA環(huán)境實際上是一組具有共性的電力系統(tǒng)需求，包括配置需求、服務(wù)質(zhì)量需求、安全需求和數(shù)據(jù)管理需求4個方面.針對這4類需求，IECSA給出了嚴格的語言描述或定量定義.

因此，IECSA的通信標準與框架模型的架構(gòu)可以滿足智能電網(wǎng)分布式與集成式兩種方式的要求.

2.3 系統(tǒng)快速仿真與模擬

系統(tǒng)快速仿真與模擬（FSM）是通過分布式的智能網(wǎng)絡(luò)代理（Intelligent Network Agents，INAs）來實現(xiàn)跨地理邊界和組織邊界的智能控制，它能提供實時的狀態(tài)估計，用于安全監(jiān)視、評估與優(yōu)化，還能提供比實時更快的預(yù)測仿真［6，7］.分布式的智能網(wǎng)絡(luò)可以代理收集和交流系統(tǒng)信息，并對局部控制做出決策，同時根據(jù)整個系統(tǒng)要求協(xié)調(diào)這些決策.

目前，實現(xiàn)快速仿真的預(yù)測方法有兩個研究方向：一是靜態(tài)模型和動態(tài)特性相結(jié)合的分析計算;二是基于信號分析的實時直接測量推算.兩者都要求具有較高的數(shù)據(jù)交換速度和測量信號精度.在諸多研發(fā)項目中，美國OSIsoft公司設(shè)計的實時性能管理（Realtime Performance Management，RtPM）已初見成效.

2.4 分布式發(fā)電技術(shù)

分布式電源（DG）的種類主要包括太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池，以及儲能裝置等.與電網(wǎng)發(fā)電不同，分布式電源可以視為直接由用戶控制虛擬負荷分布式發(fā)電設(shè)備的啟停.即使接入配電系統(tǒng)，也可不參與自動發(fā)電的控制，甚至可以在配網(wǎng)側(cè)安裝逆功率繼電器，使其在正常狀況下不向電網(wǎng)注入功率［8，9］.

由于DG在配電網(wǎng)上為任意潮流，其自身的特點將對電網(wǎng)產(chǎn)生以下影響.

（1）分布式發(fā)電使得原來簡單的單電源輻射網(wǎng)絡(luò)變成復(fù)雜的多電源網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致原有的配電網(wǎng)饋線保護出現(xiàn)靈敏度低、拒動、誤動等一系列問題.含有DG的配網(wǎng)保護主要包括3種策略：一是采用綜合電流幅值比較法，借助判定矩陣搜索故障區(qū)段的關(guān)聯(lián)區(qū)域［10］;二是基于孤島檢測方法在反孤島前提下實現(xiàn)計劃孤島方案［11］;三是采用基于多智能代理的分布式智能保護系統(tǒng)［12，13］.

（2）分布式發(fā)電容易引起系統(tǒng)電壓和頻率的偏差，產(chǎn)生電壓波動和閃變等電能質(zhì)量問題.因此應(yīng)該在配電側(cè)對應(yīng)加入DFACTS設(shè)備，包括有源電力濾波器、靜止無功補償器、靜止同步補償器、動態(tài)電壓恢復(fù)器、統(tǒng)一電能質(zhì)量補償器、超導(dǎo)蓄能器和電池蓄能器等.

（3）分布式發(fā)電具有分布自主和不確定因素等諸多特點，很難采用集中管理.具有分布式問題求解特點的MAS技術(shù)，是解決該微電網(wǎng)問題的有效途徑.

2.5 高級計量體系

高級計量體系（AMI）是由安裝在用戶側(cè)的智能電表，位于電力公司內(nèi)的計量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（MDMS）和通訊系統(tǒng)，以及用戶住宅內(nèi)的室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)（HAN）組成的［14，15］.

智能電表可以同時實現(xiàn)多種計量，支持雙向通信功能和遠程控制，并可以作為通向HAN的網(wǎng)關(guān)，為用戶提供實時電價和用電信息，從而實現(xiàn)室內(nèi)用電裝置的負荷控制，達到需求側(cè)管理的目的.

智能電表內(nèi)置可編程的數(shù)據(jù)采集模塊、雙向通信模塊，以及基于ARM平臺的新型負荷管理終端，通過雙向通信網(wǎng)絡(luò)將量測的大量數(shù)據(jù)存儲在量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，并通過該系統(tǒng)分析和管理用戶的計量計費信息，還負責(zé)與配電網(wǎng)控制中心和用戶側(cè)其他系統(tǒng)的接口，為智能電網(wǎng)的決策運行和需求側(cè)管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持.AMI的通信信道包括本地通信和遠程通信兩種，其通信方式包括光纖、230 MHz專網(wǎng)、電力線寬帶和窄帶載波通信、GPRS/CDMA及小功率無線通信等.

HAN是一種在用戶家庭內(nèi)連接各種數(shù)字設(shè)備的局域網(wǎng)，如智能電表、智能溫度控制器、開關(guān)等，其通信方式主要是無線寬帶，經(jīng)過路由器與因特網(wǎng)連接.關(guān)于HAN采用何種通信標準尚未達成統(tǒng)一，歐洲傾向于通用分組無線電業(yè)務(wù)（GPRS），美國則傾向于W iMax.

2.6 高級電力電子技術(shù)

高級電力電子技術(shù)在發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用包括基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機的變速風(fēng)電機組，基于永磁同步發(fā)電機的變速風(fēng)電機組，以及太陽能發(fā)電中的逆變器等;在輸電領(lǐng)域的應(yīng)用包括高壓直流輸電、基于電壓源換流器的柔性直流輸電，以及柔性交流輸電等;在配電領(lǐng)域的應(yīng)用包括用戶電力技術(shù)和DFACTS［15，16］.

目前，我國電力電子技術(shù)的主要研究方向有：全控電力電子器件以及大功率變流器的制造;電力電子全數(shù)字化控制技術(shù);系統(tǒng)控制軟件技術(shù)等.

2.7 綜合決策支持系統(tǒng)

綜合決策支持系統(tǒng)包括電網(wǎng)各控制點之間以及供需互動有關(guān)控制結(jié)點之間，為交互方便和安全保密所提供的可視化技術(shù)、加密技術(shù)和門戶管理等.它可以通過高級應(yīng)用軟件，在正常、緊密和恢復(fù)狀態(tài)下，向供需雙方提供基于知識的綜合決策支持.綜合智能電網(wǎng)對決策支持與控制技術(shù)有以下4個要求［16］：一是快速負荷和氣象預(yù)測技術(shù);二是快速安全穩(wěn)定計算方法、判據(jù)和控制策略;三是快速仿真和建模;四是超短期潮流分析及故障定位.

綜合決策系統(tǒng)需要處理海量的數(shù)據(jù)，而本文提出的基于Multi-Agent的分布協(xié)調(diào)控制是海量數(shù)據(jù)的分布式處理，可以克服計算機設(shè)備的限制，將成為未來綜合決策支持系統(tǒng)的基礎(chǔ).

3 結(jié)論

（1）基于Multi-Agent的分布協(xié)調(diào)/自適應(yīng)控制可以滿足靈活的網(wǎng)絡(luò)拓撲控制需求，實現(xiàn)電網(wǎng)自愈，也可以實現(xiàn)系統(tǒng)快速模擬與仿真，是分布式電源靈活接入與綜合決策支持系統(tǒng)的基礎(chǔ).

（2）智能電網(wǎng)IECSA通信標準和智能電表通信標準有待盡快統(tǒng)一.

（3）全控電力電子器件及大功率變流器、電力電子全數(shù)字化控制技術(shù)，以及系統(tǒng)控制軟件，仍需要進一步研究與開發(fā).

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（編輯白林雪）