董潤楠，曹劍馨，梁庚

（華北電力大學控制與計算機工程學院，北京 102206）

微電網(wǎng)是綜合了分布式發(fā)電技術、新型電力電子技術、儲能技術、可再生技術、負荷管理系統(tǒng)、配電網(wǎng)自動化技術的新型電網(wǎng)系統(tǒng)[1]。微電網(wǎng)具有聯(lián)網(wǎng)運行和孤網(wǎng)運行2種工作模式[2]。其中孤網(wǎng)模式又可分為被動式孤網(wǎng)模式和主動孤網(wǎng)模式[3-5]?，F(xiàn)階段的研究熱點主要集中在主動式孤網(wǎng)，而忽略被動式孤網(wǎng)的問題。

目前，大多數(shù)研究工作集中于分布式電源在并網(wǎng)狀態(tài)下的網(wǎng)絡重構[6-7]、故障重構研究[8-9]，孤網(wǎng)狀態(tài)下的經(jīng)濟運行研究和multi-Agent的應用研究[10-14]，以及風光互補、風光儲互補等方式的研究[15]，而對于在微電網(wǎng)發(fā)生被動式孤網(wǎng)模式轉換事件時微電網(wǎng)網(wǎng)架重構研究較少。

本文根據(jù)微電網(wǎng)的獨特結構和工作模式特點，重點研究當微電網(wǎng)進行被動并網(wǎng)轉孤網(wǎng)事件時，迅速切斷PCC快速開關實現(xiàn)模式轉換。在傳統(tǒng)的Multi-Agent協(xié)商議價機制的基礎上綜合考慮被動式孤網(wǎng)的特點及模式轉換時的網(wǎng)架重構標準，在算法中引入有色Petri網(wǎng)和狀態(tài)元件庫，以滿足微電網(wǎng)被動式孤網(wǎng)時網(wǎng)架重構的快速性的特點。本文采用Multi-Agent協(xié)作模式對微電網(wǎng)先進行整體規(guī)劃，然后利用有色Petri網(wǎng)進行微電網(wǎng)的網(wǎng)架重構操作實現(xiàn)，在有色Petri網(wǎng)進行重構的過程中引入了Petri網(wǎng)元件事件表，來幫助各Agent元件間進行通信和全網(wǎng)監(jiān)控，最后通過全網(wǎng)評估生成重構結果。

1 P-Q控制的Agent接口設計

為了使微電網(wǎng)具有較高的實時性、動態(tài)性和可擴展性，本文采用了分布式控制結構將分散的分布式微源組成分布式網(wǎng)絡，每個子系統(tǒng)都具備通信、人機交互、協(xié)調規(guī)劃、監(jiān)控、學習、數(shù)據(jù)處理、信號采集控制等功能。每個子系統(tǒng)均可看成是微電網(wǎng)上的智能節(jié)點，多個智能節(jié)點的交互作用就形成Multi-Agent運行模式。各Agent通過智能調控裝置接入微電網(wǎng)母線中，其結構如圖1所示。

圖1 基于Multi-Agent的典型微網(wǎng)結構示意圖Fig.1 The typical micro-grid structure diagram based on multi-agent system

微網(wǎng)中各Agent包含分布式微源、通訊模塊、控制模塊和接口整流模塊。圖1為典型微電網(wǎng)網(wǎng)架結構示意圖。各Agent接口采用PQ控制法進行調控。微源輸出三相電流電壓分別為ia、ib、ic、va、vb、vc，母線上電壓電流分別為Vs，is。經(jīng)過RL濾波的方式進行整流后得到如下關系：

經(jīng)過旋轉變換后有：

式中，ω為角頻率。

式中，θ=ωst+θ0。有功功率為

無功功率為

2 經(jīng)濟性模型構建

由于微電網(wǎng)內部含有風力、光伏、微型燃氣輪機等多種類型的分布式電源，具有調節(jié)復雜性的特點。但被動式孤網(wǎng)發(fā)生件較短，為保證負荷供電的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性特點，要求網(wǎng)架重構過程時間較短，結合現(xiàn)階段風力、光伏的功率預測技術，在重構過程中可忽略分布式微源內部風力、光伏的間歇性特點，將其作為恒定傳統(tǒng)可調微電源使用建模。

多Agent任務分配和協(xié)調的目標在于滿足約束條件下微電網(wǎng)最大穩(wěn)定供電。既保證損耗最小，又保證電網(wǎng)穩(wěn)定。目標函數(shù)的數(shù)學模型為：

式中，wi為各微電網(wǎng)發(fā)電單元的發(fā)電成本；w′i為輸電網(wǎng)損。

式中，ki為第i個Agent發(fā)電單元權值；Ri為該單元至中心負荷的線路電阻；Pi為有功功率；Qi為無功功率；Ui為Agent電壓。

式中，PL為負荷所耗功率；PSB為儲能單元所耗功率，正號代表放電，負號代表充電。

延長蓄電池使用壽命約束條件

式中，PSB-MIN和PSB-MAX分別為電池充電和放電的臨界點。

3 有色Petri網(wǎng)下的Muti-Agent的微電網(wǎng)重構模型

3.1 有色Petri網(wǎng)

為了增強對實際系統(tǒng)的描述能力，人們提出了有色Petri網(wǎng)，將庫所中的每個標記與一種“顏色”相聯(lián)系，從而同一庫所可以存放不同類型的資源，而在基本Petri網(wǎng)中所有的托肯是沒有區(qū)別的。相應的，有色Petri網(wǎng)變遷的發(fā)生就不只是簡單地復制和傳遞標記，而是要對從輸入庫所取來的標記經(jīng)過加工，變成新顏色的標記后再傳遞給輸出庫所[16-17］。

定義：微電網(wǎng)孤網(wǎng)系統(tǒng)的相關元素六元組用表示，其中R為庫所集，E為設備安裝環(huán)境，T為任務集，A為完成某項任務的協(xié)作Agent集合，L為約束條件集合，CO為Petri網(wǎng)著色標識[18]。任務T是由用戶發(fā)起的，表示某時間段內負荷用電需求。

其中T為任務集，即需求計劃托肯，UT為負荷需求任務，T={UT，PT，WT，BT，CT}，PT為光伏發(fā)電任務，WT為風力發(fā)電任務，BT為儲能任務，CT為主控制任務。定義矢量M0，M與庫所集P對應，分別描述網(wǎng)絡的初始標記狀態(tài)和最終標記狀態(tài)。Mi表示庫所集P中第i個節(jié)點的托肯數(shù)目。定義矢量U，對應任務集T，系統(tǒng)狀態(tài)的變化通過托肯的傳遞來實現(xiàn)。如果任務T的所有輸入庫所都至少有一個托肯，那么任務集T是可激發(fā)的。此時系統(tǒng)的動態(tài)變遷過程遵循下式：

它表示初始網(wǎng)絡狀態(tài)M0在任務T的觸發(fā)下，按照網(wǎng)架關聯(lián)矩陣C所描述的邏輯關系重新組合為M［19-20］。

3.2 模型描述

在基于Multi-Agent的微電網(wǎng)配網(wǎng)系統(tǒng)中，各Agent之間存在著極其復雜的實時通信和協(xié)作。這些通信的速度和準確性將會對微網(wǎng)由并網(wǎng)轉成孤網(wǎng)后，網(wǎng)架重構的速度和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。本模型采用對各類Agent單元進行染色，通過有色Petri網(wǎng)的形式對網(wǎng)架進行重新構架，并且引入Petri事件狀態(tài)表，充分利用Petri網(wǎng)的邏輯尋優(yōu)的快速性，以使算法滿足微電網(wǎng)穩(wěn)定、快速、準確的要求。

由于傳統(tǒng)的重構算法無法滿足微電網(wǎng)被動式孤網(wǎng)模式轉換過程中的網(wǎng)架重構快速性的特點。本文采用Multi-Agent與有色Petri網(wǎng)相結合的方法進行重構。

1）當事件發(fā)生時，pcc快速切斷，模式轉換開始，同時系統(tǒng)進行網(wǎng)架重構。

2）微電網(wǎng)Multi-Agent進行投標，通過有色Petri網(wǎng)對經(jīng)濟模型進行尋優(yōu)求解，實現(xiàn)網(wǎng)架的初步規(guī)劃，形成投標結果。

3）同時通過有色Petri網(wǎng)進行網(wǎng)架重組和Agent廣播的形式進行輸出功率調節(jié)。

①通過調用讀取元件庫中元件的狀態(tài)信息來對目標元件進行操作，以實現(xiàn)網(wǎng)架重構。

②通過Agent總線通信分發(fā)訂單，通過Agent接口控制器調整輸出。

4）對重構結果進行評估，完成重構。

利用Multi-Agent和有色Petri網(wǎng)結合的形式進行網(wǎng)架重構的流程如圖2所示。

圖2 網(wǎng)架重構流程圖Fig.2 The flow chart of the network frame reconstruction

3.2.1 Multi-Agent協(xié)商競價模型

在微電網(wǎng)由并網(wǎng)轉孤網(wǎng)事件發(fā)生后，微電網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)當前負荷情況實行動態(tài)任務協(xié)商機制對微網(wǎng)各Agent進行競價上網(wǎng)，任務分配。其具體流程如下。

Step1:當并網(wǎng)轉孤網(wǎng)事件發(fā)生后，PCC快速切斷，形成孤網(wǎng)，儲能對母線放電提供標準電源。同時，PCC通過以太網(wǎng)對網(wǎng)中各Agent單元廣播事件發(fā)生。

Step2:負荷中心Agent進行t時間段內負荷預測，并向主控Agent發(fā)送t時間段內的請求Req（Tt，Eprice，RT，Equa，Effect（T）），請求Agent在滿足電價Eprice和電能質量Equa約束的條件下，在RT之前完成任務T，完成效果為Effect（T）。

Step3：主控Agent通過微網(wǎng)通信環(huán)網(wǎng)發(fā)布訂單需求。

Step4：各發(fā)電Agent收到訂單需求目標后，向主控Agent發(fā)送訂單報價及任務完成能力值。

Step5：主控制Agent根據(jù)收到的任務報價及完成能力值后，將其代入Multi-Agent協(xié)作算法模型中進行重新分配計算，選擇最優(yōu)發(fā)電多Agent合作完成任務。其中方案最優(yōu)性可根據(jù)競價目標函數(shù)確定。

3.2.2 基于petri網(wǎng)進行競價尋優(yōu)及網(wǎng)絡構建

根據(jù)Multi-Agent協(xié)商機制得到的微電網(wǎng)重構任務計劃及微電網(wǎng)著色的具體情況，同種顏色Agent內部和Multi-Agent外部聯(lián)接網(wǎng)絡同時進行網(wǎng)絡重新構架。其流程如下。

Step1：根據(jù)各類Agent建立有色Petri網(wǎng)組。

Step2:生成微電網(wǎng)元件庫。

Step3：根據(jù)中標任務生成外部Petri網(wǎng)關聯(lián)陣Cout和Agent內部網(wǎng)絡關聯(lián)矩陣Cin以及點火陣Uout、Uin，并生成網(wǎng)絡重構標識M。

Step4：根據(jù)step3生成Agent外Petri網(wǎng)元件樹和Agent內petri網(wǎng)元件樹。

Step5：調用元件庫中的元件事件表，根據(jù)訂單和petri網(wǎng)著色標識查詢樹中各元件的狀態(tài)信息。

Step6：對不符合元件數(shù)上要求的元件進行操作。

Step7：根據(jù)重構模型對微電網(wǎng)上各元件進行通信驗證。

Step8：對重構后的網(wǎng)架進行可行性、經(jīng)濟性比較。

Step9：生成重構報告，形成最終重構的網(wǎng)架模型。

在重構過程中，為了獲得Petri網(wǎng)模型中開關操作過程必須知道的5種相關信息：庫所約束、激發(fā)條件、最終結果、著色標識和動作時間，為了整合所有相關信息，需要創(chuàng)建一個包含上述5種相關信息的Petri網(wǎng)狀態(tài)事件表。例如，饋線上的開關sw12執(zhí)行閉合動作如圖3所示，SWX open表示開關打開，NODE A和NODE B為上一節(jié)點通信標識，SWX E表示開關所控制區(qū)域帶電情況。

圖3 開關petri網(wǎng)激發(fā)示意圖Fig.3 The switch petri net

圖3中開關閉合動作采用Petri網(wǎng)仿真工具cpn tools進行建模，并調用其事件表如圖4所示。圖4所示動作事件表中包含開關動作前后所用時間（time of operation）和開關所在區(qū)域Agent染色標識（color mark），動作所造成的結果（effective），動作發(fā)生所需的約束條件，開關所處狀態(tài)等相關信息均在圖4中得以體現(xiàn)。在重構過程中，通過顏色標識迅速找到需要動作開關信息進行動作，可以省去多余的元件操作，直接與所需操作的元件進行通信操作，較傳統(tǒng)重構方式節(jié)省了重構所需的時間，提高了重構的效率。最后通過各Agent的可靠性評價函數(shù)[9]對重構結果進行網(wǎng)架評估驗證微網(wǎng)的重構可靠性。

對微電網(wǎng)系統(tǒng)進行建模，線路開關的狀態(tài)（閉合和斷開）和供電區(qū)域的狀態(tài)（帶電、不帶電或終端）用庫所節(jié)點表示。微電網(wǎng)重構發(fā)生后的動作主要分為2個階段，首先開關斷開階段，其次開關閉合階段。一個開關的閉合階段一直是在該開關斷開階段之后。開關斷開后將該區(qū)域負荷轉移到另一條饋線上。微電網(wǎng)的重構就是通過Petri網(wǎng)的約束推理控制開關的斷開和閉合，從而對整個網(wǎng)絡的發(fā)電供電網(wǎng)架進行重新構建。

圖4 開關SWX動作事件表Fig.4 Switch SWX action event table

4 仿真測試

本文在參考文獻[21]所引用的模型基礎上進行相關仿真研究。采用IEEE16節(jié)點模型改進的微電網(wǎng)模型進行仿真，如圖5所示。其中節(jié)點N3、N13、N6、N9、N15接入分布式微電源。

圖5 16節(jié)點參考模型Fig.5 16 node reference model

N3接入發(fā)電單元表示為A1，N6接入發(fā)電單元表示為A2，N9為接入發(fā)電單元表示為A3，N13接入發(fā)電單元表示為A4，N15接入發(fā)電單元表示為A5。系統(tǒng)具體參數(shù)如表1所示。選取6個時段內的負荷數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 發(fā)電單元系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Generating unit parameters

表2 負荷數(shù)據(jù)Tab.2 Load parameters

通過Multi-Agent協(xié)商機制進行優(yōu)化協(xié)商得到的方案如表3所示。表中Ai代表各發(fā)電Agent，根據(jù)各時段負荷需求，進行協(xié)商后的投入情況，其中表中1代表發(fā)電單元投入，0代表發(fā)電單元斷開，下表中數(shù)據(jù)根據(jù)各時段內負荷需求以及負荷中心所在處與各發(fā)電單元接入節(jié)點位置進行協(xié)商議價后所得結果。協(xié)商議價以基本滿足所需負荷的情況下投入最少發(fā)電Agent以及網(wǎng)損最小為原則進行議價。

表3 發(fā)電單元各時刻投入情況表Tab.3 Generating unit input table in all periods

5 結語

通過上述仿真情況可以看出在同一經(jīng)濟模型下，采用傳統(tǒng)的尋優(yōu)方法完成微電網(wǎng)被動式孤網(wǎng)的網(wǎng)絡重構時間較長，而采用本算法的重構時間較短，滿足微電網(wǎng)被動式孤網(wǎng)重構對時間的要求，效果較好。

本文中的研究主要針對被動式孤網(wǎng)發(fā)生時在模式轉換過程中的的網(wǎng)架重構研究，模式轉換過程時間較短，當微電網(wǎng)內含有光伏和風力等間歇性能源時亦可降低其間歇性對網(wǎng)架重構的影響。利用有色Petri網(wǎng)進行的尋優(yōu)亦可用于解決微電網(wǎng)內中央控制器的參數(shù)優(yōu)化和具有平滑切換、功率跟蹤等功能的控制器設計等問題。

本文算法中充分利用Petri網(wǎng)圖論方法邏輯尋優(yōu)的快速性，實現(xiàn)了微電網(wǎng)被動式離網(wǎng)時的經(jīng)濟調度一體化進程。然而微電網(wǎng)技術發(fā)展時間較短，很多方面還不完善，本方法中Multi-Agent的一致性控制、各微源Agent的內部構建、考慮實際地域特點的經(jīng)濟性模型、有色Petri網(wǎng)在微電網(wǎng)中的穩(wěn)定控制器、中央控制器的參數(shù)優(yōu)化跟蹤以及監(jiān)控平臺實時，監(jiān)控的通信鏈路優(yōu)化組合等問題仍然值得進一步研究。

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