郝雨辰，吳在軍，竇曉波，胡敏強，李 桃，趙 波

（1.東南大學 電氣工程學院，江蘇 南京 210096；2.江蘇省電力設計院，江蘇 南京 211102；3.浙江省電力試驗研究院，浙江 杭州 310014）

0 引言

微電網(wǎng)將一定區(qū)域內分散的分布式發(fā)電系統(tǒng)組織起來形成一個能源網(wǎng)絡化供應系統(tǒng)，既可獨立運行，也可通過公共連接點PCC（Point of Common Coupling）直接與低壓配電網(wǎng)連接，與大電網(wǎng)互為支撐，能滿足用戶對電能安全、穩(wěn)定和多樣化的需要[1-4]。

目前微電網(wǎng)的控制方式主要包括主從控制、對等控制和基于多代理（multi-Agent）系統(tǒng)的控制[4-6]，其中multi-Agent系統(tǒng)的分布性和智能性符合微電網(wǎng)的特點，因此被廣泛用于微電網(wǎng)的運行控制中?；诮y(tǒng)一信息模型的代理（Agent）之間的通信是multi-Agent系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵。IEC61850作為電力公用事業(yè)通信網(wǎng)絡與系統(tǒng)的國際標準為電力系統(tǒng)無縫通信奠定了基礎，但將其應用于微電網(wǎng)的研究尚不多見。

文獻[7-8]提出將multi-Agent系統(tǒng)和IEC61850用于變電站的廣域后備保護和信息一體化平臺的設計中。文獻[9-13]介紹了multi-Agent系統(tǒng)和IEC61850的兼容方法：文獻[9]提出將IEC61850中的邏輯節(jié)點直接視為Agent；文獻[10]指出根據(jù)Agent的功能變化動態(tài)分配相應的邏輯節(jié)點；文獻[11-13]研究multi-Agent系統(tǒng)的分層結構與IEC61850邏輯模型的融合，并直接依靠后者的底層通信。上述方法雖一定程度上解決了multi-Agent系統(tǒng)與IEC61850之間的兼容問題，但弱化了multi-Agent系統(tǒng)的協(xié)商合作功能。

本文針對微電網(wǎng)復雜的運行控制問題，研究IEC61850和multi-Agent系統(tǒng)方法在微電網(wǎng)中的適用性以及兩者之間的兼容，特別是IEC61850的信息模型向Agent通信語言ACL（Agent Communication Language）的映射方法，使此信息模型成為Agent之間通信的統(tǒng)一參考，滿足微電網(wǎng)運行過程中各單元Agent之間合作信息的統(tǒng)一性和互操作性，實現(xiàn)微電網(wǎng)的經濟穩(wěn)定運行。

1 微電網(wǎng)模型

圖1為本文所建微電網(wǎng)模型結構圖，包括微型燃氣輪機MT（Micro Turbine）、質子交換膜燃料電池PEMFC（Proton Exchange Membrane Fuel Cell）、光伏PV（PhotoVoltaic）電池、蓄電池等分布式電源和儲能單元。微型燃氣輪機具有運行效率高、能量體積比大、輸出功率可控等優(yōu)點[14-15]，在微電網(wǎng)獨立運行模式下，作為U/f控制的穩(wěn)壓電源；質子交換膜燃料電池具有啟動迅速、輸出功率可調節(jié)的特點[16]，在微電網(wǎng)系統(tǒng)中作為PQ控制的功率電源；光伏電池輸出受環(huán)境因素影響較大，通常工作在最大功率點跟蹤MPPT（Maximum Power Point Tracking）[17]狀態(tài)。各單元通過電力電子變換裝置接入220 V交流母線，整個微電網(wǎng)系統(tǒng)通過電力電子斷路器與低壓配電網(wǎng)連接。

圖1 微電網(wǎng)模型結構圖Fig.1 Structure of microgrid model

2 微電網(wǎng)中IEC61850與multi-Agent系統(tǒng)的兼容

微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行、與配電網(wǎng)的協(xié)同控制以及多源信息平臺的構建，需要實現(xiàn)不同廠商設備的互聯(lián)互通，multi-Agent系統(tǒng)方法作為分布式控制和人工智能的產物提供了技術上的保證；IEC61850是一套完整的基于通信的電力自動化功能建模規(guī)范，提供了有力的理論支撐。

2.1 基于IEC61850的微電網(wǎng)信息模型

IEC61850最初是為解決變電站內不同廠商的智能電子設備的互操作和系統(tǒng)集成而制定的[18-19]，如今已衍生到電力系統(tǒng)的各個領域。

IEC61850-7-420定義了與分布式能源有關的邏輯設備和邏輯節(jié)點[20]，包括燃料電池、光伏電池、熱電聯(lián)產、蓄電池等分布式電源和儲能裝置，整流器、逆變器等電力電子接口，以及與系統(tǒng)運行相關的物理量。這些邏輯設備和邏輯節(jié)點包含了微電網(wǎng)中的大多數(shù)組成單元。

針對圖1所示的微電網(wǎng)模型結構，基于IEC61850的信息模型和建模規(guī)范，建立符合IEC61850的微電網(wǎng)系統(tǒng)信息模型，如圖2所示。

IEC61850-7-420僅定義了與分布式能源相關的部分邏輯節(jié)點，因此按照自定義邏輯節(jié)點規(guī)范，分別針對斬波器、負荷的基本特征，按照微電網(wǎng)中心控制單元 MGCC（MicroGrid Central Controller）、配電網(wǎng)控制單元 DNC（Distribution Network Controller）的基本要求新建相關邏輯節(jié)點。分布式能源設備電連接點 ECP（Electrical Coupling Point）表示分布式能源、負荷與微電網(wǎng)，以及微電網(wǎng)與配電網(wǎng)間的連接關系，通常在該連接點處有一個開關或斷路器。微電網(wǎng)中本地控制單元LC（Local Controller）的作用類似于IEC61850中定義的分布式能源裝置控制器，表示一個單獨的分布式能源的可操作特性。

2.2 微電網(wǎng)運行控制中的multi-Agent系統(tǒng)結構

微電網(wǎng)對電力系統(tǒng)供電可靠性的保證、電能質量的提高，以及對用戶多樣性需求的滿足使其成為電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，但也帶來了對傳統(tǒng)集中控制的沖擊，造成集中控制效率的低下、控制參數(shù)的激增，促使集中控制向分布式智能控制自然演變。multi-Agent系統(tǒng)方法作為分布式控制和人工智能的產物，可以滿足微電網(wǎng)的運行和管理需要[21-23]。multi-Agent系統(tǒng)方法在微電網(wǎng)中的適應性表現(xiàn)在以下幾點。

a.微電網(wǎng)是由一定地理區(qū)域內分散的分布式電源和負荷所構成，與multi-Agent系統(tǒng)中分布式的Agent單元具有邏輯結構上的統(tǒng)一。

b.multi-Agent系統(tǒng)中的各Agent具有根據(jù)自身運行特點和控制目標，制定相應策略的自主性，能實現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)中不同特點分布式單元的控制要求，也易于滿足微電網(wǎng)系統(tǒng)中隸屬于不同用戶和業(yè)主的分布式單元不同運行目標的需要。

c.multi-Agent系統(tǒng)中的各Agent既具有運行控制的自主性，同時也具備彼此通信、相互配合解決復雜問題的合作性，可用于具有多控制參數(shù)、多參與單元、復雜任務目標的微電網(wǎng)。

圖1所示的微電網(wǎng)系統(tǒng)具有明顯的分層分布特點，通過對微電網(wǎng)系統(tǒng)的功能分解，參照Agent的BDI模型[24]，建立適用于微電網(wǎng)運行控制的 multi-Agent系統(tǒng)結構，如圖3所示。

圖2 基于IEC61850的微電網(wǎng)信息模型Fig.2 IEC61850-based information model for microgrid

圖3 基于multi-Agent系統(tǒng)的微電網(wǎng)功能模型Fig.3 Functional model based on multi-Agent system for microgrid

本文不研究配電網(wǎng)對微電網(wǎng)的管理方法，因此DNC Agent的功能模塊在圖3中未敘述。雖然微電網(wǎng)底層的分布式電源、儲能裝置和負荷類型眾多，但就功能抽象而言，基本功能模塊一致，因此用LC Agent代表底層的所有單元。

2.3 IEC61850向multi-Agent系統(tǒng)的映射

圖2、圖3分別從IEC61850和multi-Agent系統(tǒng)的角度對微電網(wǎng)進行了細節(jié)描述和功能抽象。針對微電網(wǎng)運行控制的研究，IEC61850與multi-Agent系統(tǒng)的兼容實際上就是利用multi-Agent系統(tǒng)對微電網(wǎng)的功能分解，實現(xiàn)對IEC61850描述的微電網(wǎng)信息模型的解析和重構，使微電網(wǎng)運行控制的參與者能互聯(lián)互通，通過協(xié)同合作使整個系統(tǒng)能夠經濟穩(wěn)定運行。

ACL既是Agent間溝通合作的橋梁，也是實現(xiàn)Agent對IEC61850信息模型表達的技術手段。符合FIPA（Foundation for Intelligent Physical Agents）國際標準的ACL語言包括發(fā)送者、接收者、消息內容、本體（ontology）等13項基本元素，其中ontology提供了類似于字典的功能，可以用于對消息內容中各進行段的解釋說明，便于實現(xiàn)整個multi-Agent系統(tǒng)的無縫通信。

根據(jù)FIPA關于ACL ontology的說明，JADE平臺提供了自定義ontology的方法。完整的ontology定義主要包含3個元素：概念（concept），用于對事物的具體描述；斷言（predicate），對concept元素用途的說明；代理動作（Agent actions），表明由 Agent執(zhí)行的一系列動作。其中concept元素可以嵌套形成與IEC61850邏輯節(jié)點相同的樹形結構，利用predicate元素可以使同樣的concept表達不同的功能。

IEC61850的邏輯節(jié)點既包含了定值與狀態(tài)信息，也包含了控制信息。本文中，考慮到concept元素與IEC61850邏輯節(jié)點結構上的一致性，可以實現(xiàn)信息描述上的融合；利用Agent actions元素實現(xiàn)功能定義上的統(tǒng)一；通過predicate元素區(qū)分上級控制器Agent下達的控制信息和下級單元Agent上傳的狀態(tài)信息。

圖4為本文實現(xiàn)IEC61850與multi-Agent系統(tǒng)兼容的方法，將IEC61850定義的邏輯節(jié)點信息映射到ACL的ontology中，生成自定義的MG-ontology。Agent內部通過IEC61850模型描述微電網(wǎng)的狀態(tài)，Agent之間則依靠ACL信息進行通信。利用MG-ontology實現(xiàn)對IEC61850描述的微電網(wǎng)狀態(tài)信息的封裝以及對接收的ACL信息的解析。構建基于IEC61850的multi-Agent系統(tǒng)無縫通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)兩者兼容。

圖4 IEC61850向ACL ontology的映射Fig.4 Mapping of IEC61850 to ACL ontology

通過對MG-ontology的完善，使其包含與微電網(wǎng)運行相關的所有IEC61850的邏輯節(jié)點，可重復用于微電網(wǎng)運行控制的multi-Agent系統(tǒng)中，便于實現(xiàn)multi-Agent系統(tǒng)信息交互統(tǒng)一性和互操作性。

3 基于multi-Agent系統(tǒng)的微電網(wǎng)控制策略

為了驗證上述基于IEC61850的multi-Agent系統(tǒng)方法在微電網(wǎng)孤島運行中的可靠性和有效性，利用3臺計算機構建相應的multi-Agent系統(tǒng)框架，如圖5所示。

圖5 應用于微電網(wǎng)孤島運行控制的multi-Agent系統(tǒng)框架Fig.5 Multi-Agent system for operation and control of islanded microgrid

3臺計算機間通過百兆以太網(wǎng)互聯(lián)，計算機A負責模擬微電網(wǎng)的運行，并將實時信息通過數(shù)據(jù)報通信協(xié)議（UDP）發(fā)送給運行PEMFC Agent的計算機B和運行PV Agent的計算機C。各Agent根據(jù)微電網(wǎng)運行信息以及所屬微電源的特性，發(fā)揮Agent的自主性與合作性，利用包含IEC61850模型的ACL信息通信，控制微電網(wǎng)中各單元的工作狀態(tài)，從而使整個微電網(wǎng)系統(tǒng)經濟穩(wěn)定運行。

MGCC Agent是multi-Agent系統(tǒng)應用于微電網(wǎng)控制的核心，其通過采集系統(tǒng)運行狀態(tài)信息，查詢系統(tǒng)內各單元登記信息，制定改變微電源工作狀態(tài)、切負荷等決策，維持系統(tǒng)的經濟穩(wěn)定運行，并記錄運行日志。各微電源和儲能裝置的Agent在啟動和運行期間均可向MGCC Agent進行登記、修改和刪除其狀態(tài)信息。

微型燃氣輪機作為微電網(wǎng)孤島狀態(tài)下的可調大功率電源，MT Agent采用U/f控制方法調節(jié)其輸出電壓，從而穩(wěn)定整個孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓幅值和頻率。因為微型燃氣輪機具有輸出功率越接近于額定功率運行效率越高的特點[25]，同時為了應對負荷的實時波動而儲備一定的調節(jié)裕量，本文設定MT Agent控制微型燃氣輪機的輸出功率盡可能維持在額定功率的85%～95%。

PEMFC Agent根據(jù)MGCC Agent的調節(jié)命令，采用PQ控制方法改變質子交換膜燃料電池的輸出功率，并控制其接入或退出微電網(wǎng)系統(tǒng)。本文中設定：正常狀態(tài)下MGCC Agent根據(jù)系統(tǒng)功率變化情況每15 min向PEMFC Agent發(fā)送功率調節(jié)指令；微型燃氣輪機輸出功率一旦越限，MGCC Agent立即向PEMFC Agent發(fā)送功率調節(jié)命令。

PV Agent采用爬山法控制光伏電池工作在MPPT模式[17]，在接入或退出微電網(wǎng)系統(tǒng)之前，向MGCC Agent發(fā)送ACL信息，登記或刪除關于光伏電池的狀態(tài)描述。

依靠各單元Agent的自主運行和Agent間的通信合作，建立基于multi-Agent系統(tǒng)的微電網(wǎng)控制策略如圖6所示。其中，PM*T為微型燃氣輪機額定功率，PF*C為質子交換膜燃料電池額定功率。

圖6 基于multi-Agent系統(tǒng)的微電網(wǎng)控制策略Fig.6 Control strategy based on multi-Agent system for microgrid

MGCC Agent作為multi-Agent系統(tǒng)應用于微電網(wǎng)控制的核心，根據(jù)系統(tǒng)運行信息和各微電源的運行狀態(tài)，綜合處理各種事件，并將決策結果下發(fā)至各單元Agent，如表1所示。

表1 MGCC Agent決策系統(tǒng)Tab.1 Decision-making system of MGCC Agent

4 仿真與分析

根據(jù)圖1、圖5所示微電網(wǎng)結構圖和multi-Agent系統(tǒng)框架，采用JADE平臺和MATLAB仿真軟件的混合編程方法，建立基于IEC61850和multi-Agent系統(tǒng)的微電網(wǎng)仿真模型。其中利用MATLAB/Simulink模擬微電網(wǎng)的運行，并將系統(tǒng)實時運行信息通過快速的UDP傳輸給其他計算機，偶爾出現(xiàn)的數(shù)據(jù)包缺失也不會影響Agent的正常決策。包含IEC61850模型的ACL信息則通過JADE平臺采用TCP/IP協(xié)議進行傳輸，確保決策命令的可靠交互。

根據(jù)表2所列分布式電源參數(shù)，在圖7所示夏季典型日負荷曲線以及溫度和光照強度曲線[26]之上疊加±5%的隨機誤差，以模擬實際運行控制中的負荷變化和自然條件干擾。針對光伏接入、運行和退出微電網(wǎng)的情況，不考慮無功功率的影響，驗證所采用的基于IEC61850的multi-Agent系統(tǒng)方法在微電網(wǎng)運行控制中應用的可靠性和有效性。

表2 微電網(wǎng)系統(tǒng)主要元件參數(shù)Tab.2 Parameters of key components for microgrid

圖7 夏季典型日負荷與氣象數(shù)據(jù)Fig.7 Typical daily load and meteorology data in summer

4.1 光伏電池接入微電網(wǎng)

鑒于微電網(wǎng)實際運行過程中系統(tǒng)負荷和自然條件的隨機波動，使得光伏電池在05∶10左右有功率輸出，觸發(fā)表1中事件4，PV Agent即與MGCC Agent通信，控制光伏電池以PQ控制的MPPT方式接入微電網(wǎng)，由于系統(tǒng)負荷較小，并且微型燃氣輪機輸出功率不滿足表1中事件1所述情況，因此出于經濟性考慮，燃料電池不參與系統(tǒng)調節(jié)，MT Agent控制微型燃氣輪機采用U/f控制方式穩(wěn)定微電網(wǎng)電壓和頻率。此過程中微型燃氣輪機、光伏電池和質子交換膜燃料電池有功功率輸出情況如圖8所示。

PV Agent與MGCC Agent間的通信過程如圖9所示，PV Agent率先發(fā)送請求（Propose）接入微電網(wǎng)信息，信息內容中包含利用IEC61850表示的光伏電池參數(shù)，之后MGCC Agent根據(jù)當前系統(tǒng)狀態(tài)回復接收（Accept Proposal）信息，將 PV Agent中的邏輯節(jié)點DPVC的控制數(shù)據(jù)ArrModCtr置為1，要求光伏電池工作在MPPT模式，并將光伏電池的基本參數(shù)通知（Inform）MT Agent，要求微型燃氣輪機對光伏電池接入可能引起的電壓波動作好準備。

圖8 光伏電池接入微電網(wǎng)Fig.8 Integration of PV cell into microgrid

圖9 光伏電池接入過程中Agent間信息交互Fig.9 Information exchange between Agents during PV cell integration

上述Agent之間通信過程所采用的Propose、Accept Proposal、Inform等表示通信狀態(tài)屬性的信息均屬于FIPA定義的標準通信信息。

以PV Agent發(fā)送給MGCC Agent的Propose信息為例，利用JADE查看此信息，它的ontology參數(shù)為自定義的基于 IEC61850的 MG-ontology，利用MG-ontology實現(xiàn)multi-Agent系統(tǒng)與IEC61850的兼容，因此，信息的內容部分為符合IEC61850的光伏電池參數(shù)描述。

4.2 光伏電池在微電網(wǎng)中運行

選擇中午時段研究光伏電池在微電網(wǎng)中的運行情況，微型燃氣輪機作為系統(tǒng)穩(wěn)壓電源一直工作在U/f控制模式，隨著系統(tǒng)負荷增長，微型燃氣輪機輸出功率不斷增大，直至11∶42左右觸發(fā)表1中事件1，此時MGCC Agent與PEMFC Agent通信，要求燃料電池作為PQ控制的可調功率電源參與微電網(wǎng)的調度管理，之后微型燃氣輪機輸出功率一旦越限，即由微電網(wǎng)中心控制單元調節(jié)燃料電池輸出功率。微電網(wǎng)系統(tǒng)中微型燃氣輪機、光伏電池和質子交換膜燃料電池有功功率輸出情況如圖10（a）所示。

上述運行過程中各單元Agent間的通信過程如圖10（b）所示，微型燃氣輪機輸出功率首次越上限時，MT Agent通知（Inform）MGCC Agent，由 MGCC Agent命令（Request）PEMFC Agent啟動燃料電池，并將PEMFC Agent中用IEC61850模型表示的燃料電池控制器邏輯節(jié)點DFCL中的控制數(shù)據(jù)FuelShut置為True，然后 MGCC Agent調節(jié) PEMFC Agent的輸出功率，僅需將功率設置值寫入與燃料電池相連的逆變器邏輯節(jié)點ZINV的輸出功率定值數(shù)據(jù)OutWSet中。

圖10 光伏電池在微電網(wǎng)中的運行Fig.10 Operation of PV cell in microgrid

4.3 光伏電池退出微電網(wǎng)

MGCC Agent、MT Agent和 PEMFC Agent通過協(xié)商合作，共同維持系統(tǒng)功率平衡，由于光照強度降低，光伏電池最終在18∶52左右觸發(fā)表1中的事件4，退出微電網(wǎng)系統(tǒng)。上述過程中各微電源的輸出功率情況，以及各單元Agent間的通信過程如圖11所示。

如圖11（b）所示，由于系統(tǒng)負荷變化和光伏電池輸出功率的減少，微型燃氣輪機多次觸發(fā)表1中事件1和2，由此導致MGCC Agent改變PEMFC Agent中邏輯節(jié)點ZINV的輸出功率設定值OutWSet，最終在18∶30時使得燃料電池輸出功率越上限，造成表1中事件3的發(fā)生，由于此時微型燃氣輪機輸出功率較大，不宜減小燃料電池輸出功率，因此MGCC Agent命令PEMFC Agent維持額定功率輸出。

圖11 光伏電池退出微電網(wǎng)Fig.11 Disconnection of PV cell

5 結語

為實現(xiàn)multi-Agent系統(tǒng)在微電網(wǎng)運行控制中的廣泛應用，本文提出利用IEC61850的信息模型作為Agent間消息傳遞的基礎。分析了IEC61850和multi-Agent系統(tǒng)在微電網(wǎng)運行控制中的適應性，并從兩者各自的角度對微電網(wǎng)進行建模，指出IEC61850與 multi-Agent系統(tǒng)的兼容，實際上就是利用multi-Agent系統(tǒng)對微電網(wǎng)的功能分解，實現(xiàn)對IEC61850描述的微電網(wǎng)信息模型的解析和重構，multi-Agent通信語言ACL是實現(xiàn)兼容的重要手段。通過對光伏電池接入、運行和退出微電網(wǎng)的仿真分析，說明兩者兼容的具體實現(xiàn)，同時考慮到微電網(wǎng)系統(tǒng)實際運行過程中負荷的變化以及自然條件的干擾，驗證基于IEC 61850的multi-Agent系統(tǒng)方法在微電網(wǎng)運行控制中的可靠性和有效性。