劉鳴春, 馬瑞

(長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,長沙市 410004)

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主動配電網(wǎng)中聯(lián)絡(luò)變壓器和無功補償裝置的多代理控制方法

劉鳴春, 馬瑞

(長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,長沙市 410004)

為了協(xié)調(diào)控制主動配電網(wǎng)中聯(lián)絡(luò)變壓器與無功補償裝置，建立了基于多代理技術(shù)的全局協(xié)調(diào)控制模型。多代理技術(shù)憑借其靈活的結(jié)構(gòu)和代理自治性，能夠較好地將集中式控制與分布式控制結(jié)合在一起，建立的區(qū)域主導(dǎo)節(jié)點決策模型，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓越限區(qū)域電壓薄弱節(jié)點的動態(tài)跟蹤。將合同網(wǎng)通信協(xié)議和調(diào)壓優(yōu)先原則相結(jié)合，通過對無功-電壓靈敏度指標的競爭，能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)絡(luò)變壓器和區(qū)域無功補償元件補償量計算的時序優(yōu)化。最后在IEEE33配電系統(tǒng)中進行了仿真，仿真結(jié)果表明多代理技術(shù)能夠協(xié)調(diào)聯(lián)絡(luò)變壓器與無功補償裝置進行電壓調(diào)節(jié)。

多代理技術(shù); 主動配電網(wǎng); 有載調(diào)壓變壓器; 無功補償裝置; 協(xié)調(diào)控制

0 引 言

主動配電網(wǎng)是應(yīng)對高滲透率分布式電源(distributed generation，DG)接入的技術(shù)模式之一，可通過主動管理和控制來充分利用網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)節(jié)能力，在未來智能配電網(wǎng)中占重要地位，而電壓管理是主動配電網(wǎng)重點關(guān)注的問題之一[1-4]。

主動配電網(wǎng)有著與微電網(wǎng)類似的特征，傳統(tǒng)集中的調(diào)度方法控制較難實現(xiàn)[5-6]，而通過將部分控制權(quán)分配給各個局部控制裝置，讓其有一定的自主權(quán)和智能性，使集中控制不必采用復(fù)雜的模型，從而可避免大規(guī)模的數(shù)學(xué)運算[7]。使集中控制與分散控制有效配合是主動配電網(wǎng)的最佳控制手段之一，而多代理技術(shù)能夠較好地將集中控制與分散控制結(jié)合在一起。近幾年，基于多代理技術(shù)的控制思想越來越多地被應(yīng)用到電力系統(tǒng)的配電系統(tǒng)中[7-14]。例如文獻[7]運用多代理技術(shù)實現(xiàn)了集中式與分布式控制思路相結(jié)合的控制思路，運用合同網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)了具有動態(tài)性能最優(yōu)的控制模式；文獻[8]提出了孤島模式下基于多代理系統(tǒng)的微電網(wǎng)能量協(xié)調(diào)控制策略，并提到了運用主導(dǎo)代理的方式；文獻[9]將多代理技術(shù)運用在含分布式電源的故障自恢復(fù)系統(tǒng)中。這都體現(xiàn)出多代理系統(tǒng)可適用于含分布式電源的配電網(wǎng)。文獻[10-13]研究了如何運用多代理技術(shù)解決低壓配電網(wǎng)中有載調(diào)壓變壓器協(xié)調(diào)控制問題，但并沒有考慮協(xié)調(diào)離散型無功補償元件與連續(xù)型無功補償元件，而文獻[15-16]提出了電壓控制中連續(xù)變量與離散變量的協(xié)調(diào)方法，但并未涉及具有分布式特征的主動配電網(wǎng)。

基于以上分析，本文將連續(xù)變量與離散變量的協(xié)調(diào)方法與多代理技術(shù)相結(jié)合，提出一種全局協(xié)調(diào)控制主動配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)變壓器與無功補償裝置的方法。該方法將有載調(diào)壓變壓器和全網(wǎng)的無功補償裝置作為協(xié)調(diào)控制目標，建立基于多代理技術(shù)的全局控制模型。以多代理控制思想為基礎(chǔ)，在文獻[7]的基礎(chǔ)上，首先利用電壓滿意度評價指標建立區(qū)域主導(dǎo)節(jié)點的決策模型，實現(xiàn)對緊急工況下電壓薄弱節(jié)點的動態(tài)追蹤，再基于合同網(wǎng)通信協(xié)議機制建立區(qū)域主導(dǎo)代理協(xié)調(diào)策略，通過對靈敏度指標的競爭，優(yōu)化連續(xù)變量與離散變量控制順序，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)無功補償裝置補償量計算的時序優(yōu)化，最后在IEEE33配電系統(tǒng)中進行算例仿真。

1 主動配電網(wǎng)多代理模型

1.1 主動配電網(wǎng)與被動配電網(wǎng)

傳統(tǒng)配電網(wǎng)一般將DG視為負荷，其運行模式和控制策略相對簡單，一旦出現(xiàn)任何的不合格電壓情況，DG就必須離網(wǎng)運行，這樣就大大降低了DG接入的容量，不易處理高滲透率下DG接入配電網(wǎng)的問題。而主動配電系統(tǒng)擁有較為靈活的網(wǎng)絡(luò)拓撲，可通過主動控制和管理的方式，充分利用網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)節(jié)能力。主動配電網(wǎng)在技術(shù)標準、管理模式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、模擬計算等方面均適應(yīng)消納DG[17]。

而多代理系統(tǒng)憑借其靈活的結(jié)構(gòu)和自治行為，能夠適應(yīng)主動配電網(wǎng)的管理與控制模式。

1.2 多代理模型代理框架

為了體現(xiàn)代理的單元自治性，將多代理系統(tǒng)(multi agent system，MAS)模型分為2類，第1類為變電站代理，第2類為調(diào)壓單元代理。

(1)變電站代理：包括聯(lián)絡(luò)變電站代理與母線代理。聯(lián)絡(luò)變電站代理用SA(substation agent)表示,安裝在聯(lián)絡(luò)變電站中，母線代理用BA(bus agent)表示，安裝在主動配電網(wǎng)各個變電站中。

(2)調(diào)壓單元代理：主要考慮了有載調(diào)壓變壓器(on-load tap changer, OLTC)、以并聯(lián)電容/電抗器為代表的離散型補償元件、以靜止無功補償器/靜止同步補償器(SVC/STATCOM)為代表的連續(xù)型補償元件，由于OLTC安裝在聯(lián)絡(luò)變電站內(nèi)，其代理可以由SA充當(dāng)，并聯(lián)電容/電抗器組與SVC/STATCOM代理用CRA和SSA表示。各代理與相應(yīng)元件的關(guān)系如圖1所示。

圖1 本文多代理系統(tǒng)模型Fig.1 Multi-agent system model

1.3 合同網(wǎng)協(xié)議

采用信息通信是實現(xiàn)靈活復(fù)雜協(xié)調(diào)策略的基礎(chǔ)，合同網(wǎng)協(xié)議(contract net protocol, CNP)是一種用于分布式通信的機制，廣泛用于多代理系統(tǒng)的通信中，CNP的基本思想是主導(dǎo)代理通過以“服務(wù)請求”的方式將任務(wù)分配給一系列代理，收到“請求”的代理將相應(yīng)服務(wù)響應(yīng)反饋回去，主導(dǎo)代理收到反饋之后基于相應(yīng)的考察指標和優(yōu)化模型進行優(yōu)化篩選，推導(dǎo)出最優(yōu)的控制策略，并分配給相應(yīng)代理，這種機制體現(xiàn)了代理之間的相互協(xié)商和競爭。

在本文中，主導(dǎo)代理用無功-電壓靈敏度作為考察指標對調(diào)壓元件進行排序，體現(xiàn)了無功就地補償?shù)脑瓌t，文中多代理系統(tǒng)的CNP如圖2所示。

圖2 合同網(wǎng)協(xié)議示意圖Fig.2 Contract net protocol

2 全局協(xié)調(diào)控制策略模型

主動配電網(wǎng)某區(qū)域出現(xiàn)部分節(jié)點負荷快速變化、主動配電網(wǎng)分布式能源的高滲透率、分布式機組間歇性而造成的發(fā)電機開斷都有可能造成區(qū)域電壓越限。而區(qū)域內(nèi)不同母線的電壓質(zhì)量不同，不同節(jié)點的無功支撐調(diào)節(jié)能力也不同。為了以各調(diào)壓元件的最優(yōu)調(diào)節(jié)順序?qū)崿F(xiàn)區(qū)域越限電壓的平滑調(diào)節(jié)，本文建立了全局協(xié)調(diào)控制策略模型，模型主要包括區(qū)域主導(dǎo)代理決策模型、調(diào)壓元件補償量計算順序優(yōu)化模型和基于最優(yōu)順序的補償量計算模型。

2.1 區(qū)域主導(dǎo)代理決策模型

在文獻[7]的基礎(chǔ)上，通過對比電壓目標評價指標建立了區(qū)域主導(dǎo)代理決策模型，模型如下：

(1)

圖3 電壓滿意度評價函數(shù)Fig.3 Voltage satisfaction evaluation function

這項工作可以由聯(lián)絡(luò)變電站代理(SA)通過訪問SCADA的實時狀態(tài)庫獲取主動配電網(wǎng)中各節(jié)點的實時電壓來完成。

2.2 調(diào)壓元件補償量計算順序優(yōu)化模型

為了統(tǒng)籌考慮各區(qū)域內(nèi)具有調(diào)壓能力的元件，通過利用合同網(wǎng)協(xié)議，使區(qū)域內(nèi)各元件的靈敏度指標相互競爭，完成協(xié)調(diào)控制算法中最優(yōu)序列的決策。區(qū)域主導(dǎo)代理通過向區(qū)域廣播“服務(wù)請求”來完成任務(wù)分配，收到“請求”的調(diào)壓元件代理將自身的無功支撐能力反饋給區(qū)域主導(dǎo)代理。由于無功-電壓靈敏度可反映不同節(jié)點的無功對區(qū)域主導(dǎo)代理節(jié)點電壓的耦合程度，靈敏度值較大的調(diào)壓元件對于主導(dǎo)代理節(jié)點的電壓支撐能力也較強。因此，將無功-電壓靈敏度作為考察指標，再結(jié)合“離散元件優(yōu)先動作，連續(xù)元件精細調(diào)節(jié)”的調(diào)壓原則[16-17]，確定聯(lián)絡(luò)變電所的OLTC獲得最高優(yōu)先權(quán)。靈敏度相同時離散元件獲得比連續(xù)元件高的優(yōu)先權(quán)，靈敏度不同時靈敏度較高的元件獲得較高的優(yōu)先權(quán)，最終得出無功支撐量計算的最優(yōu)序列。

2.3 基于最優(yōu)順序的補償量計算模型

通過調(diào)壓元件補償量計算順序優(yōu)化模型得出各元件補償量的最優(yōu)計算順序，接下來求取具體補償數(shù)值，繼續(xù)發(fā)揮靈敏度分析在無功補償中的作用，計算模型是在電壓分區(qū)的前提下提出的，具體步驟如下：

步驟 1：根據(jù)全網(wǎng)電壓分別分析每個區(qū)域電壓是否越限，并計算電壓越限的具體數(shù)值。

(2)

式中：ΔUviolate為主導(dǎo)代理電壓越限值；Un為主導(dǎo)代理電壓具體值。

步驟2：統(tǒng)籌分析每個區(qū)域電壓越限值，計算有載調(diào)壓變壓器抽頭位置動作量Δt。

(3)

式中：Coa為OLTC抽頭位置對主導(dǎo)代理節(jié)點電壓的靈敏度；Δt為分接頭位置的改變量；“floor()”表示向下取整數(shù)；ΔUt為一個分接頭位置對應(yīng)的電壓變化量。由于OLTC檔位的動作將影響全網(wǎng)的電壓，為了保證動作后配網(wǎng)中其他節(jié)點電壓不越限，需做如下判斷后才可動作。

Upre=U0+ΔtΔUtCob

(4)

(5)

(6)

其調(diào)壓能力ΔUOLTC可由以下公式計算：

ΔUOLTC=CoaΔtΔUt

(7)

步驟3:在步驟2的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌考慮越限區(qū)域內(nèi)所有無功補償裝置，依次按照最優(yōu)序列的順序計算該區(qū)域無功補償?shù)闹瘟浚紫扔嬎汶x散元件的無功支撐量，OLTC動作后的剩余電壓調(diào)節(jié)量為ΔUsurplus(0)=ΔUviolate-ΔUOLTC，則區(qū)域無功補償?shù)臒o功支撐量按照最優(yōu)序列依次計算，公式如下：

(8)

s.tk(i)min≤k0(i)+Δk(i)≤k(i)max

(9)

Qmin(i)≤Qs(i)+ΔQ(i)≤Qmax(i)

(10)

式中：Δk(i)為第i臺離散元件調(diào)節(jié)組數(shù)；CC(i)為第i臺元件的無功對主導(dǎo)節(jié)點電壓的靈敏度；ΔQk(i)為第i臺離散元件的單組容量；ΔQ(i)為第i臺連續(xù)元件無功調(diào)節(jié)量；k(i)min、k(i)max為第i臺并聯(lián)電容/電抗器最小、最大組數(shù)；k0(i)為并聯(lián)電容/電抗器初始組數(shù)，需要提出的是電容器與電抗器單組容量的數(shù)值是相反的。第i臺元件的調(diào)壓能力為

(11)

當(dāng)ΔUsurplus(i)=0時，就完成了無功補償無功支撐量的計算, 最后由區(qū)域主導(dǎo)代理將各元件的無功支撐量分配給相應(yīng)的代理，再轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制信號，完成電壓調(diào)節(jié)。

2.4 全局協(xié)調(diào)控制策略的多代理技術(shù)實現(xiàn)

應(yīng)用多代理技術(shù)的靈活性和自治性，可以實現(xiàn)本文提出的全局協(xié)調(diào)控制。從通信的角度看，聯(lián)絡(luò)變電站代理(SA)多代理系統(tǒng)的頂層，主要的工作任務(wù)有：(1)從SCADA系統(tǒng)中獲取實時節(jié)點電壓和靈敏度信息；(2)監(jiān)視節(jié)點電壓并決策區(qū)域主導(dǎo)代理；(3)廣播并賦權(quán)區(qū)域主導(dǎo)代理；(4)向區(qū)域主導(dǎo)代理發(fā)送OLTC補償量和區(qū)域靈敏度信息。母線代理位于聯(lián)絡(luò)變電站代理下一級，主要工作任務(wù)有：(1)通過匹配SA的廣播信息成為區(qū)域主導(dǎo)代理；(2)成為區(qū)域主導(dǎo)代理后向區(qū)域廣播服務(wù)請求并獲取區(qū)域中無功補償元件的調(diào)壓能力，調(diào)壓能力主要包括最大容量、當(dāng)前容量；(3)完成調(diào)壓元件補償量計算優(yōu)化順序并計算各元件的補償量；(4)將計算好的補償量分配給相應(yīng)元件的代理。調(diào)壓單元代理位于底層，主要工作任務(wù)是：響應(yīng)主導(dǎo)代理的服務(wù)請求和將補償量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)控制信號給無功補償裝置。

3 算例分析

為了驗證本文所提全局控制策略的有效性，在新英格蘭33節(jié)點配網(wǎng)系統(tǒng)上建立了穩(wěn)態(tài)仿真模型。分別在節(jié)點29和節(jié)點31上添加電容器組和SVC/STATCOM元件來代表離散型與連續(xù)型的無功補償裝置，如圖4所示。

區(qū)域號為2，OLTC的單步調(diào)節(jié)量為0.01，最大允許一次動作為一個檔位，2臺分布式機組容量均為1 MW，運行功率因數(shù)為0.95，無功補償參數(shù)如表1所示。

表1 無功補償參數(shù)

Table 1 Reactive power compensation parameters Mvar

為了仿真區(qū)域節(jié)點越限，假定在t0時刻，2臺DG退出電網(wǎng)，這可能發(fā)生在風(fēng)力過大而風(fēng)機不得不棄風(fēng)的情況下，待穩(wěn)態(tài)后，節(jié)點30、31、32的電壓都超出了正常區(qū)間，采用本文提出的多代理協(xié)調(diào)法得出的電壓靈敏度值如表2所示，依據(jù)本文所提方法，獲取調(diào)壓策略如表3所示。

表2 相關(guān)靈敏度值

Table 2 Relative sensitivity value pu

圖4 新英格蘭33節(jié)點配網(wǎng)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)Fig.4 Simulation system of New England IEEE33 distribution system表3 組合調(diào)壓策略Table 3 The combined strategy of voltage regulation

先后投入以上策略，調(diào)壓效果如表4所示。由表4可知，待所有元件動作后，電壓越限情況已經(jīng)消除，這體現(xiàn)了本文所提方法能夠統(tǒng)籌協(xié)調(diào)全局元件進行調(diào)壓，并在穩(wěn)態(tài)分析中具有一定的可行性。

表4 組合調(diào)壓效果

Table 4 Results of combined voltage regulation pu

由于OLTC安裝在聯(lián)絡(luò)變電站，其分接頭的動作會影響全網(wǎng)電壓，需在其動作之前判斷是否對其他節(jié)點電壓造成負面影響。運用式(4)計算OLTC動作后全網(wǎng)電壓增量，除了本區(qū)外其他節(jié)點電壓平均上升0.010 1 pu，并未造成其他節(jié)點越限，因此允許OLTC動作一個檔位。

多代理系統(tǒng)代理消息如圖5所示，從消息12至17可以看出，聯(lián)絡(luò)變電站代理(SA)在區(qū)域2出現(xiàn)不合格電壓后，通過區(qū)域主導(dǎo)代理決策模型，確定節(jié)點31為區(qū)域主導(dǎo)代理，通過靈敏度計算出OLTC動作量為1，通過廣播匹配完畢后完成區(qū)域主導(dǎo)代理的賦權(quán)，并發(fā)送OLTC的動作量與靈敏度信息給區(qū)域主導(dǎo)代理。

消息18至34體現(xiàn)了合同網(wǎng)協(xié)議機制，區(qū)域主導(dǎo)代理依據(jù)反饋信息和協(xié)調(diào)策略確定了區(qū)域無功補償元件補償量計算的最優(yōu)序列，即首先計算代理號為36的無功補償元件，然后依次計算代理號為37、34、35的無功補償元件。體現(xiàn)了離散元件優(yōu)先動作，連續(xù)元件精細調(diào)節(jié)的調(diào)壓原則。

4 結(jié) 論

本文提出了一種主動配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)變壓器與無功補償裝置的全局協(xié)調(diào)控制方法，能夠在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓越限時充分調(diào)動調(diào)壓元件，合理有效地消除越限電壓情況。通過多代理技術(shù)，將集中式控制與分布式控制相結(jié)合的思想應(yīng)用于具有分布式特性的主動配電網(wǎng)。建立的區(qū)域主導(dǎo)代理的決策模型能夠?qū)崿F(xiàn)對電壓薄弱節(jié)點的動態(tài)追蹤，建立的調(diào)壓元件補償量計算順序優(yōu)化模型能夠?qū)崿F(xiàn)無功補償裝置補償容量計算的時序優(yōu)化。

圖5 多代理消息圖Fig.5 Multi-agent message

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[17] 范明天，惠慧，張祖平. 主動配電系統(tǒng)規(guī)劃的主要影響因素分析[J]. 電力建設(shè), 2015, 36(1): 60-64. Fan Mingtian, Hui hui, Zhang Zuping，et al. Main impacts on active distribution system planning[J]. Electric Power Construction, 2015, 36(1): 60-64.

(編輯：張小飛)

Multi-Agent Control Method for Interconnecting Transformer and Reactive Power Compensation Device in Active Distribution Network

LIU Mingchun, MA Rui

(School of Electrical & Information Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China)

For the coordinate control of interconnecting transformer and reactive power compensation device in active distributed network, this paper proposed a global coordinated control model based on multi-agent technology. Multi-agent technology with its flexible structure and agent autonomy could combine the centralized control with the distributed control better; and realize the dynamic tracking of weak-voltage node in voltage over-limit area through building the regional leading agent decision model. By combining CNP (contract net protocol) and voltage regulation priority principle, it could achieve the timing optimization for the compensation amount calculation of interconnecting transformer and regional reactive power compensation elements, through the competition of reactive power-voltage sensitivity index. Finally, this paper carried on the simulation in IEEE33 distribution system, whose results showed that the multi-agent technology could realize the voltage regulation by combine interconnecting transformer with reactive power compensation device.

multi-agent technology; active distribution network; on-load tap changer (OLTC); reactive power compensation device; coordinated control

國家自然科學(xué)基金資助項目(51277015)。

TM 862

A

1000-7229(2015)05-0072-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.012

2015-01-12

2015-01-25

劉鳴春(1990)，男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制；

馬瑞(1971)，男，通信作者，博士，教授，主要研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制、低碳電力、主動配電網(wǎng)和電力大數(shù)據(jù)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China(51277015).