李中雷 宋蕙慧 曲延濱

（哈爾濱工業(yè)大學（威海）信息與電氣工程學院 山東 威海 264209）

1 引言

近年來隨著全球環(huán)境和能源問題的日益突出，大力發(fā)展可再生能源發(fā)電成為解決環(huán)境和能源問題的有效途徑。由于分布式發(fā)電技術具有投資小，清潔環(huán)保，供電可靠和發(fā)電方式靈活等優(yōu)點，它作為利用可再生能源的理想形式得到了快速發(fā)展[1]。然而，隨著分布式電源滲透率的提高，其間歇性和波動性的特點，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生了很大影響。另外，分布式電源相對大電網(wǎng)來說是一個不可控源，因此大電網(wǎng)往往采取限制、隔離的方式來處置分布式電源，以期減小其對大電網(wǎng)的沖擊。IEEE P1547 對分布式能源的入網(wǎng)標準做了規(guī)定：當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，分布式電源必須馬上退出運行。這就大大限制了分布式能源效能的充分發(fā)揮。為協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式電源間的矛盾，充分挖掘分布式能源為電網(wǎng)和用戶所帶來的價值和效益，在本世紀初，學者們提出了微電網(wǎng)的概念[2]。

微電網(wǎng)將分布式電源、負荷、儲能及控制裝置結合在一起，形成一個統(tǒng)一自治的可控小型發(fā)配電系統(tǒng)，能有效解決大電網(wǎng)與分布式電源間的矛盾，推動分布式發(fā)電技術的發(fā)展[3]。微電網(wǎng)技術為大規(guī)模分布電源應用提供了一種有效方法，是新型電力電子技術、分布式發(fā)電、可再生能源發(fā)電技術和儲能技術的綜合。微電網(wǎng)正常時通過變壓器并網(wǎng)運行，當微電網(wǎng)從公共連接點脫離后，它本身至少可給其中一部分負荷提供電能，運行于孤島狀態(tài)[4]。目前電力公司一般不允許電網(wǎng)無計劃孤島運行和自動同步，主要基于人和設備安全考慮。然而，微電網(wǎng)可以孤島運行和并網(wǎng)運行，能在兩者之間平滑切換，從而充分利用微電網(wǎng)中的分布式電源[5,6]。

文獻[7]提出了一種由中央控制 agent 和設備agent 組成的2 層結構的MAS，并設計了含有分布式電源的主動配電網(wǎng)的孤島運行控制器。文獻[8]提出了一種基于多代理技術的正常狀態(tài)下電力系統(tǒng)維護線路的倒閘操作的方法。文獻[9]提出了一種用于配電系統(tǒng)故障恢復的分布式結構的MAS 系統(tǒng)。并對示例網(wǎng)絡的幾種故障進行了供電恢復分析。但agent 動作仍需要RD-BA 的集中控制，并不是完全分布式的結構。文獻[10]分析了幾種典型的控制結構，并為帶有高滲透率分布式發(fā)電的配電系統(tǒng)設計了一個分層控制結構。文獻[11]分析了微電網(wǎng)分散控制和集中控制各自的優(yōu)缺點，結合兩種控制方法基于多代理技術提出了一種具有兩層控制結構的分散協(xié)調(diào)控制策略用以維護運行于孤島狀態(tài)的微電網(wǎng)受到外界擾動時的電壓穩(wěn)定。

微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，主網(wǎng)向微電網(wǎng)內(nèi)注入功率維持微電網(wǎng)內(nèi)部功率的平衡，保持其穩(wěn)定的運行狀態(tài)。當微電網(wǎng)突然進入孤島狀態(tài)運行時，會造成微電網(wǎng)的功率缺額。若不及時處理使供需達到平衡狀態(tài)，會使微電網(wǎng)不能穩(wěn)定運行，造成對區(qū)域內(nèi)重要負荷供電的中斷。本文提出一種完全分布式的MAS來解決微電網(wǎng)進入孤島運行所引起的功率缺額問題，盡量保持對區(qū)域內(nèi)重要負荷的供電，還可根據(jù)分布式發(fā)電的具體情況恢復對一部分已斷電負荷的供電。該MAS 不需要對agent 進行統(tǒng)一調(diào)度，每個agent 都可以依據(jù)自己所掌握的信息獨立動作。仿真結果表明，本文提出的MAS 能快速的穩(wěn)定微電網(wǎng)的孤島狀態(tài)維持對區(qū)域內(nèi)重要負荷的供電。

2 負荷恢復供電數(shù)學模型

電網(wǎng)在一些不可預見的事故發(fā)生后可能會造成智能電網(wǎng)中的微電網(wǎng)突然孤島運行，在這種情況下電網(wǎng)運行人員首先考慮的是微電網(wǎng)能夠繼續(xù)可靠地運行，維持微電網(wǎng)內(nèi)的重要負荷的穩(wěn)定供電，并盡可能多的恢復已斷電負荷的供電。在這種情況下，并不關心系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。因此可采用電流近似代替功率的方法，以電流代替負荷的功率來估算系統(tǒng)的潮流。

本文從微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行的角度考慮，采用的負荷恢復目標函數(shù)為

式中，Si為第i個負荷的功率，本文中用電流代替；xi為第i個負荷連接狀態(tài)（xi=0 表示負荷與電網(wǎng)連接，xi=1 表示負荷與電網(wǎng)斷開）；λi為第i個負荷的加權系數(shù)，表示負荷的重要等級；N為系統(tǒng)中的負荷數(shù)量。

本文采用文獻[7]中的常規(guī)約束條件：

容量約束

式中，Cj為母線j能夠提供的最大功率；Bj為從母線j獲得電能的支路集合；Pi為母線j流入支路i的功率。

支路功率約束

式中，Pi為支路i中功率值；Pimax為支路i允許流動的最大功率。

有功功率平衡約束

式中，Tj為向母線j供電的支路集合；Bj為從母線j獲得電能的支路集合；Sj為與母線j連接的負荷；xj為負荷Sj的狀態(tài)變量。

4）不包括DG時的輻射狀供電約束。

式中，Tj為向母線j供電的支路集合；yj為支路j的狀態(tài)變量。

3 微電網(wǎng)孤島緊急協(xié)調(diào)控制MAS 結構

3.1 協(xié)調(diào)控制MAS 的結構

圖1為一個包含兩個DG 的小型微電網(wǎng)系統(tǒng)。帶箭頭的線段表示負荷；負荷下方數(shù)字表示功率；電源下方P 值表示此時發(fā)出的功率值；R 表示可調(diào)功率的范圍，線路上的數(shù)值表示潮流值。該微電網(wǎng)由3 條母線、3 條輸電線路、9 個開關、一個儲能裝置、2 個DG 和2 個負荷組成。AC1 是微電網(wǎng)與主網(wǎng)的連接線，PCC（Point of Common Coupling）是公共連接點，主網(wǎng)和微電網(wǎng)之間通過PCC 進行能量交換。

圖1 微電網(wǎng)Fig.1 Microgrid

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)是一個無源網(wǎng)絡，呈放射狀結構分布，潮流的方向是單向的。DG 的接入使無源電網(wǎng)變?yōu)橛性措娋W(wǎng)，DG 注入到電網(wǎng)中的有功功率和無功功率將改變電網(wǎng)潮流的分布。如圖2所示，當PG

圖2 功率流動示意圖Fig.2 Scheme of power flow

由于DG 的接入對電網(wǎng)的影響，本文采用一種由公共連接點智能體（PCC agent，PA）和母線智能體（bus agent，BA）組成的完全分布式MAS 系統(tǒng)結構，實現(xiàn)微電網(wǎng)孤島后維持重要負荷供電的功能，如圖3所示。該MAS 系統(tǒng)結構是完全分布式的，因此不受網(wǎng)絡拓撲結構的影響，該系統(tǒng)具有很強的擴展性與靈活性。與集中式的方法不同，該控制系統(tǒng)沒有中央控制器，不存在單點故障問題，具有很強的魯棒性。

圖3 多代理系統(tǒng)結構Fig.3 Architecture of the MAS

MAS 中每個agent 只掌握本地的信息，PA 掌握PCC 的相關信息，BA 掌握的信息包括母線的狀態(tài)，連接在該母線上的DG 和負荷的參數(shù)，可控開關的開斷狀態(tài)，與該母線連接的線路信息等。每個agent只能控制連接在該母線上的 DG 和母線附近的開關，例如BA3 控制的是開關S5，S8，S9 及DG2。每個agent 均可以與相鄰agent 進行信息交互且具有一定的自治性。

MAS 系統(tǒng)中每個agent 都不具有獨立完成控制目標的能力，單個agent 如果只依靠自己所掌握的信息不進行信息交流就不足以做出正確的動作，所以需要與其他agent 進行通訊。因此需要制定相應的通訊機制，確保每個agent 都可以與區(qū)域內(nèi)其他任何一個agent 進行信息交互。本文采用了一種遞進式的信息通訊方式現(xiàn)舉例說明。當BA2 在系統(tǒng)中搜尋DG2 的信息，BA2 本身沒有DG2 的信息，向BA1 查詢信息。BA1 收到BA2 的查詢消息后，BA1本身沒有DG2 的信息，BA1 會繼續(xù)發(fā)送查詢消息給BA3 直到查詢到所需要的信息，查詢結束，并向BA2回復DG2 的信息。

3.2 MAS 協(xié)調(diào)控制策略

當微電網(wǎng)進入孤島運行時，以原來與電網(wǎng)相連的BA 為主agent 稱作M—BA 來調(diào)配其他BA 共同完成負荷恢復工作。孤島發(fā)生后PA 根據(jù)微電網(wǎng)并網(wǎng)時線路上的潮流流向判斷，若功率由主網(wǎng)流向微電網(wǎng)則發(fā)送“啟動”消息至 M—BA，通知其開始工作。M—BA 收到“啟動”消息后收集微電網(wǎng)內(nèi)的信息，包括微電網(wǎng)內(nèi)儲能裝置狀態(tài)，負荷的信息以及DG 的功率狀況。MAS 協(xié)調(diào)控制策略分為兩個階段：

第一階段是維持對微電網(wǎng)內(nèi)重要負荷的持續(xù)供電。因為儲能系統(tǒng)響應的速度較快可迅速增大輸出功率滿足區(qū)域內(nèi)重要負荷的功率需求，所以該階段的控制策略是以消息傳遞的方式搜尋儲能裝置使其增加輸出功率從而達到對微電網(wǎng)內(nèi)重要負荷持續(xù)供電的目的。其控制過程如圖4所示。M—BA 根據(jù)所收集的信息以微電網(wǎng)并網(wǎng)時由主網(wǎng)流向微電網(wǎng)的功率為目標發(fā)出“請求”消息，經(jīng)過區(qū)域內(nèi)BA 的層層傳遞直到搜尋到可用的儲能裝置，在搜尋到可用的儲能裝置后BA 根據(jù)所請求的功率和支路約束條件運行儲能系統(tǒng)。當BA 收到“請求”消息時，將遵循支路約束條件，利用所請求的功率值和該BA的局部信息對消息內(nèi)容進行修改，繼續(xù)轉發(fā)“請求”消息直到滿足功率需求或無可請求的BA 為止。

搜尋過程結束后更新消息內(nèi)容并轉發(fā)至M—BA，如果不滿足負荷的要求則要進行負荷的卸載，通知相應BA 執(zhí)行卸載操作。其中修改規(guī)則為：將所收到“請求”消息中的功率值與該母線連接的儲能系統(tǒng)所增加的輸出功率相減得到差值作為新的請求功率值。

第二階段是增加DG 輸出功率替換儲能系統(tǒng)增加的輸出功率，如DG 的備用容量比儲能系統(tǒng)增加的輸出功率值大則可以恢復已斷電的負荷。雖然儲能系統(tǒng)的響應速度很快，但由于其容量限制并不能對微電網(wǎng)的負荷持續(xù)供電。微電網(wǎng)進入孤島狀態(tài)后，首先通過增加儲能系統(tǒng)輸出的功率暫時向重要負荷供電，維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。然后通過增加DG的輸出功率長時間維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行并盡可能恢復已斷電負荷。其控制過程如圖5所示。M—BA

圖4 第一階段控制過程Fig.4 First stage of control procedure

圖5 第二階段控制過程Fig.5 Second stage of control procedure

依據(jù)第一階段收到的消息內(nèi)容中儲能系統(tǒng)增加輸出的功率和可調(diào)DG 可增加輸出功率的大小作比較，根據(jù)比較結果以不同的功率值為目標發(fā)出“請求”消息（若儲能增加的輸出功率大于可調(diào)DG 可以增加輸出的功率以儲能發(fā)出功率作為目標，儲能增加輸出的功率小于可調(diào)DG 可增加輸出的功率以總功率作為目標），經(jīng)過BA 的層層傳遞直到搜尋到可調(diào)節(jié)功率的DG，在搜尋到可調(diào)DG 后，BA 根據(jù)所請求的功率值和支路約束條件增大可調(diào)DG 的功率輸出。當BA 收到“請求”消息時，將遵循支路約束條件，利用所請求的功率值和該BA 的局部信息對消息內(nèi)容進行修改，繼續(xù)轉發(fā)“請求”消息直到滿足功率需求或無可請求的BA 為止。

搜尋過程結束后更新消息內(nèi)容并轉發(fā)至M—BA，如果以儲能發(fā)出功率作為目標則需要進一步進行負荷卸載，如果以總功率為目標則以可調(diào)DG 增加輸出的功率與儲能系統(tǒng)發(fā)出功率的差值恢復已斷電負荷。其中修改規(guī)則為：將所收到“請求”消息中的功率與該母線連接的DG 所增加輸出的功率相減得到的差值作為新的請求功率值。

4 仿真結果

本文采用的測試系統(tǒng)如圖6所示。該微電網(wǎng)由6 條母線、6 條輸電線路、21 個開關、3 個DG、2個儲能裝置和6 個負荷組成。負荷供電的優(yōu)先級由L1 至L6 依次增大。本文以JADE 為開發(fā)平臺，采用JAVA 語言設計MAS。

圖6 示例系統(tǒng)Fig.6 Example system

某一時刻，PCC 斷開與主網(wǎng)的連接，微電網(wǎng)與主網(wǎng)之間不再有功率交換進入孤島狀態(tài)。Agent 之間的通訊協(xié)商過程如圖7所示。

當微電網(wǎng)進入孤島運行狀態(tài)時，PA 根據(jù)其并網(wǎng)運行時與主網(wǎng)的聯(lián)絡線的功率大小和方向判斷微電網(wǎng)的電力需求為8 個單位。PA 發(fā)送“啟動”消息至M—BA，后者收到“啟動”消息后收集微電網(wǎng)內(nèi)的信息。

圖7 通訊過程Fig.7 Communication process

根據(jù)圖7中的消息2—11，M—BA 訪問微電網(wǎng)內(nèi)所有BA。通過所收集到的信息確定區(qū)域內(nèi)有可用儲能，開始進行第一階段的控制。M—BA 發(fā)送“請求”消息至其他BA，增大區(qū)域內(nèi)儲能裝置的輸出功率滿足區(qū)域內(nèi)重要負荷的功率需求。圖7中消息12 為M—BA 發(fā)送“請求”消息至BA2，請求8 個單位的功率。BA2 根據(jù)本文所提出的控制策略使與母線2 連接的儲能裝置1 增加輸出3 個單位的 功率并修改“請求”消息。消息13 為BA2 轉發(fā)“請求”消息至BA3，請求5 個單位的功率。BA3 使儲能裝置2 增加輸出2 個單位的功率并修改“請求”信息。消息14—16 為BA3 發(fā)送“請求”消息和BA2得到“回復”消息的部分，消息17—21 為BA2 繼續(xù)搜尋儲能裝置及M—BA 得到“回復”消息的部分。M—BA 得到“回復”消息后，由于還存在 3個單位的功率缺額，因此依照負荷的優(yōu)先級，L1 被選擇卸載，以滿足功率的平衡，維持微電網(wǎng)內(nèi)重要負荷的供電，第一階段的控制結束。

第一階段的控制結束后立即開始第二階段的控制。M—BA 根據(jù)第一階段收到的消息內(nèi)容得知儲能系統(tǒng)增加輸出5 個單位的功率，可調(diào)DG 可增加輸出4 個單位的功率。所以以儲能系統(tǒng)增加輸出的5個單位的功率為目標發(fā)送“請求”消息。圖7中消息22—24 為M—BA 發(fā)送“請求”消息并經(jīng)轉發(fā)至BA5，請求5 個單位的功率。BA5 根據(jù)本地信息使DG2 增加輸出1 個單位的功率并修改“請求”消息。消息27—28 為BA2 發(fā)送“請求”消息至BA4和BA6，BA4 和BA6 使DG1 和DG3分別增加輸出2 個單位和1 個單位的功率。消息29—31 為搜尋DG 過程結束后將更新后的消息內(nèi)容轉發(fā)至M—BA的部分。M—BA 得到“回復”消息后，由于還存在1 個單位的功率缺額，因此依照負荷的優(yōu)先級，L2被選擇卸載，第二階段控制結束。微電網(wǎng)進入穩(wěn)定的運行狀態(tài)。

5 結論

本文針對微電網(wǎng)由并網(wǎng)運行狀態(tài)進入孤島運行狀態(tài)的情況，提出一種完全分布式的MAS 來解決微電網(wǎng)進入孤島運行時對區(qū)域內(nèi)重要負荷持續(xù)供電的問題。根據(jù)微電網(wǎng)具有分布特性及大量控制數(shù)據(jù)的情況，該MAS 采用了完全分布式的結構，不僅受網(wǎng)絡拓撲結構的影響很小而且具有很強的擴展性和魯棒性。本文提出的MAS 增強了微電網(wǎng)進入孤島狀態(tài)時對負荷供電的可靠性，使微電網(wǎng)進入孤島狀態(tài)時更加安全穩(wěn)定。

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