趙 號，原云周，徐德樹，劉 偉，劉曉鷗

（1. 中國能源建設(shè)集團(tuán) 天津電力設(shè)計院有限公司，天津 300180；2. 天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180）

0 引言

隨著化石能源的不斷減少以及環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，新能源發(fā)電和天然氣發(fā)電快速發(fā)展［1—3］，綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）是實現(xiàn)多能源互補、促進(jìn)可再生能源消納的有效途徑，是能源互聯(lián)網(wǎng)和電力物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的重要載體，是未來能源發(fā)展的必然趨勢。

綜合能源系統(tǒng)指在規(guī)劃、建設(shè)和運行等過程中，通過對能源的產(chǎn)生、傳輸與分配（能源網(wǎng)絡(luò)）、轉(zhuǎn)換、存儲、消費等環(huán)節(jié)進(jìn)行有機協(xié)調(diào)與優(yōu)化后，形成的能源產(chǎn)供銷一體化系統(tǒng)［4—5］。目前鮮有對多區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)的研究。

綜合能源管理系統(tǒng)是綜合能源系統(tǒng)的“大腦”，能夠支撐區(qū)域能源運行、調(diào)度、管理等，對綜合能源利用進(jìn)行智能化管理與控制。文獻(xiàn)［6］設(shè)計了面向能源互聯(lián)網(wǎng)的多能流綜合能量管理系統(tǒng)，重點介紹了能量管理系統(tǒng)的主要功能模塊，但是沒有給出整體的管理系統(tǒng)架構(gòu)。文獻(xiàn)［7］提出了一種單區(qū)域的綜合能源智能管控系統(tǒng)，但是無法解決區(qū)域間的能量交換問題。

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，區(qū)域網(wǎng)絡(luò)之間的結(jié)合將日益緊密，多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)將是未來社會能源發(fā)展的主要技術(shù)。因此，開展多區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)架構(gòu)研究具有重要的戰(zhàn)略意義。

多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中，各個區(qū)域綜合能源系統(tǒng)以及各區(qū)域內(nèi)多種能源系統(tǒng)，既要相對獨立，又要保持信息互通。近年來多代理技術(shù)發(fā)展迅速，代理具有感知能力、信息通信能力以及較強的自主能力［8］，多代理系統(tǒng)（multi-agent system，MAS）中，各代理之間具有相互通信功能，代理個體有解決問題的能力，并且具有并行處理問題的能力，在電力系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用［9］。

針對多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)涉及能源系統(tǒng)種類多、協(xié)同優(yōu)化運行困難的問題，本文建立區(qū)域綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架和多區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，建立基于多代理技術(shù)的多區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)架構(gòu)，最后設(shè)計了基于多代理技術(shù)的多區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)JADE平臺。

1 多區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)

1.1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)主要包括電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)以及熱力系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Regional integrated energy system structure

1.1.1 電力系統(tǒng)部分

本文建立的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中電力系統(tǒng)包括發(fā)電部分、電力網(wǎng)絡(luò)、儲電裝置及負(fù)荷終端。發(fā)電部分包括常規(guī)發(fā)電機組、熱電聯(lián)產(chǎn)機組、碳捕集機組、燃?xì)鈾C組、風(fēng)力發(fā)電以及光伏發(fā)電，電力網(wǎng)絡(luò)包括輸電網(wǎng)絡(luò)和配電網(wǎng)絡(luò)。電負(fù)荷包括工業(yè)負(fù)荷、交通負(fù)荷、生活用電負(fù)荷等。電鍋爐屬于特殊電負(fù)荷，由于電鍋爐能夠為熱力系統(tǒng)提供熱力能源，因此單獨對電鍋爐進(jìn)行分類討論。儲電裝置能夠進(jìn)行充放電，與電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電能交換，本部分能量流動平衡公式如式（1）所示

式中：Pt為t時刻區(qū)域內(nèi)所有常規(guī)發(fā)電機組有功功率之和；Pw,t為t時刻區(qū)域內(nèi)所有風(fēng)電機組有功功率之和;PPV,t為t時刻區(qū)域內(nèi)所有光伏機組有功功率之和;Pc,t為t時刻區(qū)域內(nèi)所有碳捕集機組有功功率之和；Pchp,t為t時刻區(qū)域內(nèi)所有熱電聯(lián)產(chǎn)機組有功功率之和；PGT,t為t時刻區(qū)域內(nèi)所有燃?xì)鈾C組有功功率之和；Pbt,t為t時刻區(qū)域內(nèi)所有儲電裝置有功功率之和，功率為正表示放電，為負(fù)表示充電；PL,t為t時刻區(qū)域內(nèi)所有電負(fù)荷之和；PP2G,t為t時刻區(qū)域內(nèi)所有電轉(zhuǎn)氣廠站消耗有功功率之和；PEB,t為t時刻區(qū)域內(nèi)所有電鍋爐消耗有功功率之和；Ploss,t為t時刻區(qū)域內(nèi)總的網(wǎng)絡(luò)損失。

1.1.2 天然氣系統(tǒng)部分

天然氣系統(tǒng)包括天然氣源、天然氣網(wǎng)絡(luò)、儲氣罐以及天然氣負(fù)荷。天然氣源主要包括天然氣井以及電轉(zhuǎn)氣產(chǎn)生的天然氣。天然氣網(wǎng)絡(luò)將天然氣源和天然氣負(fù)荷連接起來，滿足天然氣負(fù)荷需求。天然氣負(fù)荷主要包括工業(yè)用氣負(fù)荷和生活用氣負(fù)荷。儲氣罐能夠進(jìn)行充放氣，具有調(diào)節(jié)天然氣網(wǎng)絡(luò)潮流，為天然氣系統(tǒng)提供備用的作用。本部分能量流動平衡公式如式（2）所示

式中：Wt為t時刻區(qū)域內(nèi)所有天然氣井天然氣功率之和；WP2G,t為t時刻區(qū)域內(nèi)所有電轉(zhuǎn)氣廠站天然氣功率之和；Wgs,t為t時刻區(qū)域內(nèi)所有儲氣罐天然氣功率之和；功率為正表示放氣，為負(fù)表示充氣；WL,t為t時刻區(qū)域內(nèi)所有天然氣負(fù)荷之和；WGT,t為t時刻區(qū)域內(nèi)所有燃?xì)鈾C組消耗天然氣功率之和。

1.1.3 熱力系統(tǒng)部分

熱力系統(tǒng)由熱源、供熱網(wǎng)絡(luò)和熱負(fù)荷組成，熱源主要包括電鍋爐產(chǎn)熱、熱電聯(lián)產(chǎn)機組產(chǎn)熱以及燃?xì)鈾C組產(chǎn)熱。供熱網(wǎng)絡(luò)將熱源與熱負(fù)荷連接起來，滿足熱負(fù)荷的熱力需求。熱負(fù)荷主要包括工業(yè)用熱負(fù)荷以及生活用熱負(fù)荷。儲熱裝置能夠充放熱，具有減少能源消耗，保證為熱負(fù)荷供熱的功能。本部分能量流動平衡公式如式（3）所示

式中：Qchp,t為t時刻區(qū)域內(nèi)所有熱電聯(lián)產(chǎn)機組熱功率之和；QGT,t為t時刻區(qū)域內(nèi)所有燃?xì)鈾C組熱功率之和；QEB,t為t時刻區(qū)域內(nèi)所有電鍋爐熱功率之和；QTES,t為t時刻區(qū)域內(nèi)所有儲熱裝置熱功率之和；功率為正表示放熱，為負(fù)表示儲熱；QL,t為t時刻區(qū)域內(nèi)所有熱負(fù)荷之和。

1.1.4 電-氣耦合部分

電-氣耦合部分包括電轉(zhuǎn)氣。電轉(zhuǎn)氣是利用電解水產(chǎn)生氫氣，然后氫氣與二氧化碳反應(yīng)產(chǎn)生天然氣，對于電力系統(tǒng)來說，電轉(zhuǎn)氣屬于電負(fù)荷，在天然氣系統(tǒng)中屬于天然氣源，電轉(zhuǎn)氣利用多余的電能生產(chǎn)天然氣，能夠增加新能源發(fā)電的滲透率，減少天然氣井的開采量。電轉(zhuǎn)氣能量流動平衡公式如式（4）所示

式中：φ為電轉(zhuǎn)氣廠站的轉(zhuǎn)換效率；Hg為天然氣熱值。

1.1.5 電-熱耦合部分

電-熱耦合部分包括熱電聯(lián)產(chǎn)機組和電鍋爐兩部分。熱電聯(lián)產(chǎn)機組能夠發(fā)電和供熱，由于熱電聯(lián)產(chǎn)機組本身“以熱定電”的特點，導(dǎo)致其調(diào)峰能力受到極大的限制，產(chǎn)生大量棄風(fēng)。電鍋爐消耗電能產(chǎn)生熱能，為熱力系統(tǒng)提供熱能需求，連同儲熱裝置能夠滿足一定的熱能需求，在一定程度上緩解熱電聯(lián)產(chǎn)機組“以熱定電”。熱電聯(lián)產(chǎn)機組和電鍋爐部分能量流動平衡公式分別如式（5）和式（6）所示

式中：α、β、γ分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機組運行區(qū)間不等式約束的系數(shù)；μ為電鍋爐的制熱效率。

1.1.6 電-熱-氣耦合部分

在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中電-熱-氣耦合部分主要包括燃?xì)鈾C組，燃?xì)鈾C組消耗天然氣，產(chǎn)生電能和熱能，對于天然氣系統(tǒng)來說，燃?xì)鈾C組屬于天然氣負(fù)荷，而對于電力系統(tǒng)來說，燃?xì)鈾C組屬于發(fā)電部分，并且燃?xì)鈾C組在調(diào)峰能力方面有明顯的優(yōu)勢，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的作用；對于熱力系統(tǒng)來說，燃?xì)鈾C組屬于產(chǎn)熱部分，能夠為熱負(fù)荷提供熱能。將電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)3個系統(tǒng)之間的耦合日益緊密。燃?xì)鈾C組能量流動平衡公式如式（7）和（8）所示

式中：η為燃?xì)鈾C組的氣轉(zhuǎn)電的轉(zhuǎn)換效率；δ為燃?xì)鈾C組的氣轉(zhuǎn)熱的轉(zhuǎn)換效率。

1.2 多區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)

本文建立的多區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)如圖2所示，包括多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)能源管理中心以及各區(qū)域能源管理系統(tǒng)。有n個區(qū)域的多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中能量流動平衡公式如式（9）所示

圖2 多區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)Fig.2 Multi-region integrated energy management system

式中：Si為區(qū)域i所需的能量；Si-n為區(qū)域n向區(qū)域i提供的能量。

多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)能源管理中心管理各區(qū)域能源管理系統(tǒng)，可以直接對各區(qū)域能源管理系統(tǒng)下達(dá)控制命令，也可以接收各區(qū)域能源管理系統(tǒng)的請求并生成相應(yīng)解決方案。多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)能源管理中心主要作用為協(xié)調(diào)各區(qū)域之間的能源交換問題，保證每個區(qū)域的多種能源合理利用，實現(xiàn)區(qū)域互聯(lián)。

各區(qū)域能源管理系統(tǒng)需要完成多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)管理中心的指令，并且能夠跟其他區(qū)域能源管理系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化運行，得到最優(yōu)運行方案。

2 基于多代理技術(shù)的多區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)架構(gòu)

本文根據(jù)多區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及區(qū)域綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立了基于多代理技術(shù)的兩級多區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)架構(gòu)，包括一個上層代理和多個下層代理，如圖3所示。

圖3 基于多代理技術(shù)的多區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Architecture of multi-region integrated energy management system based on multi-agent technology

從圖3 中可以看出，本文建立的多代理系統(tǒng)上層代理為多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)能源管理中心總代理；下層代理包括學(xué)習(xí)中心代理、求解中心代理和區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)子代理。能源管理中心總代理可以向所有下層代理發(fā)送控制指令，同時可以接收區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)子代理的請求，制定運行策略并反饋給下層代理。學(xué)習(xí)中心代理、求解中心代理執(zhí)行上層代理控制指令并反饋執(zhí)行情況，同時可以接收區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)子代理的請求并反饋運行策略。區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)子代理執(zhí)行上層代理控制指令并反饋執(zhí)行情況，可以向上層代理、學(xué)習(xí)中心代理和求解中心代理發(fā)送請求并接收相應(yīng)反饋信息，同時各區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)子代理之間可以交互運行信息，實現(xiàn)多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)化運行。

（1）多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)能源管理中心總代理

多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)能源管理中心總代理負(fù)責(zé)所有區(qū)域的各類能源管理，其能夠與各個區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)子代理進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。能源管理中心總代理可以對各區(qū)域子代理發(fā)送指令，同時接收各區(qū)域子代理請求，分析各區(qū)域子代理的問題，協(xié)調(diào)各區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行，得到最優(yōu)解決方案，將該執(zhí)行命令發(fā)送至相應(yīng)的區(qū)域子代理，達(dá)到全區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)化運行，實現(xiàn)能源的合理利用，達(dá)到節(jié)能減排的最終目標(biāo)。

（2）學(xué)習(xí)中心代理

學(xué)習(xí)中心代理在整個周期工作，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。中心總代理和區(qū)域子代理從學(xué)習(xí)中心代理中匹配案例，并獲取對應(yīng)的解決方案。事件結(jié)束后，學(xué)習(xí)中心代理分析事件的發(fā)生原因以及響應(yīng)過程，總結(jié)經(jīng)驗，更新數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，提高應(yīng)對多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中能源不足或過剩問題的能力。學(xué)習(xí)中心代理能夠和中心總代理、區(qū)域子代理以及求解中心代理直接交換信息。

圖4 學(xué)習(xí)中心代理結(jié)構(gòu)Fig.4 Learning center agent structure

學(xué)習(xí)中心代理包括分析代理、評估代理、推理代理和數(shù)據(jù)存儲代理。分析代理負(fù)責(zé)分析事件發(fā)生的原因、事件演變過程和損失大??；評估代理負(fù)責(zé)建立評估系統(tǒng)，評估事件應(yīng)對策略是否合理，并提出改進(jìn)措施；推理代理負(fù)責(zé)根據(jù)已發(fā)生的事件推理多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中潛在的問題，并建立對應(yīng)的響應(yīng)方案，存儲到數(shù)據(jù)庫中作為備用；數(shù)據(jù)存儲代理負(fù)責(zé)存儲分析代理、評估代理和推理代理的數(shù)據(jù)信息，所有案例以及對應(yīng)的響應(yīng)方案均存儲在其中，當(dāng)多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中發(fā)生能源利用問題時，數(shù)據(jù)存儲代理將會向決策者提供參考和經(jīng)驗。

（3）求解中心代理

求解中心代理負(fù)責(zé)向其他代理提供相應(yīng)問題的求解方法，從而使各代理獲得相應(yīng)的策略。求解中心代理可以與中心總代理、學(xué)習(xí)中心代理和區(qū)域子代理直接交換信息，在管理系統(tǒng)工作過程中，求解中心代理隨時準(zhǔn)備接收請求，并反饋合適的求解方法。

求解中心代理的構(gòu)成框架如圖5 所示，包括數(shù)學(xué)模型分析代理和求解方法代理。數(shù)學(xué)模型分析代理負(fù)責(zé)評估數(shù)學(xué)模型的類型，即確定模型為確定性模型或者不確定性模型。求解方法代理負(fù)責(zé)提供問題所需的求解方法，例如智能算法、場景分析法、深度學(xué)習(xí)、魯棒優(yōu)化方法等。求解中心代理的基本工作流程為：當(dāng)求解中心代理收到請求信息后，數(shù)學(xué)模型分析代理將分析問題的數(shù)學(xué)模型并確認(rèn)其類型，之后，求解方法代理將提供合適的方法求解該問題。

圖5 求解中心代理框架Fig.5 Agent structure of solution center

（4）區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)子代理

區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)子代理主要負(fù)責(zé)本區(qū)域內(nèi)電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化運行，協(xié)調(diào)各系統(tǒng)能源的綜合利用。區(qū)域子代理需要接收能源管理中心總代理下達(dá)的指令，完成上級的要求。當(dāng)子代理遇到不能處理的問題時，向上級中心總代理發(fā)送請求，等待上級中心總代理反饋解決方案。各區(qū)域子代理之間可以相互傳遞信息實現(xiàn)局部區(qū)域的最優(yōu)化運行。區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)子代理架構(gòu)如圖6所示，包括電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)代理、天然氣系統(tǒng)協(xié)調(diào)代理、熱力系統(tǒng)協(xié)調(diào)代理、電-氣耦合系統(tǒng)協(xié)調(diào)代理、電-熱耦合系統(tǒng)協(xié)調(diào)代理、電-熱-氣耦合系統(tǒng)協(xié)調(diào)代理。

圖6 區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)子代理架構(gòu)Fig.6 Regional integrated energy management system subagent architecture

（5）多區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)工作流程

圖7為基于多代理技術(shù)的多區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)工作流程圖。

圖7 基于多代理技術(shù)的多區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)Fig.7 Multi-region integrated energy management system based on multi-agent technology

3 多代理系統(tǒng)運行平臺

多代理系統(tǒng)必須在具有通用標(biāo)準(zhǔn)通信語言的通用軟件環(huán)境中運行，本章采用遵循FIPA-ACL 標(biāo)準(zhǔn)的JADE平臺實現(xiàn)多代理系統(tǒng)的運行。

JADE平臺提供一組函數(shù)和類實現(xiàn)代理功能，即代理管理系統(tǒng)（agent management service，AMS）、目錄服務(wù)（directory facilitator，DF）和信息傳送系統(tǒng)（message transport services，MTS）。AMS負(fù)責(zé)管理代理平臺，包括代理狀態(tài)和代理目錄標(biāo)識符。DF負(fù)責(zé)為代理提供平臺中代理的黃頁服務(wù)，便于代理可以方便地在平臺中找到需要聯(lián)系的其他代理。MTS負(fù)責(zé)在代理之間傳送信息。JADE 平臺包括一個主容器和多個子容器，可以跨越多個計算機進(jìn)行連接，主容器是伴隨JADE 平臺產(chǎn)生的，子容器必須在主容器上注冊，AMS、DF和其他的管理服務(wù)是在主容器上執(zhí)行的。平臺中的所有代理必須在DF 中注冊獲得一個獨一無二的ID，并且定義代理類型和功能，注冊完成后，代理將在容器中存在并受容器的管理。

本文中，JADE平臺包括一個主容器和(n+2)子容器（n為區(qū)域的數(shù)量），如圖8所示，主容器中存放AMS、DF和能源管理中心總代理，子容器1存放區(qū)域1能源管理系統(tǒng)子代理及其下層代理，子容器2存放區(qū)域2能源管理系統(tǒng)子代理及其下層代理，子容器存放n區(qū)域n能源管理系統(tǒng)子代理及其下層代理，子容器n+1存放學(xué)習(xí)中心代理，子容器n+2 存放求解中心代理，各容器及各代理直接根據(jù)第3章中的通信規(guī)則進(jìn)行通信，根據(jù)文中介紹的工作流程自動完成多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)能源管理工作。

圖8 基于多代理技術(shù)的多區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)JADE平臺Fig.8 JADE platform of multi-region integrated energy management system based on multi-agent technology

4 結(jié)束語

本文首先建立了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，該系統(tǒng)主要包括電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、電-氣耦合系統(tǒng)、電-熱耦合系統(tǒng)、電-熱-氣耦合系統(tǒng)，對各組成部分功能進(jìn)行分析介紹。其次，建立了多區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)，多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)能源管理中心與各區(qū)域能源管理系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化運行，得到多區(qū)域最優(yōu)運行策略。最后，建立了基于多代理技術(shù)的多區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)架構(gòu)，該多代理系統(tǒng)包括為多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)能源管理中心總代理、學(xué)習(xí)中心代理、求解中心代理和區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)子代理，文中詳細(xì)介紹了各代理功能以及系統(tǒng)工作流程。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了基于多代理技術(shù)的多區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)JADE平臺以實現(xiàn)多代理系統(tǒng)的運行。D