一種基于Agent的智能電網(wǎng)集成優(yōu)化控制策略 - 全文

　　智能電網(wǎng)集成優(yōu)化控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)行的關(guān)鍵，智能代理技術(shù)為解決這一問(wèn)題提供了良好的方法。在介紹國(guó)內(nèi)外智能代理研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，介紹了基于Agent的智能電網(wǎng)集成優(yōu)化控制技術(shù)總體架構(gòu)，基于Agent的動(dòng)態(tài)分解與協(xié)調(diào)技術(shù)，并以微電網(wǎng)為例，對(duì)微電網(wǎng)中基于Agent的即插即用技術(shù)進(jìn)行了分析。

　　0引言

　　建設(shè)智能電網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型的根本戰(zhàn)略，也是一個(gè)長(zhǎng)期復(fù)雜的系統(tǒng)工程。未來(lái)智能電網(wǎng)要求通過(guò)對(duì)多種運(yùn)行方式、多層面的協(xié)調(diào)控制，保證電網(wǎng)整體處于安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)。智能電網(wǎng)要求系統(tǒng)能夠迅速地進(jìn)行信息處理，管理信息和操作信息必須是在保密級(jí)別約束的條件下，在授權(quán)允許范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)共享和協(xié)同，能有效地防止網(wǎng)絡(luò)攻擊。依靠傳統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制手段不能滿足智能電網(wǎng)集成優(yōu)化控制的要求。近年來(lái)，智能代理技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)，為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的集成優(yōu)化控制、電網(wǎng)信息管理和信息安全提供了一種新的信息處理方法。

　　智能代理（IntelligentAgent）的關(guān)鍵是獲取代理所需的知識(shí)推理能力、知識(shí)的操縱能力、知識(shí)的展現(xiàn)能力和一個(gè)代理同其他代理共享知識(shí)協(xié)同操作的能力。代理設(shè)計(jì)者必須能夠用產(chǎn)生的知識(shí)對(duì)電網(wǎng)狀態(tài)和控制行為進(jìn)行準(zhǔn)確完整的描述。智能代理的一般屬性包括：（1）自主性：智能代理可以在沒(méi)有人和其他事物的直接干預(yù)下操作，可以對(duì)它們的動(dòng)作行為和內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制；（2）社會(huì)能力：智能代理可以通過(guò)交流語(yǔ)言同其他的智能代理（可能是設(shè)備，也可能是人）進(jìn)行相互作用；（3）反應(yīng)性：智能代理能夠預(yù)測(cè)到其環(huán)境并及時(shí)作出反應(yīng)；（4）主動(dòng)性：智能代理不僅可以對(duì)其環(huán)境作出反應(yīng)，而且可以主動(dòng)表現(xiàn)出朝著既定目標(biāo)方向動(dòng)作的行為。

　　多代理系統(tǒng)（Multi-AgentSystem，MAS）是能夠相互交流的智能代理的集合，可以通過(guò)相互協(xié)作達(dá)到共同的目標(biāo)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì) MAS理論研究逐步應(yīng)用到電力市場(chǎng)、繼電保護(hù)、電力系統(tǒng)電壓無(wú)功優(yōu)化調(diào)節(jié)和緊急控制等領(lǐng)域?；贏gent的智能電網(wǎng)集成優(yōu)化控制技術(shù)正在成為當(dāng)前和今后研究的熱點(diǎn)之一。

　　目前多代理技術(shù)（Multi-Agent）尚在不斷發(fā)展和完善當(dāng)中，還存在一些有待研究的問(wèn)題：（1）多代理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目前尚未標(biāo)準(zhǔn)化。（2）多代理系統(tǒng)能否真實(shí)地揭示整個(gè)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為特征，還需要實(shí)踐的檢驗(yàn)。主要是目前某一方面的代理可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，太復(fù)雜的系統(tǒng)還有待研究。單個(gè)代理有能力解決局部問(wèn)題，但不能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)全局目標(biāo)等。（3）多代理系統(tǒng)中沒(méi)有系統(tǒng)全局控制功能，僅僅依靠一組協(xié)調(diào)代理，解決代理間的決策沖突。（4）代理決策過(guò)程是異步的。必須與知識(shí)工程相結(jié)合。

　　1基于Agent的智能電網(wǎng)集成優(yōu)化控制

　　未來(lái)智能電網(wǎng)不僅需要本地不同控制器間協(xié)調(diào)，也需要異地不同控制器間協(xié)調(diào)控制。依靠傳統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制手段不能滿足智能運(yùn)行控制的要求。采用基于Agent的智能電網(wǎng)集成優(yōu)化控制技術(shù)不失為解決問(wèn)題的理想手段之一［1］。

　　1.1總體架構(gòu)

　　總體思想是通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、各層Agent態(tài)勢(shì)判據(jù)、多判據(jù)綜合決策方法和流程及各層Agent的協(xié)同控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)集成優(yōu)化協(xié)調(diào)控制。

　　主要技術(shù)思想包括：（1）智能電網(wǎng)的分布式自治架構(gòu)是基于Agent的分層分布式計(jì)算結(jié)構(gòu)，包括感器，嵌入式處理器和實(shí)時(shí)計(jì)算等，用標(biāo)準(zhǔn)化接口通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)互通信息，主要采用SOA架構(gòu)和面向信息的中間件實(shí)現(xiàn)。（2）對(duì)于專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)主要是采用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)局部和全局的數(shù)據(jù)交換與智能決策，分布式數(shù)據(jù)庫(kù)是通過(guò)開(kāi)放式接口整合起來(lái)的。（3）系統(tǒng)將盡量用即插即用硬件和軟件組成，采用基于主動(dòng)學(xué)習(xí)特征的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［3-12］。

　　1.2動(dòng)態(tài)分解與協(xié)調(diào)

　　在計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)有的大多數(shù)的分析優(yōu)化協(xié)作任務(wù)的求解系統(tǒng)都是依據(jù)智能Agent技術(shù)構(gòu)建的。這里給出一種新的思想：通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)來(lái)提高智能電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性，既可以解決智能電網(wǎng)在輸電網(wǎng)方面的集成優(yōu)化控制方面的問(wèn)題，也可以解決微電網(wǎng)與配電管理系統(tǒng)（DMS）的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題。該思想允許組成求解系統(tǒng)的各個(gè)智能Agent之間自動(dòng)地根據(jù)電網(wǎng)變化的環(huán)境采取2種操作：Agent融合和Agent分解。生成新的任務(wù)求解結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)環(huán)境的變化，可重構(gòu)新的適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境的求解結(jié)構(gòu)，這種重構(gòu)是基于智能Agent自身的。

　　圖2給出了自動(dòng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)控制模型的構(gòu)造。過(guò)程包括輸入表示、決策制定、決策執(zhí)行和動(dòng)態(tài)環(huán)境感知4個(gè)階段。每個(gè)階段所需完成的任務(wù)為：

　　輸入表示：對(duì)外部環(huán)境觀察和對(duì)智能Agent自身進(jìn)行觀察，得到關(guān)于外部環(huán)境和自身情況的相關(guān)數(shù)據(jù)。對(duì)于每個(gè)智能Agent的外部環(huán)境是指與其他智能 Agent進(jìn)行信息交流。可以采用時(shí)間邏輯樹(shù)的結(jié)構(gòu)記錄某個(gè)智能Agent同其他智能Agent進(jìn)行交流的過(guò)程。這種結(jié)構(gòu)非常適合于查詢統(tǒng)計(jì)。該 Agent通過(guò)對(duì)時(shí)間邏輯樹(shù)的查詢操作進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以選擇出同它進(jìn)行融合操作的最佳智能Agent。這個(gè)階段是智能Agent進(jìn)行融合和分解操作的準(zhǔn)備階段。決策制定：將輸入理想結(jié)構(gòu)的大致描述和當(dāng)前組織構(gòu)造進(jìn)行比較判斷，作出是否保持目前結(jié)構(gòu)者調(diào)整當(dāng)前組織結(jié)構(gòu)的決定。

　　決策執(zhí)行：具體執(zhí)行由決策制定階段產(chǎn)生的決策。如果決策制定階段作出改變當(dāng)前組織結(jié)構(gòu)的決定，那么執(zhí)行該決策。

　　動(dòng)態(tài)環(huán)境感知：決策執(zhí)行階段執(zhí)行決策之后，通過(guò)動(dòng)態(tài)環(huán)境感知將新形成的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成當(dāng)前組織結(jié)構(gòu)。

　　2微電網(wǎng)集成優(yōu)化控制技術(shù)

　　微電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的重要手段。依靠本地發(fā)電，當(dāng)主網(wǎng)故障出現(xiàn)后自動(dòng)同主網(wǎng)分離，獨(dú)立運(yùn)行，顯示了微電網(wǎng)在智能電網(wǎng)中提高可靠性的能力，同時(shí)，它還需要同主網(wǎng)進(jìn)行信息和電能的交互。傳統(tǒng)的能量管理系統(tǒng)（EMS）已經(jīng)不能滿足微電網(wǎng)管理的需要。

　　2.1基于電力電子技術(shù)的控制調(diào)節(jié)

　　現(xiàn)以逆變器技術(shù)為例討論基于電力電子技術(shù)的控制調(diào)節(jié)。微電網(wǎng)中的微電源，如風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)一般會(huì)通過(guò)逆變器并網(wǎng)，逆變器一般包括跟蹤控制器、輸出功率控制器，具備控制、保護(hù)和濾波功能，用于微電源和電網(wǎng)之間接口的靜態(tài)功率變換器［3］。

　　在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，根據(jù)不同需求可以采用不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變器，主要取決于技術(shù)上的邊界條件：（1）頻率50Hz的逆變器：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、質(zhì)量和體積大，最高效率為95%；（2）帶有高頻變壓器的逆變器：價(jià)格昂貴、體積小、質(zhì)量輕，最高效率為91%；（3）無(wú)變壓器的逆變器：質(zhì)量輕，電壓傳輸比可達(dá)1∶3，最高效率為91%；（4）諧振逆變器：控制復(fù)雜，最高效率為95%。

　　逆變器并網(wǎng)須滿足：輸出電壓與電網(wǎng)電壓同頻、同相、同幅值，輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻、同相（功率因數(shù)為1），電能質(zhì)量合格。由于電力電子器件和通信方面受許多因素制約，逆變器在微電網(wǎng)控制調(diào)節(jié)方面受到許多限制。

　　2.2基于Agent的即插即用技術(shù)

　　這里的即插即用控制技術(shù)既是指通過(guò)一定的控制手段滿足微電源或微電網(wǎng)相對(duì)于配電網(wǎng)的隨機(jī)接入和退出，使之既能滿足負(fù)荷需求，又能減少微電網(wǎng)和大電網(wǎng)影響。以往對(duì)即插即用控制的研究多基于電力電子技術(shù)，設(shè)計(jì)微電源的控制系統(tǒng)，局限性比較明顯，控制范圍僅限于單個(gè)元件，在微電網(wǎng)及多微電網(wǎng)波動(dòng)較小時(shí)，能夠跟蹤變化，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。但在微電網(wǎng)及多微電網(wǎng)波動(dòng)較大時(shí)，不能夠跟蹤變化，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)由于缺少通信，各元件只能各自為戰(zhàn)。采用Agent技術(shù)可以對(duì)微電網(wǎng)及多微電網(wǎng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。多微電網(wǎng)架構(gòu)與Agent分層控制如圖3所示。

　　通過(guò)構(gòu)建一個(gè)松耦合的應(yīng)用系統(tǒng)，模塊之間不但可以解耦，模塊間接口都有相應(yīng)的規(guī)范，由組件管理平臺(tái)對(duì)所有模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理（加載、卸載、啟動(dòng)、停止）。當(dāng)需要對(duì)某一模塊，如狀態(tài)估計(jì)模塊升級(jí)時(shí)，只需將新模塊放在某一目錄下，組件管理平臺(tái)會(huì)自動(dòng)加載該模塊，測(cè)試無(wú)誤后，終止原有模塊運(yùn)行；也就是說(shuō)，軟件升級(jí)過(guò)程中，整個(gè)系統(tǒng)可照常運(yùn)行，軟件升級(jí)簡(jiǎn)單方便，順應(yīng)電網(wǎng)快速發(fā)展的需求。基于多代理技術(shù)的控制還可以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與配電管理系統(tǒng)（DMS）之間的協(xié)調(diào)控制。目前的研究主要是對(duì)微電網(wǎng)中頻率、電壓等進(jìn)行控制。要求微電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，輸出電壓自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)電壓變化。多微電網(wǎng)控制中心與DMS關(guān)系如圖4所示。

　　基于多代理技術(shù)的微電網(wǎng)控制和優(yōu)化決策，主要分3層：第1層主要保證微電網(wǎng)可靠運(yùn)行，滿足供需平衡；第2層進(jìn)行電能質(zhì)量?jī)?yōu)化控制，減少頻率和電壓波動(dòng)；第 3層進(jìn)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化，即邊際成本優(yōu)化。目前的研究多集中在頻率和電壓控制方面?；诙啻砑夹g(shù)的微電網(wǎng)控制和優(yōu)化決策如圖5所示。

　　智能代理和多代理系統(tǒng)通過(guò)快速進(jìn)行信息處理，將使智能電網(wǎng)的集成優(yōu)化實(shí)時(shí)控制提高到新水平。具體的應(yīng)用可以通過(guò)基于Agent的動(dòng)態(tài)分解與協(xié)調(diào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)中各控制器的通信協(xié)調(diào)，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。未來(lái)對(duì)多代理的評(píng)估方法將越來(lái)越多，設(shè)計(jì)方法也會(huì)越來(lái)越標(biāo)準(zhǔn)化，全局控制功能將會(huì)越來(lái)越強(qiáng)，如果在智能電網(wǎng)集成優(yōu)化控制方面的優(yōu)點(diǎn)能夠被充分證明的話，進(jìn)一步擴(kuò)展多代理系統(tǒng)功能和展示智能電網(wǎng)的理念將會(huì)取得突破性進(jìn)展。