基于多代理系統的主動配電網電壓協調控制

岳超 朱旭 李鑫 祁秋民

摘? 要：通過建立三層分區電壓協調控制架構，分析多代理系統應用在主動配電網協調控制中產生的影響，提出有載調壓變壓器結合電容器組的調壓控制策略，運用仿真平臺搭建元件模型，結合算例進行仿真分析，證明所提出的電壓控制策略的可行性。

關鍵詞：主動配電網? 電壓協調控制? 多代理系統

中圖分類號：TM711? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）03（b）-0034-05

主動配電網的運行受到分布式電源間歇性、波動性的影響，帶來電壓、供電可靠性及繼電保護等問題，其中電壓問題尤為突出[1]。多代理技術的自治性、靈活性、學習性等特點契合了主動配電網電壓控制的需要，可以通過多代理系統構建一個集中式與分布式混合的電壓控制體系，以滿足主動配電網電壓協調控制的要求[2]。

該文運用多代理系統的思想，合理利用配電網調壓設備，以綜合系統電壓偏差小、配網運營商投資成本耗費低、動態響應速度快為控制目標，選擇有載調壓變壓器和電容器組的控制方法，構建基于多代理系統的電壓協調控制架構[3]。

1? 主動配電網與多代理系統

1.1 主動配電網的概念

主動配電網（Active Distribution Network，ADN）的定義為：可以對分布式電源、柔性負載和儲能裝置等系統中可控能源進行自發控制的配電網，也可通過靈活地改變網絡拓撲對配電網潮流進行管理[4]。

1.2 分布式電源接入對主動配電網電壓的影響

分布式電源的接入對主動配電網電壓的影響主要分為3個方面。

（1）分布式電源的連接位置：不考慮其他影響時，分布式電源接入點越接近線路末端，所起到的電壓支撐作用越強。

（2）分布式電源的出力大?。寒敆l件（1）及其他條件不變時，僅改變分布式電源的輸出時，電壓的支撐作用隨輸出功率的增加而增大;在分布式電源輸出功率單調變化時，網絡電壓出現先抬升后下降、逐漸下降、先下降后抬升再下降的情況。

（3）當分布式電源的出力超過主動配電網總負荷和網絡損耗之和時，此時潮流由分布式電源流向電源，分布式電源接入點電壓將超過電源點的電壓。

1.3 Agent與多代理系統

1.3.1 Agent技術

Agent是指對流程運行中的策略或控制目的進行描繪，進而產生的一個具有自主行為能力的實體，它根據數值計算或規則推理，能夠完成指定的行為目標，而且可以利用通信數據傳輸同其他Agent和流程中的其他對象進行信息交互，達到信息溝通與協調配合。Agent概念的核心是勾勒一種動態響應的實體，該實體能自主學習、自優化，并具有依照環境變化調節自身行為的能力。Agent具有智能化求解問題的特性，它的行為充分體現了智能體的智能特性。

1.3.2 多代理系統

多代理系統（Multi-Agent System，MAS）屬于分布式人工智能的范疇，它的作用是讓邏輯中和物理中分散的系統，通過同步與協調的方式產生問題的解[5]。多代理系統是由多個Agent完成彼此間的通信，通過協調或者協作的運行方式，達到所設目標的多Agent集合體。MAS中的多個Agent在所處的環境中，既根據對環境的反應，完成各自分擔的任務，又進行有效的溝通、協商和局部合作，作為一個整體實現目的。MAS通過分布式求解和整體配合的有序行為，提高了對于問題的求解能力，有效避免了單一代理知識不全面、信息利用不準確的局限性。

1.3.3 MAS在主動配電網的協調控制中的應用

MAS在主動配電網的協調控制的詳細流程如下。

（1）初始化每個運行環節Agent的控制條件和標準。

（2）初始化系統的網絡信息。

（3）初級Agent匹配主動配電網的設備，即通過接收初級Agent自身所需的配網運行狀態的信息，該信息的源頭均來自量測單元Agent。初級Agent控制主動配電網的可控元件以達到所需的控制目的。

（4）中級Agent接收到來自初級Agent的信息，經過運算和判斷，發送控制策略控制初級Agent的動作，并分析所在區域是否滿足控制要求，若不滿足要求，則向高級Agent提交區域的運行狀態。

（5）高級Agent接受到中級Agent的請求和運行情況，指揮可影響整個配電網的元件進行調節，控制所有中級Agent的行為，使整個主動配電網處于合理狀態。

（6）各個主動配電網（如：主動配電網A，B，C，…，N）的高級Agent將自身配網控制相關的狀態信息上報給上級電網控制中心，上級電網分析判斷后將其轉發給信息處理系統，信息經統一翻譯成Agent可讀取的格式后，由決策模塊進行接收。決策模塊生成各主動配電網的控制方案后，由各配網高級Agent接收此信息，高級Agent完成對配電網的控制后，由上級電網和高級Agent再傳給決策模塊，決策模塊再一次調整，構成一個閉環的控制。

（7）主動配電網在MAS的不斷協調控制的作用下，既可以保證自身的安全穩定運行，也對上級電網和周邊主動配電網提供有效的支持。

2? 基于MAS的主動配電網電壓控制方法

該文利用MAS的思想，將主動配電網電壓協調控制分成單元層、線路層、配網層3層架構。

（1）單元層。MAS架構中的第一層，控制著量測系統中的遠程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）和并聯電容器組。其中，前者稱作量測單元Agent，后者命名為電容器組單元Agent。單元層Agent負責收集MAS系統和控制目標相關的的底層量測信息，并就地控制所屬元件的動作行為。除了向上級Agent傳遞需要的信息外，還與同層的附近其他Agent進行信息交互。其中，電容器組單元根據上層線路Agent的調節指令，實時調節電容器組的投切容量。

（2）線路層。MAS架構中的第二層，按照主動配電網區域劃分的標準，每一個線路層級Agent對應一條配電網饋線。作為控制系統的中間級，線路層級Agent既要接受下級Agent傳來的電壓分布信息，同時控制著是否允許下級Agent的決策指令生效，即當判斷為區域電壓越限時，向單元層Agent發送調節指令;還要向上級Agent上報此時的區域電壓越限信息，在下級Agent無法完成電壓調節任務時，請求上級Agent的協助。

（3）配網層。屬于分層結構的第三層，也是最高層。該層設置配網Agent，負責接受各線路Agent傳來的電壓信息，從而掌握整個主動配電網的電壓情況。

當發生區域電壓越限，并且本地電容器組投切無法滿足調壓要求時，向下級Agent發送協調控制信號，并由配網Agent 控制變壓器進入調壓模式，調節主變壓器分接頭，保證全網電壓達到調壓要求，主動配電網運行在允許范圍內。

3? 電壓協調控制的仿真分析

3.1 仿真系統介紹

該文利用Matlab/Simulink平臺，搭建了含有分布式電源、有載調壓變壓器和并聯電容器組的IEEE33主動配電網仿真模型。有載調壓變壓器作為配電網主變壓器安裝在節點0與1之間，變壓器額定容量為10MVA，變比為35kV/12.66kV，分接頭安在一次繞組，分接頭各檔電壓標幺值為1±8×0.01875p.u.，設定延時Td為4s，調節固定機械延時Tm為1s;在節點1，5，17，21，24設置無功補償電容器組，安裝電容器組數分別為3，3，3，5，5（如圖1所示）。

由于輻射狀網絡結構饋線末端是本線電壓最低點，在饋線末端安裝合理容量的分布式電源更能發揮對主動配電網電壓的支撐作用;且在實際中一般都分散裝設，離電源點較遠。所以，該仿真選擇在一條饋線的末端17號節點處，設置額定容量為0.5MVA的分布式電源并網。

3.2 仿真試驗與結果分析

由于主動配電網電壓波動的來源可能是負荷的波動，或是分布式電源輸出的變化，該文考慮兩種比較極端情形下進行仿真求證，情形如下。

情形一，負荷的劇烈波動：10s時，14、15、16號節點的有功負荷增加0.5MW。

情形二，分布式電源輸出的變化伴隨有負荷的波動：50s時，輸出增加2.5MW，同時切掉14、15號節點的負荷。

3.2.1 系統初始電壓分布

系統初始態為滿負荷運行，所有無功補償電容器組全部切除，變壓器運行于非調壓模式，僅相當于一臺降壓變壓器。在17號節點處連接分布式電源前，與17號節點接入輸出為0.5MW，功率因數0.95，即發出無功功率0.164Mvar的分布式電源后，觀察到系統初始電壓分布分別如圖2和圖3所示。

可以觀察到，分布式電源的接入改變了配電網的電壓分布，在合適的位置接入容量合理的分布式電源會對配網電壓起到支撐作用，并能改善網絡的電壓分布。

3.2.2 防止負荷突然增加造成的電壓驟降

接入分布式電源后，系統進入情形一，系統電壓分布情況如圖4所示。

可以看出，在14、15、16號節點所接負荷突然增加時，它們附近處節點的電壓迅速降低至電壓最低限度以下。

在電壓越限后，測量單元Agent收集到遠程終端單元的電壓越限量測信息，迅速將其發送給向上級饋線2的線路Agent。線路Agent進行判別后，由其決策模塊選擇最佳的投入策略，并將其傳給電容器組單元Agent，電容器組單元Agent收到發來的信息后，控制電容器組的投入，動作結果見表1。

在部分電容器投入后，此時配網各節點電壓如圖5。通過量測單元Agent得到的電壓變化的結果，不難發現，在電容器組進行補償之后，系統電壓有了明顯的抬升，但由于增加的負荷比較大，電壓下降比較嚴重，只有部分節點的電壓恢復到允許偏差范圍內，仍有14、15、16號節點附近電壓并未在限度之內。

收到電壓越限信息后，電容器組單元Agent向上級饋線2線路Agent發送請求主變壓器分接頭調節電壓。饋線2線路Agent經過分析判斷，將此線路的電壓越限信息傳給配網Agent，配網Agent控制OLTC完成電壓協調控制。此時，OLTC置于調壓模式，記此時時刻為0時刻，此次電壓協調控制的結果見圖6。

在主變壓器抽頭動作后，該系統電壓有了整體提升，14、15、16號節點附近電壓也滿足了電壓質量的要求，配網電壓重新恢復了正常水平。配網Agent接收到更新的電壓信息，將有載調壓變壓器置于非調壓模式。

3.2.3 防止分布式電源輸出突然增加造成的電壓突升

50s時，分布式電源輸出突然變為2.5MW，功率因數依然為0.95，即發出無功功率0.822Mvar，且伴隨有14、15號節點負荷切除。此刻，該主動配電網進入情形二。采用下垂控制的分布式電源發出有功無功功率變化情況見圖7，初始時分布式電源輸出由0變化至0.5MW，50s時分布式電源輸出由0.5MW變化到2.5MW。

在情形一和情形二分布式電源輸出變化的過程中，下垂控制模塊輸出的參考電壓幅值的先有突變，后分別穩定在309V和315V（見圖8）。

而下垂控制模塊輸出參考頻率波動后最終穩定于50Hz上下（見圖9）。