利用多智能体系统的微电网智能控制系统外文翻译资料

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利用多智能体系统的微电网智能控制系统

Thillainathan Logenthiran，成员，IEEE高级会员，IEEE，Ramasamy Thaiyal Naayagi，Wai Lok Woo，高级会员，IEEE高级会员，IEEE，Van Tung Phan，Khalid Abidi

摘要：本文介绍了在电网连接和孤岛模式下采用多智能体系统（MAS）的微电网智能控制技术。这种智能控制由三个层次组成。第一级是基于当地的下垂控制，第二级补偿供给和需求之间最佳的功率平衡，第三级是基于电力市场的系统级别。智能物理代理标准的建立和实现是基于智能物理代理标准的基础之上的，它将微网格中的每个主要独立组件作为智能软件代理。代理相互之间进行交互，以在本地和最优的情况下做出自己的决策。通过确定优化微电网整体运行的设置点，各代理之间的协调确保了微电网的电力质量、电压和频率。对控制架构和策略的提议详细分析了微型电网的实时控制,并测试在各种负载条件下和不同的网络配置。研究结果表明，所提出的控制和策略的可行性，以及微电网运行MAS技术的能力。

关键词：并网运行、信息和通信技术驱动架构、智能控制、孤岛式微电网运行、多重代理系统(MAS)。

一、引言

ICROGRIDS与分布式能源都是低压配电系统，如光伏（PV）系统、燃料电池、和微型燃气轮机（FCS）连同存储设备，如飞轮、电容器和电池能量，和可控负载，通过网络操作提供良好的控制能力。基于操作条件和微电网的现状和主要电网[ 2 ]，微电网能够互联主电网或者孤岛式主电网 [ 1 ]。微电网的控制和管理问题，如能源管理功能，系统的稳定性，电压质量，有功和无功功率流量控制，孤岛检测，网络同步性，和系统恢复。目前，微电网控制和能量管理由于其分布式的特性和必要性在研究中越来越重要。

现代主动网络操作的超前控制能力[ 3 ]。

近年来，对多智能体系统（MAS）技术[ 4 ] 在处理复杂和分布式的电力工程问题方面的关注不断增长。MAS技术正在研究在电力工程中的各种应用，包括系统恢复[ 5 ] [ 6 ]，干扰诊断[ 7 ] [ 8 ]，和二次电压控制[ 9 ]。最近，基于代理的技术已被部署到管理配电系统[ 10 ] - [ 14 ]。麦克阿瑟等人[ 15 ][ 16 ]，对于MAS在电力工程应用方面的概念，方法，技术问题和潜在价值提供了一种洞察。此外，还介绍了用于电力工程实施的标准、工具、支持技术和设计方法。在[ 17 ]中深入研究了自治系统在电力系统控制与运行中的理论。Dimeas和hatziargyriou [ 18 ]–[ 20 ]描述了基于代理的微电网控制技术和展示了当地智能代理人如何可以提供最佳、有效的控制解决方案。他们的研究主要集中在基于微电网实时运行的市场化实施。此外，在[ 21 ]和[ 26 ]中，MAS在电力工程中的应用也被高度重视。这些研究成果表明了该分布式计算智能技术在未来电力系统运行中的潜力。

在本文中，一种微电网控制和管理的智能MAS架构被提议出。logenthiran等人[ 27 ]通过实时数字模拟器，提出了一种MAS实时操作的微电网，但它主要集中在实时电源管理上。摘要从电力电子的角度对微电网的实时控制进行了讨论，并详细讨论了实现问题。智能控制的概念通常用于确保稳定的实时操作。在测试系统中，发电机和FCs能够根据需要产生可控的有功功率。因此，它们在孤岛运行期间被用来调节电压和频率。相比之下,光伏系统不是一个可分派的来源,因为其输出功率主要取决于气候条件。因此，在微电网的运行模式中，它的最优使用是作为辅助源。此外，在微电网中一种功率分享式理论被发展为分布式发电。

为了有效地控制微电网中的分布式资源，通过MAS技术促进了分布式和协作控制架构。通过将微电网中的每个主要组件作为自主智能代理来开发控制策略，该代理能够与其他代理进行通信，从而做出自己的决策。MAS在JAVA代理开发体系中已被实现（JADE）[ 28 ]，这是一个开源的智能物理代理基金会（FIPA）[ 29 ]可支持多重平台。微电网是用MATLAB建模的。这就实现了MAS与微电网之间的实时通信交互。

其余的论文结构如下。第二部分解释了微电网配置和它的主要组件。第三节提出了一种ICT功能的控制体系结构。第四节介绍了MAS的实施情况。第五章描述了分布式控制策略的实现。第六节演示了所提出的控制混合微电网运行的有效性。最后，在第七章给出了结论。

二.微电网的配置

本文认为，混合微电网，适用于整合可再生能源和分布式能源资源，并包括了一种能量存储系统。微电网有多个分布式能源，各资源有各自的特点。他们由不同的微控制器控制（MCS）/代理。如果有不同类型的能源资源具有不同的特点，其中大部分需要一定程度的独立决策，那么资源的多代理建模是最合适的方法。有多个相互作用的代理可以通过提供基于需求的并行计算的方法来加速系统的运行。如果控制和责任在不同主体之间有效共享，系统可以容错一个或多个代理。在MAS中添加代理是比较容易的。因此，并行性，坚固性，和可扩展性是MASs的重要特点。

A.微电源

微电网由多个分布式能源资源组成，如光伏系统，FC和DGS。他们通过合适的电力电子接口连接。光伏系统产生的功率来自随时间变化的太阳辐射。FC在稳态条件下工作。光伏系统和燃料电池[ 30 ]的可用模型都是使用的微电网建模。所有这些分布式能源资源都有自己的MCS。为了构建测试用例，光伏系统采用了实际的日晒和温度数据。DGs参与了由一个二级控制运行的电力市场。在这个案例研究中，三个分布式发电机通过柴油、生物柴油和天然气以运行。他们的功率输出是根据他们的燃料成本来控制的。

B.复合储能系统

在微电网中能量存储是非常重要的可再生能源，原因在于可再生能源的间歇性和负载侧需求的连续变化性质[31]。复合储能系统（CESS）由高能量密度的存储部件组成，如满足间歇性可再生能源需求的电池，如光伏发电系统和高功率密度的存储元件，像超级电容一样可满足负荷快速波动的要求。在本文中，电池和基于复合储能系统的超级电容被用于平缓可再生能源发电的功率波动，从而提高了微电网的可靠性和有效性。微电网的直流母线电压被复合储能系统所固定和控制。实时复合储能系统模型被用于对微电网进行建模。

复合储能系统的功率接合通过双有源桥（DAB）转换器实现。任意数量的并行双有源桥分支可以用来满足复合储能系统的要求。功率转移是通过在高频变压器的初级和次级侧电压的相移来实现的。DAB和它的模型的详细工作原理是在[ 32 ]和[ 33 ]中。

C.电力电子接口

电力电子接口对于将任何类型的分布式能源资源连接到微电网是至关重要的。随着固态封装的发展和电路拓扑结构的进步，电力电子器件可以将任何形式的电能转换成更理想和可用的形式。电力电子的一个重要优点是它的响应速度非常快。电力电子接口可以在一个子周期范围内响应电力质量问题。为了最大限度地提高光伏发电的输出功率，光伏系统被连接一个最大功率点跟踪（MPPT）系统，具有直流/直流转换器的一个简单的控制方案以应对众多状况。由于燃料电池的低输出电压，燃料电池的直流/直流转换器将电压升高到800 V直流母线电压。双向直流-直流转换器接口需要转运到直流总线以控制直流总线电压和功率流。双有源桥转换器是一种很有前途的双向动力分配装置，这是通过一次侧的相移和二次侧的桥电压所获知。能源存储和负载之间的隔离是由高频变压器实现的[32],[33]。高频变压器的特殊性在于输出功率为70 kVA，输入电压为220 V，输出电压800 V，工作频率为20kHz。交错电流全桥变换器和双有源桥变换器被选用于燃料电池和复合储能系统中。功率变换器构建块（PCBB）被保存在系统中以方便诸如直流/交流母线逆变器，有功滤波器，并网逆变器等功能。电源转换器以典型配电模型为蓝本的描述在[ 34 ]和[ 35 ]中。

三.提出控制结构

智能电网，一种未来的电力系统，寻找完全分散的控制体系结构，但它不能实现集中到分散控制架构的突然转变。这应该慢慢改变。目前，研究人员为不同类型的电力系统提出了一些新的模块化分散控制架构，并进行案例研究来验证它们。

各种控制和管理体系结构已在文献中被提出用于微电网控制。在本文中，为微电网控制提出了三层控制架构。提出的控制概念是根据整个系统的性能和要求。虽然本文主要讨论了微网格的实时控制，但它也呈现了从底层到顶层的所有控制级别。

A.一级控制

底层控制为微电网元件采用本地控制器（LCS）。它们有能力迅速作出反应。本地控制器控制资源，无需任何通信。控制器的响应以本地测量和系统动态学为依据，以确保电源和负载之间的平衡。在发生频率偏差时，这些控制器维护瞬时功率平衡。一级控制设计使用到一个调速控制系统，在有事故发生时控制发电机的频率或速度的变化。调速器控制系统根据要求调节发电机输出，通过特殊情况设置下垂值以参与这个控制中。作为调速器的一部分，一个下垂回路，使系统负载在多个发电机之间共享。该系统需要下一级的控制（即，第二级控制），以补偿一些功率失谐。此主响应的时间帧为秒。

B.二级控制

二级控制用于补偿电力供应和负荷之间的功率不平衡。当微电网发生频率偏差时，二级控制也负责控制操作。它计算了将系统引入参考频率所需的电力量，并在资源中最优地共享电能。这种控制策略是基于实时测量的，并且控制过程将所有的资源都考虑在内。新一代的设置点是通过将计算的功率修正添加到初始分配的功率来产生的。在本文中，这些是由相应的个体代理进行的。微电源的功率环境最初是特殊的，来自于第三级控制。二级控制也具备微电网和主电网同步的功能，以促进孤岛与并网运行模式之间的过渡。这种控制操作比一级控制慢。它提供的响应时间间隔为5分钟。

C.三级控制

第三级控制是在控制架构的顶部，并实现了一个短期调度（即提前一天计划），其基本功能包括发电调度，需求侧管理，市场参与，负荷预测，能源批发价格预测，可再生能源预测[ 36 ]。此控制执行30分钟间隔内的供应-需求匹配，反映30分钟间隔内批发市场价格变化。基于微电网应用的规则和策略，多主体系统中第三级控制中相应的代理有不同类型的发电调度算法和策略。为了实现微电网的运行，第二级和第三级的控制系统相互协调。该控制方案基本上最大限度地提高当地分布式发电的电力生产输出，并优化微电网和主电网之间的电源交换。

四、多智能体系统的实现

在本文中，微电网考虑由多个自治的决策实体组成，如PV代理，FC代理，CESS代理, PCBB代理,DG代理,负载代理,和CB代理（即断路器）。多主体代理中的每个代理代表微电网中一个主要的自主成分。代理可以监视和控制相应的组件，以及它们可以与其他代理通信。被提议的多主体代理中没有中央控制管理。每个源或负载都在本地进行决策。这可能会为微电网创建分布式的、可伸缩的和健壮的控制方式。

多主体代理是在JAVA代理开发体系中实现的，它是一个开源的多代理开发框架，完全用java语言实现。它简化了通过一个中间部件来完成代理系统的实现,符合IEEE FIPA规范和标准。它支持异步代理编程模型，无论是在同一个或不同的平台，皆可实现代理之间的通信，具备流动性，安全性和许多拥有巨大资源和库的设备。代理商之间的沟通也在相同或不同的平台上,流动性,安全性,许多设施以其巨大的资源和图书馆。它支持异步代理编程模型，无论是在同一个或不同的平台，流动性，安全性和许多设施，其巨大的资源和库代理之间的通信。

JAVA代理开发体系提供了一个目录协调器（DF）服务，它类似于黄页。目录协调器允许代理登记服务，查询目录协调器找出哪些服务是由其他代理商提供，或提供一定服务的代理。JAVA代理开发体系提供了本体论的支持，还提供开发用户定义本体的工具。这意味着用户可以在代理之间交换的消息中定义自己的词汇和语义内容。要实现一个MAS控制框架,必须根据他们的特点和目标定义每个代理的功能。在下一节IV-A中，我们将讨论每个代理的目标和职责。

A.代理规范

在这一步中,定义了MAS的代理规范。

1）电源代理：它负责监测、控制、和谈判由相应的微源及其产生的电源开/关状态。

2）负载代理：能够监测、控制和协商可控负载的功率等级及连接状态。即便是有效功率脱落亦可胜任，尤其是微电网处在孤岛模式中的时候。MAS将负载代理分为临界荷载代理和非临界荷载代理。

3)CESS代理: 根据当地测量信息，当显示SOC水平低时，它会监视SOC水平和微源代理及电网代理的需求。CESS的局部控制决定了在每一时刻需要多少能量来储存或供应。

4）PCC代理：监测电网电压、相位角和频率，并负责向其他代理商通报微电网状态的变化。

5)PCBB代理: 它可以监控微电网的电压，电流和功率水平。系统网络代理向PCBB代理提供电流和电压的参考集点，以决定从主电网增减供电量与否。

6)系统网络代理:当微电网处在并网模式中时，它负责监控和协调来自微电源和出口或进口的电力。这些电力，都是通过第三级控制来实施的市场操作。

7)CB代理:它在微电网中与相应的断路器相互作用，也可以作为一个开关单独作用。在控制命令的基础上，电路断路器代理可以对发电机或负载进行连接或断开操作。

8)总线代理:监控电压大小和相角,保持电压不超过其限定值。所提出的体系结构具有独立的直流和交流总线代理。

9)MG代理:是微电网模式在MAS中的代表。

此外，MAS有一个分布式数据库。它需要保持代理之间共享的消息和数据，并维持每个代理的路线。它也可以为代理充当数据访问点。

B.代理人角色和责任

本节提供了基于提出的控制架构的每个代理的定义的功能和角色。 代理的功能由一组行为定义。 代理可以执行几种行为。 因此，每个代理人都有自主性来执行其面向目标的行为。

这说明了代理之间的相互作用及其与环境的相互作用。 表I给出

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