基于多智能體的高滲透率配電網(wǎng)分布式協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)建模與應(yīng)用

基于多智能體的高滲透率配電網(wǎng)分布式協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)建模與應(yīng)用

0分布式協(xié)調(diào)控制方法隨著可能源屋頂?shù)臐B透逐漸增加，電源的形狀和結(jié)構(gòu)發(fā)生了許多變化。主動(dòng)配電網(wǎng)內(nèi)源–荷–儲(chǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行主要可分為傳統(tǒng)的集中式優(yōu)化和分布式優(yōu)化。傳統(tǒng)集中式的優(yōu)化方法需構(gòu)建集中的配電網(wǎng)調(diào)度控制中心,這一集中中心與主動(dòng)配電網(wǎng)內(nèi)所有源、荷、儲(chǔ)均需建立起通信聯(lián)系以實(shí)現(xiàn)信息交換。傳統(tǒng)的集中調(diào)控中心難以適應(yīng)可再生能源高滲透率的配電網(wǎng)的運(yùn)行需求因此,為有效解決上述問題,采用分布式協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行主動(dòng)配電網(wǎng)的源–荷–儲(chǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行。分布式協(xié)調(diào)控制方法主要可以分為3類:集中–分區(qū)分布式、集中–單元分布式、完全分布式。集中–分區(qū)分布式協(xié)調(diào)方法基于交替方向乘子法(alternatingdirectionmethodofmultipliers,ADMM),通過每次迭代中臨近區(qū)域間的信息傳遞,實(shí)現(xiàn)各區(qū)域子優(yōu)化問題的并行計(jì)算與求解。文獻(xiàn)[6]借助ADMM實(shí)現(xiàn)了智能電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)分散式經(jīng)濟(jì)調(diào)度。文獻(xiàn)[7]則在計(jì)及分布式電源、儲(chǔ)能及柔性負(fù)荷的條件下,構(gòu)建了配電網(wǎng)的分區(qū)多目標(biāo)協(xié)調(diào)分布模型。而集中–單元分布式協(xié)調(diào)方法基于分解協(xié)調(diào)的思想,調(diào)度中心不直接控制源、荷、儲(chǔ)主體的發(fā)用電量,而是以電價(jià)為杠桿進(jìn)行對(duì)分布式源、荷、儲(chǔ)進(jìn)行電價(jià)激勵(lì)響應(yīng)。文獻(xiàn)[8]以分解協(xié)調(diào)為思想構(gòu)建了虛擬電廠模糊機(jī)會(huì)約束分布式協(xié)調(diào)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[9]則在計(jì)及風(fēng)險(xiǎn)的情況下提出了雙層配電網(wǎng)分布式協(xié)調(diào)實(shí)時(shí)調(diào)度算法。完全分布式協(xié)調(diào)方法則基于一致性理論本文為系列文章的第一篇,側(cè)重于分析比較主動(dòng)配電網(wǎng)的分布式控制方法,并在此基礎(chǔ)上充分挖掘主動(dòng)配電網(wǎng)的信息物理融合特性,將主動(dòng)配電網(wǎng)內(nèi)源、荷、儲(chǔ)建模為智能體,從而將主動(dòng)配電網(wǎng)建模為完全分布式協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。構(gòu)建主動(dòng)配電網(wǎng)源–荷–儲(chǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行模型,并根據(jù)一致性理論提取各源、荷、儲(chǔ)智能體的邊際成本和邊際效益為一致性變量。系列文章的第二篇?jiǎng)t將提出完全分布式一致性協(xié)調(diào)算法,以對(duì)本文所提模型進(jìn)行完全分布式求解,最終實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)的源–荷–儲(chǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化。1獨(dú)立配置網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)運(yùn)營控制模式本節(jié)將主要從信息互動(dòng)、優(yōu)化計(jì)算、協(xié)調(diào)控制等三方面對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)的集中控制方式和3種分布式控制方式進(jìn)行分析比較。1.1控制各級(jí)各源、荷、儲(chǔ)采用傳統(tǒng)的集中控制模式進(jìn)行源–荷–儲(chǔ)協(xié)調(diào)運(yùn)行需要配電網(wǎng)EMS實(shí)時(shí)采集各并網(wǎng)源、荷、儲(chǔ)的運(yùn)行狀態(tài)與成本(效益)信息,進(jìn)而借助一定的優(yōu)化工具和算法,將優(yōu)化調(diào)度指令下達(dá)給各源、荷、儲(chǔ)。其控制方式如圖1所示。信息互動(dòng)方面,各源、荷、儲(chǔ)只與中心EMS進(jìn)行信息交互,通信方式為“一對(duì)多”,各源、荷、儲(chǔ)無法與鄰近的節(jié)點(diǎn)取得聯(lián)系;配電網(wǎng)EMS需要采集各源、荷、儲(chǔ)的運(yùn)行信息和成本(收益)函數(shù)。優(yōu)化計(jì)算方面,優(yōu)化調(diào)度相關(guān)計(jì)算完全由配電網(wǎng)EMS完成,各源、荷、儲(chǔ)不參與優(yōu)化運(yùn)行計(jì)算。協(xié)調(diào)控制方面,配電網(wǎng)EMS掌握控制權(quán),根據(jù)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果直接向各源、荷、儲(chǔ)下達(dá)調(diào)度指令。1.2信息互動(dòng)及優(yōu)化集中–分區(qū)分布式協(xié)調(diào)模式借助ADMM以圖2為例,區(qū)域1在每次迭代中只需要區(qū)域2和配電網(wǎng)EMS提供的信息即可進(jìn)行自身區(qū)域的決策,而配電網(wǎng)EMS不再負(fù)責(zé)直接下達(dá)調(diào)度指令,而是將必須的計(jì)算信息提供給各區(qū)域。信息互動(dòng)方面,各區(qū)域不僅可與中心EMS進(jìn)行信息交互,還可與鄰近的區(qū)域通信;配電網(wǎng)EMS需要采集各區(qū)域的每輪迭代信息從而更新以便下一輪下達(dá),而無需關(guān)心各源、荷、儲(chǔ)的成本(收益)函數(shù)。通信網(wǎng)絡(luò)較集中控制式更為靈活。優(yōu)化計(jì)算方面,優(yōu)化調(diào)度相關(guān)計(jì)算由配電網(wǎng)EMS和各區(qū)域共同完成。迭代中,各區(qū)域進(jìn)行并行計(jì)算,計(jì)算較為高效。協(xié)調(diào)控制方面,配電網(wǎng)EMS不掌握控制權(quán),只提供迭代信息。調(diào)度方式由各區(qū)域根據(jù)迭代收斂結(jié)果決定。可見,這一模式下,信息互動(dòng)更強(qiáng),優(yōu)化計(jì)算實(shí)現(xiàn)了分解化和并行化,有助于提高計(jì)算效率。但仍需要一個(gè)集中中心進(jìn)行每輪迭代的信息匯總和更新下達(dá),無法從根本上解決集中控制中心不夠可靠等問題。1.3配電網(wǎng)em控制模式集中–單元分布式協(xié)調(diào)方法基于分解協(xié)調(diào)的思想。將主動(dòng)配電網(wǎng)構(gòu)建為雙層協(xié)調(diào)系統(tǒng),上層配電網(wǎng)EMS向下層各源、荷、儲(chǔ)下達(dá)電價(jià),下層源、荷、儲(chǔ)按照自身的成本(效益)函數(shù)或報(bào)價(jià)曲線對(duì)電價(jià)進(jìn)行響應(yīng),將響應(yīng)功率上報(bào)給上層配電網(wǎng)EMS。配電網(wǎng)EMS進(jìn)一步對(duì)各源、荷、儲(chǔ)響應(yīng)功率進(jìn)行功率平衡校驗(yàn),若校驗(yàn)通過則將此時(shí)的功率響應(yīng)情況擬為調(diào)度指令下達(dá),若校驗(yàn)不通過則對(duì)電價(jià)進(jìn)行調(diào)整以重新開始下一輪電價(jià)響應(yīng)直至功率平衡校驗(yàn)通過。這一控制模式如圖3所示。信息互動(dòng)方面,通信方式仍為“一對(duì)多”,但配電網(wǎng)EMS只需采集各源、荷、儲(chǔ)的功率響應(yīng)信息,而無需關(guān)心各源、荷、儲(chǔ)的成本(收益)函數(shù)。優(yōu)化計(jì)算方面,上層配網(wǎng)激勵(lì)層只提供功率平衡校驗(yàn)計(jì)算,下層功率響應(yīng)層進(jìn)行功率響應(yīng)計(jì)算。協(xié)調(diào)控制方面,配電網(wǎng)EMS掌握控制權(quán),根據(jù)下層響應(yīng)和校驗(yàn)結(jié)果向下層下達(dá)調(diào)度指令?？梢?這一模式下,信息互動(dòng)和優(yōu)化計(jì)算均實(shí)現(xiàn)了一定程度的分散分解,有助于提高計(jì)算效率,適應(yīng)主動(dòng)配電網(wǎng)的分散發(fā)展需求。但仍然需要一個(gè)控制中心進(jìn)行總體協(xié)調(diào),無法從根本上解決通信網(wǎng)絡(luò)無法靈活變化、集中控制中心不夠可靠等集中控制模型帶來的弊端。1.4解決了集中統(tǒng)一的挑戰(zhàn)完全分布式控制模式基于多智能體一致性理論。將主動(dòng)配電網(wǎng)建模為分布式多智能體系統(tǒng),在通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸一致性變量,結(jié)合一致性理論對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行完全分布式的本地計(jì)算決策。其協(xié)調(diào)控制框架如圖4所示。信息互動(dòng)方面,各智能體節(jié)點(diǎn)通過通信裝置和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,消除了傳統(tǒng)的集中“一對(duì)多”通信。通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本更低,通信方式便于滿足配電系統(tǒng)“即插即用”需求。各源、荷、儲(chǔ)無需關(guān)心其他源、荷、儲(chǔ)的成本(收益)函數(shù),無需集中控制中心掌握全局的成本報(bào)價(jià)等信息,有效避免集中配電網(wǎng)EMS遭遇攻擊引發(fā)的機(jī)密信息泄露。優(yōu)化計(jì)算方面,各智能體的功率由本智能體的一致性變量決定,只需與鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互即可計(jì)算自身的一致性變量。有效進(jìn)行分布式自決策,計(jì)算決策高效。協(xié)調(diào)控制方面,徹底消除了集中控制中心的絕對(duì)控制性,可避免集中控制中心失效而造成的系統(tǒng)決策混亂。因此,本文選擇基于一致性理論的完全分布式協(xié)調(diào)方案進(jìn)行主動(dòng)配電網(wǎng)的源–荷–儲(chǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行。2基于多智能的完全分布網(wǎng)絡(luò)2.1各智能體控制裝置和物理設(shè)備控制源–荷–儲(chǔ)分布式協(xié)調(diào)控制的主動(dòng)配電系統(tǒng)具有典型的信息物理融合屬性。該系統(tǒng)包含具有獨(dú)立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的遙測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)及物理網(wǎng)絡(luò)。遙測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)和物理網(wǎng)絡(luò)借助各智能體控制器實(shí)現(xiàn)融合,智能體控制器包含通信裝置、控制裝置以及物理設(shè)備三大部分。其中,通信裝置通過配電系統(tǒng)的遙測(cè)信道交換相鄰智能體節(jié)點(diǎn)的一致性變量信息?？紤]到遙測(cè)信道在系統(tǒng)通信中傳輸模擬變量,因此可借助遙測(cè)信道傳輸一致性變量信息;控制裝置進(jìn)行完全分布式一致性計(jì)算,并根據(jù)各智能體一致性變量和物理功率的關(guān)系式計(jì)算一致性變量和功率值;物理設(shè)備則負(fù)責(zé)檢測(cè)各節(jié)點(diǎn)物理裝置的功率情況并反饋給控制裝置,以及根據(jù)控制裝置發(fā)出的功率調(diào)節(jié)指令調(diào)節(jié)物理設(shè)備的功率。這樣的完全分布式信息物理融合主動(dòng)配電系統(tǒng)無需配電網(wǎng)集中控制中心,各智能體節(jié)點(diǎn)通過遙測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)直接交換一致性變量信息,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行,如圖5所示。2.2多智能體系統(tǒng)模型針對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)的特征,使得地理位置相近的分布式發(fā)電機(jī)組、主動(dòng)負(fù)荷和儲(chǔ)能單元構(gòu)成虛擬電廠,以實(shí)現(xiàn)與主動(dòng)配電網(wǎng)的互動(dòng)。在此基礎(chǔ)上,將主動(dòng)配電網(wǎng)建模為多智能體系統(tǒng)。為充分發(fā)揮多智能體的分散協(xié)調(diào)作用,針對(duì)源、荷、儲(chǔ)的不同特性,定義對(duì)應(yīng)的主要任務(wù)及一致性變量,如表1所示。2.3主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行主動(dòng)配電網(wǎng)不僅需實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)功率的實(shí)時(shí)平衡,還需與輸電網(wǎng)進(jìn)行功率交換和信息交流。為最大程度實(shí)現(xiàn)對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)內(nèi)分布式可再生能源的利用和消納,構(gòu)建基于多智能體系統(tǒng)的分層完全分布式協(xié)調(diào)控制模式,以主動(dòng)配電網(wǎng)內(nèi)實(shí)時(shí)功率平衡和資源最優(yōu)配置為目標(biāo)實(shí)現(xiàn)分層完全分布式協(xié)調(diào)。多智能體配電系統(tǒng)運(yùn)行與遙測(cè)通信方式如圖6所示。主動(dòng)配電網(wǎng)并網(wǎng)輸電網(wǎng)運(yùn)行時(shí),輸電網(wǎng)協(xié)調(diào)各配電網(wǎng)并向各配電網(wǎng)下達(dá)功率交換指令,具體可表現(xiàn)為負(fù)荷需求指令或功率偏差調(diào)整量指令。各配電網(wǎng)以功率交換指令形成邊界約束,按一致性分布式算法進(jìn)行源–荷–儲(chǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化。其中,功率交換指令最先下達(dá)至配電網(wǎng)中的接口智能體。接口智能體可通過控制裝置將這一指令納入分布式一致性控制計(jì)算,這一過程將在系列文章的算法部分展開詳細(xì)介紹。接口智能體納入功率交換指令后,其他智能體與接口智能體通過遙測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互,基于一致性算法調(diào)整各物理設(shè)備功率,實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)內(nèi)源–荷–儲(chǔ)協(xié)調(diào)。3基于完全分布的源-荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)運(yùn)營的建模3.1柔性負(fù)荷建模主動(dòng)配電網(wǎng)各智能體按照各自的運(yùn)行成本/效益確定各自獨(dú)立的目標(biāo),各主體分別追求各自利益的最大化。由于處于同一配電網(wǎng)內(nèi)的各智能體運(yùn)行需要受到總體功率平衡等約束限制,因此各智能體在追求各自利益最大化的同時(shí),也實(shí)現(xiàn)了配網(wǎng)各智能體效益最大化的總體目標(biāo)。其目標(biāo)函數(shù)可表示為:式中:下文具體闡釋各部分的成本與收益函數(shù):1)SSA收益函數(shù)。儲(chǔ)能單元SSA的運(yùn)行成本函數(shù)可由開口向上的過原點(diǎn)二次函數(shù)表示式中a2)FLA收益函數(shù)。主動(dòng)配電網(wǎng)內(nèi)包含大量的柔性負(fù)荷,具有一定的靈活調(diào)節(jié)能力。本文主要將柔性負(fù)荷分為溫控類柔性負(fù)荷和非溫控類柔性負(fù)荷進(jìn)行建模。(1)溫控類柔性負(fù)荷。溫控負(fù)荷參與協(xié)調(diào)運(yùn)行的效益與用戶的舒適度有關(guān)。因此,溫控負(fù)荷參與協(xié)調(diào)運(yùn)行的收益也和溫控負(fù)荷設(shè)定的溫度密切相關(guān)。擬定,設(shè)置溫度與用戶最適溫度保持相同時(shí),令溫控負(fù)荷智能體收益最大;設(shè)置溫度與用戶最適溫度的偏離程度越大,令溫控負(fù)荷智能體收益越小;設(shè)置溫度與戶外溫度保持一致時(shí),令溫控負(fù)荷智能體收益為0?；谌绱藬M定的收益原則,可用二次函數(shù)表示溫控負(fù)荷智能體收益式中:k(2)非溫控類柔性負(fù)荷。非溫控負(fù)荷的效益與溫度不相關(guān),不失一般性,非溫控類柔性負(fù)荷的收益函數(shù)可用二次函數(shù)表示為:式中:a居民用戶與工業(yè)用戶柔性負(fù)荷均可采用FLA模型進(jìn)行建模,但效益函數(shù)中的各次項(xiàng)系數(shù)不同。3)TPA成本函數(shù)。TPA的燃料成本可以用二次函數(shù)表示為:式中a4)EVA成本函數(shù)。電動(dòng)汽車的便捷性至關(guān)重要,而EVA參與協(xié)調(diào)運(yùn)行在一定程度上會(huì)影響用戶的使用便捷性與舒適性。EVA參與協(xié)調(diào)運(yùn)行的成本可用二次函數(shù)進(jìn)行擬合式中:k5)RPA棄風(fēng)棄光成本函數(shù)。由于本文主要從優(yōu)化運(yùn)行角度進(jìn)行建模,可以將主動(dòng)配電網(wǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組和光伏機(jī)組統(tǒng)一建模為RPA智能體。將RPA新能源機(jī)組功率分為固定消納部分和可調(diào)節(jié)部分,風(fēng)電光伏功率可調(diào)節(jié)部分可以進(jìn)行棄風(fēng)棄光處理,但為促進(jìn)可再生能源消納,棄風(fēng)棄光行為將會(huì)產(chǎn)生一定的懲罰,即RPA棄風(fēng)棄光成本。RPA棄風(fēng)棄光成本函數(shù)可表示:式中:k從式(8)中可以發(fā)現(xiàn),新能源可調(diào)節(jié)部分功率達(dá)到最大值時(shí),不發(fā)生棄風(fēng)棄光行為,棄風(fēng)棄光成本為0,新能源可調(diào)節(jié)部分功率越小,棄風(fēng)棄光成本越大。同時(shí)需要滿足以下約束條件:式中:L即為輸電網(wǎng)下達(dá)配電網(wǎng)的功率交換指令值,配電網(wǎng)送電輸電網(wǎng)時(shí),L>0,反之L<0;w3.2基于拉格朗日乘子法的一致性變量提取在多智能體系統(tǒng)框架下,將火電機(jī)組的ITPA、新能源機(jī)組的IRPA、柔性負(fù)荷的IFLA、電動(dòng)汽車的IEVA、儲(chǔ)能單元的ISSA作為多智能體一致性變量,以通過一致性計(jì)算求得完全分布式優(yōu)化問題的最優(yōu)解。本節(jié)給出一致性變量的提取及定義流程:應(yīng)用拉格朗日乘子法對(duì)分布式協(xié)調(diào)優(yōu)化模型進(jìn)行處理,令λ表示與式(9)中等式約束對(duì)應(yīng)的拉格朗日乘子,在不考慮式(9)中不等式范圍約束的條件下,原優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為:應(yīng)用KKT一階最優(yōu)性條件對(duì)決策量和拉格朗日乘子求偏導(dǎo),得到該等價(jià)的無約束優(yōu)化問題式(10)的最優(yōu)性條件:以上為分布式最優(yōu)性方程,據(jù)方程可得:在不考慮不等式約束的條件下,定義各智能體一致性變量ITPA、IRPA、IFLA、IEVA、ISSA為:至此,完成了對(duì)完全分布式系統(tǒng)的一致性變量提取及定義?？稍诖嘶A(chǔ)上采用分布式一致性協(xié)調(diào)算法對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行完全分布式求解。4非負(fù)保證cooldsoin-sc預(yù)應(yīng)力1)針對(duì)配電網(wǎng)從信息互動(dòng)、優(yōu)化計(jì)算、協(xié)調(diào)控制等三方面分析比較了3種分布式控制方案,其中基于多智能體一致性理論的完全分布式配電網(wǎng)控制建模方案可有效應(yīng)對(duì)可再生能源滲透率逐步提高所帶來的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠嘧?、通信信息量大、集中?jì)算困難等問題;2)針對(duì)完全分布式控制方案,提出了主動(dòng)配電網(wǎng)源–荷–儲(chǔ)優(yōu)化運(yùn)行模型,以促進(jìn)新能源消納與主動(dòng)負(fù)荷靈活調(diào)度,并完成了一致性變量的提取;3)首次引入“接口智能體”,將輸電網(wǎng)的功率交換指令靈活進(jìn)入主動(dòng)配電網(wǎng);4)后續(xù)研究中將考慮機(jī)組爬坡率約束、柔性負(fù)荷調(diào)節(jié)速率約束等主要的時(shí)間斷面耦合因素,并考慮網(wǎng)絡(luò)約束,重點(diǎn)研究多時(shí)段耦合中可能出現(xiàn)的新問題。5)系列文章的第二篇將提出引入“功率調(diào)整項(xiàng)”和“增益調(diào)整函數(shù)”的完全分布式一致性協(xié)調(diào)算法對(duì)本文所提優(yōu)化模型進(jìn)行求解,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化計(jì)算的完全分散化,本地化。Activedistributionnetwork(ADN)withhighpenetrationofrenewableenergywillbefacedwithseveraloperationproblems.Increasingnumberofdistributedgenerators,largecalculationamountofpowerdispatchcenters,andplug-and-playfeaturesofADNmakethecentralizedcontrolmodebaseddistributionnetworkoperationmuchmoredifficult.Asaresult,thedistributedcontrolmodesarebroughtabout.Withthehelpofsmartmetersandreliablecommunicationnetwork,thedistributedcontrolmodecouldhelpmanagealargescaleofdistributedgeneratorsandactiveloadsandimprovetheefficiency,scalabilityandrobustnessofADN.ToimprovelimitationsofcentralizedcontrolmodeofADN,center-zonedistributedcontrolmode,center-unitdistributedcontrolmodeandcompletelydistributedcontrolmodeareintroduced,andananalyticalcomparisonofthesethreemodesshowsthattheconsensusbasedcompletelydistributedoneisth