一种基于多智能体的配电网孤岛融合控制系统及控制方法

1.本发明涉及电力系统领域，尤其涉及一种基于多智能体的配电网孤岛融合控制系统及控制方法。


背景技术：

2.随着电力系统的日益发展，多样分布式电源和以电动汽车为代表的新型分布式负荷越来越多地嵌入电网，使电网中可再生能源渗透率大幅增加，而且电源控制架构也在不断变化、负荷特性也日益多样。近年来配网侧智能电网数量激增，但由于新型电源的低惯性和不稳定性，在并离网转换时功率流向变得复杂、分布式电源和负荷波动更加难以预测、配电网继电保护灵敏度更易变化、保护装置会更频繁拒动或误动。基于此，拟针对孤岛最优融合方面，设计一种基于分布在配网母线上智能体间的通信的孤岛融合安全稳定控制方法，同时考虑融合后的电压频率稳定性。
3.含分布式电源的配电系统孤岛融合问题，是近年新兴的研究热点。有的研究了多孤岛的恢复策略，但较少涉及多类型分布式电源在恢复过程中造成的影响；有的在多孤岛恢复策略中，考虑了多种类型电源在恢复中的协同作用，但没有考虑恢复过程中多个孤岛之间的联系和最少开关次数等问题。以上研究中的策略执行也均基于手动执行，没有实现基于多智能体架构的自动执行。
4.因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于多智能体的配电网孤岛融合控制系统，该系统通过不同孤岛间智能体的自动交流，将孤岛融合指令下达相应开关，实现孤岛安全融合。


技术实现要素：

5.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何选取孤岛融合方案，保证网损、开关损耗最优化，恢复尽可能多的负荷，并保证融合后系统的稳定性。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种基于多智能体的配电网孤岛融合控制系统，包括中心智能体(central agent,ca)、馈线智能体(feeder agent,fa)和母线智能体(load bus agent,lba)；所述中心智能体分布于每个主动配电网变电站的变压器上，所述馈线智能体分布于每条馈线上，所述母线智能体分布于负载母线上；所述中心智能体与馈线智能体相互通信，所述馈线智能体与母线智能体相互通信，所述母线智能体之间相互通信。
7.进一步的，所述母线智能体用于监视和控制负载母线上的元件，收集负载母线上的信息并对各种情况做出反应。
8.进一步的，所述母线智能体用于控制本地总线两侧的常闭本地开关，必要时控制其断开以隔离该母线。
9.进一步的，所述母线智能体用于控制总线上可用的联络线开关和补偿电容器组的开关以补偿功率缺额。
10.进一步的，所述馈线智能体用于管理馈线的电压监控和拥塞监测等工作，必要时
能够闭合或断开联络线开关来进行孤岛划分或融合。
11.进一步的，所述中心智能体用于接受和发送信号、控制变压器分接、优化智能配电网。
12.一种前述的基于多智能体的配电网孤岛融合控制系统的控制方法，包括步骤：
13.步骤1：母线智能体计算联络线两端节点电压及两端孤岛运行频率并上传至中心智能体；
14.步骤2：中心智能体对电压值以及运行频率进行比较，分析是否满足孤岛融合条件；
15.步骤3：中心智能体采用约束条件式(3)-(5)对未恢复负荷进行选择性恢复模拟；
16.步骤4：中心智能体计算接入负荷数量以及新增可融合的孤岛数量；
17.步骤5：中心智能体明确可接入的联络线，以及孤岛可以融合的形式；
18.步骤6：中心智能体以静态稳定约束指标值选取孤岛融合形式；
19.步骤7：中心智能体下发指令，进行孤岛融合，并继续恢复剩余未恢复负荷。
20.进一步的，孤岛融合的目标是恢复尽可能多的重要负荷，以负荷权重反映负荷的重要等级，则目标函数为
[0021][0022]
式中：j为集合hi中的负荷；hi为第i个孤岛集合；λj为负荷j的权重；n为孤岛的个数；pj为负荷j的有功功率的大小。
[0023]
约束有如下：
[0024]
所述约束条件式(1)为功率约束式
[0025]
每个孤岛内的负荷功率以及网损之和不能超过分布式电源(dg)最大功率，这样既能充分发挥dg最大出力，又能恢复尽可能多的重要负荷，即
[0026][0027]
式中：p
dg,i,k
为第i个dg的容量；n为dg的总个数；l为孤岛内的负荷总个数；p
loss,k
为该孤岛内网络损耗。
[0028]
所述约束条件式(2)为节点电压和频率约束式中
[0029]vi,min
≤vi≤v
i,max
[0030]fi,min
≤fi≤f
i,max
[0031]
|v
i-vj|≤α
△v[0032]
|f
k-fn|≤
△
f k≠n,n∈k
[0033]
式中：vi为节点i的电压，fi为节点i的频率；v
i,max
和f
i,max
为节点i电压和频率最大值；v
i,min
和f
i,min
为节点i电压和频率最小值；e是联络线集合，k为孤岛集合；vi表示节点i电压均方根值；a表示电压系数，取值为2；
△
v和
△
f分别表示联络线两端负荷的允许电压偏差以及孤岛的允许频率偏差。由于在12.66kv的基准电压下，
△
v为标幺值，取值0.001，
△
f取值0.5hz。
[0034]
进一步的，所述约束条件式(3)为支路功率不过载约束式，具体表述如下
[0035]sij
≤s
ij,max
[0036]
式中：s
ij
为节点i、j之间支路流过的功率；s
ij,max
为节点i、j之间支路的最大容许功率。进一步的，所述约束条件式(4)为静态稳定约束式，具体表述如下
[0037]ks
≥c
[0038]ks
应不小于一定数值c，是因为希望孤岛带负荷在一段时间内运行，所以需要考虑孤岛具有一定的静态稳定调节裕度，以维持孤岛内电压频率的稳定，其具体表示为：
[0039][0040]ei,k
和p
i,k
分别表示孤岛k内节点i上的储能装置剩余放电容量和放电功率，g和c分别为分布式同步发电机和储能装置的集合，l为节点集合。
[0041]
进一步的，所述约束条件式(5)为储能约束约束式，具体表述如下
[0042][0043]
其中和分别表示孤岛k内储能装置最大容量、最小容量、最大放电功率和最小放电功率。
[0044]
本发明考虑了目前电-储-充供电模式的配网环境，使用混合整数非线性模型，以配网系统中失电负荷最小化为目标，兼顾安全容量约束、电压频率稳定约束和储能利用；并设计了一套能够自动执行孤岛融合操作的多智能体系统，实现了配网孤岛融合的高效化、自动化和智能化。
[0045]
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
[0046]
图1是本发明实施例1的系统示意图；
[0047]
图2是本发明实施例2的孤岛融合展示图；
[0048]
图3是本发明实施例2的不同孤岛融合策略下dg2处电压有效值示意图；
[0049]
图4是本发明实施例2的不同孤岛融合策略下失电区域电压有效值示意图；
[0050]
图5是本发明实施例2的不同孤岛融合策略下孤岛4所在馈线电压有效值示意图；
[0051]
图6是本发明实施例2孤岛融合控制中智能体交流过程示意图。
具体实施方式
[0052]
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
[0053]
实施例1
[0054]
一种基于多智能体的配电网孤岛融合控制系统，如图1所示，包括中心智能体(central agent,ca)、馈线智能体(feeder agent,fa)和母线智能体(load bus agent,
lba)；所述中心智能体分布于每个主动配电网变电站的变压器上，所述馈线智能体分布于每条馈线上，所述母线智能体分布于负载母线上；所述中心智能体与馈线智能体相互通信，所述馈线智能体与母线智能体相互通信，所述母线智能体之间相互通信。
[0055]
所述母线智能体用于监视和控制负载母线上的元件，收集负载母线上的信息并对各种情况做出反应。
[0056]
所述母线智能体用于控制本地总线两侧的常闭本地开关，必要时控制其断开以隔离该母线。
[0057]
所述母线智能体用于控制总线上可用的联络线开关和补偿电容器组的开关以补偿功率缺额。
[0058]
所述馈线智能体用于管理馈线的电压监控和拥塞监测等工作，必要时能够闭合或断开联络线开关来进行孤岛划分或融合。
[0059]
所述中心智能体用于接受和发送信号、控制变压器分接、优化智能配电网。
[0060]
所述中心智能体(central agent,ca)、馈线智能体(feeder agent,fa)和母线智能体(load bus agent,lba)之间的通信如图6所示，具体如下：
[0061]
(1)初始化网络拓扑图，所有智能体都知晓自己的id和系统邻接矩阵。
[0062]
(2)故障后，ca根据预先划分好的孤岛，进行孤岛融合决策后，并下发孤岛融合决策指令；
[0063]
(3)下发的指令被所有馈线智能体fa所接收
[0064]
(4)若某馈线不存在失电母线，则判断相邻馈线是否存在失电馈线：若有，则评估馈线是否能够提供足够的发电容量，并以广播形式向所有其他fa发出accept(容量足够)或refuse(容量不足)；若无，停止判断。若馈线上存在失电母线，则等待孤岛融合操作。
[0065]
(5)存在失电母线的馈线根据ca的融合指令和发出accept的馈线id，将相关控制信号下发给lba，以进行联络线开断操作。
[0066]
(6)ra判断是否恢复供电至正常水平：若无，则选择次优融合方案，返回(2)；若已恢复，更新整个系统的邻接矩阵并向整个系统的智能体广播。
[0067]
一种前述的基于多智能体的配电网孤岛融合控制系统的控制方法，包括步骤：
[0068]
步骤1：母线智能体计算联络线两端节点电压及两端孤岛运行频率并上传至中心智能体；
[0069]
步骤2：中心智能体对电压值以及运行频率进行比较，分析是否满足孤岛融合条件；
[0070]
步骤3：中心智能体采用约束条件式(3)-(5)对未恢复负荷进行选择性恢复模拟；
[0071]
步骤4：中心智能体计算接入负荷数量以及新增可融合的孤岛数量；
[0072]
步骤5：中心智能体明确可接入的联络线，以及孤岛可以融合的形式；
[0073]
步骤6：中心智能体以静态稳定约束指标值选取孤岛融合形式；
[0074]
步骤7：中心智能体下发指令，进行孤岛融合，并继续恢复剩余未恢复负荷。
[0075]
孤岛融合的目标是恢复尽可能多的重要负荷，以负荷权重反映负荷的重要等级，则目标函数为
[0076][0077]
式中：j为集合hi中的负荷；hi为第i个孤岛集合；λj为负荷j的权重；n为孤岛的个数；pj为负荷j的有功功率的大小。
[0078]
约束有如下：
[0079]
所述约束条件式(1)为功率约束式
[0080]
每个孤岛内的负荷功率以及网损之和不能超过分布式电源(dg)最大功率，这样既能充分发挥dg最大出力，又能恢复尽可能多的重要负荷，即
[0081][0082]
式中：p
dg
,i,k为第i个dg的容量；n为dg的总个数；l为孤岛内的负荷总个数；p
loss,k
为该孤岛内网络损耗。
[0083]
所述约束条件式(2)为节点电压和频率约束式中
[0084]vi,min
≤vi≤v
i,max
[0085]fi,min
≤fi≤f
i,max
[0086]
|v
i-vj|≤α
△v[0087]
|f
k-fn|≤
△
f k≠n,n∈k
[0088]
式中：vi为节点i的电压，fi为节点i的频率；v
i,max
和f
i,max
为节点i电压和频率最大值；v
i,min
和f
i,max
为节点i电压和频率最小值；e是联络线集合，k为孤岛集合；vi表示节点i电压均方根值；a表示电压系数，取值为2；
△
v和
△
f分别表示联络线两端负荷的允许电压偏差以及孤岛的允许频率偏差。由于在12.66kv的基准电压下，
△
v为标幺值，取值0.001，
△
f取值0.5hz。
[0089]
所述约束条件式(3)为支路功率不过载约束式，具体表述如下
[0090]sij
≤s
ij,max
[0091]
式中：sij为节点i、j之间支路流过的功率；sij,max为节点i、j之间支路的最大容许功率。
[0092]
所述约束条件式(4)为静态稳定约束式，具体表述如下
[0093]ks
≥c
[0094]ks
应不小于一定数值c，是因为希望孤岛带负荷在一段时间内运行，所以需要考虑孤岛具有一定的静态稳定调节裕度，以维持孤岛内电压频率的稳定，其具体表示为：
[0095][0096]ei,k
和p
i,k
分别表示孤岛k内节点i上的储能装置剩余放电容量和放电功率，g和c分别为分布式同步发电机和储能装置的集合，l为节点集合。
[0097]
进一步的，所述约束条件式(5)为储能约束约束式，具体表述如下
[0098][0099]
其中和分别表示孤岛k内储能装置最大容量、最小容量、最大放电功率和最小放电功率。
[0100]
本发明考虑了目前电-储-充供电模式的配网环境，使用混合整数非线性模型，以配网系统中失电负荷最小化为目标，兼顾安全容量约束、电压频率稳定约束和储能利用；并设计了一套能够自动执行孤岛融合操作的多智能体系统，实现了配网孤岛融合的高效化、自动化和智能化。
[0101]
实施例2
[0102]
以ieee-33节点配电系统为例进行算例分析，对标准ieee-33节点配电系统进行适当的修改，加入储能装置和分布式同步发电机，分析孤岛融合在故障配电系统恢复过程中的优势，如图2所示。算例中分布式同步发电机分为两大类，其中dg1、dg2和dg4为燃气轮机，dg3为柴油发电机，dg1位于孤岛1内，dg2位于孤岛2内，dg3位于孤岛3内，dg4位于孤岛4内，储能装置为蓄电池。在该改进ieee33节点配电系统故障场景中，设置6条线路故障无法短时修复，视为断线，分别是(主网,1)，(4,5)，(9,10)，(11,12)，(20,21)，(26,27)，这几处故障将整个系统分成了5个孤岛。联络线皆处于断开状态。dg和储能的容量如表1所示。
[0103]
表1储能和dg输出功率数据
[0104][0105]
通过计算，孤岛融合的结果如图中黑色虚线所示，联络线(8,21)，(25,29)，(9,15)，(18,33)闭合，将孤岛2、3、4融合在一起。孤岛融合后负荷供电时长如表2所示。除去负荷10和负荷11因故障无法恢复，负荷恢复率可达到94％，且在该负荷恢复率下正常供电100分钟。由于分布式电源容量有限，当dg1和dg3退出供电序列后，dg2、dg3、es1和es2协同运行，承担孤岛融合区域内的负荷供电职责，还能维持约60％的负荷正常运行。其中孤岛融合区域内负荷恢能够继续延伸50分钟，直到es2容量不足后，剩余电源无法维持融合区域内负荷的正常供电，全部负荷失电。在该恢复策略中，发电资源利用率高达93％。
[0106]
表2孤岛融合后各阶段孤岛内负荷供电时长
[0107][0108]
使用电压仿真波形来验证所提出孤岛融合方案的有效性。设t1为联络线(8,21)，(25,29)，(9,15)，(18,33)的集合，t2为联络线(12,22)。假设故障出现时间在1s处，经0.05s隔离开关动作；故障发生后，必然导致所有孤岛所在馈线的电压降低，t1闭合后，此时ca处
变电站、故障失电区域(即10和11母线)和fa5所在馈线随时间变化的电压曲线将分别如图3、图4、图5所示。图例中，t1和t2的含义表示相应联络线的闭合，no action为故障发生时t1和t2均无动作时的电压曲线，可作为参考图线。设电压额定值11kv。
[0109]
从图中可以看到，在故障恢复过程中，t2的闭合会导致系统的不稳定，进而导致剧烈的震荡，同时还消耗了一次联络线开关的闭合次数。如果没有大型电力设备进行无功补偿，经典继电保护动作将破坏整个系统。所以证明了所提出的孤岛融合的科学性。
[0110]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。