基于多Agent的微电网电压无功控制系统

薛 伟，许 培

(江南大学物联网工程学院，江苏无锡214122)

0 引言

在能源供应和环境保护等多方面的压力下，微电网获得了越来越多的重视和应用。由于微电网其分布式特性、海量的控制数据和灵活多变的控制方式使得传统统一调度、集中控制方式难以有效的解决这些问题，因此，以分布式控制为基础的多Agent系统(MAS)得到了广泛重视和研究。但目前多Agent技术在微电网中的应用多集中于协调市场交易和对能量进行管理等方面，对微电网频率、电压等的控制还有待更深入的研究。

文献［1］总结了分布式电源影响配电网电压控制的几点因素，分析了微电网电压控制中的一些问题。文献［2］首次将Agent技术应用于电力系统电压无功控制，但该文并没有给出详细的实现策略。本文在参考一些电压无功控制相关研究的基础上，提出了基于多Agent的微电网三级分布式电压无功控制系统，并重点探讨了系统二级电压控制，建立了电压控制的数学模型，并提出了多Agent电压无功的控制策略，最后在IEEE—39系统上的仿真说明了本文所提方案的可行性和有效性。

1 分级电压无功控制思想

无功功率和有功功率一样，任何瞬间电网中的无功功率总应是动态平衡的，有功功率对应系统的频率，可以全网调度，而无功功率对应于电压，无法全网调度。当无功平衡被破坏时，将引起电压的偏移。因此，任何时候要达到无功平衡，这就要求有足够的电压无功控制能力。电压无功控制主要是通过电压无功控制设备来实现，包括发电机自动电压调节器(AVR)、静止无功补偿器(SVC)、静止无功发生器(STATCOM)以及快速自动投切电容器和电抗器等。图1给出了无功补偿调压过程示意图。

曲线1和曲线2的交点a为额定电压下的无功平衡点，当负荷增加变为曲线4时，则曲线1和曲线4的交点b为新的无功平衡点，但显然该点电压低于额定电压。如果此时调整无功电压，使无功电源的电压特性曲线上移至曲线3，则曲线3和曲线4的交点c所确定的电压可恢复为(或接近)额定电压。

图1 无功补偿调压过程示意图Fig 1 Schematic diagram of reactive power compensation voltage regulating process

分级电压控制思想是把整个电网分成各个控制区域，通过各区域内的电压无功控制设备进行无功调节，很好地解决了无功功率不能长距离传输的特点，实现了无功就地平衡。分级电压无功控制思想由法国率先提出，受到了各国电力系统的广泛关注［3］。这种电压分级控制方案已在巴西、意大利、西班牙等国家付诸实施，并取得了满意的效果［4，5］。目前，普遍被认同的无功电压控制系统是三级组织结构［6～8］。这种分布式、区域化的思想非常符合微电网和MAS的特点和要求。

2 多Agent的微电网电压无功控制系统

2.1 基于多Agent的微电网电压无功控制系统结构设

该系统以基于多Agent的分层分布式控制系统理论为基础［9］，按分级电压无功控制思想的要求，把整个系统分为三级Agent电压无功控制，如图2所示。

图2 多Agent的三级电压无功控制结构图Fig 2 Structure diagram of three-stage voltage reactive power control based on multi-agent technology

三级电压控制Agent为电网级控制Agent，一般设置在电网的系统调度中心，用以监测整个电网的状态，协调下级微电网控制Agent，使系统达到最优运行状态。

二级微电网Agent为协调级Agent，设在微网控制中心。当微电网主导节点电压发生变化后，根据三级电压A－gent确定的此微电网主导节点参考值电压，来协调控制此微电网内的一级电压控制Agent，以达到系统范围内良好的电压无功平衡，维持系统的稳定运行。

一级电压控制Agent为元件执行级Agent，设在每个电压控制节点。主要针对电压无功控制设备的调控，它们主要接受二级电压控制Agent的控制无功调压信号，控制无功调压设备，对整个微电网提供无功调压支持。

其中二级电压无功控制是实现电力系统电压分级控制的关键。

2.2 二级电压控制的数学算法

对于选定的某一微电网，微网内任一节点的无功平衡方程为［10］

式中 Bij为节点i和j之间的互导纳，QTLi为相邻微网注入节点i的无功潮流，当不考虑微网间彼此影响时，可令QTL=0;线性化系统模型可用如下灵敏度方程来表示

式中 CUΔUG为对负荷节点电压的影响，CQΔQL为无功扰动引起的负荷节点电压变化。该式即为采用二级电压控制后负荷电压偏差的表达式。

3 多Agent电压无功控制决策步骤和控制策略

1)电压无功监测:三级电压Agent负责监测整个大电网各个节点电压，收集各微网级Agent的电压无功数据，分析整个电网的运行状态，并对整个电网状态做出评估。

2)电压无功综合控制策略:协调级Agent根据控制级Agent的反馈信息和自身的微网电压无功监测，对执行级Agent做出最优的控制动作命令。

文献［11］提出电气距离的概念并阐述了其与信息理论的关系，同时用基于电气距离的方法对电网结构可控性和可观性进行分析。受该思想的启发，本文提出了基于操作优劣距离最短为判据来确定最优操作动作的控制策略。当微网Agent检测到本地电压无功出现异常时，则根据上面的二级电压无功控制算法计算出电压无功偏差，并做出最优的操作动作选择。

这里首先定义5个最基本的操作动作:不动作、降档(升压)、升档(降压)、投电容(切电抗)、切电容(投电抗)。这5个动作基本涵盖了现有的无功电压控制设备的基本功能，将这5种操作动作在U-Q平面上矢量化，如图3所示。

不动作矢量:f0=(Q，U);升压矢量:f1=(Q－ΔQu，U+ΔUu);降压矢量:f2=(Q+ ΔQu，U－ΔUu);投电容矢量:f3=(Q－ΔQq，U+ ΔUq);切电容矢量:f4=(Q+ ΔQq，U－ΔUq)。电压无功控制策略就是通过选择最优操作动作矢量fi(i=0～4)或其组合使当前工作点不断向最优控制目标工作点逼近的过程。

定义操作优劣距离为

其意义为执行完第i号操作动作后的工作点Mi(Qi，Ui)到最优控制目标工作点Mp(Qp，Up)的距离。以Si最小为最优控制目标条件，从而来确定最优操作动作。

3)电压无功控制的实现:为防止过于灵敏的电压无功控制对系统稳定性造成负面影响，可以定义电压和无功功率的上下限:UL≤U≤UH，QL≤Q≤QH，在U-Q平面上形成一个矩形的不动作区。若2种操作动作后的优劣距离相等，则采用“电压优先”的原则，即优先保证电压合格，尽量采用投切电容的策略。执行级Agent根据微网Agent控制动作命令，控制相应的无功电压控制设备，执行相应操作动作。

图3 操作动作矢量图Fig 3 Diagram of operative vector

4 数字仿真分析

这里基于新英格兰10机39节点(IEEE—39)系统进行仿真研究，该系统经常被用于可靠性和电压控制的研究。这里把系统划分成微电网形式，要求尽量减少微网间的相互关联，呈弱耦合关系，从而保证对一个微网内的二级电压控制不会导致另一微网的电压失稳。这里将新英格兰系统分为6个微网区，如图4所示。

图4 IEEE—39系统分区图Fig 4 The divided diagram of IEEE—39 system

采用文献［12］的主导节点选择方法，其中微网4的主导节点为4，5和10。各微网内都装有无功电压控制设备，并在主导节点电压处设置执行级Agent，当微网内负荷电压发生变化时，微网Agent能够感知到某节点电压异常，计算出与参考电压的偏差，确定最优操作策略，并通知相应的执行级Agent采取动作进行无功电压调节以获得预期的系统电压水平，使主导节点电压满足系统要求。通常IEEE—39系统是以100 kV为基准的，为了提高仿真速度，这里将基准参数修改为1kV。图5给出了多Agent电压无功控制后的节点电压的分布，可见，在实施多Agent电压无功控制后，系统电压基本恢复，尤其主导节点的电压和初始值非常接近。

图5 微网系统节点电压分布图Fig 5 Distribution diagram of micro-grid’s node voltage

图6分析了在扰动情况下节点电压的时域特性，这里选择了具有代表性的微网4的主导节点4作为分析对象，并与常规二级电压控制系统［13］进行了比较。从图中可看出:当主导节点发生电压跌落后，多Agent电压无功控制系统能充分有效利用无功电压控制设备，使节点电压有效恢复，恢复程度能达到较好的水平。

图7显示为负荷扰动后发电机5无功出力情况，在应用多Agent电压无功控制后，通过调整发电机AVR，迅速有效地增加无功出力，以弥补系统的无功缺额。

图6 负荷扰动时节点4电压特性曲线Fig 6 Voltage characteristic curves of node 4 when load disturbances

图7 负荷扰动时发电机5无功力输出曲线Fig 7 Reactive power output curves of generator 5 when load disturbances

多Agent电压无功控制系统还在电压崩溃、电压故障预防等方面具有良好的控制作用，这里限于篇幅，不一一仿真验证。

5 结论

本文分析了微电网电压无功控制原理，结合多Agent技术，提出了基于多Agent的微电网电压无功控制系统，并给出了该系统的控制策略。MAS技术是近年来的一个热门研究领域，在电力系统中的应用也得到了广泛的研究，基于多Agent技术的电压无功控制具有较好的灵活性、智能性和开放性，相对于常规单纯依靠电力电子技术来说实现了跨越式的飞跃。最后通过仿真分析说明了该系统对微电网电压、节点电压、系统无功平衡等具有良好的调节控制作用。

［1］Salman SK.The impact of embedded generation on voltage regulation and losses of distribution networks［C］∥IEE Colloquium on the Impact of Embedded Generation on Distribution Networks，1996:21－25.

［2］Wang Haifeng.Multi－agent coordination for the secondary voltage control in power system contingencies［C］∥IEE Proceedings of Generation，Transmission and Distribution，2001:61－66.

［3］Paul JP，Leost JY，Tesseron JM.Survey of the secondary voltage control in France:Present realization and investigation［J］.IEEE Trans on Power Systems，1987，2(2):505－511.

［4］Corsi S，Pozzi M，Bazzi U.A simple real－time and on－line voltage stability index under test in Italian secondary voltage regulation［C］∥CIGRE Conference，Paris，2000:38－115.

［5］Taranto G N，Martins N，Falcao D M.Benefits of applying secondary voltage control schemes to the Brazilian system［J］.IEEE Trans on Power System，2000，2(4):937－942.

［6］Sancha JL，Fernandez J L，Cortes A.Secondary voltage control:Analysis，solution and simulation results for the Spanish transmission system［J］.IEEE Trans on Power Systems，1996，11(2):630－638.

［7］Su Ching Tzong，Lin Chien Tung.A new fuzzy control approach to voltage profile enhancement for power systems［J］.IEEE Trans on Power Systems，1996，11(3):1654－1659.

［8］Vu H，Pruvot P，Launay C.An improved voltage control on largescale power systems［J］.IEEE Trans on Power Systems，1996，11(3):1295－1303.

［9］Wooldridge M.An introduction to multi－agent system［M］.New York:J Wiley，2002:63－71.

［10］Marjia D I，Liu Xiaojin，Leung G.Improved secondary and new tertiary voltage control［J］.IEEE Trans on Power Systems，1995，10(4):1851－1862.

［11］Lagonotte P，Sabonnadiere J C，Leost J.Structural analysis of the electrical system:Application to secondary voltage control in France power system［J］.IEEE Trans on Power Systems，1989，4(2):479－486.

［12］Conejo A，Aguilar M J.Secondary voltage control:Nonlinear selection of pilot buses，design of an optimal control law and simulation results［J］.Proceedings of IEE on Generation，Transmission and Distribution，1998，145(1):77－81.

［13］范 磊，陈 珩.二级电压控制研究［J］.电力系统自动化，2000，24(11):18－21.