專利名稱：基于mas的多微電網能量管理系統仿真方法
技術領域：
本發明涉及一種應用在微電網系統中的能量控制與管理系統仿真方法。
背景技術：
微電網通常由風能、太陽能和生物質能等可再生能源發電系統、燃料電池、微型燃氣輪機等清潔能源發電系統，蓄電池和飛輪等長期和短期的儲能裝置以及各種用戶的各種電負荷和熱負荷組成。微電網能量管理系統(EMS-MG)的目的是如何在滿足微電網中用戶的電負荷和熱負荷要求的前提下，維持微電網穩定運行，提高微電網內發電設備能源利用的效率；在此基礎之上，通過準確的天氣預測數據，提高微電網中風能、太陽能等可在生能源發電的利用率，減少利用傳統能源發電給環境帶來的污染。此外，還要保證微電網在不同運行模式過渡時的平穩轉換。相對于大電網傳統能量管理系統(EMS)，微電網能量管理系統面臨著許多新的挑戰。這主要是源于微電網的如下特征 1、發電單元的多樣性由于微電網中各發電單元的負荷跟隨反應速度差別很大，從毫秒級(太陽能、燃料電池、電儲能設備)、秒級(燃氣輪機、機械儲能)到分級(風力發電)，以及輸入能源(如風能、太陽能)的相關性、輸出能源(供電)的相關性更增加了微電網運行調度問題的復雜性，使得能量控制與管理的信息量大大增加。2、一次能源的波動性由于太陽能和風能的隨機性，使得包含太陽能發電和風力發電單元的微電網系統的實際發電能力是隨機和波動的，使得系統能量調度與電力系統相t匕，不僅需要準確預測負載的需求，還必須準確預測太陽能和風力發電單元的發電能力(短時、長時)，這將大大增加系統能量控制以及調度決策的復雜性。3、系統運行與控制模式的多態性正常狀態下微電網系統可以與電網并聯運行；一旦在電網出現故障時，微電網系統則要主動退出大電網，過渡到獨立運行模式，保持微電網內部的母線電壓幅值以及頻率的穩定。這種微電網系統運行與控制模式的多態性，使得常規能源的能量控制模型不再適用微電網系統，需要研究新的全局智能化能量控制模型。上述特征使得微電網系統的能量運行調度與能量調度決策是一個多目標、多變量、具有不確定性的動態復雜過程，必須依賴于新的控制方法、計算方法和評價方法，從而支持分布式能源微電網系統可靠、高效、靈活運行。上述方法的驗證需要提供有效、經濟的手段，但迄今沒有相關技術的公開報導。
發明內容
本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種基于MAS的多微電網能量管理系統仿真方法，針對多能源微電網系統的能量控制與管理系統仿真問題，提供一種基于MAS的能量控制與管理模型，來實現多能源微電網系統能量控制與管理系統的仿真，為不同的微電網控制策略和調度計劃提供一種驗證工具。本發明為解決技術問題采用如下技術方案本發明基于MAS的多微電網能量管理系統仿真方法的特點是
將多微電網能量管理系統劃分為本地管理層、微電網管理層和微電網協調管理層三個不同的層次；所述本地管理層用于管理微電網中的微電源使其按已有計劃正常工作，實時滿足供需平衡，維持頻率穩定；所述微電網管理層通過微電源的協調控制，孤網運行時減少微電網電壓及頻率偏差幅度，并網運行時減少公共電網耦合節點的交換功率與計劃值的偏差，并且實現微網內的經濟調度，提高可再生能源在微電網中的利用比例及充分利用發電中產生的熱能；所述微電網協調管理層通過整個微電網控制，完成多個微電網間的協作目標或大電網的控制目標，并且在微電網故障時切換微電網運行，協調微電網內各個微電源使微電網過渡平穩；所述本地管理層、微電網管理層和微電網協調管理層三個不同層次上具備的各種能量管理功能采用不同類型的Agent來建立多微電網能量管理系統仿真模型，所述本地管理層、微電網管理層和微電網協調管理層上的Agent的角色和功能定義如下I)本地管理層，其設有單元模型Agent、狀態Agent、本地控制Agent和通訊Agent a)、所述單元模型Agent，其包含但不限于如下微電源的能量計算模型光伏電站輸出功率計算模型，風力發電系機組輸出功率計算模型，燃料電池輸出功率計算模型，蓄電池輸出功率及荷電狀態計算模型，燃氣輪機輸出功率計算模型，負載功率計算模型；所述能量計算模型為微電網能量管理系統提供微電網動態運行的數字仿真計算數據；b)、所述狀態Agent，其實時監控本地設備的狀態，包括微電網發電設備的輸出功率、輸出電壓和輸出頻率以及分布式發電單元、儲能單元或負載單元所連接微電網母線的電流、電壓和頻率的信息，所述狀態Agent —方面將這些信息顯示出來，另一方面將這些信息傳遞給所述本地控制Agent ；c)、所述本地控制Agent，其根據微電網管理層的決策指令以及所述狀態Agent提供的本地設備的狀態，按照所設計的微電網控制器算法，實現對分布式發電單元、儲能單元的有功、無功功率進行管理，對負荷實現相應的需求側管理，并且在線路出現故障時，對本地設備進行保護動作；所述本地設備為連接至微電網電氣網絡不同節點的微電源、接觸器、斷路器以及負荷單元；所述微電源包含光伏發電系統，風力發電系統，燃料電池，微型燃氣輪機和蓄電池；d)、所述通訊Agent,其負責與本地管理層中各本地Agent之間以及各本地Agent與微電網管理層的Agent之間的信息交換；2)微電網管理層，其設有微電網數據采集SCADA Agent、協調控制Agent、經濟優化調度Agent、潮流分析Agent、能量預測Agent和歷史故障分析Agent a)、所述SCADA Agent，其通過遠端數據采集單元(RTU)收集微電網內設備的狀態和運行數據，同時向低層控制單元定向下發來自微電網中央控制器的設定控制命令，對微電網中的設備的實時運行狀態進行監控；b)、所述協調控制Agent，其根據SCADAAgent獲得的微電網實時運行狀態數據修改本地各設備的發電計劃，通過設定微電網中可調度設備的功率和電壓運行的參考點，使微電網頻率穩定，功率平衡以達到微電網內自動發電協調協調控制的目的，并且實現微電網整體效益最大，微電網網損最低的微電網管理目標；c)、所述經濟調度Agent，其根據潮流的優化和經濟性原則，對可再生能源的超短期預測以及微電網中發電設備的投標信息，應用多因子評價方法基礎上的合同網協調、市場競標機制和粒子群算法，制定微電網內的各發電單元未來24小時的經濟協調調度計劃，對微電網的運行進行經濟性優化；d)、所述潮流分析Agent，其根據SCADA Agent收集的數據和對網絡拓撲的分析，對微電網內的潮流進行計算分析，并且對微電網中的潮流進行優化，以減少線路上的損耗，在保證整個微電網的穩定性的同時，使其經濟性達到最優；e)、所述能量預測Agent，其根據發電的歷史數據和天氣預測數據對可再生能源發電的電站進行能量的超短期預測；并從實時數據庫和歷史數據庫中分析數據，利用強化學習算法，不斷地對自己的預測值進行優化；f)、所述歷史故障分析Agent，其對整個微電網運行中出現的故障進行分析，避免下一次控制器又采取相同的命令引發故障；3)微電網協調管理層，其設有靜態開關Agent和微電網運行Agent a)、靜態開關Agent，其監測微電網與區域電網聯絡接口的狀態，當區域電網發生故障或者恢復故障時，切換微電網的運行狀態；b)、微電網運行Agent，其代表系統運行層協調微電網之間或微電網與區域電網之間的協作，將微電網作為一個統一個體參加區域電網的電力市場調度，并根據自身發電能力的大小和區域電力市場價格決定下一階段的總體策略。本發明基于MAS的多微電網能量管理系統仿真方法的特點也在于所述本地管理層、微電網管理層和協調管理層上不同的控制層內的Agent采用客戶端-服務器架構集成，形成基于多代理技術的多微電網能量管理系統仿真平臺；在所述基于多代理技術的多微電網能量管理系統仿真平臺中，包含一個服務器端和多個客戶端；微電網管理層和微電網協調管理層包含的Agent在服務器端采用函數和組件的方法來實現，每個Agent都向其他微電網本地管理層的Agent提供服務并且通過協調控制對微電網進行管理和運行；在所述服務器端，定義管理服務Agent和目錄服務Agent，其中當用戶在平臺上生成、刪除、移走或移入一個Agent,所述管理服務Agent都記錄下來,實現對Agent的登記管理；所述目錄服務Agent記錄各個Agent的服務類型，用于具有不同服務類型的Agent共同協作完成復雜的微電網能量管理的任務；所述基于多代理技術的多微電網能量管理系統包含多種不同的類型的Agent客戶端，所述不同的類型的Agent客戶端實現微電網中的本地管理層的能量管理；一個Agent客戶端用于實現具體的本地設備的控制，根據客戶端所管理設備的不同，將客戶端劃分為發電Agent、負載Agent和儲能Agent ;—個Agent客戶端上有多個Agent協作來管理這個設備，其中最基本的Agent包括控制Agent、狀態Agent和通訊Agent,所述通訊Agent代表該客戶端與微電網管理層或者其他客戶端進行協作。本發明基于MAS的多微電網能量管理系統仿真方法的特點還在于所述基于多代理技術的多微電網能量管理系統仿真平臺中客戶端與服務器端之間通訊要求，設置所需的通訊協議，服務器端利用所述通訊協議監聽客戶端的請求服務器端處于微電網管理層的Agent利用所述通訊協議收集客戶端的信息或者發布命令；處于微電網協調管理層的微電網運行Agent通過所述通訊協議連接遠程的電力市場服務器從而參加到電力市場之中；
所述通訊協議是以TCP/IP協議為基礎，根據Agent在信息傳遞過程中表現出的固有的層次性分為傳輸層、通信層和交互層，并且下層為上層提供服務，所述傳輸層處于最底層，即計算機協議層，由所述傳輸層將通訊協議層的消息通過計算機網絡協議傳達；所述通信層處于第二層，即通訊協議層，在所述通訊協議層中定義信息類型標識、信息長度和與信息類型標識對應的設備狀態數據結構；所述交互層處于第三層，即交互協議層，所述交互協議層通過將通訊協議層表達出的一系列實現協調、協商或者協作的語言進行組合，在交互協議層的上層策略的指導下完成各Agent之間的的協作和約定。與已有技術相比，本發明有益效果體現在1、本發明基于多代理理論，建立多微電網能量管理系統分層、分布能量控制模型，從而可以實現微電網本地管理層、微電網管理層和微電網協調管理層的分布快速控制和全局能量的高效協調管理相統一的基于多代理技術的多微電網能量管理系統模型；2、本發明基于多代理技術的多微電網能量管理系統模型體系結構，結構實現簡單，但擴展靈活。不但新設備的各種模型可以通過添加不同的Agent來實現，而且能量管理中需要的新功能也可以通過添加一種這種功能的Agent來實現，從而使得微電網能量控制策略的更改與擴充具有靈活性、開放性和高度自治性；3、本發明基于多代理技術的多微電網能量管理系統模型體系結構，不僅可以與物理硬件相結合以實現整個微電網動態的網絡環境，實現微電網系統運行的全數字化仿真，還可以通過微電網單元Agent中發電模型的嵌入和控制Agent中控制策略的靈活設計,使其更容易實現多微電網系統的實時能量管理與控制，方便對不同能量管理策略的效果的評估，提供了一個可以兼備實時運行控制和科學研究平臺相統一的系統；4、本發明中MAS模型不僅在整個微電網層面上，客戶端上的本地控制也可以在執行微電網管理層發出的總體目標的基礎上，進行局部優化；并且利用客戶端之間通信迅速的特點，采用統一的協議就可以使Agent客戶端之間實現一些復雜的協作,某個Agent客戶端可以主動發起會話，與一個或者多個Agent客戶端之間進行合作，對當前的負荷進行小范圍內的重新分配，以達到快速局部優化的目的。5、本發明中Client-Server多代理系統架構，在對客戶端擴充的基礎上，可以方便實現多微網的能量管理系統的仿真。
圖1為本發明基于多代理技術的多微電網能量管理系統代理功能示意圖；圖2為本發明實施例仿真實驗微電網拓撲結構；圖3為本發明基于多代理技術的多微電網能量管理系統結構示意圖；圖4為本發明實施例一個典型的本地Agent結構示意圖；圖5a不同溫度下太陽能電池特性曲線；圖5b不同光照下太陽能電池特性曲線；圖6為本發明實施例風機模型的特性曲線；圖7為本發明實施例單個燃料電池輸出特性曲線；圖8為本發明實施例單個蓄電電池輸出特性曲線；圖9為本發明實施例一次調頻頻率-功率靜態特性；
圖10為本發明實施例SCADAAgent結構；圖11為本發明實施例協調控制Agent結構示意圖；圖12為本發明實施例MRE分配過程示意圖；圖13為本發明實施例經濟調度算法流程；
圖14為本發明實施例靜態開關Agent結構示意圖；圖15為本發明實施例微電網運行Agent結構示意圖。
具體實施例方式針對由光伏發電、風力發電、燃料電池，微型燃氣輪機等微電源發電系統、鉛酸蓄電池和超級電容器等儲能單元、以及交流負載和直流負載組成的微電網系統(如圖2所示)來說明本發明的具體實施方式
。所考慮微電網用到的設備配置如表I所示表1、微電網配置參數
設備名稱參數說明
~太陽能電站I直流側電壓600\ζ電流20Α，最大功率12kw
~太陽能電站2M太陽能電站I
~風力發電站額定功率13kw
燃料電池50中x20并,. :流側電壓50V,最人電流800Α，最人功率20kw^
燃氣輪機額定功率20kw單個電池12V, 400Ah,蓄電池組4串χ20并
蓄電池組I
直流側電壓48V，電流400Α，最大功率20kw,32000Ah
^蓄電池組2ill
要負載在任何情況下保證優先供電，功率在6kw左右
普通負載I齊通負載，功率小P20kw
普通負載2齊通負載，功率小子15kw對圖1所示微電網系統，設計多Agent能量管理系統模型及仿真系統，如圖3所示，多Agent能量管理系統模型包括本地管理層，微電網管理層和微電網協調管理層。各能量層的設計如下1、本地管理層的Agent設計在本地控制管理層分別設置與相應的分布式發電單元、儲能單元和負載單元相對應的本地管理模塊光伏發電管理模塊、風力發電管理模塊、燃料電池管理模塊和微型燃氣輪機管理模塊等。典型的本地能量管理Agent具體結構如圖4所示,包括單元模型Agent、狀態Agent、本地控制Agent和通訊Agent,其中狀態Agent實時監控本地設備模型的狀態，同時將這些信息傳遞給控制Agent ;控制Agent則根據這些信息對單元模型的輸出進行實時控制；通訊Agent負責將微電源設備運行的電氣數據傳遞給微電網管理層的SCADA Agent,并接受微電源的有功、無功設定值以滿足微電網系統中微電源Agent協作和微電網管理層Agent優化調度的的要求。單元模型Agent、狀態Agent、本地控制Agent和通訊Agent實現方式如下
I)單元模型Agent的設計單元模型Agent包含對應的單元能量計算模型，不同的發電單元對應不同的模型，在本實施時列中包括光伏陣列模型Agent、風力發電模型Agent、燃料電池模型Agent和蓄電池模型Agent,其中a)、光伏陣列模型Agent，其包含了光伏太陽電池能量計算模型，光伏陣列的輸出電流Ipv如式⑴所示
權利要求
1.基于MAS的多微電網能量管理系統仿真方法，其特征是 將多微電網能量管理系統劃分為本地管理層、微電網管理層和微電網協調管理層三個不同的層次；所述本地管理層用于管理微電網中的微電源使其按已有計劃正常工作，實時滿足供需平衡，維持頻率穩定；所述微電網管理層通過微電源的協調控制，孤網運行時減少微電網電壓及頻率偏差幅度，并網運行時減少公共電網耦合節點的交換功率與計劃值的偏差，并且實現微網內的經濟調度，提高可再生能源在微電網中的利用比例及充分利用發電中產生的熱能；所述微電網協調管理層通過整個微電網控制，完成多個微電網間的協作目標或大電網的控制目標，并且在微電網故障時切換微電網運行，協調微電網內各個微電源使微電網過渡平穩； 所述本地管理層、微電網管理層和微電網協調管理層三個不同層次上具備的各種能量管理功能采用不同類型的Agent來建立多微電網能量管理系統仿真模型，所述本地管理層、微電網管理層和微電網協調管理層上的Agent的角色和功能定義如下 1)本地管理層，其設有單元模型Agent、狀態Agent、本地控制Agent和通訊Agent a)、所述單元模型Agent，其包含但不限于如下微電源的能量計算模型光伏電站輸出功率計算模型，風力發電系機組輸出功率計算模型，燃料電池輸出功率計算模型，蓄電池輸出功率及荷電狀態計算模型，燃氣輪機輸出功率計算模型，負載功率計算模型；所述能量計算模型為微電網能量管理系統提供微電網動態運行的數字仿真計算數據； b)、所述狀態Agent，其實時監控本地設備的狀態，包括微電網發電設備的輸出功率、輸出電壓和輸出頻率以及分布式發電單元、儲能單元或負載單元所連接微電網母線的電流、電壓和頻率的信息，所述狀態Agent —方面將這些信息顯示出來，另一方面將這些信息傳遞給所述本地控制Agent ； c)、所述本地控制Agent，其根據微電網管理層的決策指令以及所述狀態Agent提供的本地設備的狀態，按照所設計的微電網控制器算法，實現對分布式發電單元、儲能單元的有功、無功功率進行管理，對負荷實現相應的需求側管理，并且在線路出現故障時，對本地設備進行保護動作；所述本地設備為連接至微電網電氣網絡不同節點的微電源、接觸器、斷路器以及負荷單兀；所述微電源包含光伏發電系統，風力發電系統，燃料電池，微型燃氣輪機和蓄電池； d)、所述通訊Agent,其負責與本地管理層中各本地Agent之間以及各本地Agent與微電網管理層的Agent之間的信息交換； . 2)微電網管理層，其設有微電網數據采集SCADAAgent、協調控制Agent、經濟優化調度Agent、潮流分析Agent、能量預測Agent和歷史故障分析Agent a)、所述SCADAAgent，其通過遠端數據采集單元(RTU)收集微電網內設備的狀態和運行數據，同時向低層控制單元定向下發來自微電網中央控制器的設定控制命令，對微電網中的設備的實時運行狀態進行監控； b)、所述協調控制Agent，其根據SCADAAgent獲得的微電網實時運行狀態數據修改本地各設備的發電計劃，通過設定微電網中可調度設備的功率和電壓運行的參考點，使微電網頻率穩定，功率平衡以達到微電網內自動發電協調協調控制的目的，并且實現微電網整體效益最大，微電網網損最低的微電網管理目標； c)、所述經濟調度Agent，其根據潮流的優化和經濟性原則，對可再生能源的超短期預測以及微電網中發電設備的投標信息，應用多因子評價方法基礎上的合同網協調、市場競標機制和粒子群算法，制定微電網內的各發電單元未來24小時的經濟協調調度計劃，對微電網的運行進行經濟性優化； d)、所述潮流分析Agent，其根據SCADAAgent收集的數據和對網絡拓撲的分析，對微電網內的潮流進行計算分析，并且對微電網中的潮流進行優化，以減少線路上的損耗，在保證整個微電網的穩定性的同時，使其經濟性達到最優； e)、所述能量預測Agent，其根據發電的歷史數據和天氣預測數據對可再生能源發電的電站進行能量的超短期預測；并從實時數據庫和歷史數據庫中分析數據，利用強化學習算法，不斷地對自己的預測值進行優化； f)、所述歷史故障分析Agent，其對整個微電網運行中出現的故障進行分析，避免下一次控制器又采取相同的命令引發故障； 3)微電網協調管理層，其設有靜態開關Agent和微電網運行Agent a)、靜態開關Agent，其監測微電網與區域電網聯絡接口的狀態，當區域電網發生故障或者恢復故障時，切換微電網的運行狀態； b)、微電網運行Agent，其代表系統運行層協調微電網之間或微電網與區域電網之間的協作，將微電網作為一個統一個體參加區域電網的電力市場調度，并根據自身發電能力的大小和區域電力市場價格決定下一階段的總體策略。
2.根據權利要求1所述的基于MAS的多微電網能量管理系統仿真方法，其特征是 所述本地管理層、微電網管理層和協調管理層上不同的控制層內的Agent采用客戶端-服務器架構集成，形成基于多代理技術的多微電網能量管理系統仿真平臺；在所述基于多代理技術的多微電網能量管理系統仿真平臺中，包含一個服務器端和多個客戶端；微電網管理層和微電網協調管理層包含的Agent在服務器端采用函數和組件的方法來實現，每個Agent都向其他微電網本地管理層的Agent提供服務并且通過協調控制對微電網進行管理和運行；在所述服務器端，定義管理服務Agent和目錄服務Agent，其中當用戶在平臺上生成、刪除、移走或移入一個Agent，所述管理服務Agent都記錄下來，實現對Agent的登記管理；所述目錄服務Agent記錄各個Agent的服務類型，用于具有不同服務類型的Agent共同協作完成復雜的微電網能量管理的任務； 所述基于多代理技術的多微電網能量管理系統包含多種不同的類型的Agent客戶端，所述不同的類型的Agent客戶端實現微電網中的本地管理層的能量管理；一個Agent客戶端用于實現具體的本地設備的控制，根據客戶端所管理設備的不同，將客戶端劃分為發電Agent、負載Agent和儲能Agent ;—個Agent客戶端上有多個Agent協作來管理這個設備，其中最基本的Agent包括控制Agent、狀態Agent和通訊Agent,所述通訊Agent代表該客戶端與微電網管理層或者其他客戶端進行協作。
3.根據權利要求1所述的基于MAS的多微電網能量管理系統仿真方法，其特征是 所述基于多代理技術的多微電網能量管理系統仿真平臺中客戶端與服務器端之間通訊要求，設置所需的通訊協議，服務器端利用所述通訊協議監聽客戶端的請求服務器端處于微電網管理層的Agent利用所述通訊協議收集客戶端的信息或者發布命令；處于微電網協調管理層的微電網運行Agent通過所述通訊協議連接遠程的電力市場服務器從而參加到電力市場之中；所述通訊協議是以TCP/IP協議為基礎，根據Agent在信息傳遞過程中表現出的固有的層次性分為傳輸層、通信層和交互層，并且下層為上層提供服務，所述傳輸層處于最底層，即計算機協議層，由所述傳輸層將通訊協議層的消息通過計算機網絡協議傳達；所述通信層處于第二層，即通訊協議層，在所述通訊協議層中定義信息類型標識、信息長度和與信息類型標識對應的設備狀態數據結構；所述交互層處于第三層，即交互協議層，所述交互協議層通過將通訊協議層表達出的一系列實現協調、協商或者協作的語言進行組合，在交互協議層的上層策略的指 導下完成各Agent之間的的協作和約定。
全文摘要
本發明基于MAS的多微電網能量管理系統仿真方法，其特征是將多微電網能量管理系統劃分為本地管理層、微電網管理層和微電網協調管理層三個不同的層次；不同層次上具備的各種能量管理功能采用不同類型的Agent來建立多微電網能量管理系統仿真模型，同時設計了Agent通訊協議以完成各Agent之間的協作和約定；本地管理層、微電網管理層和協調管理層上不同的控制層內的Agent采用客戶端-服務器架構進行集成，形成了基于多代理技術的多微電網能量管理系統仿真平臺。本發明為不同的微電網控制策略和調度計劃提供了一種驗證方法。
文檔編號H02J3/06GK103001225SQ201210456910
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月14日 優先權日2012年11月14日
發明者茆美琴, 杜燕, 汪海寧, 張健, 蘇建徽, 張國榮, 金鵬 申請人:合肥工業大學