王 斐，牛 铭，佟宇梁

（华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206）

0 引言

由于电力需求不断增高、设备使用寿命受限以及电网运行维护不当，我国的电力产业面临严峻挑战，出现了电网结构拥挤、能源利用率低、电能质量低、电磁污染严重等问题。

目前，分布式发电、微电网及智能电网技术[1-5]的出现可以有效地解决这些问题。部分发达国家率先提出了Energy Hub的概念，它是基于微电网结构下的智能控制中心，不仅可以提高微电网系统的运行效率、改善电网结构，还可以有效减少环境污染，更适合我国能源分布不均衡的特点和节能减排的迫切要求。本文将Multi-Agent技术应用于Energy Hub模型中，依据一定的经济运行策略，可以达到优化微电网运行的目的。

1 Energy Hub系统

1.1 基本原理

Hub，计算机科学中释义为“集线器”，是数据通信系统中的一种能够提供多个端口服务的基础网络设备。计算机网络中的环型网络只存在一个物理信号传输通道，如图1所示，环形网络通过仅有的一条通道传输信号必然存在各节点争抢信道、传输效率低的问题。引入集线器后，每个站用它自己专有的传输通道连接到集线器上，各站点发出的信号集中到集线器，集线器再把信号整形、放大后发送到所有节点上，这样就减少了上行通道的网络堵塞现象，它在网络中的位置如图2所示。

图1 环形网络示意图

图2 集线器在网络中的分布图

Energy Hub就是能量集线器，是由计算机科学中集线器的概念引申而来，也叫能量控制中心。宏观上看，Energy Hub是一个信息中心，它通过超短期负荷预测以及实时在线监测分布式电源、配电网的潮流数据，对各发电侧及受控负荷侧进行优化控制。Energy Hub规模可以覆盖一个家庭甚至整个城市。

如图3，Energy Hub在系统中是一个广义的多端口网络节点，它与配电网连接，对配电网上的能量起到补充、缓解、转换、调节、存储的作用，具有很强的实用性。Hub上的端口分为输入和输出两种。输入侧一部分为从配网流入Hub的电量P，另一部分为从各分布式电源中流入Hub的不同形式的能量R；输出侧一部分为供给各种负荷（电/热/冷）用的不同形式的能量L，另一部分为反馈回配网中的冗余电量T[6]。

图3 Energy Hub与电网的连接图

微电网中的各分布式电源通过Energy Hub与配电网相连[7]，如图4所示，各个分布式电源（如风力发电、光伏发电、燃料电池等）以及存储设备（如蓄电池、电动汽车等）都受控于距离其最近的Hub。各个Hub之间可以进行负荷、潮流、电能质量及电力市场等信息的交换，并上传给上一级的能量管理中心。上一层能量管理中心通过不断更新的数据库及知识库决策出最优的调度方案，发送命令给下一级的Hub执行。

图4 未来电网结构构想图

从图4中可以看出，每一个Hub除了可以控制当地的分布式电源以外，还可以通过传输设备与外部的能源进行交换，从而实现能源的最优分配，使各种能源得到充分有效合理的利用。

图5 Energy Hub的内部结构图

1.2 基本结构

分布式能源的多样性决定了Energy Hub必然包含多种不同的元件[7]。图5是一个包含风能、太阳能、天然气和生物能等各种分布式微源的Hub内部结构示意图。该Hub包含变压器、微型燃气轮机、燃烧装置、风力发电机组、光伏发电机组、提纯装置、燃料电池等元件，可同时为当地负荷提供电能和热能。冗余电量可以通过再次变压传输到配电网，再通过配电线路供应给其他地区的负荷，实现能源的充分合理利用。

1.3 优点及存在问题

Energy Hub的基本原理及内部结构决定了它具有以下优点：

1）供电可靠性高：Energy Hub为各个负荷提供了更为广泛的能量来源，使负荷不再完全依靠单一的电网或单一的分布式电源供电。

2）能源利用率高：Energy Hub将冗余的电量通过大型贮能设备存储或直接反馈回配电网，打破了传统电网潮流单向流动的状态，使能源得到充分高效的利用[7]。

3）环境友好度提高：Energy Hub在进行调度策略的选择时，可将环境友好度作为一个权重较高的指标，从而选择对环境污染更小同时又更经济的微源作为发电源。

4）较低的电网冗余度：Energy Hub具有很强的分布性及就地控制能力，因此避免了过去电力线路严重的重叠冗余现象，减少了不必要的投资，并节省了电力走廊。

图6 含N个Energy Hub的微电源并网模型

2 多代理技术在Energy Hub中的应用

2.1 优点及存在问题

2.1.1 MAS的技术特点

多代理系统（Multi-Agent System，MAS）是依靠多个Agent共同协作求解问题的分布式系统，MAS中的各个Agent能根据环境改变修改自己的行为，并通过网络与其他Agent进行通信、协同完成某一问题，其基本特性有以下几个方面[9-10]。

1）自治性：即使没有外界干预，Agent也可以独立控制自身行为。

2）协作性：不同Agent可以协同完成任务或解决复杂问题，尤其适用于具有分布式特点的问题。

3）学习性：Agent可以利用已有的知识库并主动获取外界环境信息进行不断学习，从而具备一定的推理和规划能力。

4）反应性：Agent可以从环境中实时获取所需信息，并根据环境变化给出相应的决策。

多代理技术在各行各业均有广泛应用，尤其适合于分布式系统，如远程医疗诊断、电子商务、信息管理、企业集成、工业制造、空中交通控制及运输调度等。

2.1.2 MAS在电力系统方面的应用

自多代理系统被引入电力系统以来，其应用范围也不断扩大，目前主要应用于继电保护、电力市场运营、电压无功优化、超短期负荷预测、最优潮流、事故分析与故障诊断等方面[11-17]。

2.2 基于多代理系统的Energy Hub模型

图6是一个基于MAS技术、包含N个Energy Hub的微电源并网模型。该分层控制结构由微电源/负荷代理、Hub代理、Hub的上一级代理共三级构成。最底层的微电源代理（主要包括发电预测代理和执行代理）和负荷代理（主要包括用电预测代理和执行代理）是该分层控制结构的基础。微电源代理可采用多种控制方法控制微网的瞬态电压和频率，并可以在并网运行时进行潮流控制、快速负荷跟踪。负荷代理安装于用户负荷侧，可对各负荷进行超短期预测，接受上一级Hub的命令并对其进行负荷管理。各Hub接受本地负荷请求及微电源信息，并与同一级Hub之间进行信息交换，将信息上传给上一级代理。上一级代理通过自身的数据库、知识库及学习能力、反应能力，在满足系统能量平衡及各微电源启停限制、可靠性及稳定性等约束条件下，协调各Hub的能量流动，并给出协调策略命令下一级Hub执行，Hub代理再将具体执行任务分配给各微电源及负荷的代理执行。

2.3 各代理的职能

1）上一级代理：初始化时已经具备一套拥有较完整调度策略的知识库和数据库。它有数据管理Agent和性能评估Agent。数据管理Agent接受来自各Hub的信息，并根据自身环境不断学习和更新数据；性能评估Agent旨在对一些指标（如供电可靠性、电能质量、环境影响等）进行评估，结合数据管理Agent给出一套合理经济的微电源出力分配策略。

2）Hub代理：对本地数据（微电源和负荷的电气参数）进行处理，与其他Hub的Agent进行通信，接受上一级代理命令，并将任务分配给下一级代理执行。

3）微电源代理：各微电源代理具有预测发电量并执行上一级代理指令的能力。各微电源根据自身性质的不同，其Agent还具有特殊的功能，例如：光伏电池Agent拥有最大功率点跟踪（MPPT）功能、电池板监测和保护功能以及逆变并网功能；燃料电池Agent具有水处理、燃料处理及空气供给、氢氧含量监控及燃料注入控制、热量处理、功率调节及并网等功能；蓄电池Agent具有对蓄电池电压、电流、储能的监控功能，还有充放电功能和启停限定功能；风机Agent具有风速预测、风机的风速控制以及电气参数监控等功能[18]。

4）负荷代理：负荷代理在所有电源出力都不能满足供需平衡时，具有对一些非重要负荷进行切除的能力。

2.4 经济运行策略

微电网存在并网和孤网两种运行方式。并网运行即微网与上级大电网并联运行，是微网运行的常态。孤网运行是微电网的特殊运行状态，分为紧急孤网运行和计划孤网运行。紧急孤网运行是指当外部电网发生故障、扰动或电能质量不满足要求时微网自动隔离出来作自治运行，而计划孤网运行是指在检修、改变运行方式或一些客观条件（如偏远山区）下微网有计划地实现孤网运行。

以含微型燃气轮机（MT）的冷热电联产系统（CCHP）、风力发电机（WT）、光伏电池（PV）以及蓄电池共同构成的Energy Hub为例，MAS初始化时，以发电成本最小为目的的调度策略如下[19-20]。

2.4.1 并网运行方式

1）风能和太阳能具有随机性并且环境污染小、启动迅速，可以快速增减负荷，因此作为出力的优先选择对象,由各自的微源Agent根据负荷Agent的需求对其进行出力控制。

2）CCHP系统由冷/热负荷确定MT机组出力，因此微型燃气轮机Agent根据冷/热负荷Agent的需求进行出力控制。

3）当WT、PV和MT机组Agent提供的发电量信息仍无法满足全部电负荷需求时，则命令蓄电池储能装置Agent下达放电命令，并监测蓄电池的充放电状态。若蓄电池尚未达到最大放电限制时，可考虑向外部电网售电。

4）若在蓄电池允许最大放电范围内仍无法满足电负荷需求时，则选择从外部电网买电来满足剩余负荷需求。

2.4.2 孤网运行方式

1）孤网运行时仍优先考虑并网运行方式下的前三条运行策略；

2）如果各发电单元均满发、蓄电池组完全放电仍无法满足负荷需求时，按照非关键负荷、由低到高的关键负荷的顺序，由各负荷Agent下达命令进行负荷切除，以保证正常供电。

整个运行过程中，各微源Agent根据调度策略对微源进行出力控制，各负荷Agent提供负荷信息并在必要时对负荷进行负荷切除操作，中间级的Hub Agent负责与上下级Agent进行信息交换、执行上级Agent任务并分派指令给向下级Agent。各代理之间分工协作，因地制宜、因时制宜，更新和完善调度运行策略，使整个微网系统的潮流得到优化。

3 结语

介绍了多代理技术在Energy Hub中的应用，对各个Agent的功能进行了总结，并对一个含有多种微电源的微网提出了较为合理的经济运行策略。今后的工作要以投资成本最小为目的，以环境友好度、可靠性等指标为约束条件，对各微源出力的优化算法进行设计。

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