专利名称：基于mas的多微电网能量管理系统仿真方法
技术领域：
本发明涉及一种应用在微电网系统中的能量控制与管理系统仿真方法。
背景技术：
微电网通常由风能、太阳能和生物质能等可再生能源发电系统、燃料电池、微型燃气轮机等清洁能源发电系统，蓄电池和飞轮等长期和短期的储能装置以及各种用户的各种电负荷和热负荷组成。微电网能量管理系统(EMS-MG)的目的是如何在满足微电网中用户的电负荷和热负荷要求的前提下，维持微电网稳定运行，提高微电网内发电设备能源利用的效率；在此基础之上，通过准确的天气预测数据，提高微电网中风能、太阳能等可在生能源发电的利用率，减少利用传统能源发电给环境带来的污染。此外，还要保证微电网在不同运行模式过渡时的平稳转换。相对于大电网传统能量管理系统(EMS)，微电网能量管理系统面临着许多新的挑战。这主要是源于微电网的如下特征 1、发电单元的多样性由于微电网中各发电单元的负荷跟随反应速度差别很大，从毫秒级(太阳能、燃料电池、电储能设备)、秒级(燃气轮机、机械储能)到分级(风力发电)，以及输入能源(如风能、太阳能)的相关性、输出能源(供电)的相关性更增加了微电网运行调度问题的复杂性，使得能量控制与管理的信息量大大增加。2、一次能源的波动性由于太阳能和风能的随机性，使得包含太阳能发电和风力发电单元的微电网系统的实际发电能力是随机和波动的，使得系统能量调度与电力系统相t匕，不仅需要准确预测负载的需求，还必须准确预测太阳能和风力发电单元的发电能力(短时、长时)，这将大大增加系统能量控制以及调度决策的复杂性。3、系统运行与控制模式的多态性正常状态下微电网系统可以与电网并联运行；一旦在电网出现故障时，微电网系统则要主动退出大电网，过渡到独立运行模式，保持微电网内部的母线电压幅值以及频率的稳定。这种微电网系统运行与控制模式的多态性，使得常规能源的能量控制模型不再适用微电网系统，需要研究新的全局智能化能量控制模型。上述特征使得微电网系统的能量运行调度与能量调度决策是一个多目标、多变量、具有不确定性的动态复杂过程，必须依赖于新的控制方法、计算方法和评价方法，从而支持分布式能源微电网系统可靠、高效、灵活运行。上述方法的验证需要提供有效、经济的手段，但迄今没有相关技术的公开报导。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于MAS的多微电网能量管理系统仿真方法，针对多能源微电网系统的能量控制与管理系统仿真问题，提供一种基于MAS的能量控制与管理模型，来实现多能源微电网系统能量控制与管理系统的仿真，为不同的微电网控制策略和调度计划提供一种验证工具。本发明为解决技术问题采用如下技术方案本发明基于MAS的多微电网能量管理系统仿真方法的特点是
将多微电网能量管理系统划分为本地管理层、微电网管理层和微电网协调管理层三个不同的层次；所述本地管理层用于管理微电网中的微电源使其按已有计划正常工作，实时满足供需平衡，维持频率稳定；所述微电网管理层通过微电源的协调控制，孤网运行时减少微电网电压及频率偏差幅度，并网运行时减少公共电网耦合节点的交换功率与计划值的偏差，并且实现微网内的经济调度，提高可再生能源在微电网中的利用比例及充分利用发电中产生的热能；所述微电网协调管理层通过整个微电网控制，完成多个微电网间的协作目标或大电网的控制目标，并且在微电网故障时切换微电网运行，协调微电网内各个微电源使微电网过渡平稳；所述本地管理层、微电网管理层和微电网协调管理层三个不同层次上具备的各种能量管理功能采用不同类型的Agent来建立多微电网能量管理系统仿真模型，所述本地管理层、微电网管理层和微电网协调管理层上的Agent的角色和功能定义如下I)本地管理层，其设有单元模型Agent、状态Agent、本地控制Agent和通讯Agent a)、所述单元模型Agent，其包含但不限于如下微电源的能量计算模型光伏电站输出功率计算模型，风力发电系机组输出功率计算模型，燃料电池输出功率计算模型，蓄电池输出功率及荷电状态计算模型，燃气轮机输出功率计算模型，负载功率计算模型；所述能量计算模型为微电网能量管理系统提供微电网动态运行的数字仿真计算数据；b)、所述状态Agent，其实时监控本地设备的状态，包括微电网发电设备的输出功率、输出电压和输出频率以及分布式发电单元、储能单元或负载单元所连接微电网母线的电流、电压和频率的信息，所述状态Agent —方面将这些信息显示出来，另一方面将这些信息传递给所述本地控制Agent ；c)、所述本地控制Agent，其根据微电网管理层的决策指令以及所述状态Agent提供的本地设备的状态，按照所设计的微电网控制器算法，实现对分布式发电单元、储能单元的有功、无功功率进行管理，对负荷实现相应的需求侧管理，并且在线路出现故障时，对本地设备进行保护动作；所述本地设备为连接至微电网电气网络不同节点的微电源、接触器、断路器以及负荷单元；所述微电源包含光伏发电系统，风力发电系统，燃料电池，微型燃气轮机和蓄电池；d)、所述通讯Agent,其负责与本地管理层中各本地Agent之间以及各本地Agent与微电网管理层的Agent之间的信息交换；2)微电网管理层，其设有微电网数据采集SCADA Agent、协调控制Agent、经济优化调度Agent、潮流分析Agent、能量预测Agent和历史故障分析Agent a)、所述SCADA Agent，其通过远端数据采集单元(RTU)收集微电网内设备的状态和运行数据，同时向低层控制单元定向下发来自微电网中央控制器的设定控制命令，对微电网中的设备的实时运行状态进行监控；b)、所述协调控制Agent，其根据SCADAAgent获得的微电网实时运行状态数据修改本地各设备的发电计划，通过设定微电网中可调度设备的功率和电压运行的参考点，使微电网频率稳定，功率平衡以达到微电网内自动发电协调协调控制的目的，并且实现微电网整体效益最大，微电网网损最低的微电网管理目标；c)、所述经济调度Agent，其根据潮流的优化和经济性原则，对可再生能源的超短期预测以及微电网中发电设备的投标信息，应用多因子评价方法基础上的合同网协调、市场竞标机制和粒子群算法，制定微电网内的各发电单元未来24小时的经济协调调度计划，对微电网的运行进行经济性优化；d)、所述潮流分析Agent，其根据SCADA Agent收集的数据和对网络拓扑的分析，对微电网内的潮流进行计算分析，并且对微电网中的潮流进行优化，以减少线路上的损耗，在保证整个微电网的稳定性的同时，使其经济性达到最优；e)、所述能量预测Agent，其根据发电的历史数据和天气预测数据对可再生能源发电的电站进行能量的超短期预测；并从实时数据库和历史数据库中分析数据，利用强化学习算法，不断地对自己的预测值进行优化；f)、所述历史故障分析Agent，其对整个微电网运行中出现的故障进行分析，避免下一次控制器又采取相同的命令引发故障；3)微电网协调管理层，其设有静态开关Agent和微电网运行Agent a)、静态开关Agent，其监测微电网与区域电网联络接口的状态，当区域电网发生故障或者恢复故障时，切换微电网的运行状态；b)、微电网运行Agent，其代表系统运行层协调微电网之间或微电网与区域电网之间的协作，将微电网作为一个统一个体参加区域电网的电力市场调度，并根据自身发电能力的大小和区域电力市场价格决定下一阶段的总体策略。本发明基于MAS的多微电网能量管理系统仿真方法的特点也在于所述本地管理层、微电网管理层和协调管理层上不同的控制层内的Agent采用客户端-服务器架构集成，形成基于多代理技术的多微电网能量管理系统仿真平台；在所述基于多代理技术的多微电网能量管理系统仿真平台中，包含一个服务器端和多个客户端；微电网管理层和微电网协调管理层包含的Agent在服务器端采用函数和组件的方法来实现，每个Agent都向其他微电网本地管理层的Agent提供服务并且通过协调控制对微电网进行管理和运行；在所述服务器端，定义管理服务Agent和目录服务Agent，其中当用户在平台上生成、删除、移走或移入一个Agent,所述管理服务Agent都记录下来,实现对Agent的登记管理；所述目录服务Agent记录各个Agent的服务类型，用于具有不同服务类型的Agent共同协作完成复杂的微电网能量管理的任务；所述基于多代理技术的多微电网能量管理系统包含多种不同的类型的Agent客户端，所述不同的类型的Agent客户端实现微电网中的本地管理层的能量管理；一个Agent客户端用于实现具体的本地设备的控制，根据客户端所管理设备的不同，将客户端划分为发电Agent、负载Agent和储能Agent ;—个Agent客户端上有多个Agent协作来管理这个设备，其中最基本的Agent包括控制Agent、状态Agent和通讯Agent,所述通讯Agent代表该客户端与微电网管理层或者其他客户端进行协作。本发明基于MAS的多微电网能量管理系统仿真方法的特点还在于所述基于多代理技术的多微电网能量管理系统仿真平台中客户端与服务器端之间通讯要求，设置所需的通讯协议，服务器端利用所述通讯协议监听客户端的请求服务器端处于微电网管理层的Agent利用所述通讯协议收集客户端的信息或者发布命令；处于微电网协调管理层的微电网运行Agent通过所述通讯协议连接远程的电力市场服务器从而参加到电力市场之中；
所述通讯协议是以TCP/IP协议为基础，根据Agent在信息传递过程中表现出的固有的层次性分为传输层、通信层和交互层，并且下层为上层提供服务，所述传输层处于最底层，即计算机协议层，由所述传输层将通讯协议层的消息通过计算机网络协议传达；所述通信层处于第二层，即通讯协议层，在所述通讯协议层中定义信息类型标识、信息长度和与信息类型标识对应的设备状态数据结构；所述交互层处于第三层，即交互协议层，所述交互协议层通过将通讯协议层表达出的一系列实现协调、协商或者协作的语言进行组合，在交互协议层的上层策略的指导下完成各Agent之间的的协作和约定。与已有技术相比，本发明有益效果体现在1、本发明基于多代理理论，建立多微电网能量管理系统分层、分布能量控制模型，从而可以实现微电网本地管理层、微电网管理层和微电网协调管理层的分布快速控制和全局能量的高效协调管理相统一的基于多代理技术的多微电网能量管理系统模型；2、本发明基于多代理技术的多微电网能量管理系统模型体系结构，结构实现简单，但扩展灵活。不但新设备的各种模型可以通过添加不同的Agent来实现，而且能量管理中需要的新功能也可以通过添加一种这种功能的Agent来实现，从而使得微电网能量控制策略的更改与扩充具有灵活性、开放性和高度自治性；3、本发明基于多代理技术的多微电网能量管理系统模型体系结构，不仅可以与物理硬件相结合以实现整个微电网动态的网络环境，实现微电网系统运行的全数字化仿真，还可以通过微电网单元Agent中发电模型的嵌入和控制Agent中控制策略的灵活设计,使其更容易实现多微电网系统的实时能量管理与控制，方便对不同能量管理策略的效果的评估，提供了一个可以兼备实时运行控制和科学研究平台相统一的系统；4、本发明中MAS模型不仅在整个微电网层面上，客户端上的本地控制也可以在执行微电网管理层发出的总体目标的基础上，进行局部优化；并且利用客户端之间通信迅速的特点，采用统一的协议就可以使Agent客户端之间实现一些复杂的协作,某个Agent客户端可以主动发起会话，与一个或者多个Agent客户端之间进行合作，对当前的负荷进行小范围内的重新分配，以达到快速局部优化的目的。5、本发明中Client-Server多代理系统架构，在对客户端扩充的基础上，可以方便实现多微网的能量管理系统的仿真。
图1为本发明基于多代理技术的多微电网能量管理系统代理功能示意图；图2为本发明实施例仿真实验微电网拓扑结构；图3为本发明基于多代理技术的多微电网能量管理系统结构示意图；图4为本发明实施例一个典型的本地Agent结构示意图；图5a不同温度下太阳能电池特性曲线；图5b不同光照下太阳能电池特性曲线；图6为本发明实施例风机模型的特性曲线；图7为本发明实施例单个燃料电池输出特性曲线；图8为本发明实施例单个蓄电电池输出特性曲线；图9为本发明实施例一次调频频率-功率静态特性；
图10为本发明实施例SCADAAgent结构；图11为本发明实施例协调控制Agent结构示意图；图12为本发明实施例MRE分配过程示意图；图13为本发明实施例经济调度算法流程；
图14为本发明实施例静态开关Agent结构示意图；图15为本发明实施例微电网运行Agent结构示意图。
具体实施例方式针对由光伏发电、风力发电、燃料电池，微型燃气轮机等微电源发电系统、铅酸蓄电池和超级电容器等储能单元、以及交流负载和直流负载组成的微电网系统(如图2所示)来说明本发明的具体实施方式
。所考虑微电网用到的设备配置如表I所示表1、微电网配置参数
设备名称参数说明
~太阳能电站I直流侧电压600\ζ电流20Α，最大功率12kw
~太阳能电站2M太阳能电站I
~风力发电站额定功率13kw
燃料电池50中x20并,. :流侧电压50V,最人电流800Α，最人功率20kw^
燃气轮机额定功率20kw单个电池12V, 400Ah,蓄电池组4串χ20并
蓄电池组I
直流侧电压48V，电流400Α，最大功率20kw,32000Ah
^蓄电池组2ill
要负载在任何情况下保证优先供电，功率在6kw左右
普通负载I齊通负载，功率小P20kw
普通负载2齊通负载，功率小子15kw对图1所示微电网系统，设计多Agent能量管理系统模型及仿真系统，如图3所示，多Agent能量管理系统模型包括本地管理层，微电网管理层和微电网协调管理层。各能量层的设计如下1、本地管理层的Agent设计在本地控制管理层分别设置与相应的分布式发电单元、储能单元和负载单元相对应的本地管理模块光伏发电管理模块、风力发电管理模块、燃料电池管理模块和微型燃气轮机管理模块等。典型的本地能量管理Agent具体结构如图4所示,包括单元模型Agent、状态Agent、本地控制Agent和通讯Agent,其中状态Agent实时监控本地设备模型的状态，同时将这些信息传递给控制Agent ;控制Agent则根据这些信息对单元模型的输出进行实时控制；通讯Agent负责将微电源设备运行的电气数据传递给微电网管理层的SCADA Agent,并接受微电源的有功、无功设定值以满足微电网系统中微电源Agent协作和微电网管理层Agent优化调度的的要求。单元模型Agent、状态Agent、本地控制Agent和通讯Agent实现方式如下
I)单元模型Agent的设计单元模型Agent包含对应的单元能量计算模型，不同的发电单元对应不同的模型，在本实施时列中包括光伏阵列模型Agent、风力发电模型Agent、燃料电池模型Agent和蓄电池模型Agent,其中a)、光伏阵列模型Agent，其包含了光伏太阳电池能量计算模型，光伏阵列的输出电流Ipv如式⑴所示
权利要求
1.基于MAS的多微电网能量管理系统仿真方法，其特征是 将多微电网能量管理系统划分为本地管理层、微电网管理层和微电网协调管理层三个不同的层次；所述本地管理层用于管理微电网中的微电源使其按已有计划正常工作，实时满足供需平衡，维持频率稳定；所述微电网管理层通过微电源的协调控制，孤网运行时减少微电网电压及频率偏差幅度，并网运行时减少公共电网耦合节点的交换功率与计划值的偏差，并且实现微网内的经济调度，提高可再生能源在微电网中的利用比例及充分利用发电中产生的热能；所述微电网协调管理层通过整个微电网控制，完成多个微电网间的协作目标或大电网的控制目标，并且在微电网故障时切换微电网运行，协调微电网内各个微电源使微电网过渡平稳； 所述本地管理层、微电网管理层和微电网协调管理层三个不同层次上具备的各种能量管理功能采用不同类型的Agent来建立多微电网能量管理系统仿真模型，所述本地管理层、微电网管理层和微电网协调管理层上的Agent的角色和功能定义如下 1)本地管理层，其设有单元模型Agent、状态Agent、本地控制Agent和通讯Agent a)、所述单元模型Agent，其包含但不限于如下微电源的能量计算模型光伏电站输出功率计算模型，风力发电系机组输出功率计算模型，燃料电池输出功率计算模型，蓄电池输出功率及荷电状态计算模型，燃气轮机输出功率计算模型，负载功率计算模型；所述能量计算模型为微电网能量管理系统提供微电网动态运行的数字仿真计算数据； b)、所述状态Agent，其实时监控本地设备的状态，包括微电网发电设备的输出功率、输出电压和输出频率以及分布式发电单元、储能单元或负载单元所连接微电网母线的电流、电压和频率的信息，所述状态Agent —方面将这些信息显示出来，另一方面将这些信息传递给所述本地控制Agent ； c)、所述本地控制Agent，其根据微电网管理层的决策指令以及所述状态Agent提供的本地设备的状态，按照所设计的微电网控制器算法，实现对分布式发电单元、储能单元的有功、无功功率进行管理，对负荷实现相应的需求侧管理，并且在线路出现故障时，对本地设备进行保护动作；所述本地设备为连接至微电网电气网络不同节点的微电源、接触器、断路器以及负荷单兀；所述微电源包含光伏发电系统，风力发电系统，燃料电池，微型燃气轮机和蓄电池； d)、所述通讯Agent,其负责与本地管理层中各本地Agent之间以及各本地Agent与微电网管理层的Agent之间的信息交换； . 2)微电网管理层，其设有微电网数据采集SCADAAgent、协调控制Agent、经济优化调度Agent、潮流分析Agent、能量预测Agent和历史故障分析Agent a)、所述SCADAAgent，其通过远端数据采集单元(RTU)收集微电网内设备的状态和运行数据，同时向低层控制单元定向下发来自微电网中央控制器的设定控制命令，对微电网中的设备的实时运行状态进行监控； b)、所述协调控制Agent，其根据SCADAAgent获得的微电网实时运行状态数据修改本地各设备的发电计划，通过设定微电网中可调度设备的功率和电压运行的参考点，使微电网频率稳定，功率平衡以达到微电网内自动发电协调协调控制的目的，并且实现微电网整体效益最大，微电网网损最低的微电网管理目标； c)、所述经济调度Agent，其根据潮流的优化和经济性原则，对可再生能源的超短期预测以及微电网中发电设备的投标信息，应用多因子评价方法基础上的合同网协调、市场竞标机制和粒子群算法，制定微电网内的各发电单元未来24小时的经济协调调度计划，对微电网的运行进行经济性优化； d)、所述潮流分析Agent，其根据SCADAAgent收集的数据和对网络拓扑的分析，对微电网内的潮流进行计算分析，并且对微电网中的潮流进行优化，以减少线路上的损耗，在保证整个微电网的稳定性的同时，使其经济性达到最优； e)、所述能量预测Agent，其根据发电的历史数据和天气预测数据对可再生能源发电的电站进行能量的超短期预测；并从实时数据库和历史数据库中分析数据，利用强化学习算法，不断地对自己的预测值进行优化； f)、所述历史故障分析Agent，其对整个微电网运行中出现的故障进行分析，避免下一次控制器又采取相同的命令引发故障； 3)微电网协调管理层，其设有静态开关Agent和微电网运行Agent a)、静态开关Agent，其监测微电网与区域电网联络接口的状态，当区域电网发生故障或者恢复故障时，切换微电网的运行状态； b)、微电网运行Agent，其代表系统运行层协调微电网之间或微电网与区域电网之间的协作，将微电网作为一个统一个体参加区域电网的电力市场调度，并根据自身发电能力的大小和区域电力市场价格决定下一阶段的总体策略。
2.根据权利要求1所述的基于MAS的多微电网能量管理系统仿真方法，其特征是 所述本地管理层、微电网管理层和协调管理层上不同的控制层内的Agent采用客户端-服务器架构集成，形成基于多代理技术的多微电网能量管理系统仿真平台；在所述基于多代理技术的多微电网能量管理系统仿真平台中，包含一个服务器端和多个客户端；微电网管理层和微电网协调管理层包含的Agent在服务器端采用函数和组件的方法来实现，每个Agent都向其他微电网本地管理层的Agent提供服务并且通过协调控制对微电网进行管理和运行；在所述服务器端，定义管理服务Agent和目录服务Agent，其中当用户在平台上生成、删除、移走或移入一个Agent，所述管理服务Agent都记录下来，实现对Agent的登记管理；所述目录服务Agent记录各个Agent的服务类型，用于具有不同服务类型的Agent共同协作完成复杂的微电网能量管理的任务； 所述基于多代理技术的多微电网能量管理系统包含多种不同的类型的Agent客户端，所述不同的类型的Agent客户端实现微电网中的本地管理层的能量管理；一个Agent客户端用于实现具体的本地设备的控制，根据客户端所管理设备的不同，将客户端划分为发电Agent、负载Agent和储能Agent ;—个Agent客户端上有多个Agent协作来管理这个设备，其中最基本的Agent包括控制Agent、状态Agent和通讯Agent,所述通讯Agent代表该客户端与微电网管理层或者其他客户端进行协作。
3.根据权利要求1所述的基于MAS的多微电网能量管理系统仿真方法，其特征是 所述基于多代理技术的多微电网能量管理系统仿真平台中客户端与服务器端之间通讯要求，设置所需的通讯协议，服务器端利用所述通讯协议监听客户端的请求服务器端处于微电网管理层的Agent利用所述通讯协议收集客户端的信息或者发布命令；处于微电网协调管理层的微电网运行Agent通过所述通讯协议连接远程的电力市场服务器从而参加到电力市场之中；所述通讯协议是以TCP/IP协议为基础，根据Agent在信息传递过程中表现出的固有的层次性分为传输层、通信层和交互层，并且下层为上层提供服务，所述传输层处于最底层，即计算机协议层，由所述传输层将通讯协议层的消息通过计算机网络协议传达；所述通信层处于第二层，即通讯协议层，在所述通讯协议层中定义信息类型标识、信息长度和与信息类型标识对应的设备状态数据结构；所述交互层处于第三层，即交互协议层，所述交互协议层通过将通讯协议层表达出的一系列实现协调、协商或者协作的语言进行组合，在交互协议层的上层策略的指 导下完成各Agent之间的的协作和约定。
全文摘要
本发明基于MAS的多微电网能量管理系统仿真方法，其特征是将多微电网能量管理系统划分为本地管理层、微电网管理层和微电网协调管理层三个不同的层次；不同层次上具备的各种能量管理功能采用不同类型的Agent来建立多微电网能量管理系统仿真模型，同时设计了Agent通讯协议以完成各Agent之间的协作和约定；本地管理层、微电网管理层和协调管理层上不同的控制层内的Agent采用客户端-服务器架构进行集成，形成了基于多代理技术的多微电网能量管理系统仿真平台。本发明为不同的微电网控制策略和调度计划提供了一种验证方法。
文档编号H02J3/06GK103001225SQ201210456910
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月14日 优先权日2012年11月14日
发明者茆美琴, 杜燕, 汪海宁, 张健, 苏建徽, 张国荣, 金鹏 申请人:合肥工业大学