基于MAS的双模式分布式光伏发电微网控制系统及方法与流程

本发明属于可再生能源发电系统技术领域，特别是一种基于多智能体系统(multi-agentsystem，mas)的双模式分布式光伏发电微网控制系统及方法。

背景技术：

随着电力需求的不断攀升，以集中式供电为主体的大电网显现出越来越多的弊端，如污染严重、运行难度大、升级成本高、受攻击后(如雪灾、线路故障等)安全性能低、偏远地区架设成本高等，而分布式光伏发电采用的是清洁可再生能源，安装便捷，污染少且利用率高，而且对大电网还具有调峰填谷的作用，由此成为了大电网的有效补充。

但随着大量分散的小容量分布式电源接入大电网，对系统的安全控制将造成严重考验。传统的微电网系统多基于静态情况下，结构固定不变，采用的是以中央控制器为主的集中式控制，只具备简单的数据采集监测、装置投切功能，基本不能实现各分布式发电的协调控制，违背于微电网分布式能源分散的本质。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种硬件成本低、实时控制精度高、高效安全的基于mas的双模式分布式光伏发电微网控制系统及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于mas的双模式分布式光伏发电微网控制系统，包括一个主控智能体和多个子智能体，所述子智能体包括逆变器、蓄电池双向变换器、光伏控制器、负荷控制器，该系统采用基于光伏控制器的分布式光伏发电系统拓扑结构；

所述光伏控制器，连接光伏电池组件，用于实现最大功率点跟踪功能，并将光伏电池组件输出电压升至650vdc连接至直流母线；

所述蓄电池双向变换器，用于管理蓄电池，稳定离网模态下的直流母线电压；

所述逆变器，根据光伏出力和负荷情况调节输出功率，稳定并网模态下的直流母线电压；

所述负荷控制器，通过双向智能电表与逆变器连接，用于控制直流负载和交流负载；

所述主控智能体，用于管理各子智能体，以及对分布式光伏发电站并网接入点和整体区域的监测，并实现对微网系统进行网络恢复、重组、发电调度、负荷管理的决策。

进一步地，每块光伏电池组件输出端连接一个光伏控制器，光伏控制器由直流-直流变换器电路组成，8路输出端汇总到直流母线端；蓄电池通过直流双向变换器并入到直流母线上，作用是稳定直流母线电压；逆变器输入端连接蓄电池变换器输出侧母线端，输出端通过双向智能电表连接交流负载和电网。

进一步地，所述主控智能体采用有线+无线通信方式：将系统中所有光伏控制器进行分组，每组含有一个gprs模块和不多于255个光伏控制器，每组中的光伏控制器均通过rs485总线与本组的gprs模块相连；每组的gprs模块与上位机实现无线通信，采集上传本组所有光伏发电模块的状态信息，下达上位机给光伏控制器的指令，实现所有光伏发电模块的状态监控与故障诊断；户内其它子智能体均采用rs485通信。

一种基于mas的双模式分布式光伏发电微网控制方法，步骤如下：

步骤1、构建包括逆变器、蓄电池双向变换器、光伏控制器、负荷控制器的子智能体模型；

步骤2、采用有线+无线的通信方式，建立主控智能体和各子智能体间的通信；

步骤3、建立并网/离网模态下的连续动态模型、连续动态和离散变量的混杂切换系统模型、多智能体分布式光伏发电系统仿真模型；

步骤4、建立基于java语言的多智能体系统开发软件框架，在多台计算机中基于jade平台、eclipse软件、mysql数据库进行系统软件开发；

步骤5、进行暂态模式逆变器执行过程控制。

进一步地，步骤1所述的构建包括逆变器、蓄电池双向变换器、光伏控制器、负荷控制器的子智能体模型，具体如下：

步骤1.1、构建逆变器、蓄电池双向变流器、光伏控制器、负荷控制器的子智能体模型，其中结构模型包括感知、反应、动作、建模、规划、决策和通信模块，硬件部分包括电源电路、采集电路、i/o电路、时钟电路、非易失存储器、usb接口、通讯接口、人机界面、通讯设备和中心控制单元dsp；

所述蓄电池双向变换器进行蓄电池管理，稳定离网模态下的直流母线电压；光伏控制器进行高升压比升压和故障诊断，根据系统功率确定光伏控制器之间、光伏控制器与其它子智能体之间的协同工作，控制光伏发电组件进行发电；负荷控制器感知并监测负荷的电力需求量，并将此需求信息发送至主控智能体；

步骤1.2、根据构建的子智能体模型，基于逆变器建立感知模块：即通过传感器对逆变器的输入输出电压u、电流i，以及电网电压ug、电流ig进行检测；对环境温度t°、湿度rh，以及包括igbt、电感l、电容c的器件温度进行检测；设置逆变器与其它子智能体的通信接口；若遇到过流、过压、过载、过热的情况，中心控制单元dsp会立即封锁pwm驱动波的产生，同时驱动芯片保护电路关断igbt，并且外部继电器电路切除功率回路的输入源；

步骤1.3、根据构建的子智能体模型，基于建模、知识库确定决策生成模块，具体如下：根据建模提供的信息，然后在知识库支持下制定相应的内部控制规则；知识库规定了在何种感知信息和内部状态的前提下，逆变器采取何种控制以改变环境和内部自身的状态，具体实现过程是：通过自己内部的感知器获取外部信息，即首先经过控制层模块，对于简单情况，直接根据控制规则输出控制指令，推动效应器作出反应，这就是“感知-动作”模式；对于复杂情况，须经控制层模块启动规划层模块，依据控制规则、自身的知识、历史信息和当前状态作出规划，然后上传至决策层模块，一旦决策形成由控制层模块发出指令，效应器便作出反应，规划层模块负责生成动作方案，决策层模块负责方案寻优，这两个模块含有智能算法和优化算法，具有智能模拟的行为。

进一步地，步骤2所述的采用有线+无线的通信方式，建立主控智能体和各子智能体间的通信，具体如下：

步骤2.1、将系统中所有光伏控制器智能体分组，每组含有一个gprs模块和不多于255个光伏控制器，每组中的光伏控制器均通过rs485总线与本组的gprs模块相连；

步骤2.2、每组的gprs模块与上位机实现无线通信，采集上传本组所有光伏发电模块的状态信息，下达上位机给光伏控制器的指令，实现所有光伏发电模块的状态监控与故障诊断；

步骤2.3、组内其它光伏控制器之间均采用rs485通信。

进一步地，步骤3所述的建立并网/离网模态下的连续动态模型、连续动态和离散变量的混杂切换系统模型、多智能体分布式光伏发电系统仿真模型，具体如下：

步骤3.1、在分析并网/离网模态的工作机理基础上，建立各模态连续动态模型，分析模型切换条件，建立连续动态和离散变量的混杂切换系统模型；进一步分析光伏组件和蓄电池容量、控制参数对光伏发电系统稳定性和动态特性的影响，并通过dspace系统验证所建模型的有效性及系统稳定性；

步骤3.2、建立各智能体之间的通信架构，制定协调策略、协作方法、协商机制；

步骤3.3、利用simulink建立多智能体分布式光伏发电系统仿真模型，基于jade平台建立mas的通信框架，完成智能体之间的通信和控制。

进一步地，步骤4所述的建立基于java语言的多智能体系统开发软件框架，在多台计算机中基于jade平台、eclipse软件、mysql数据库进行系统软件开发，具体如下：

步骤4.1、建立基于java语言的多智能体系统开发软件框架，在多台计算机中基于jade平台、eclipse软件、mysql数据库进行系统软件开发；

步骤4.2、采用java设计分布式光伏发电系统监控软件，实现电站运行、电能质量监测、交易结算、数据统计分析、故障诊断报警、实时状态显示、历史记录、系统管理、时钟同步、系统自诊断与自恢复的功能；

步骤4.3、在jade平台上构建主控智能体模型和通信架构，包括系统界面开发以及数据库的建立，主控智能体与界面和数据库的操作；

步骤4.4、根据智能物理代理基金会fipa规范标准，继承jade提供的通用智能体基类，实现在平台上的交互和自定义行为。

进一步地，步骤5所述的进行暂态模式逆变器执行过程控制，具体如下：

步骤5.1、当负荷增减时，逆变器智能体发出能量协调信号，控制逆变器出力大小；

步骤5.2、当双模式切换时，逆变器智能体发出控制策略切换信号；

步骤5.3、当系统遇到孤岛、故障时，逆变器智能体首先发出与大电网断开的命令，然后切换控制策略，同时逆变器智能体根据检测到的功率变化，经过自身的决策机制计算出差值，判断逆变器出力是否满足负荷要求，若逆变器满功率仍不能满足负荷要求，则逆变器智能体会发出指令通知切除相关非重要负荷，以保证功率平衡，待故障消除或达到并网条件后，再恢复非重要负荷。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)各元件可以实现自主的运行，并根据其所在环境的变化以及预先设置的任务，相应地做出一些在自身领域内简单的调整；(2)各元件通过协同作用来完成复杂的控制，不需要中央控制系统来处理海量的数据，降低了硬件成本；(3)不同的微电网元件可以设置不同的控制策略，实现控制的合理性和最优化，提高了实时控制的精度，并提高了整个微网的高效性和安全性。

附图说明

图1为本发明基于mas的双模式分布式光伏发电微网控制系统的结构示意图。

图2为本发明基于mas的双模式分布式光伏发电微网控制系统的原理框图。

图3为本发明中单个智能体单元模型的结构示意图。

图4为本发明基于mas的双模式分布式光伏发电微网控制方法的流程示意图。

图5为本发明中基于java语言的多agent系统开发软件的框架示意图。

图6为本发明中两种工况下逆变器智能体执行过程的流程示意图，其中(a)为负荷改变时的工作流程图，(b)为并网离网模态切换时的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

结合图1、图2，本发明基于mas的双模式分布式光伏发电微网控制系统，包括一个主控智能体和多个子智能体，所述子智能体包括逆变器、蓄电池双向变换器、光伏控制器、负荷控制器，该系统采用基于光伏控制器的分布式光伏发电系统拓扑结构；

所述光伏控制器，连接光伏电池组件，用于实现最大功率点跟踪功能，并将光伏电池组件输出电压升至650vdc连接至直流母线；

所述蓄电池双向变换器，用于管理蓄电池，稳定离网模态下的直流母线电压；

所述逆变器，根据光伏出力和负荷情况调节输出功率，稳定并网模态下的直流母线电压；

所述负荷控制器，通过双向智能电表与逆变器连接，用于控制直流负载和交流负载；

所述主控智能体，用于管理各子智能体，以及对分布式光伏发电站并网接入点和整体区域的监测，并实现对微网系统进行网络恢复、重组、发电调度、负荷管理的决策。

具体地，每块光伏电池组件输出端连接一个光伏控制器，光伏控制器由直流-直流变换器电路组成，8路输出端汇总到直流母线端；蓄电池通过直流双向变换器并入到直流母线上，作用是稳定直流母线电压；逆变器输入端连接蓄电池变换器输出侧母线端，输出端通过双向智能电表连接交流负载和电网。

所述主控智能体采用有线+无线通信方式：将系统中所有光伏控制器进行分组，每组含有一个gprs模块和不多于255个光伏控制器，每组中的光伏控制器均通过rs485总线与本组的gprs模块相连；每组的gprs模块与上位机实现无线通信，采集上传本组所有光伏发电模块的状态信息，下达上位机给光伏控制器的指令，实现所有光伏发电模块的状态监控与故障诊断；户内其它子智能体均采用rs485通信。

结合图4，本发明基于mas的双模式分布式光伏发电微网控制方法，包括以下步骤：

步骤1、构建包括逆变器、蓄电池双向变换器、光伏控制器、负荷控制器的子智能体模型，结合图3，具体如下：

步骤1.1、构建逆变器、蓄电池双向变流器、光伏控制器、负荷控制器的子智能体模型，其中结构模型包括感知、反应、动作、建模、规划、决策和通信模块，硬件部分包括电源电路、采集电路、i/o电路、时钟电路、非易失存储器、usb接口、通讯接口、人机界面、通讯设备和中心控制单元dsp；

所述蓄电池双向变换器进行蓄电池管理，稳定离网模态下的直流母线电压；光伏控制器进行高升压比升压和故障诊断，根据系统功率确定光伏控制器之间、光伏控制器与其它子智能体之间的协同工作，控制光伏发电组件进行发电；负荷控制器感知并监测负荷的电力需求量，并将此需求信息发送至主控智能体；

步骤1.2、根据构建的子智能体模型，基于逆变器建立感知模块：即通过传感器对逆变器的输入输出电压u、电流i，以及电网电压ug、电流ig进行检测；对环境温度t°、湿度rh，以及包括igbt、电感l、电容c的器件温度进行检测；设置逆变器与其它子智能体的通信接口；若遇到过流、过压、过载、过热的情况，中心控制单元dsp会立即封锁pwm驱动波的产生，同时驱动芯片保护电路关断igbt，并且外部继电器电路切除功率回路的输入源；

步骤1.3、根据构建的子智能体模型，基于建模、知识库确定决策生成模块，具体如下：根据建模提供的信息，然后在知识库支持下制定相应的内部控制规则；知识库规定了在何种感知信息和内部状态的前提下，逆变器采取何种控制以改变环境和内部自身的状态，具体实现过程是：通过自己内部的感知器获取外部信息，即首先经过控制层模块，对于简单情况，直接根据控制规则输出控制指令，推动效应器作出反应，这就是“感知-动作”模式；对于复杂情况，须经控制层模块启动规划层模块，依据控制规则、自身的知识、历史信息和当前状态作出规划，然后上传至决策层模块，一旦决策形成由控制层模块发出指令，效应器便作出反应，规划层模块负责生成动作方案，决策层模块负责方案寻优，这两个模块含有智能算法和优化算法，具有智能模拟的行为。

形式是：rule:if(感知信息的条件字句)then(反应)。首先，知识库内必须装有上述提到的控制策略，然后根据感知信息和目标，自动调节和寻优以满足需求。如①逆变并网：要实现并网最主要的是要保证并网thd满足国标≤5％，通常是对有功无功采用pi控制，但是对于kp/ki的参数设定很难做到精确，而通过建立知识库实现推理、搜索、学习来达到kp/ki参数自动寻优；②环境温度湿度变化应对：温度在逆变器设计中是一个很重要的指标，对于过热可以采用增加散热装置，同时也可以在知识库中建立一种规则，若温度过高，可以适当减少功率输出，经过一段时间的学习，形成一种温度与输出功率的函数关系或者提前经过试验找到这种关系直接放到知识库内，一旦遇到此情况，便可自动调节。对于湿度调节也是如此；③寿命预测：对于寿命预测可分为整体寿命预测和个体元件寿命预测，对其影响的因素有工作时间和故障次数，所以通过记录这些数据，存放到知识库或者人机交互界面，如果达到某个设定值，便会自动报警或语音提示，以便及时维护。

步骤2、采用有线+无线的通信方式，建立主控智能体和各子智能体间的通信，具体如下：

步骤2.1、将系统中所有光伏控制器智能体分组，每组含有一个gprs模块和不多于255个光伏控制器，每组中的光伏控制器均通过rs485总线与本组的gprs模块相连。1)将下位机控制器、rs485总线和主机正确连接；2)给下位机控制器上电；3)客户端输出监控服务器的ip地址，远程操作监控系统。gprs无线通信测试：1)启动监控系统；2)服务器连接；3)将下位机控制器、rs485总线dtu模块正确连接；4)上电；5)待连接成功远程登录到监控系统进行相关操作。

步骤2.2、每组的gprs模块与上位机实现无线通信，采集上传本组所有光伏发电模块的状态信息，下达上位机给光伏控制器的指令，实现所有光伏发电模块的状态监控与故障诊断；具体的实现过程，包括通信系统的界面设计，在通信系统的界面设置参数设置、读寄存器、写寄存器和实时显示数据四个子页面。在参数设置界面，根据实际需要设置服务器的ip地址、端口号和数据采集轮询时间；在读写寄存器界面，户用设置寄存器的起、始地址和寄存器的个数。在数据实时显示界面，户用可以直观的监控设备的通信状态。

步骤2.3、组内其它光伏控制器之间均采用rs485通信。

步骤3、建立并网/离网模态下的连续动态模型、连续动态和离散变量的混杂切换系统模型、多智能体分布式光伏发电系统仿真模型，具体如下：

步骤3.1、在分析并网/离网模态的工作机理基础上，建立各模态连续动态模型，分析模型切换条件，建立连续动态和离散变量的混杂切换系统模型；进一步分析光伏组件和蓄电池容量、控制参数对光伏发电系统稳定性和动态特性的影响，并通过dspace系统验证所建模型的有效性及系统稳定性；

步骤3.2、建立各智能体之间的通信架构，制定协调策略、协作方法、协商机制；

步骤3.3、利用simulink建立多智能体分布式光伏发电系统仿真模型，基于jade平台建立mas的通信框架，完成智能体之间的通信和控制。

步骤4、建立基于java语言的多智能体系统开发软件框架，在多台计算机中基于jade平台、eclipse软件、mysql数据库进行系统软件开发，结合图5，具体如下：

步骤4.1、建立基于java语言的多智能体系统开发软件框架，在多台计算机中基于jade平台、eclipse软件、mysql数据库进行系统软件开发；

步骤4.2、采用java设计分布式光伏发电系统监控软件，实现电站运行、电能质量监测、交易结算、数据统计分析、故障诊断报警、实时状态显示、历史记录、系统管理、时钟同步、系统自诊断与自恢复的功能；

步骤4.3、在jade平台上构建主控智能体模型和通信架构，包括系统界面开发以及数据库的建立，主控智能体与界面和数据库的操作；

步骤4.4、根据智能物理代理基金会fipa规范标准，继承jade提供的通用智能体基类，实现在平台上的交互和自定义行为。

步骤5、进行暂态模式逆变器执行过程控制，结合图6(a)～(b)，具体如下：

步骤5.1、当负荷增减时，逆变器智能体发出能量协调信号，控制逆变器出力大小；

步骤5.2、当双模式切换时，逆变器智能体发出控制策略切换信号；

步骤5.3、当系统遇到孤岛、故障时，逆变器智能体首先发出与大电网断开的命令，然后切换控制策略，同时逆变器智能体根据检测到的功率变化，经过自身的决策机制计算出差值，判断逆变器出力是否满足负荷要求，若逆变器满功率仍不能满足负荷要求，则逆变器智能体会发出指令通知切除相关非重要负荷，以保证功率平衡，待故障消除或达到并网条件后，再恢复非重要负荷。

实施例1

本实施例的分布式光伏发电系统功率为1.5kw，200w多晶硅太阳电池组件8块，200w光伏控制器8套，蓄电池48v/100ah(由单体电压3.2v的磷酸铁锂蓄电池串并联)，600w双向变换器1套，1.5kw并网逆变器1台。系统与大电网切断后，可模拟离网模式即孤岛情况下的发供电系统。

光伏电池组件是本微网系统的核心，其作用是为负载提供能量以及为蓄电池充电；光伏控制器作用是控制光伏电池组件发电，以单独实现最大功率点跟踪，提高能源利用率；蓄电池双向变换器负责管理蓄电池，提供电池最佳充放电程序，以使其达到最佳能量密度、功率密度，同时稳定直流母线电压；双模式逆变器是系统中最主要的设备，负责将光伏组件发出的直流电转换成交流电，同时当系统能量不足时从电网吸收能量来补偿微网功率平衡，所以它可以根据系统工况决定工作模式、双模式切换以及提供无功补偿来改善系统的电能质量。

本实施例的基于mas的双模式分布式光伏发电微网控制系统有并网和离网两种稳态运行模式，以及并网到离网模式切换和离网到并网模式切换两种暂态模式。在本实施例中，主要考虑暂态模式，逆变器是系统中最主要的设备，使其能够动态的应对外界环境变化，当负荷增减时，逆变器智能体会发出能量协调信号，控制逆变器出力大小；当需要双模式切换时，逆变器智能体会发出控制策略切换信号。当系统遇到孤岛、故障时，逆变器智能体首先发出与大电网断开的命令，然后切换控制策略，同时逆变器agent会检测到功率的变化，经过自身的决策机制计算出差值，并判断逆变器出力是否满足负荷要求，若逆变器满功率仍不能满足负荷，智能体会通知切除相关非重要负荷，以保证功率平衡。待故障消除或达到并网条件，再恢复非重要负荷。

在本实施例中，每块光伏电池组件输出端连接一个光伏控制器，光伏控制器由直流-直流变换器电路组成，8路输出端汇总到直流母线端；蓄电池储能系统中，蓄电池通过直流双向变换器并入到直流母线上；逆变器输入端连接蓄电池变换器输出侧母线端，输出端通过双向智能电表连接交流负载和电网；主控智能体采用有线+无线通信方式：将系统中所有光伏控制器分为若干组，每组含有一个gprs模块和不多于255个光伏控制器，每组中的光伏控制器均通过rs485总线与本组的gprs模块相连；每组的gprs模块与上位机实现无线通信，采集上传本组所有光伏发电模块的状态信息，下达上位机给光伏控制器的指令，实现所有光伏发电模块的状态监控与故障诊断；户内其它智能体均采用rs485通信。

通过本实施例可知，本发明基于mas的双模式分布式光伏发电微网控制系统及方法，各元件可以实现自主的运行，并根据其所在环境的变化以及预先设置的任务，相应地做出一些在自身领域内简单的调整；各元件通过协同作用来完成复杂的控制，不需要中央控制系统来处理海量的数据，降低了硬件成本；不同的微电网元件可以设置不同的控制策略，实现控制的合理性和最优化，提高了实时控制的精度，并提高了整个微网的高效性和安全性。