能源互聯(lián)網(wǎng)分布式設(shè)備協(xié)調(diào)控制軟件系統(tǒng)平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

鄭宇，程樂峰，孟科，余濤，張睿，李正佳

（1. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州市 510080；2. 蘇州華天國科電力科技有限公司，江蘇 蘇州 215000）

能源互聯(lián)網(wǎng)分布式設(shè)備協(xié)調(diào)控制軟件系統(tǒng)平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

鄭宇1，程樂峰2，孟科1，余濤2，張睿1，李正佳2

（1. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州市 510080；2. 蘇州華天國科電力科技有限公司，江蘇 蘇州 215000）

在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，研究復(fù)雜多網(wǎng)流系統(tǒng)及其多尺度精細(xì)建模問題具有重要意義，基于此，設(shè)計(jì)一種基于能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式設(shè)備協(xié)調(diào)控制軟件系統(tǒng)平臺(tái)。首先研究超大規(guī)模分布式設(shè)備與配電網(wǎng)的互動(dòng)機(jī)制，以及含電動(dòng)汽車的分布式設(shè)備協(xié)調(diào)控制，和支持海量的分布式設(shè)備協(xié)調(diào)控制的一致性算法。然后，利用JADE多智能體，設(shè)計(jì)分布式設(shè)備協(xié)調(diào)控制的軟件原型技術(shù)框架，及分布式設(shè)備并網(wǎng)支撐平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)。所設(shè)計(jì)的分布式設(shè)備協(xié)調(diào)控制軟件系統(tǒng)方案滿足實(shí)現(xiàn)大規(guī)模分布式設(shè)備接入配電網(wǎng)的通用標(biāo)準(zhǔn)，有助于加快分布式設(shè)備的投產(chǎn)并網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，為發(fā)展支持分布式發(fā)電、儲(chǔ)能、可控負(fù)荷等設(shè)備即插即用的標(biāo)準(zhǔn)接口提供借鑒和參考。

能源互聯(lián)網(wǎng)；分布式設(shè)備；協(xié)調(diào)控制；多網(wǎng)流系統(tǒng)；JADE；接入標(biāo)準(zhǔn)

Citation: ZHENG Yu, CHENG Le-feng, MENG Ke, et al. Coordinated Control Software System Platform Scheme Design for Distributed Equipment under Energy Interconnection[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(11) : 15-34.

0 引言

自20世紀(jì)80年代以來，能源行業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)、組織結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)模式就一直在逐步地發(fā)生轉(zhuǎn)變[1-3]。推動(dòng)這一轉(zhuǎn)變的主導(dǎo)性因素包括[2]：①由于化石能源廣泛利用所導(dǎo)致的氣候變化等環(huán)境危機(jī)日益深化；②隨著人口眾多的發(fā)展中國家的崛起，傳統(tǒng)的依賴不可再生能源的工業(yè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式難以持續(xù)；③可再生能源與信息技術(shù)的快速發(fā)展。能源行業(yè)變革的最終目標(biāo)是建立更加高效、安全與可持續(xù)的能源利用模式，從而解決能源利用這一人類社會(huì)面臨的重大難題。能源互聯(lián)網(wǎng)（energy interconnection）概念[2-3，4-10]一經(jīng)提出，同時(shí)引發(fā)了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注?？稍偕履茉矗╮enewable energy）風(fēng)電、光伏發(fā)電等作為分布式電源在新的智能電網(wǎng)體系下扮演著重要角色。以分布式可再生能源發(fā)電為基礎(chǔ)，構(gòu)建可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高速、雙向的電力數(shù)據(jù)讀取和可再生能源接入的能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。在配網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)，能源互聯(lián)網(wǎng)的主要組成部分包括[11]：分布式可再生能源、儲(chǔ)能裝置、智能家居和電動(dòng)汽車等分布式設(shè)備。分布式可再生能源是未來世界能源技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，具有能源利用率高、環(huán)境負(fù)面影響小、可提高能源供應(yīng)可靠性等優(yōu)勢(shì)。

能源互聯(lián)網(wǎng)的概念被提出后，引發(fā)了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注[2，8，12，13]。作為新能源的風(fēng)電、光伏發(fā)電等作為分布式電源在新的智能電網(wǎng)體系下扮演著重要角色[14]。以分布式可再生能源發(fā)電為基礎(chǔ)，構(gòu)建可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高速、雙向的電力數(shù)據(jù)讀取和可再生能源接入的能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[15]。在配電網(wǎng)和用戶側(cè)，能源互聯(lián)網(wǎng)的主要組成部分包括，分布式可再生能源、儲(chǔ)能裝置、智能家居和電動(dòng)汽車等分布式設(shè)備。分布式可再生能源是未來世界能源技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，具有能源利用率高、環(huán)境負(fù)面影響小、可提高能源供應(yīng)可靠性等優(yōu)勢(shì)[16]。

能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心目的是利用互聯(lián)網(wǎng)及其他前沿信息技術(shù)，促進(jìn)以電力系統(tǒng)為核心的大能源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的信息交互，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)與消耗的實(shí)時(shí)平衡[2]。因此，為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？稍偕茉?，如光伏、風(fēng)電等的穩(wěn)定利用，海量分布式設(shè)備的廣域協(xié)調(diào)和即插即用將是能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于分布式設(shè)備接入的協(xié)調(diào)優(yōu)化與控制是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要研究?jī)?nèi)容之一。分布式設(shè)備的協(xié)調(diào)與控制重點(diǎn)關(guān)注含分布式電源與儲(chǔ)能設(shè)備的智能配電網(wǎng)或微網(wǎng)的能量管理、無功與電壓控制等問題。從智能配電網(wǎng)或微網(wǎng)的角度出發(fā)，針對(duì)分布式電源、儲(chǔ)能、可控負(fù)荷等設(shè)備接入的研究，文獻(xiàn)[17]建立了電動(dòng)汽車和分布式發(fā)電協(xié)調(diào)控制的多目標(biāo)優(yōu)化模型，可很好地匹配負(fù)荷和分布式發(fā)電的功率波動(dòng)，降低分布式發(fā)電間歇性對(duì)電網(wǎng)的影響；文獻(xiàn)[18]提出一種多逆變型分布式電源協(xié)調(diào)控制的微電網(wǎng)諧波控制方法，能夠有效地協(xié)調(diào)多個(gè)逆變型電源對(duì)微電網(wǎng)中的諧波進(jìn)行抑制；文獻(xiàn)[16]則針對(duì)分布式電源及其接入電力系統(tǒng)時(shí)的若干研究課題進(jìn)行了綜述研究，包括：當(dāng)DG在規(guī)劃方案中的比重增加時(shí)，系統(tǒng)的復(fù)雜度成倍增加，DG的接入還會(huì)對(duì)配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、負(fù)荷預(yù)測(cè)、變電站的選址等產(chǎn)生的影響；電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，DG對(duì)電力系統(tǒng)原有的電網(wǎng)頻率、電力潮流及電壓振蕩、高次諧波等產(chǎn)生影響；含DG電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的特征主要表現(xiàn)在孤島效應(yīng)及系統(tǒng)可靠性、短路容量上；浙江大學(xué)趙俊華等學(xué)者則分別研究了電力信息物理融合系統(tǒng)的建模分析與控制研究框架[19]、從智能電網(wǎng)到能源互聯(lián)網(wǎng)的基本概念和研究框架[2]及電動(dòng)汽車對(duì)電力系統(tǒng)的影響及其調(diào)度與控制問題[20]。文獻(xiàn)[21-24]則提出分布式電源、儲(chǔ)能和可控負(fù)荷等設(shè)備的接入主要圍繞如下幾個(gè)方面進(jìn)行：1）分布式設(shè)備接入對(duì)配電系統(tǒng)的影響分析，重點(diǎn)關(guān)注配電系統(tǒng)穩(wěn)定性、保護(hù)、電能質(zhì)量和可靠性等問題；2）分布式設(shè)備的規(guī)劃問題，重點(diǎn)在于分布式電源與儲(chǔ)能設(shè)備在配電系統(tǒng)內(nèi)的選址與定容；3）分布式設(shè)備的協(xié)調(diào)與控制，重點(diǎn)在于分布式電源與儲(chǔ)能設(shè)備的智能配電網(wǎng)或微網(wǎng)的能量管理、無功與電壓控制等問題；文獻(xiàn)[25]則對(duì)光伏發(fā)電接入智能配電網(wǎng)后的系統(tǒng)問題進(jìn)行了綜述研究，包括光伏電站建模、基本運(yùn)行特征、光伏電站建設(shè)規(guī)劃及出力預(yù)測(cè)、含光伏電源的智能配電網(wǎng)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)潮流、電壓與無功平衡、電能質(zhì)量、繼電保護(hù)、故障與可靠性、微網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性、優(yōu)化調(diào)度與協(xié)調(diào)運(yùn)行等內(nèi)容；文獻(xiàn)[26]則考慮到電動(dòng)汽車充電負(fù)荷隨機(jī)分布和局部集中分布兩種方式，詳細(xì)研究了其接入配電網(wǎng)的電壓和損耗特性，并對(duì)關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[27]討論了分布式電源接入配電網(wǎng)側(cè)的的即插即用體系結(jié)構(gòu)，論文分布式電源接入配電網(wǎng)的三種模式和各自的特點(diǎn)。

本文首先分析了大規(guī)模分布式設(shè)備計(jì)入需迫切解決的幾個(gè)問題，進(jìn)而研究了超大規(guī)模分布式設(shè)備與配電網(wǎng)的互動(dòng)機(jī)制，以及含電動(dòng)汽車的分布式設(shè)備協(xié)調(diào)控制，和支持海量的分布式設(shè)備協(xié)調(diào)控制的一致性算法，基于此，最終設(shè)計(jì)一種基于能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式設(shè)備協(xié)調(diào)控制軟件系統(tǒng)平臺(tái)方案，該平臺(tái)為基于JADE的多智能體控制平臺(tái)。同時(shí)，給出了分布式設(shè)備協(xié)調(diào)控制軟件原型，并設(shè)計(jì)了分布式設(shè)備并網(wǎng)支撐平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)。所設(shè)計(jì)平臺(tái)旨在為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模分布式設(shè)備接入配電網(wǎng)的通用標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化電力資源配置，實(shí)現(xiàn)分布式設(shè)備的即插即用，為發(fā)展支持分布式發(fā)電、儲(chǔ)能、可控負(fù)荷等設(shè)備即插即用的標(biāo)準(zhǔn)接口提供借鑒和參考。

1 大規(guī)模分布式設(shè)備接入需迫切解決的幾個(gè)問題

分布式電源大量滲入作為未來智能電網(wǎng)的重要的特征，已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)[27]。尤其在配電網(wǎng)中，其經(jīng)濟(jì)、高效且綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)將體現(xiàn)得更加完美。但是分布式電源的大量接入同樣對(duì)已有的配電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生諸多不利影響，如間歇性與變化性，導(dǎo)致其難以體現(xiàn)立竿見影的優(yōu)勢(shì)。為了充分發(fā)揮分布式可再生能源的優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避其缺點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究[2，11，13，27-29]，迫切需要解決如下4個(gè)問題。

1.1 適應(yīng)大規(guī)模分布式設(shè)備接入配電網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的需求[2]

考慮到未來能源互聯(lián)網(wǎng)中分布式設(shè)備，尤其是分布式發(fā)電設(shè)備和可控負(fù)荷數(shù)量龐大，其接入系統(tǒng)的問題完全由電網(wǎng)公司進(jìn)行人工規(guī)劃和設(shè)計(jì)顯然已不現(xiàn)實(shí)。這要求能源互聯(lián)網(wǎng)必須具有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性。未來的電網(wǎng)公司應(yīng)當(dāng)主要承擔(dān)輸配電系統(tǒng)的升級(jí)與擴(kuò)容，并確保用戶側(cè)的能量管理系統(tǒng)與調(diào)度機(jī)構(gòu)間具有足夠的通信能力，而不具體干涉分布式設(shè)備的接入。這要求能源互聯(lián)網(wǎng)具有支持分布式設(shè)備即插即用的能力。有的學(xué)者指出[2，11，27]，能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是發(fā)展支持分布式發(fā)電、儲(chǔ)能、可控負(fù)荷和電動(dòng)汽車等分布式設(shè)備即插即用的標(biāo)準(zhǔn)接口。

未來的能源互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)信息網(wǎng)絡(luò)與物理網(wǎng)絡(luò)高度結(jié)合的綜合網(wǎng)絡(luò)[11]。因此，能源互聯(lián)網(wǎng)的即插即用接口包括物理與信息兩個(gè)方面。物理接口應(yīng)當(dāng)支持各種符合相應(yīng)電氣標(biāo)準(zhǔn)的分布式設(shè)備的接入。

能源互聯(lián)網(wǎng)的信息接口應(yīng)當(dāng)可以支持各種分布式設(shè)備的識(shí)別與通信[2]。實(shí)現(xiàn)分布式設(shè)備的協(xié)調(diào)優(yōu)化與控制的前提是對(duì)于能源互聯(lián)網(wǎng)而言，各種分布式設(shè)備是在線的。因此，信息接口需要能夠在分布式設(shè)備接入后識(shí)別其身份及設(shè)備類型，而這需要有標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的支持。目前，支持分布式設(shè)備接入的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議尚不存在。而這種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議應(yīng)具備類似于計(jì)算機(jī)的USB（universal service bus）接口協(xié)議，能夠快速感知與識(shí)別分布式發(fā)電、分布式儲(chǔ)能、智能家居和電動(dòng)汽車等分布式設(shè)備。為此應(yīng)研究支持即插即用的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，使得即插即用技術(shù)（plug and play）能夠更廣泛應(yīng)用，以支撐大規(guī)模分布式設(shè)備接入配電網(wǎng)。

1.2 高速挖掘用戶用電行為特征的需求[28]

按照國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的調(diào)整和發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的要求，我國正在加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)，今后電能等綠色能源的使用比重將不斷加大，在能源互聯(lián)網(wǎng)條件下，用電服務(wù)面臨內(nèi)外部環(huán)境的顯著變化，利用大數(shù)據(jù)環(huán)境下有效的智能用電服務(wù)體系、基于高級(jí)量測(cè)體系的配用電信息互動(dòng)平臺(tái)、配用電信息之間雙向互動(dòng)、分時(shí)電價(jià)策略等，著重挖掘用戶的用電行為特征，從而有針對(duì)性地鼓勵(lì)用戶參與需求響應(yīng)和有序用電，改變傳統(tǒng)的用戶用能方式，提高電能在終端能源消費(fèi)中的比重，從而達(dá)到削峰填谷、改善能效、節(jié)能降耗的目的。

多元異構(gòu)數(shù)據(jù)環(huán)境下用戶用電行為特征的挖掘，需要兩大技術(shù)支撐，一個(gè)是智能用電終端，用以實(shí)時(shí)采集用戶的用電信息；一個(gè)是電力數(shù)據(jù)云平臺(tái)。用電信息通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)上傳至電力數(shù)據(jù)云，并利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析計(jì)算功能，分析各種家用電器、企業(yè)用電設(shè)備的運(yùn)行情況，歸納用戶的用電行為。

1.3 基于時(shí)空互補(bǔ)性的大規(guī)模分布式設(shè)備協(xié)調(diào)控制的需求[2]

能源互聯(lián)網(wǎng)最重要的核心內(nèi)涵是實(shí)現(xiàn)可再生能源，尤其是分布式可再生能源的大規(guī)模利用和共享[13]。為了平抑可再生能源的間歇性，儲(chǔ)能設(shè)備、可控負(fù)荷和電動(dòng)汽車等分布式設(shè)備將是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。因此，上述分布式設(shè)備的大規(guī)模接入是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要研究?jī)?nèi)容之一。針對(duì)分布式電源、儲(chǔ)能、可控負(fù)荷和電動(dòng)汽車等分布式設(shè)備接入的研究，如若順利地解決通用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，則接下來可進(jìn)行如下兩方面的研究：1）分布式設(shè)備接入對(duì)于配電系統(tǒng)的影響分析，其中重點(diǎn)關(guān)注對(duì)配電系統(tǒng)安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的影響。2）分布式設(shè)備的協(xié)調(diào)與控制。

隨著配電系統(tǒng)內(nèi)分布式電源不斷增多，其對(duì)配電系統(tǒng)的影響將越來越顯著。此時(shí)，不論從經(jīng)濟(jì)性還是安全性的角度看，僅僅對(duì)分布式設(shè)備進(jìn)行局部協(xié)調(diào)控制是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，能源互聯(lián)網(wǎng)研究的重點(diǎn)之一是擴(kuò)大電力系統(tǒng)的互聯(lián)范圍。這里，互聯(lián)并不僅指電力一次系統(tǒng)之間通過輸配電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的物理互聯(lián)，而且更應(yīng)著眼于廣域內(nèi)大規(guī)模分布式設(shè)備之間的信息交互與協(xié)調(diào)。如果能切實(shí)地利用各區(qū)域間的信息互聯(lián)，就可以更好地利用大規(guī)模分布式電源的時(shí)空互補(bǔ)性，并充分發(fā)揮儲(chǔ)能和可控負(fù)荷和電動(dòng)汽車等設(shè)備的調(diào)峰潛力，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性與安全性。

面對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)或即將出現(xiàn)的新的問題和挑戰(zhàn)，電網(wǎng)調(diào)控手段必須改變，需要加強(qiáng)對(duì)風(fēng)電、光伏等新能源的管理，消除電網(wǎng)調(diào)度的盲區(qū)，解決諸如分布式儲(chǔ)能、智能用電設(shè)備、電轉(zhuǎn)氣設(shè)施和電動(dòng)汽車等分布式資源互補(bǔ)、時(shí)空關(guān)聯(lián)、分布與集中的矛盾，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)調(diào)度管理平臺(tái)上多資源的互補(bǔ)協(xié)同利用，改變電力的生產(chǎn)、分配和使用方式。

1.4 高速分布式并行計(jì)算引擎的需求[2，29]

能源互聯(lián)網(wǎng)中擁有大量的用電終端，如果對(duì)海量的用電終端進(jìn)行用電信息的采集、匯總并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，以分析用戶的用電行為，計(jì)算任務(wù)十分繁重；同樣地，對(duì)于分布式設(shè)備的協(xié)調(diào)控制，需要協(xié)調(diào)的分布式設(shè)備數(shù)量很大，其協(xié)調(diào)優(yōu)化問題可用一個(gè)維數(shù)很高的非線性優(yōu)化模型來描述。對(duì)于上述兩類問題，采用傳統(tǒng)的集中式優(yōu)化方法求解不太現(xiàn)實(shí)。

針對(duì)分布式設(shè)備數(shù)量繁多的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)挖掘算法的分布化和控制方法、優(yōu)化算法的分布化，為挖掘大規(guī)模智能用電終端所隱含的用戶用電行為和求解大規(guī)模分布式設(shè)備的協(xié)調(diào)優(yōu)化問題提供了一種新途徑。以協(xié)調(diào)優(yōu)化問題為例，分布式方法的基本思想是將一個(gè)全局優(yōu)化目標(biāo)分解為若干個(gè)相互獨(dú)立的局部?jī)?yōu)化目標(biāo)，在若干個(gè)可以相互通信的節(jié)點(diǎn)上分布式求解。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)優(yōu)化本地決策變量；相鄰節(jié)點(diǎn)之間通過相互通信實(shí)現(xiàn)信息交互。從理論上講，由于將問題進(jìn)行了分布求解，因此可取得更快的計(jì)算速度。但是針對(duì)上述提出的兩個(gè)問題，目前還沒有現(xiàn)成的分布式計(jì)算引擎，還需要進(jìn)行深入研究。

2 超大規(guī)模分布式設(shè)備與配電網(wǎng)互動(dòng)機(jī)制

為對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的大量分布式設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，通過激勵(lì)和科學(xué)的成本收益分析，選擇符合自身利益的運(yùn)行特性，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，在確定用戶互動(dòng)類型的基礎(chǔ)上，研究分布式設(shè)備與配電網(wǎng)的互動(dòng)機(jī)制。

2.1 用戶互動(dòng)類型

根據(jù)用戶互動(dòng)決策與互動(dòng)實(shí)施之間的時(shí)間差，將用戶互動(dòng)分為三種類型，即長(zhǎng)周期互動(dòng)、短周期互動(dòng)及實(shí)時(shí)互動(dòng)。

長(zhǎng)周期互動(dòng)立足長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，是用戶基于歷史信息及未來效益考慮所作的響應(yīng)，往往通過與電網(wǎng)達(dá)成協(xié)議，以合同的方式確定下來，實(shí)施有利于電網(wǎng)與用戶雙方的計(jì)劃及調(diào)整，同時(shí)用戶本身也基于此合同調(diào)整自身互動(dòng)機(jī)制。短周期互動(dòng)主要基于短期歷史信息，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)價(jià)格信號(hào)作合理預(yù)測(cè)，用以決策目標(biāo)日用電計(jì)劃，其決策空間為長(zhǎng)周期互動(dòng)協(xié)議之外的用電安排。實(shí)時(shí)互動(dòng)則完全基于運(yùn)行日信息，動(dòng)態(tài)修正日前計(jì)劃，由于決策點(diǎn)與運(yùn)行點(diǎn)時(shí)差很短，不確定性相比前兩類互動(dòng)高，也是實(shí)時(shí)調(diào)度關(guān)注的重點(diǎn)。如表1所示為用戶互動(dòng)類型統(tǒng)計(jì)表。圖1為基于日前調(diào)度計(jì)劃的用戶側(cè)互動(dòng)的基本流程。

表1 用戶互動(dòng)類型統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics of user interaction types

2.2 分布式設(shè)備與配電網(wǎng)互動(dòng)機(jī)制

主要包括如下兩點(diǎn)：

1）基于日前調(diào)度計(jì)劃的用戶側(cè)互動(dòng)[30]

傳統(tǒng)的日前調(diào)度，由于受尖峰負(fù)荷以及能源緊缺等因素的影響，僅依靠發(fā)電側(cè)調(diào)度無法應(yīng)對(duì)電力日漸緊張的局面，更無法滿足節(jié)能的目標(biāo)?；谟脩艋?dòng)響應(yīng)模型，提出在合理安排發(fā)電機(jī)組的機(jī)組組合方式和出力分配之后，對(duì)分布式設(shè)備互動(dòng)與電價(jià)采用聯(lián)動(dòng)機(jī)制，激勵(lì)用戶，有效實(shí)現(xiàn)削峰。參與互動(dòng)的用戶在綜合考慮自身的需求之后，每日向調(diào)度中心提交可調(diào)負(fù)荷的容量以及補(bǔ)償?shù)膬r(jià)格，然后跟發(fā)電機(jī)組一起由調(diào)度中心進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，如上圖1所示的基于日前調(diào)度計(jì)劃的用戶側(cè)互動(dòng)的基本流程。利用用戶互動(dòng)，將互動(dòng)資源作為一種調(diào)峰資源，通過賦予用戶一定的申請(qǐng)報(bào)補(bǔ)償價(jià)格的權(quán)利，挖掘用戶側(cè)資源的優(yōu)化潛力，實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)節(jié)能優(yōu)化調(diào)度。

2）基于實(shí)時(shí)調(diào)度計(jì)劃的用戶側(cè)互動(dòng)[31]

由于日前調(diào)度幾乎在實(shí)際情況中可能會(huì)遇到天氣、事故以及負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)度等意外因素的影響，而且電網(wǎng)的實(shí)際安全運(yùn)行情況也會(huì)具有一定的波動(dòng)性。為防止尖峰負(fù)荷的突然到來或者提前出現(xiàn)，可以將用戶互動(dòng)引入到實(shí)時(shí)調(diào)度計(jì)劃中來。電動(dòng)汽車因其負(fù)荷響應(yīng)容量潛力巨大，電池可用時(shí)間比較長(zhǎng)并且具有快速響應(yīng)的能力，可以考慮在實(shí)時(shí)調(diào)度計(jì)劃中利用電價(jià)補(bǔ)償?shù)姆绞轿妱?dòng)汽車在尖峰時(shí)刻放電的用戶側(cè)互動(dòng)模型。

圖1 基于日前調(diào)度計(jì)劃的用戶側(cè)互動(dòng)的基本流程Fig.1 the basic flowchart of user-side interaction based on dispatch schedule a few days ago

3 含電動(dòng)汽車的分布式設(shè)備協(xié)調(diào)控制

電動(dòng)汽車充換電站參與AGC功率分配的框架如圖2所示，主要由電網(wǎng)調(diào)度中心、電動(dòng)汽車集中控制中心、電動(dòng)汽車充換電站以及電動(dòng)汽車電池構(gòu)成的。

電網(wǎng)調(diào)度中心的主要職責(zé)是采集系統(tǒng)的頻率偏差和聯(lián)絡(luò)線功率偏差，計(jì)算總的發(fā)電功率指令ΔPΣ，并采用一定的優(yōu)化算法將總的發(fā)電功率指令ΔPΣ分配給風(fēng)光水火氣等AGC電源機(jī)組和電動(dòng)汽車集中控制中心。

電動(dòng)汽車集中控制中心是電動(dòng)汽車和電網(wǎng)互動(dòng)的橋梁，保障了電動(dòng)汽車和電網(wǎng)之間雙向能量的流動(dòng)。一方面，它將各個(gè)電動(dòng)汽車充換電站的單位調(diào)整電量的價(jià)格和實(shí)時(shí)的可調(diào)節(jié)容量等信息上傳給電網(wǎng)調(diào)度中心，另一方面，它將電網(wǎng)調(diào)度中心下發(fā)的總功率指令ΔPEV分配給各個(gè)電動(dòng)汽車充換電站。考慮到在電力市場(chǎng)環(huán)境下，電動(dòng)汽車充換電站分屬不同的代理商，在參與系統(tǒng)調(diào)頻時(shí)單位調(diào)整電量的價(jià)格不同。則從電網(wǎng)公司的利益為出發(fā)點(diǎn)，不同電動(dòng)汽車充換電站之間應(yīng)采用某種AGC功率分配策略使得電網(wǎng)公司調(diào)節(jié)成本最小。

圖2 電動(dòng)汽車充換電站參與AGC功率分配的框架Fig.2 Electric vehicle charge and discharge station involves aGC power distribution framework

電動(dòng)汽車充換電站相當(dāng)于一個(gè)電動(dòng)汽車代理，對(duì)大規(guī)模的電動(dòng)汽車電池實(shí)施集群性調(diào)度，以滿足電網(wǎng)調(diào)頻容量的需求。一方面，各個(gè)電動(dòng)汽車（EV）電池將其接入電網(wǎng)的起始的荷電狀態(tài)、額定充電功率、接入電網(wǎng)和離開電網(wǎng)的時(shí)間、當(dāng)前的充電功率、當(dāng)前的SOC上傳到電動(dòng)汽車充換電站控制中心，另一方面，電動(dòng)汽車充換電站控制中心根據(jù)各EV電池的荷電狀態(tài)、可調(diào)節(jié)容量等信息采取某種策略將電動(dòng)汽車集中控制中心下發(fā)給它的功率指令分配給各個(gè)EV電池。在所提的電動(dòng)汽車充換電站輔助調(diào)頻的框架下，充換電站參與AGC功率分配過程中考慮了調(diào)節(jié)成本目標(biāo)，其數(shù)學(xué)模型具體描述如下：

變量?Piw和SOCiw的取值范圍為：

式（1）～（2）中，f為電動(dòng)汽車參與系統(tǒng)調(diào)頻總的調(diào)節(jié)成本目標(biāo)；ΔPEVΣ為電網(wǎng)調(diào)度中心下發(fā)給電動(dòng)汽車集中控制中心總的發(fā)電功率指令；Ciw為電動(dòng)汽車充換電站i的第w個(gè)電池的調(diào)節(jié)成本系數(shù)，且假設(shè)在同一個(gè)電動(dòng)汽車充換電站內(nèi)各個(gè)EV電池的調(diào)節(jié)成本系數(shù)是一樣的；ΔPi是電動(dòng)汽車充換電站i的發(fā)電功率指令；ΔPiw是分配給電動(dòng)汽車充換電站i第w個(gè)EV電池的發(fā)電功率指令；ΔPminiw、ΔPmaxiw是電動(dòng)汽車充換電站i第w個(gè)EV電池的調(diào)節(jié)容量上下限；SOCmin iw、SOCmax iw分別是電動(dòng)汽車充換電站i第w個(gè)EV電池允許參與系統(tǒng)調(diào)頻的上下限約束；i為電動(dòng)汽車充換電站的個(gè)數(shù)；Wi為電動(dòng)汽車充換電站i的EV電池總個(gè)數(shù)。其中，第二約束是為了避免電池反調(diào)現(xiàn)象，已減少不必要的調(diào)節(jié)費(fèi)用和頻繁調(diào)節(jié)，有利于延長(zhǎng)電池的使用壽命。

當(dāng)負(fù)荷發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，為使得調(diào)節(jié)成本更低的電動(dòng)汽車充換電站承擔(dān)更多的有功功率缺額或過剩，因此，本文選取調(diào)節(jié)成本作為電動(dòng)汽車充換電站之間的一致性狀態(tài)變量，并采用無領(lǐng)導(dǎo)者且功率偏差共享模式的功率分配算法。為了避免電池過沖或過放，減小對(duì)EV電池使用壽命的影響，電動(dòng)汽車充換電站內(nèi)部采用SOC的比例分?jǐn)偡╗2，32]將電動(dòng)汽車充換電站總的發(fā)電功率指令分配給各個(gè)EV電池。

4 支持海量的分布式設(shè)備協(xié)同控制一致性算法[33-37]

協(xié)同一致性算法（collaborative consensus algorithm，CCA）就是使得各智能體基于其相鄰智能體的信息狀態(tài)適時(shí)更新自己的信息狀態(tài)，使得網(wǎng)絡(luò)中所有智能體的信息狀態(tài)收斂于一個(gè)共同值?？紤]到各個(gè)智能體之間信息傳輸需要一定的時(shí)間，理想情況下無領(lǐng)導(dǎo)者的離散時(shí)間一致性算法，可描述如下[35]：

式中：xi表示第i個(gè)智能體的信息狀態(tài)；k表示離散時(shí)間序列；dij[k]表示行隨機(jī)矩陣D=[dij]∈Rn×n在離散時(shí)刻k的第（i，j）項(xiàng)，定義如下：

式中：A=[aij]∈Rn×n表示圖G的鄰接矩陣，aij≥0表示節(jié)點(diǎn)vi與vj之間的連接權(quán)重。如果圖G為無向圖，則鄰接矩陣A為對(duì)稱矩陣。鄰接矩陣A的非對(duì)角元素aij的物理意義為，信號(hào)直接從節(jié)點(diǎn)j傳遞至節(jié)點(diǎn)i傳輸信道的個(gè)數(shù)。在本文中，其選取原則為：對(duì)于有限簡(jiǎn)單圖，鄰接矩陣A為（0，1）矩陣，其中對(duì)角線元素全為0。

此外，為了滿足功率平衡約束，需要選定一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者，其迭代規(guī)則如下[34，35，37]：

式中：ε為一致性算法的收斂系數(shù)，取值為正數(shù)；?P為功率偏差。

簡(jiǎn)言之，這里提到的CCA算法由領(lǐng)導(dǎo)者和跟隨者兩個(gè)角色構(gòu)成了CCA算法的基本數(shù)學(xué)表達(dá)式，如下：

從上式中可以發(fā)現(xiàn)CCA的物理機(jī)制是：①每個(gè)智能體通過與相鄰智能體的某一狀態(tài)進(jìn)行信息交互，并通過加權(quán)均值計(jì)算來使得自身的狀態(tài)量與相鄰智能體的狀態(tài)量趨于一致；② 領(lǐng)導(dǎo)者通過獲取整個(gè)多智能體網(wǎng)絡(luò)的功率偏差來實(shí)時(shí)調(diào)整自身的一致性變量，促使其他智能體趨于當(dāng)前負(fù)荷斷面的一致性狀態(tài)量。

根據(jù)筆者在文獻(xiàn)[34]，[35]和[37]中的研究，可得到一致性協(xié)同算法的求解流程，如圖3所示。

圖3 一致性協(xié)同算法流程圖Fig.3 flow chart of consensus collaborative algorithm

5 基于JADE的分布式設(shè)備協(xié)調(diào)控制軟件原型

5.1 JADE的基本概念[38]

JADE是一套免費(fèi)開源的多Agent系統(tǒng)開發(fā)框架，提供了Agent賴以生存的運(yùn)行時(shí)環(huán)境。Agent在JADE中是作為一種自治的具有合作能力、通信能力的實(shí)體，外部不能獲得Agent的引用，即不能直接存取Agent的屬性，也不能直接指定Agent的行為。創(chuàng)建Agent的具體任務(wù)只能由容器（Container）來完成，返回的結(jié)果也只是封裝后的Agent。JADE為Agent的任務(wù)定義了一種Behaviour類，Behaviour中可以規(guī)定Agent執(zhí)行時(shí)應(yīng)遵循的不同協(xié)議，如合同網(wǎng)（FIPAContractNet）等，來實(shí)現(xiàn)其交互合作能力。

為支持Agent內(nèi)部并行活動(dòng)的高效執(zhí)行，JADE引入了Behaviour的概念。一個(gè)Behaviour就代表了智能體能夠執(zhí)行的任務(wù)。在JADE中，行為必須從其父類jade.core.behaviours.Behaviour派生。Behaviour類有很多子類，分別對(duì)應(yīng)著不同類型的behaviours，如Simple Behaviour表示簡(jiǎn)單行為，Composite Behaviour表示組合行為等。

為了使智能體具有某種行為，編程人員必須利用Agent類的addBehaviour方法向智能體中顯示的加入。行為可以在任何時(shí)候加入到智能體中。每個(gè)從Behaviour派生的行為類必須實(shí)現(xiàn)action和done方法。Action方法定義了一系列智能體執(zhí)行的操作，而done方法表明行為是否結(jié)束完畢。如果done方法返回的值為真，那表示這個(gè)行為已經(jīng)執(zhí)行完畢，可以從智能體的行為池刪除。如圖4所示為智能體行為的執(zhí)行流程。

圖4 Agent行為執(zhí)行流程圖Fig.4 agent behavior execution flow chart

通信能力是JADE中智能體具有的最重要的特征之一。通信過程中所采用的通信模式為異步消息傳遞。也就是說，每個(gè)智能體都有一個(gè)消息隊(duì)列即mailbox，如果其他智能體需要與其通信時(shí)，JADE runtime就把相應(yīng)消息投遞到其mailbox中。當(dāng)mailbox中出現(xiàn)消息時(shí)，相應(yīng)的智能體被通知，再由該智能體調(diào)用Behaviour類中的action（）方法對(duì)消息作出響應(yīng)。多智能體能源互聯(lián)網(wǎng)控制框架如圖5所示。

圖5 多智能體能源互聯(lián)網(wǎng)控制框架Fig.5 Multi-agent energy interconnection controlling framework

5.2 多智能體控制平臺(tái)

智能體是能感應(yīng)環(huán)境變化并自主尋優(yōu)運(yùn)行的軟件實(shí)體，智能體之間通過交互協(xié)作而完成某項(xiàng)特定任務(wù)[38-40]。多智能體研究重點(diǎn)在于結(jié)合實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)，具體研究任務(wù)分解、協(xié)作模型、協(xié)作控制策略以及多智能體學(xué)習(xí)方法。本項(xiàng)目所開發(fā)的基于JADE技術(shù)的能源互聯(lián)網(wǎng)多智能體控制平臺(tái)分為三個(gè)部分：分布式設(shè)備控制優(yōu)化模型、多智能體控制算法實(shí)現(xiàn)模塊和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸模塊，多智能體控制平臺(tái)如圖6所示。

圖6 多智能體控制平臺(tái)Fig.6 Multi-agent controlling platform

基于圖6，對(duì)其中的幾個(gè)主要功能組件介紹如下。

1）平臺(tái)服務(wù)智能體

FIPA定義了平臺(tái)應(yīng)提供的若干服務(wù)，包括智能體管理系統(tǒng)ams，目錄服務(wù)df和消息傳輸服務(wù)。這里為實(shí)時(shí)控制平臺(tái)，因此加入同步控制智能體以記錄本次循環(huán)控制的時(shí)間。JADE平臺(tái)實(shí)體化后總是自動(dòng)生成這四類智能體，為本平臺(tái)的智能體創(chuàng)建、運(yùn)行與銷毀提供各類服務(wù)。

智能體ams主要負(fù)責(zé)智能體的命名、定位和控制服務(wù)。每個(gè)智能體必須在ams中注冊(cè)得到一個(gè)有效、唯一的標(biāo)志AID，用于智能體生命周期的管理。

智能體df也是智能體平臺(tái)必須的部分，主要提供平臺(tái)內(nèi)的黃頁服務(wù)，例如對(duì)其它控制單元可視狀態(tài)的查詢、統(tǒng)計(jì)查詢信息等。

消息傳輸服務(wù)是默認(rèn)的跨平臺(tái)的智能體消息傳輸機(jī)制，提供了不同智能體之間的ACL消息交互機(jī)制。在消息傳輸機(jī)制中，ACC是消息傳輸?shù)耐ǖ?，MTP是不同ACC之間的消息交互協(xié)議。

同步智能體記錄了平臺(tái)當(dāng)前運(yùn)行的時(shí)間，并根據(jù)各智能體的消息處理時(shí)間定量計(jì)算各智能體的有效同步時(shí)間。各智能體的計(jì)算結(jié)果僅在同步時(shí)段內(nèi)有效。如某類智能體在同步時(shí)段內(nèi)不能完成指定任務(wù)，則啟動(dòng)此類備用智能體繼續(xù)任務(wù)。

2）狀態(tài)輸入/控制輸出智能體

此類智能體是保證區(qū)域控制智能體正常運(yùn)行的前提。狀態(tài)輸入智能體主要包括接收、解碼來自本微電網(wǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信號(hào)、時(shí)段信號(hào)等，并負(fù)責(zé)分配給各智能體所需要的狀態(tài)信號(hào)；控制輸出智能體負(fù)責(zé)信號(hào)編碼，并打包發(fā)送給各分布式電源。區(qū)間內(nèi)智能體主要是數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送與數(shù)據(jù)備份。此類智能體實(shí)現(xiàn)機(jī)制較為簡(jiǎn)單，在給智能體注冊(cè)后，即可添加行為TickerBehaviour執(zhí)行周期性數(shù)據(jù)收發(fā)備份工作。時(shí)間間隔等同于AGC時(shí)間執(zhí)行間隔，一般為3-5秒。

3）分布式協(xié)調(diào)算法智能體

在多智能體控制模塊的分布式智能算法中，測(cè)量智能體的數(shù)據(jù)輸入為該分布式電源的出力偏差與頻率偏差。信息交換智能體則負(fù)責(zé)接收來自其它電源的狀態(tài)信號(hào)和控制信號(hào)和發(fā)送本電源的狀態(tài)控制信號(hào)給其它需要區(qū)域。隨后，各分布式電源的出力信號(hào)和饋線狀態(tài)信號(hào)傳輸?shù)娇刂七x擇智能體，選擇當(dāng)前的控制方法。

JADE在處理消息發(fā)送時(shí)，會(huì)為不同的情形選擇最合適的傳輸方法。

a）如果消息接受Agent與發(fā)送Agent處于同一容器中，將用Java對(duì)象代替ACL消息，通過一個(gè)事件對(duì)象發(fā)送給接受Agent，而不需要任何消息傳輸。

b）如果消息接受Agent與發(fā)送Agent處于同樣的JADE平臺(tái)下，但不在同一個(gè)容器中，ACL消息將使用Java RMI發(fā)送。同樣，Agent也只是接受到一個(gè)Java對(duì)象。

c）如果消息接受Agent與發(fā)送Agent不在同一個(gè)平臺(tái)上，JADE將根據(jù)FIPA標(biāo)準(zhǔn)，利用HOP協(xié)議和OMG IDL界面來進(jìn)行消息發(fā)送。該過程包括將ACL消息對(duì)象翻譯為字符串，并把HOP協(xié)議視為一個(gè)中間件協(xié)議來執(zhí)行遠(yuǎn)程調(diào)用。在接受方會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的HOP序列，并生成一個(gè)Java的String對(duì)象。該對(duì)象然后被解析成一個(gè)ACL消息對(duì)象。最后該消息對(duì)象被通過Java事件或RMI調(diào)用發(fā)送到接受Agent處。

消息的發(fā)送與監(jiān)控過程可以通過Sniffer Agent來查看，其中平臺(tái)消息監(jiān)控界面如圖7（a）所示，消息發(fā)送窗口如圖7（b）所示。一般來講，消息的發(fā)送過程由如下步驟的一步或幾步組成：

a）創(chuàng)建代表消息內(nèi)容的類；

b）創(chuàng)建描述這些消息類的ontology；

c）實(shí)例化代表消息內(nèi)容的類；

d）創(chuàng)建Agent通信語言消息（ACL Message）類；

e）將消息接收者裝入Agent通信語言消息類；

f）將形式語言名和ontology名裝入Agent通信語言消息類；

g）創(chuàng)建消息內(nèi)容管理器類（Content Manager）的實(shí)例；

h）用方法Content Manager. fill content （ACL Message m，Content Element content）格式化消息內(nèi)容；第九，用方法send（ACL Message m）發(fā)送消息。

圖7 消息的發(fā)送與監(jiān)控過程Fig.7 Message sending and monitoring process

消息的發(fā)送過程在JADE平臺(tái)上也可通過手動(dòng)完成。JADE平臺(tái)中智能體可以通過手動(dòng)創(chuàng)建，也可通過命令行JAVA語句創(chuàng)建智能體類，進(jìn)而創(chuàng)建單獨(dú)智能體。

消息接收智能體虛擬類部分代碼如圖8所示。

圖8 消息接收智能體部分實(shí)現(xiàn)代碼Fig.8 Sectional implementation code of message receiving smart agent

基于如上圖8所示的代碼中，消息接收智能體在action動(dòng)作函數(shù)中定義了接收消息的分類和相應(yīng)的處理函數(shù)。當(dāng)智能體創(chuàng)建完成后可以通過語句ReceiveMess myReceiveMess =new ReceiveMess（）來實(shí)現(xiàn)智能體的創(chuàng)建，或者通過對(duì)話窗口人工創(chuàng)建，如圖9所示。

5.3 基于多智能體控制平臺(tái)的算法測(cè)試[41]

隨著發(fā)電方式逐漸從傳統(tǒng)以同步電機(jī)為主導(dǎo)的互聯(lián)大電網(wǎng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑植际诫娫礊榛A(chǔ)的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。因此，有必要利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)（reinforcement learning，RL）方法解決分布式電源、同步發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)問題，該方法在實(shí)用前需經(jīng)過預(yù)學(xué)習(xí)階段，隨后在線學(xué)習(xí)而進(jìn)行隨機(jī)最優(yōu)控制。

結(jié)合筆者在文獻(xiàn)[41]中的研究，馬爾科夫決策過程中，每個(gè)智能體在依賴其它智能體動(dòng)作概率分布的情況下最大化各自的累積獎(jiǎng)勵(lì)值，此時(shí)所形成的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)即為相關(guān)均衡，其數(shù)學(xué)描述為[41]：

式中：A-i=∏j≠iAj，π為均衡策略，Ri為智能體i的立即獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)。如果某一策略π對(duì)于所有智能體i、所有動(dòng)作ai、a-i∈Ai（π（ai）＞0）式（1）均成立，這一策略即為相關(guān)均衡動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)。

圖9 智能體的創(chuàng)建主界面Fig.9 the agent establishment main interface

相關(guān)均衡可以通過線性規(guī)劃簡(jiǎn)易求取。對(duì)于具有n個(gè)智能體、各智能體有m個(gè)動(dòng)作的馬爾科夫?qū)Σ撸鋭?dòng)作對(duì)總共有mn個(gè)，式（7）的線性約束總nm（m-1）個(gè)?？梢宰C明，對(duì)于任意馬爾科夫?qū)Σ咧辽俅嬖谝粋€(gè)相關(guān)均衡點(diǎn)。當(dāng)均衡點(diǎn)有多個(gè)時(shí)，就需要給定均衡選擇函數(shù)f以確定滿足選擇條件的唯一均衡點(diǎn)。

相關(guān)均衡Q學(xué)習(xí)算法（CEQ）最先由Prof. Amy Greenwald提出，在博弈論、機(jī)器學(xué)習(xí)、無線電傳輸?shù)阮I(lǐng)域已有廣泛研究。CEQ以離散時(shí)間馬爾科夫決策過程為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，是一種基于值函數(shù)迭代的在線學(xué)習(xí)和動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)。

給定所有智能體i∈N，所有狀態(tài)s∈S和動(dòng)作a∈A（s）在時(shí)刻t的Q值：Qit（s，a）；給定均衡策略πt+1；給定均衡選擇函數(shù)f；相關(guān)均衡條件下，由馬爾科夫決策規(guī)則可定義時(shí)刻（t+1）智能體i的值函數(shù)Qit+1（s，a）和Vit+1（s），其中

相關(guān)均衡策略的線性約束描述為對(duì)所有智能體i、所有動(dòng)作ai、a-i∈Ai（π（ai）＞0）下式均成立：

滿足上式的相關(guān)均衡策略隨著智能體的增多而增多。因此，有必要設(shè)計(jì)均衡選擇函數(shù)以保留各智能體相對(duì)較大Q值的均衡策略，一種常用的均衡選擇函數(shù)：最大化所有智能體報(bào)酬之和（utilitarian CEQ，uCEQ），在任意狀態(tài)s中

CEQ學(xué)習(xí)的物理意義為：對(duì)所有可能發(fā)生的聯(lián)合動(dòng)作策略賦予一定的概率，在概率不為0的動(dòng)作策略中，每一個(gè)智能體對(duì)應(yīng)的Q值都相對(duì)較大。因此，CEQ本身具有概率選擇機(jī)制去平衡利用（Exploitation）與探索（Exploration）。從這個(gè)意義上講，CEQ是收斂的，這與嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明結(jié)果相一致。

文獻(xiàn)[41]在研究過程中發(fā)現(xiàn)，多智能體DCEQ（λ）控制器能顯著減少單智能體Q（λ）控制器控制過程中ACE的“毛刺”現(xiàn)象。因此，DCEQ（λ）控制方法具有比單智能體Q（λ）控制器更好的控制效果，且能很好適應(yīng)時(shí)滯系統(tǒng)?；贘ADE平臺(tái)的智能發(fā)電CEQ（λ）協(xié)調(diào)控制算法原理對(duì)解決機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)問題具有很高的效果，同時(shí)文獻(xiàn)[41]在IEEE兩區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)頻率響應(yīng)模型和南方電網(wǎng)頻率偏差模型上進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了CEQ（λ）協(xié)調(diào)控制算法的有效性和正確性。

6 分布式設(shè)備并網(wǎng)支撐平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖10所示為分布式設(shè)備管理的架構(gòu)關(guān)系圖，其中分布式電源接入管理系統(tǒng)又細(xì)分為設(shè)備間隔控制層、協(xié)調(diào)控制層、接入控制層，如圖11所示。

圖10 分布式設(shè)備管理的架構(gòu)關(guān)系圖Fig.10 the framework relationship diagram of distributed equipment management

設(shè)備間隔控制層包含光伏發(fā)電控制器、風(fēng)機(jī)控制器、儲(chǔ)能電池雙向控制器及相關(guān)測(cè)控終端、其它在線監(jiān)測(cè)裝置等設(shè)備，設(shè)備層接受協(xié)調(diào)控制層的具體執(zhí)行指令；協(xié)調(diào)控制層負(fù)責(zé)風(fēng)光儲(chǔ)等微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制，比如調(diào)壓、調(diào)頻、運(yùn)行模式切換策略一般由協(xié)調(diào)控制層制定，并發(fā)送相應(yīng)的控制命令給設(shè)備層具體實(shí)施控制，同時(shí)負(fù)責(zé)向接入控制層上送分布式電源或微電網(wǎng)信息。接入控制層接受協(xié)調(diào)控制層/設(shè)備間隔層設(shè)備上送的分布式電源或微電網(wǎng)監(jiān)控信息，并與DMS系統(tǒng)交換信息，主要功能包括分布式電源及微電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)視和控制，及相關(guān)的高級(jí)應(yīng)用功能。分布式電源控制策略一般由接入控制層綜合配電網(wǎng)運(yùn)行的安全、經(jīng)濟(jì)等因素分析制定后下發(fā)給協(xié)調(diào)控制層，進(jìn)行分解執(zhí)行。

圖11 分布式電源接入管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.11 the architecture of distributed generation accessing management system

7 能源互聯(lián)網(wǎng)分布式優(yōu)化分析及設(shè)備協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方案

7.1 雙向系統(tǒng)工作原理

基于前述分布式協(xié)調(diào)設(shè)備優(yōu)化控制理論研究及第6章分布式設(shè)備并網(wǎng)支撐平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，最終設(shè)計(jì)能源互聯(lián)網(wǎng)分布式優(yōu)化分析及設(shè)備協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)軟件方案。該方案設(shè)計(jì)目標(biāo)是以Java基礎(chǔ)，通過調(diào)用Matlab分布式計(jì)算引擎，實(shí)現(xiàn)高效快速的用電信息數(shù)據(jù)挖掘和協(xié)調(diào)優(yōu)化求解，如圖12所示為雙向系統(tǒng)（作業(yè)管理器Job Manager和Java分析與優(yōu)化平臺(tái)）的工作架構(gòu)。軟件設(shè)計(jì)還將結(jié)合MySQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)，滿足軟件平臺(tái)對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)的讀取和存儲(chǔ)要求。此外要求軟件的人機(jī)交互界面科學(xué)且友好，分析計(jì)算結(jié)果用excel、word等常用辦公軟件格式輸出，方便使用。模型要具有良好的可讀性、易維護(hù)性，便于修改、升級(jí)。

圖12 雙向系統(tǒng)的工作架構(gòu)Fig.12 the working architecture of bidirectional system

基于圖12，另外，用戶側(cè)移動(dòng)APP采用安卓編寫程序，安裝于變電站的優(yōu)化分析控制雙向系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱雙向系統(tǒng)）采用Java編程。軟件系統(tǒng)的用戶側(cè)和全系統(tǒng)的優(yōu)化控制算法采用Matlab編寫，再用Java編程通過接口調(diào)用Matlab算法程序，部署于后臺(tái)云端服務(wù)器，該服務(wù)器裝設(shè)于變電站內(nèi)。移動(dòng)APP與雙向系統(tǒng)在進(jìn)行優(yōu)化分析控制時(shí)，都通過發(fā)送請(qǐng)求由服務(wù)器對(duì)應(yīng)響應(yīng)動(dòng)作來執(zhí)行。此外，雙向系統(tǒng)還與站內(nèi)的自動(dòng)化系統(tǒng)互聯(lián)以獲取電網(wǎng)側(cè)潮流數(shù)據(jù)，供全系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算使用。

7.2 軟件系統(tǒng)平臺(tái)總體架構(gòu)

最終，能源互聯(lián)網(wǎng)分布式優(yōu)化分析及設(shè)備協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖13所示，其中藍(lán)色虛線表示數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集傳輸，紅色虛線表示優(yōu)化控制動(dòng)作指令傳輸。

針對(duì)分布式發(fā)用電管理優(yōu)化和控制需求，圖13所示的設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)包含以下交互功能模塊：用戶側(cè)APP功能模塊和雙向系統(tǒng)功能模塊，簡(jiǎn)要介紹如下。

1）用戶側(cè)APP功能模塊

a）信息業(yè)務(wù)模塊：包括政策公告、電價(jià)變動(dòng)、停電預(yù)警信息以及一些報(bào)裝和搶修報(bào)障功能，有利于實(shí)現(xiàn)電力公司服務(wù)方式的轉(zhuǎn)變，為客戶創(chuàng)造更加友好、互動(dòng)的環(huán)境，使客戶方便安全、透明經(jīng)濟(jì)地用電。電網(wǎng)側(cè)的雙向互動(dòng)系統(tǒng)信息業(yè)務(wù)模塊包括用戶信息、用電信息的管理、業(yè)務(wù)公告發(fā)布和提供個(gè)性服務(wù)功能，能夠有效管理片區(qū)的各類型用戶信息和用電信息，并及時(shí)與用戶互動(dòng)。

b）用電管理模塊：包括可調(diào)負(fù)荷設(shè)備管理、用戶內(nèi)部電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、用電模式選擇、能效分析、電量統(tǒng)計(jì)功能。可實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶內(nèi)部的負(fù)荷設(shè)備和電源設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和能效分析，并借由APP生成的數(shù)據(jù)圖表對(duì)用電模式和用發(fā)電量一目了然，幫助用戶更好地管理用電設(shè)備和主動(dòng)開展節(jié)能活動(dòng)。

圖13 能源互聯(lián)網(wǎng)分布式優(yōu)化分析及設(shè)備協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)軟件總體框架設(shè)計(jì)Fig.13 Overall framework design of energy interconnection distribution optimization analysis and equipment coordinated control system software

c）電能充放管理：針對(duì)各類型用戶裝設(shè)的儲(chǔ)能裝置以及辦公樓宇裝設(shè)的充電樁服務(wù)進(jìn)行管理。包括充電控制、充電狀態(tài)、實(shí)時(shí)電價(jià)和儲(chǔ)能控制功能。幫助用戶便捷高效地獲知實(shí)時(shí)的充電設(shè)備（如電動(dòng)汽車）的充電信息和管理控制充電及儲(chǔ)能設(shè)備，并通過實(shí)時(shí)電價(jià)科學(xué)經(jīng)濟(jì)地選擇充放電時(shí)間策略。

2）雙向系統(tǒng)功能模塊

a）信息業(yè)務(wù)模塊：包括用戶信息、用電信息的管理、業(yè)務(wù)公告發(fā)布和提供個(gè)性服務(wù)功能，能夠有效管理片區(qū)的各類型用戶信息和用電信息，并及時(shí)與用戶互動(dòng)。

b）系統(tǒng)優(yōu)化模塊：涉及多目標(biāo)的全局優(yōu)化，包括負(fù)荷平衡、電能質(zhì)量?jī)?yōu)化、無功優(yōu)化和能效分析功能。系統(tǒng)通過與站內(nèi)自動(dòng)化系統(tǒng)相連獲取電網(wǎng)潮流參數(shù)及區(qū)域負(fù)荷情況，并通過用戶側(cè)采集上傳來的用電能效、用電模式、電壓電能質(zhì)量狀況進(jìn)行挖掘分析，綜合兩側(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的優(yōu)化。

c）設(shè)備控制模塊：包括對(duì)區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的可調(diào)負(fù)荷、分布式電源、儲(chǔ)能裝置和充電裝置的控制。結(jié)合多目標(biāo)的系統(tǒng)全局優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制策略響應(yīng)，以平穩(wěn)用戶側(cè)負(fù)荷設(shè)備和充放電設(shè)備的波動(dòng)給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來的不確定性，通過引導(dǎo)控制使各時(shí)段的系統(tǒng)負(fù)荷狀況比傳統(tǒng)模式下更加趨于平衡合理，同時(shí)提高電網(wǎng)的電壓電能質(zhì)量。

系統(tǒng)的優(yōu)化分析與協(xié)調(diào)控制關(guān)鍵還在電網(wǎng)側(cè)的雙向系統(tǒng)中。圖12所示的雙向系統(tǒng)架構(gòu)，綜合了Java編程和分布式計(jì)算技術(shù)，將主分析平臺(tái)與MySQL后臺(tái)數(shù)據(jù)庫通過數(shù)據(jù)接口進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史紀(jì)錄的讀取和分析優(yōu)化結(jié)果的寫入更新。Java分析平臺(tái)可基于云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶用電行為的數(shù)據(jù)挖掘、能量流的實(shí)時(shí)監(jiān)控、負(fù)荷需求的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)、分布式設(shè)備協(xié)同優(yōu)化等工作。

7.3 集中式協(xié)調(diào)與分布式控制通訊及接口協(xié)議設(shè)計(jì)

為了用戶分布式設(shè)備與系統(tǒng)的交互，負(fù)責(zé)聯(lián)系二者的監(jiān)測(cè)終端不僅需要與電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)進(jìn)行信息交換，還能夠與用戶分布式設(shè)備，比如家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)、智能電器、電動(dòng)汽車等設(shè)備進(jìn)行通信。這就要求其支持多種通信協(xié)議以及具備遠(yuǎn)距離和短距離通信的能力。遠(yuǎn)距離通信可采用GPRS、電力載波或者以太網(wǎng)的形式；短距離通信可以采用Zigbee、藍(lán)牙、wifi等方式?？紤]到GPRS通信的不穩(wěn)定性，以及電力載波技術(shù)未廣泛應(yīng)用的實(shí)際情況，遠(yuǎn)距離通信采用以太網(wǎng)，即智能監(jiān)測(cè)終端與家庭路由器綁定，直接通過Internet與電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)建立連接。而監(jiān)測(cè)終端與用戶分布式設(shè)備的通信，如果是一戶住戶內(nèi)的，采用wifi通信；如果是樓宇等范圍相對(duì)廣泛的區(qū)域，則采用Zigbee通信。

集中協(xié)調(diào)與分布控制，實(shí)際上是通過部署于云端服務(wù)器的雙向系統(tǒng)程序和用戶端的APP程序之間的請(qǐng)求和響應(yīng)命令來實(shí)現(xiàn)的（如圖12所示），兩者間通過HTTP超文本傳輸協(xié)議進(jìn)行雙向通信的數(shù)據(jù)傳送。用戶端通過建立socket來提交請(qǐng)求，服務(wù)器端采用Servlet接口接收和響應(yīng)客戶端發(fā)來的請(qǐng)求，響應(yīng)處理的計(jì)算結(jié)果采用JSON格式交互數(shù)據(jù)反送給客戶端進(jìn)行解析。

1）Zigbee[42]

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。

ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）等，其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2）HTTP協(xié)議[43]

超文本傳輸協(xié)議（HTTP，HyperText Transfer Protocol）是互聯(lián)網(wǎng)上應(yīng)用最為廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。HTTP是一個(gè)客戶端和服務(wù)器端請(qǐng)求和應(yīng)答的標(biāo)準(zhǔn)（TCP）?？蛻舳耸墙K端用戶，服務(wù)器端是網(wǎng)站。通過使用Web瀏覽器、網(wǎng)絡(luò)爬蟲或者其它的工具，客戶端發(fā)起一個(gè)到服務(wù)器上指定端口的HTTP請(qǐng)求。HTTP服務(wù)器則在那個(gè)端口監(jiān)聽客戶端發(fā)送過來的請(qǐng)求。一旦收到請(qǐng)求，服務(wù)器（向客戶端）發(fā)回一個(gè)狀態(tài)行，比如“HTTP/1.1 200 OK”，和（響應(yīng)的）消息，消息的消息體可能是請(qǐng)求的文件、錯(cuò)誤消息、或者其它一些信息。

3）Servlet接口[44]

Servlet（Server Applet），是用Java編寫的服務(wù)器端程序。其主要功能在于交互式地瀏覽和修改數(shù)據(jù)，生成動(dòng)態(tài)Web內(nèi)容，狹義的Servlet是指Java語言實(shí)現(xiàn)的一個(gè)接口。Servlet運(yùn)行于支持Java的應(yīng)用服務(wù)器中。從原理上講，Servlet可以響應(yīng)任何類型的請(qǐng)求，但絕大多數(shù)情況下Servlet只用來擴(kuò)展基于HTTP協(xié)議的Web服務(wù)器。

4）JSON數(shù)據(jù)[45，46]

JSON（JavaScript Object Notation） 是一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式，采用完全獨(dú)立于語言的文本格式，但也使用了類似于C語言家族的習(xí)慣，因此具有良好的可讀性且易于機(jī)器解析和生成（網(wǎng)絡(luò)傳輸速度）。實(shí)際上JSON就是一種形式上類似于數(shù)組的鍵值對(duì)組合的數(shù)據(jù)，典型的JSON數(shù)據(jù)如下：{"firstName"："Brett"，"lastName"："McLaughlin"，"email"："aaaa"}。

7.4 多通信協(xié)議融合技術(shù)

如前文所述，系統(tǒng)的通信包括遠(yuǎn)程通信網(wǎng)和本地接入網(wǎng)兩部分，這兩部分共同構(gòu)成系統(tǒng)架構(gòu)的通信層級(jí)，下面對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多通信協(xié)議作進(jìn)一步闡述。

遠(yuǎn)程通信網(wǎng)是電力部門的通信傳輸網(wǎng)和運(yùn)營(yíng)商通信網(wǎng)，分為電力光纖專網(wǎng)、230MHz無線、中壓電力線載波、無線公網(wǎng)通信網(wǎng)和有線通信網(wǎng)等。本地接入網(wǎng)主要是由低壓電力載波、光纖復(fù)合低壓電纜（OpticalFiberCompositeLowvoltageCable，OPLC）、微功率無線、Wi-Fi、Zigbee、RS485、同軸電纜等數(shù)據(jù)傳輸載體實(shí)現(xiàn)。如圖14所示，為平臺(tái)與系統(tǒng)間組網(wǎng)示意圖。

8 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了能源互聯(lián)網(wǎng)分布式設(shè)備協(xié)同控制軟件系統(tǒng)平臺(tái)方案，在該平臺(tái)下研究了超大規(guī)模分布式設(shè)備與配電網(wǎng)的互動(dòng)機(jī)制，以及含電動(dòng)汽車的分布式設(shè)備協(xié)調(diào)控制，和支持海量的分布式設(shè)備協(xié)調(diào)控制的一致性算法。同時(shí)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)在后續(xù)研究中，可嵌入不同的分布式設(shè)備控制模塊。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)支撐分布式設(shè)備即插即用的多通信協(xié)議融合及相互轉(zhuǎn)換技術(shù)，在兼容現(xiàn)有通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)配電網(wǎng)對(duì)多種綠色分布式電源、儲(chǔ)能、智能用電終端和電動(dòng)汽車等分布式設(shè)備的兼容性，大幅提高分布式設(shè)備的接入規(guī)模。

圖14 平臺(tái)與系統(tǒng)間組網(wǎng)示意圖Fig.14 Networking diagram between the platform and system

在配電網(wǎng)和用戶側(cè)，能源互聯(lián)網(wǎng)的主要組成部分包括，分布式可再生能源、儲(chǔ)能裝置、智能家居和電動(dòng)汽車等分布式設(shè)備。能源互聯(lián)網(wǎng)的信息接口應(yīng)當(dāng)可以支持各種分布式設(shè)備的識(shí)別與通信，因此，應(yīng)充分利用能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研究能夠在分布式設(shè)備接入后識(shí)別其身份及設(shè)備類型的統(tǒng)一信息接口，能夠快速感知與識(shí)別分布式發(fā)電、分布式儲(chǔ)能、智能家居和電動(dòng)汽車等分布式設(shè)備。為此在未來，應(yīng)著力研究支持即插即用的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，使得即插即用技術(shù)能夠更廣泛應(yīng)用，以支撐大規(guī)模分布式設(shè)備接入配電網(wǎng)。

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Coordinated Control Software System Platform Scheme Design for Distributed Equipment under Energy Interconnection

ZHENG Yu1, CHENG Le-feng2, MENG Ke1, YU Tao2, ZHANG Rui1, LI Zheng-jia2
(1.Electric Power Research Institute, China Southern Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510080, China; 2.Suzhou Huatian Power Technology Co., Ltd., Suzhou 215000, China)

It’s of great significance to study the complex multiple network flow system and its multiple-scale refined modeling problems under energy interconnection background, a scheme of distributed equipment coordinated control software system platform was designed based on energy interconnection technologies. First, the interactive mechanism between superlarge distributed equipment and distribution network, the coordinated control of distributed equipment including the electric vehicle, and the consensus algorithm of supporting mass distributed equipment coordinated control were studied. Then based on theory of JADE multi-agent, the technical architecture of distributed equipment coordination control software prototype and the system framework of distributed equipment grid-connected supporting platform were designed. The designed distribution equipment coordination and control software system scheme meets the common criteria for accessing of large-scale distributed equipment to the distribution network. The scheme accelerates the production of distributed equipment in grid-connected operation, achieves optimal allocation of electric power resources, and provides guidance and references for developing of standard interfaces which support plug-and-play of distributed generation, energy storage and controllable load.

Energy interconnection; Distributed equipment; Coordinated control; Multiple network flow system; JADE; Access standard

鄭宇，程樂峰，孟科，等.能源互聯(lián)網(wǎng)分布式設(shè)備協(xié)調(diào)控制軟件系統(tǒng)平臺(tái)方案設(shè)計(jì)[J]. 新型工業(yè)化，2016，6（11）：15-34.

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.11.003

中國南方電網(wǎng)科技項(xiàng)目資助（WYKJ00000027）

鄭宇（1986-），男，工學(xué)博士，博士后，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃、智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)等方面的研究工作；程樂峰（1990-），男，通信作者，博士研究生，主要研究方向?yàn)榕渚W(wǎng)自動(dòng)化、電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行與控制等；孟科（1982-），男，講師，工學(xué)博士，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行控制、智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)等方面研究工作；余濤（1974-），男，博士，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)閺?fù)雜電力系統(tǒng)的非線性控制理論和仿真、智能控制算法等；張睿（1983-），女，工學(xué)博士，博士后，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行和控制、數(shù)據(jù)挖掘、智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)等方面的研究工作；李正佳（1972—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電力通信、電力系統(tǒng)行業(yè)等研究工作