基于多代理的綜合能源系統(tǒng)分層分布式能量協(xié)調(diào)方法

孟明，馬辰南，薛宛辰，羅洋，商聰

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北省保定市 071003）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，能源短缺問題逐漸顯現(xiàn)，在此背景下，以多能耦合為重點(diǎn)的綜合能源系統(tǒng)得到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[1]。與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)不同，綜合能源系統(tǒng)中包含多能傳輸網(wǎng)絡(luò)以及多能設(shè)備單元，可將系統(tǒng)內(nèi)電-氣-熱-冷等能源形式進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)與調(diào)度，進(jìn)而有效地提升能源整體利用效率，具有極為廣泛的發(fā)展前景[2]。

多能協(xié)調(diào)優(yōu)化模型及相關(guān)策略的合理構(gòu)建是提升綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行效率的關(guān)鍵所在，也是當(dāng)前研究的重點(diǎn)問題之一。文獻(xiàn)[3]建立了綜合能源系統(tǒng)電/熱儲能互補(bǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，并對其中的非線性項(xiàng)進(jìn)行了線性化處理；文獻(xiàn)[4]對含光伏-儲能-熱電聯(lián)產(chǎn)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行問題展開研究，建立了電熱耦合系統(tǒng)分解優(yōu)化運(yùn)行模型；文獻(xiàn)[5]搭建了綜合能源系統(tǒng)電-氣-熱負(fù)荷響應(yīng)混合整數(shù)非線性數(shù)學(xué)模型，并基于此對系統(tǒng)運(yùn)行成本進(jìn)行優(yōu)化；文獻(xiàn)[6]提出了考慮需求側(cè)響應(yīng)的含儲能的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型，并以系統(tǒng)運(yùn)行成本最小化為目標(biāo)進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化。上述文獻(xiàn)通過集中式優(yōu)化模型的搭建，從不同角度實(shí)現(xiàn)了綜合能源系統(tǒng)的能量協(xié)調(diào)與優(yōu)化運(yùn)行。但是，對于綜合能源系統(tǒng)而言，復(fù)雜的能量耦合關(guān)系及海量的數(shù)據(jù)信息使得傳統(tǒng)集中式能量協(xié)調(diào)方法在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的局限性。當(dāng)前，針對分布式能量協(xié)調(diào)方法的研究相對較少，文獻(xiàn)[7]提出了一種基于能源集線器的綜合能源系統(tǒng)分層優(yōu)化調(diào)度方法，將優(yōu)化調(diào)度問題分為多能分流層、能效優(yōu)化層和機(jī)組分配層分別進(jìn)行考慮；文獻(xiàn)[8]考慮電、熱、氣網(wǎng)約束，建立了綜合能源系統(tǒng)日前分層優(yōu)化的穩(wěn)態(tài)模型；文獻(xiàn)[9]構(gòu)建由上層園區(qū)和下層用戶組成的綜合能源系統(tǒng)分層優(yōu)化模型，并通過分層分布式的協(xié)調(diào)控制方法實(shí)現(xiàn)了綜合能源系統(tǒng)的源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)同。以上文獻(xiàn)為綜合能源系統(tǒng)分布式能量協(xié)調(diào)問題的研究提供了多種可行思路。

近年來，多代理系統(tǒng)（multi-agent system, MAS）的不斷發(fā)展為能量協(xié)調(diào)相關(guān)研究提供了全新的思路[10-12]，考慮到MAS 所具備的集中分布式特性與綜合能源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有較好的貼合度[13]，本文提出一種基于MAS 的綜合能源系統(tǒng)分層分布式能量協(xié)調(diào)方法，通過設(shè)定MAS 架構(gòu)及相關(guān)運(yùn)行策略實(shí)現(xiàn)MAS 方法與綜合能源系統(tǒng)分層分布式能量協(xié)調(diào)問題的結(jié)合，并以MAS 仿真的形式完成能量協(xié)調(diào)優(yōu)化決策問題的求解。所提方法兼具集中式與分布式能量協(xié)調(diào)方法優(yōu)點(diǎn)，有利于高效、有序地分配計(jì)算資源，從而提高方法的可靠性及運(yùn)行效能。同時(shí)，在所設(shè)MAS 通信架構(gòu)下，各代理僅與少量關(guān)聯(lián)代理進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，有利于提高方法的求解效率并保護(hù)各層運(yùn)行數(shù)據(jù)隱私。

1 綜合能源系統(tǒng)模型

1.1 能源中心模型

綜合能源系統(tǒng)中包含多個(gè)能源中心（Energy Center, EC），用以實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)之間的能量耦合。搭建能源中心模型如圖1 所示：

圖1 能源中心能流模型Fig. 1 Energy flow model of energy center

所搭建的能源中心模型內(nèi)部具備多種功能，其中電力變壓器(PT)實(shí)現(xiàn)了能源中心與配電系統(tǒng)之間電能的交互；電轉(zhuǎn)氣裝置(P2G)、電鍋爐(EHB)、燃?xì)忮仩t(MGB)及熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組(CHP)分別構(gòu)成了能源中心的電-氣、電-熱、氣-熱及氣-電-熱耦合環(huán)節(jié)。各能源中心一方面與配電系統(tǒng)及天然氣系統(tǒng)對接從而獲取電功率及天然氣支持；另一方面與具備電、熱需求的負(fù)荷集群(ECL)對接，并為其提供所需功率。結(jié)合能源樞紐概念，對其中電-氣-熱能流平衡關(guān)系進(jìn)行描述：

式中：Len,t/Lhn,t為t時(shí)段第n個(gè)能源中心電/熱負(fù)荷；βCHPn,t/βMGBn,t為t時(shí)段第n個(gè)能源中心天然氣分配系數(shù)，需滿足βCHPn,t+βMGBn,t=1；ηCHPn,e/ηCHPn,h為第n個(gè) 能源中心熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電/供熱效率；ηEHBn/ηMGBn/ηP2Gn為第n個(gè)能源中心電鍋爐/燃?xì)忮仩t/P2G 能量轉(zhuǎn)換效率；Pbuyn,t/Qbuyn,t為t時(shí)段第n個(gè)能源中心購電/氣功 率；PEHBn,t/PP2Gn,t為 t時(shí)段第n個(gè)能源中心電鍋爐/P2G 的耗電功率。

能源中心運(yùn)行時(shí)應(yīng)滿足一定的設(shè)備運(yùn)行約束：

此外，對于能源中心所供給的負(fù)荷集群，認(rèn)為其中的電負(fù)荷具備一定的調(diào)節(jié)能力，但各時(shí)段可調(diào)節(jié)功率將受到約束，且調(diào)度周期內(nèi)總用電量保持不變，具體模型為：

式中：Len,t,fcst/ΔPshiftn,t為t時(shí)段第n個(gè)能源中心電負(fù)荷預(yù)測/調(diào)節(jié)值；kshiftn為第n個(gè)能源中心各時(shí)段電負(fù)荷最大可調(diào)節(jié)比例； Δt為時(shí)間間隔。

1.2 天然氣系統(tǒng)模型

1.2.1 氣源模型

天然氣氣源（GS）向天然氣網(wǎng)絡(luò)輸送天然氣流量，本文考慮各天然氣氣源節(jié)點(diǎn)壓力恒定，且供氣量需滿足一定的運(yùn)行約束，具體為：

式中：Gi,t/Gi,t0為t時(shí)段/初始時(shí)段第i個(gè)氣源節(jié)點(diǎn)的壓力；SGSi,t為t時(shí)段第i個(gè)氣源節(jié)點(diǎn)的供氣量；為第i個(gè)氣源節(jié)點(diǎn)供氣量下/上限。

1.2.2 傳輸管網(wǎng)模型

天然氣在管網(wǎng)傳輸過程中，其流量從高壓節(jié)點(diǎn)向低壓節(jié)點(diǎn)流動，由此產(chǎn)生了節(jié)點(diǎn)壓力損失，對于管道中天然氣流量與其兩端節(jié)點(diǎn)壓力的關(guān)系，采用Weymouth 方程[14]描述為：

式中：Sp,t為t時(shí)段管道p流 量；kpipe,p為管道p參數(shù)；G為節(jié)點(diǎn)壓力； sgn為符號函數(shù)，用于表示天然氣流通方向； Ωpipe為天然氣管道的集合。

符號函數(shù)及氣壓平方項(xiàng)的存在使得傳輸管網(wǎng)模型呈現(xiàn)非線性特性，為降低求解難度，本文采用分段增量線性化方法[15]對模型進(jìn)行處理，并獲得傳輸管網(wǎng)線性化模型：

式中：Nsub為分段增量線性化方法的分段數(shù)；δp,l,t表示在第l個(gè)分段區(qū)間上的位置；γp,l,t為二進(jìn)制變量，用于確保方法能夠依次連續(xù)填充各個(gè)分段區(qū)間

此外，在實(shí)際運(yùn)行過程中，各管道應(yīng)具備運(yùn)行約束為：

1.2.3 壓縮機(jī)模型

為確保供氣壓力符合要求，天然氣系統(tǒng)中通常會加入數(shù)個(gè)壓縮機(jī)用以提升管道壓力，壓縮機(jī)相關(guān)模型已有文獻(xiàn)給出[16]，考慮到壓縮機(jī)能量損耗十分有限，本文將重點(diǎn)關(guān)注其運(yùn)行約束：

1.3 配電系統(tǒng)模型

配電系統(tǒng)由電源（EG）節(jié)點(diǎn)、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)及配電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。其中電源節(jié)點(diǎn)將分為上級電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和本地常規(guī)發(fā)電機(jī)組節(jié)點(diǎn)；負(fù)荷節(jié)點(diǎn)除常規(guī)電負(fù)荷節(jié)點(diǎn)外還包括與配電系統(tǒng)對接的能源中心節(jié)點(diǎn)。本文對于配電系統(tǒng)的相關(guān)分析將以節(jié)點(diǎn)功率平衡為主，忽略無功功率成分，采用線性化的直流潮流模型[17-18]進(jìn)行描述，相關(guān)模型為：

式中：Pgrid,i為配電網(wǎng)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)注入有功功率；Pgrid,i j為配電網(wǎng)第i個(gè) 節(jié)點(diǎn)和第j個(gè)節(jié)點(diǎn)之間線路傳輸功率；Bi j為配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣元素； θj為配電網(wǎng)第j個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓相角；xij為配電網(wǎng)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)和第j個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的線路電抗。

此外，在實(shí)際運(yùn)行中，配電系統(tǒng)應(yīng)滿足式如下約束：

式中：Pgrid,t/Pg,t/Pp,t為t時(shí)段配電系統(tǒng)上級電網(wǎng)購電功率/常規(guī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率/線路p傳輸功率；和分別為上級電網(wǎng)購電功率、常規(guī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率和線路p傳輸功率的下限/上限； Ωline為配電線路集合。

2 MAS 能量協(xié)調(diào)模型

2.1 分層分布式MAS 架構(gòu)

MAS 是分布式人工智能的前沿領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)包含至少2 個(gè)代理，各代理均可計(jì)劃并制定相關(guān)決策，交互數(shù)據(jù)信息以及對環(huán)境作出反應(yīng)，具有自主性、社會性、目標(biāo)導(dǎo)向性及主動性等特點(diǎn)[19-20]。

為本文所提綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的各類典型單元分別建立相應(yīng)的代理模型，并由此構(gòu)成分層分布式MAS 結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

對各層代理構(gòu)成及主要功能描述如下：

1）本地層，該層屬于MAS 分層結(jié)構(gòu)中的底層，由ECL 代理、CHP 代理、EHB 代理、MGB代理和P2G 代理構(gòu)成。能量協(xié)調(diào)過程中，本地層代理將與上層EC 代理進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與通信，從而上傳自身的運(yùn)行參數(shù)信息并接受相關(guān)調(diào)度指令信息。

圖2 分層分布式MAS 架構(gòu)Fig. 2 Hierarchical and distributed structure of MAS

2）能源中心層，該層屬于MAS 分層結(jié)構(gòu)的中間層，由數(shù)個(gè)EC 代理構(gòu)成。EC 代理將以目標(biāo)代理的形式存在，并不與綜合能源系統(tǒng)中的實(shí)體單元相對應(yīng)。能量協(xié)調(diào)過程中，EC 代理以能源中心運(yùn)行成本最低為目標(biāo)，根據(jù)下層代理提供的運(yùn)行參數(shù)信息和自身算法生成能源中心的能量協(xié)調(diào)優(yōu)化決策信息，并將生成的電功率及天然氣流量需求信息發(fā)送至上層代理，以請求獲取能源支持。

3）網(wǎng)絡(luò)層，該層與能源中心層同屬于MAS分層結(jié)構(gòu)的中間層，由EG 代理、GS 代理以及系統(tǒng)負(fù)荷（SL）代理構(gòu)成。能量協(xié)調(diào)過程中，網(wǎng)絡(luò)層代理將與上層代理進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與通信，上傳自身的運(yùn)行參數(shù)信息并接受相關(guān)調(diào)度指令信息。

4）系統(tǒng)層，該層屬于MAS 分層結(jié)構(gòu)的頂層，由綜合能源管理系統(tǒng)（integrated energy management system, IEMS）代理構(gòu)成。IEMS 代理同樣將以目標(biāo)代理的形式存在，能量協(xié)調(diào)過程中，IEMS代理以系統(tǒng)運(yùn)行成本最低為目標(biāo)，根據(jù)中間層代理提供的運(yùn)行參數(shù)信息和自身協(xié)調(diào)算法生成考慮網(wǎng)絡(luò)約束的系統(tǒng)全局能量協(xié)調(diào)優(yōu)化決策信息，并將相關(guān)決策結(jié)果以調(diào)度指令形式下發(fā)給相關(guān)中間層代理。

2.2 MAS 能量協(xié)調(diào)策略

基于所提MAS 架構(gòu)，所述目標(biāo)代理將具備相應(yīng)的能量協(xié)調(diào)決策功能。本文構(gòu)建由EC 代理分布能量協(xié)調(diào)與IEMS 代理集中能量協(xié)調(diào)相結(jié)合的MAS 能量協(xié)調(diào)策略如下：

2.2.1 EC 代理分布能量協(xié)調(diào)策略

綜合能源系統(tǒng)中所包含的各個(gè)EC 代理能量協(xié)調(diào)目標(biāo)統(tǒng)一設(shè)定為運(yùn)行成本最低，相關(guān)運(yùn)行成本由外部購電成本、外部購氣成本及負(fù)荷轉(zhuǎn)移成本共同構(gòu)成，決策變量包括調(diào)度周期內(nèi)各時(shí)段下負(fù)荷轉(zhuǎn)移功率、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組耗氣功率、P2G 裝置耗電功率、電鍋爐耗電功率以及燃?xì)忮仩t耗氣功率。

對EC 代理目標(biāo)函數(shù)為：

式中：cbuy,e,t/cbuy,g,t為t時(shí)段能源中心購電/氣價(jià)格；Pbuyn,t/Qbuyn,t為t時(shí)段第n個(gè)能源中心購電/氣功率；cshiftn/ΔPshiftn,t為t時(shí)段第n個(gè)能源中心負(fù)荷轉(zhuǎn)移價(jià)格/功率。

優(yōu)化中，EC 代理所需滿足的約束條件包括能源中心能量平衡方程以及能源中心運(yùn)行約束，具體由式(1)—(15)構(gòu)成。

2.2.2 IEMS 代理集中能量協(xié)調(diào)策略

IEMS 代理在獲取由中間層代理提供的相關(guān)能量協(xié)調(diào)信息后，將以系統(tǒng)綜合運(yùn)行成本最低為目標(biāo)進(jìn)行能量協(xié)調(diào)優(yōu)化，綜合能源系統(tǒng)綜合運(yùn)行成本由上級電網(wǎng)購電成本、發(fā)電機(jī)組運(yùn)行成本和氣源運(yùn)行成本組成，決策變量包括各時(shí)段電源及氣源的出力分配情況，其目標(biāo)函數(shù)為：

式 中：cgrid,t/Pgrid,t為t時(shí)段 上級 電 網(wǎng)售 電價(jià) 格/傳 輸功率；Ng為配電系統(tǒng)中常規(guī)發(fā)電廠個(gè)數(shù)；NGS為天然氣系統(tǒng)氣源個(gè)數(shù)；fop,gi,t(Pgi,t)/fop,GSi,t(SGSi,t)為常規(guī)發(fā)電機(jī)組/氣源運(yùn)行成本。

常規(guī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行成本采用發(fā)電量的二次函數(shù)形式表示，氣源供氣成本采用供氣量的線性函數(shù)形式表示為：

式中：cfuel為發(fā)電機(jī)組耗能單位成本；agi/bgi/cgi為發(fā)電機(jī)組耗量特性系數(shù)；aGSi為氣源成本系數(shù)。

優(yōu)化中，IEMS 代理所需滿足的約束條件包括系統(tǒng)能量平衡約束、網(wǎng)絡(luò)約束、電源運(yùn)行約束及氣源運(yùn)行約束，其中系統(tǒng)能量平衡約束如式(36)所示，其余約束分別如式(16)—(31)：

式中：NEC/Neload/Ngload為綜合能源系統(tǒng)能源中心/常規(guī)電負(fù)荷/常規(guī)氣負(fù)荷個(gè)數(shù)；Ploadi,t/Sloadi,t為t時(shí)段第i個(gè)常規(guī)電負(fù)荷功率需求/氣負(fù)荷天然氣流量需求。

2.2.3 目標(biāo)代理優(yōu)化求解方式

目標(biāo)代理優(yōu)化過程中所涉及到的約束條件式(1)—(17)、式(20)—(31)及式(36)均為線性約束，相關(guān)代理所需解決的優(yōu)化問題為典型的線性規(guī)劃問題，可通過目標(biāo)代理直接調(diào)用CPLEX 優(yōu)化求解器實(shí)現(xiàn)問題的快速、準(zhǔn)確、分布式求解。

2.3 MAS 交互通信策略

在所提MAS 結(jié)構(gòu)中，各代理模型需進(jìn)行一定程度的數(shù)據(jù)交互與通信，本文將通過代理通信語言(agent communication language, ACL)[21]予以實(shí)現(xiàn)，基于合同網(wǎng)協(xié)議（contract net protocol，CNP）[22]構(gòu)建代理通信交互策略如圖3 所示。

能量協(xié)調(diào)開始后，MAS 分層分布式結(jié)構(gòu)中的各個(gè)代理將按圖3 所示模式進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)交互與通信。在所示通信結(jié)構(gòu)中，依據(jù)參與代理的不同可劃分為系統(tǒng)集中協(xié)調(diào)通信模塊以及能源中心分布式協(xié)調(diào)通信模塊。在CNP 框架下，各模塊的通信結(jié)構(gòu)均可分為4 個(gè)階段進(jìn)行描述：第1 階段，由上層代理向下層代理發(fā)送數(shù)據(jù)請求類原語信息，用于請求獲取能量協(xié)調(diào)相關(guān)數(shù)據(jù)信息的支持；第2 階段，由下層代理向上層代理發(fā)送提議類原語信息，用于反饋所需數(shù)據(jù)參數(shù)信息；第3 階段，由上層代理向下層代理發(fā)送接受類原語信息，用于通知下層代理能量協(xié)調(diào)結(jié)果；第4 階段，由下層代理向上層代理發(fā)送通知類原語信息，用于通知上層代理已獲取并執(zhí)行能量協(xié)調(diào)結(jié)果。

3 仿真算例及結(jié)果分析

3.1 算例及仿真環(huán)境說明

為驗(yàn)證所提MAS 方法的有效性，構(gòu)建由修改后的IEEE5 節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)和7 節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)耦合而成的綜合能源系統(tǒng)算例模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖3 基于CNP 的MAS 交互通信策略Fig. 3 CNP based interactive communication strategy for MAS

圖4 綜合能源系統(tǒng)算例模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 4 Topological structure of calculation example model for integrated energy system

在配電系統(tǒng)中，E4 節(jié)點(diǎn)與上級輸電網(wǎng)相連、E5 節(jié)點(diǎn)接入常規(guī)發(fā)電機(jī)組、E3 節(jié)點(diǎn)具備常規(guī)電負(fù)荷（設(shè)為固定值）；天然氣系統(tǒng)中，G6、G7節(jié)點(diǎn)為氣源節(jié)點(diǎn)、G2、G4、G5 為常規(guī)天然氣負(fù)荷節(jié)點(diǎn)（設(shè)為固定值）、G2 與G4 節(jié)點(diǎn)之間管道裝有壓縮機(jī)；配電系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)通過能源中心耦合，能源中心內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，能源中心1 連接配電網(wǎng)E2 節(jié)點(diǎn)和天然氣系統(tǒng)G1 節(jié)點(diǎn)、能源中心2 連接配電網(wǎng)E1 節(jié)點(diǎn)和天然氣系統(tǒng)G3節(jié)點(diǎn)。能量協(xié)調(diào)尺度設(shè)定為日前尺度，協(xié)調(diào)間隔為1 h，能源中心購電價(jià)格及上級輸電網(wǎng)售電價(jià)格采用分時(shí)電價(jià)，具體價(jià)格與能源中心電熱負(fù)荷日前預(yù)測值如附錄A 所示，各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如附錄B 所示。

通過JADE 軟件平臺和JAVA 語言實(shí)現(xiàn)本文所提MAS 結(jié)構(gòu)性框架及代理功能的設(shè)計(jì)與開發(fā)，各代理通過JADE 所提供的基于FIPA(the foundation for intelligent physical agents,FIPA)規(guī)范的ACL 進(jìn)行交互通信，整體MAS 仿真將在NetBeansIDE8.2環(huán)境下進(jìn)行。

3.2 能量協(xié)調(diào)結(jié)果分析

3.2.1 能源中心分布式能量協(xié)調(diào)結(jié)果

各EC 代理通過與設(shè)備本地層代理的數(shù)據(jù)交互與通信，實(shí)現(xiàn)了各能源中心的分布式協(xié)調(diào)優(yōu)化，相關(guān)結(jié)果包括負(fù)荷協(xié)調(diào)策略及設(shè)備運(yùn)行策略，如圖5 所示：

對圖5 中能源中心負(fù)荷協(xié)調(diào)結(jié)果進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)各能源中心調(diào)整后的電負(fù)荷在保持總用量不變的前提下，更趨于分布在外部購電價(jià)格較低的時(shí)段，從而降低能源中心調(diào)度周期內(nèi)的總運(yùn)行成本。

此外，可以觀察到，在所提協(xié)調(diào)策略下，能源中心1 與能源中心2 設(shè)備運(yùn)行規(guī)律較為相似，其區(qū)別主要體現(xiàn)在設(shè)備容量及負(fù)荷需求之上。其中，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組消耗天然氣產(chǎn)生電功率和熱功率，因此在外部購電價(jià)格較高的時(shí)段下，熱電聯(lián)產(chǎn)將大量投入使用，以降低外部購電量。而在外部購電價(jià)格較低的時(shí)段，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組將失去經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，處于補(bǔ)償熱負(fù)荷缺額的低功率運(yùn)行狀態(tài)；燃?xì)忮仩t將天然氣功率轉(zhuǎn)換為熱功率，在外部購電價(jià)格較低的時(shí)段，其供能收益將優(yōu)于熱電聯(lián)產(chǎn)，進(jìn)而大量投入使用以供給熱負(fù)荷需求；P2G 裝置及電鍋爐均消耗電能，為此，其運(yùn)行主要集中于外部購電價(jià)格較低的時(shí)段，用于實(shí)現(xiàn)電、熱、氣能之間的協(xié)調(diào)互補(bǔ)。

圖5 能源中心能量協(xié)調(diào)策略Fig. 5 Energy coordination strategy of energy center

能源中心各時(shí)段協(xié)調(diào)優(yōu)化后的用能需求如圖6 所示：

3.2.2 系統(tǒng)集中能量協(xié)調(diào)結(jié)果

IEMS 代理在全局的角度考慮網(wǎng)絡(luò)約束和設(shè)備運(yùn)行約束，對各電源及氣源出力進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化，用以滿足各個(gè)能源中心及傳統(tǒng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷需求。經(jīng)協(xié)調(diào)后IEMS 代理控制系統(tǒng)中各電源及氣源出力情況如圖7 所示。

對圖7 中系統(tǒng)電源及氣源出力情況進(jìn)行簡要分析，對于電源分配而言，當(dāng)上級電網(wǎng)售電價(jià)格處于谷電價(jià)時(shí)段時(shí)，上級電網(wǎng)直接購能的方式更具經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，因而享有更高的運(yùn)行優(yōu)先級；反之，常規(guī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電將具備更高的運(yùn)行優(yōu)先級。對于天然氣管網(wǎng)而言，由于氣源2 成本系數(shù)更低，因此調(diào)度周期內(nèi)各時(shí)段下氣源2 均享有更高的運(yùn)行優(yōu)先級。

圖6 能源中心用能曲線Fig. 6 Energy demand curve of energy center

圖7 系統(tǒng)電源及氣源出力Fig. 7 Output of power source and natural gas source

為體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)約束對電源及氣源出力情況的影響，給出能量協(xié)調(diào)后綜合能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況結(jié)果如圖8 所示：

由于部分線路（管道）直接與電（氣）源相連，其流量與電（氣）源供能量一致，圖8 所示結(jié)果中不再予以體現(xiàn)。對其余線路（管道）運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，可以觀察到線路2-3、線路3-1 及管道5-2 在部分時(shí)段下出現(xiàn)了滿載的情況，由此限制了相關(guān)電源及氣源的出力上限。對管道節(jié)點(diǎn)氣壓結(jié)果進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)由于能源中心天然氣需求的急劇上升，在第20:00 至22:00 時(shí)段部分節(jié)點(diǎn)壓力下降較為明顯，但仍處于安全運(yùn)行范圍之內(nèi)。

圖8 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況Fig. 8 Network condition

4 結(jié)論

針對由能源中心、配電系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)耦合而成的綜合能源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文提出了一種基于MAS 的分層分布式能量協(xié)調(diào)方法。與傳統(tǒng)優(yōu)化方法相比，本文利用代理自主性特點(diǎn)對綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行分層建模，使得系統(tǒng)各層均具備獨(dú)立的行為能力，從而實(shí)現(xiàn)了能量協(xié)調(diào)過程中多類任務(wù)的快速分布式處理；通過代理通信功能模擬能量協(xié)調(diào)過程中不同層間信息的交互與傳遞，從而實(shí)現(xiàn)分布式任務(wù)處理所得數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確調(diào)用。

本文所提方法主要考慮綜合能源系統(tǒng)典型單元，并未考慮多能儲能的協(xié)調(diào)作用，在未來研究中，將進(jìn)一步完善MAS 架構(gòu)模型，以探討各類設(shè)備對系統(tǒng)分布式能量協(xié)調(diào)的影響。

（本刊附錄請見網(wǎng)絡(luò)版，印刷版略）

附錄A

附圖 A1 能源中心電熱負(fù)荷預(yù)測信息Fig. A1 Heat and electric load prediction information of EC

附圖 A2 能源價(jià)格信息Fig. A2 Information of energy price

附錄B

表 B1 能源中心1 相關(guān)運(yùn)行參數(shù)Table B1 Parameters of coupling equipment

表 B2 能源中心2 相關(guān)運(yùn)行參數(shù)Table B2 Parameters of coupling equipment

表 B3 常規(guī)發(fā)電機(jī)組基本參數(shù)Table B3 Parameters of coupling equipment

表 B4 氣源基本參數(shù)Table B4 Parameters of coupling equipment

表 B5 系統(tǒng)常規(guī)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)負(fù)荷數(shù)值Table B5 Parameters of coupling equipment

表 B6 配電網(wǎng)基本參數(shù)Table B6 Parameters of coupling equipment

表 B7 天然氣管網(wǎng)基本參數(shù)Table B7 Parameters of coupling equipment