芯耀
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當(dāng)百萬(wàn)千瓦級(jí)儲(chǔ)能電站需要協(xié)調(diào)數(shù)萬(wàn)電池單元，如何在電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)響應(yīng)？面對(duì)海量異構(gòu)設(shè)備與復(fù)雜工況，傳統(tǒng)集中控制已難勝任，多智能體技術(shù)正重塑儲(chǔ)能控制范式。多智能體系統(tǒng)構(gòu)建"分層自治+集中協(xié)調(diào)"模式，讓儲(chǔ)能電站兼具鋼鐵筋骨與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，成為新型電力系統(tǒng)不可或缺的智能基座。
多智能體及其分層控制體系結(jié)構(gòu)
1.多智能體控制的分層架構(gòu)
多智能體系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)本質(zhì)是屬于分布式體系架構(gòu)，將多智能體技術(shù)應(yīng)用在大規(guī)模電池儲(chǔ)能電站的控制層級(jí)設(shè)計(jì)中，多智能體系統(tǒng)中智能體的自治、通信、可協(xié)調(diào)等特點(diǎn)以及MAS的特性對(duì)于提高儲(chǔ)能電站控制能力具有較好的促進(jìn)作用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的有效管理與控制，確保系統(tǒng)的可靠性、安全性、實(shí)用性和擴(kuò)展性。因此通過(guò)MAS構(gòu)建集中式接入、分散式接入的大規(guī)模電池儲(chǔ)能電站的監(jiān)控體系是可行的重要途徑之一。
對(duì)儲(chǔ)能電站進(jìn)行分區(qū)是實(shí)現(xiàn)分區(qū)自治的基礎(chǔ)。在大規(guī)模電池儲(chǔ)能電站集成過(guò)程中，可能會(huì)面臨電池類型、接入方式各異的情形。因此考慮到上述因素，儲(chǔ)能電站在分區(qū)過(guò)程中，分區(qū)的考慮因素包括：接入方式、電池種類、電池與變流器型號(hào)、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)（SOC、儲(chǔ)能容量、最大充放電功率）等。
2.基于多智能體的監(jiān)控架構(gòu)
基于MAS的監(jiān)控系統(tǒng)采用集散遞階控制的架構(gòu)，將組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)等各級(jí)控制器均作為完成相應(yīng)任務(wù)的智能體，其層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 儲(chǔ)能電站監(jiān)控系統(tǒng)層級(jí)結(jié)構(gòu)
監(jiān)控對(duì)象即為各個(gè)分布式、集中式儲(chǔ)能系統(tǒng)；執(zhí)行級(jí)智能體執(zhí)行監(jiān)測(cè)、保護(hù)、控制、計(jì)量等任務(wù)，包括電池管理系統(tǒng)、儲(chǔ)能變流器等；協(xié)調(diào)級(jí)智能體接受來(lái)自組織級(jí)智能體的指令和每一子任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中的反饋信息，并協(xié)調(diào)執(zhí)行級(jí)智能體的執(zhí)行過(guò)程；組織級(jí)智能體決定總體要執(zhí)行的任務(wù)或系統(tǒng)控制目標(biāo)。
例如，基于多智能體技術(shù)的大規(guī)模分散式與集中式結(jié)合的電池儲(chǔ)能電站監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖8.2所示。與分布式能源配合的分布式儲(chǔ)能電站、集中接入配電網(wǎng)的集中式儲(chǔ)能電站均可以單獨(dú)接入儲(chǔ)能子智能體系統(tǒng)，通過(guò)協(xié)調(diào)級(jí)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。
圖2 基于多智能體技術(shù)的大規(guī)模電池儲(chǔ)能電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
基于多智能體的電池儲(chǔ)能電站監(jiān)控系統(tǒng)，包括儲(chǔ)能總智能體單元（組織級(jí)智能體）和儲(chǔ)能子智能體單元（協(xié)調(diào)級(jí)智能體），儲(chǔ)能總智能體單元和儲(chǔ)能子智能體單元間用高速通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以監(jiān)測(cè)控制管理儲(chǔ)能電站狀態(tài)。
如圖2 所示，儲(chǔ)能總智能體單元為控制主體，具有最高優(yōu)先級(jí)；各儲(chǔ)能子智能體單元為被控主體。支持分布式、集中式以及分布式與集中式混合型結(jié)構(gòu)。其中1~N+M號(hào)儲(chǔ)能子智能體單元為分布式結(jié)構(gòu)，N+M+1~N+M+X號(hào)儲(chǔ)能子智能體單元分別對(duì)應(yīng)多個(gè)儲(chǔ)能機(jī)組，為集中式結(jié)構(gòu)。
1）組織級(jí)智能體設(shè)計(jì)
儲(chǔ)能電站監(jiān)控系統(tǒng)組織級(jí)智能體負(fù)責(zé)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)整體調(diào)度，并綜合協(xié)調(diào)級(jí)智能體上傳的信息做出重大決策，組織級(jí)智能體應(yīng)構(gòu)建在標(biāo)準(zhǔn)、通用的軟硬件基礎(chǔ)平臺(tái)上，具備可靠性、可用性、擴(kuò)展性和安全性，并根據(jù)各地區(qū)的分布式儲(chǔ)能電站規(guī)模、實(shí)際需求等情況選擇和配置軟硬件。組織級(jí)智能體應(yīng)有安全、可靠的供電電源保障。
組織級(jí)智能體設(shè)計(jì)包括主站硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)和軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)。軟硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮分布式儲(chǔ)能電站的接入規(guī)模、高級(jí)應(yīng)用功能實(shí)現(xiàn)等。 硬件平臺(tái)是軟件平臺(tái)的載體，設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮硬件配置情況，既需要避免不必要的冗余浪費(fèi)，也需要有足夠的能力充分展示軟件功能。
2）協(xié)調(diào)級(jí)智能體設(shè)計(jì)
協(xié)調(diào)級(jí)智能體管理各個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)中所有執(zhí)行級(jí)智能體，并綜合協(xié)調(diào)各執(zhí)行級(jí)智能體的行為，使各儲(chǔ)能系統(tǒng)能正常、優(yōu)化、有效運(yùn)行。其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 協(xié)調(diào)級(jí)智能體基本結(jié)構(gòu)
協(xié)調(diào)級(jí)智能體的控制策略如圖4所示。
圖4 協(xié)調(diào)級(jí)智能體的控制策略
3）執(zhí)行級(jí)智能體設(shè)計(jì)
執(zhí)行級(jí)智能體作為保證分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)正常、有效運(yùn)行的單元，理論上通常由通信模塊、感知器、推理模塊、規(guī)則庫(kù)、算法模塊、執(zhí)行模塊等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。
圖5 執(zhí)行級(jí)智能體基本結(jié)構(gòu)圖
執(zhí)行級(jí)智能體各模塊具體功能有以下幾點(diǎn)：
（1）通信模塊保證執(zhí)行級(jí)智能體與同級(jí)智能體以及執(zhí)行級(jí)智能體與協(xié)調(diào)級(jí)智能體進(jìn)行通信，包括實(shí)時(shí)反饋?zhàn)陨磉\(yùn)行狀況及具體操作，但自身能力達(dá)到極限時(shí)向協(xié)調(diào)級(jí)智能體發(fā)出協(xié)助請(qǐng)求，同時(shí)接受協(xié)調(diào)級(jí)智能體發(fā)布的協(xié)助調(diào)壓、調(diào)頻等請(qǐng)求。
（2）感知器采集環(huán)境信息，如電壓、電流、有功、無(wú)功等，并存放到數(shù)據(jù)庫(kù)中。
（3）數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)本節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)數(shù)據(jù)和接收到的信息。
執(zhí)行級(jí)智能體的控制策略如圖6所示。
圖6 執(zhí)行級(jí)智能體控制策略
基于多智能體的儲(chǔ)能電站協(xié)調(diào)控制技術(shù)
1.不同運(yùn)行工況下的儲(chǔ)能電站功率控制思路
（1）全部設(shè)備都正常的運(yùn)行工況下
在全部設(shè)備都正常運(yùn)行的情況下，將整個(gè)儲(chǔ)能電站進(jìn)行區(qū)域劃分，將各個(gè)區(qū)域利用儲(chǔ)能智能體實(shí)現(xiàn)分區(qū)自治功能，同時(shí)多個(gè)儲(chǔ)能智能體與儲(chǔ)能電站控制智能體之間實(shí)現(xiàn)集中控制功能。
在分區(qū)自治與集中控制相結(jié)合的儲(chǔ)能電站有功功率控制方法中，多個(gè)儲(chǔ)能智能體與儲(chǔ)能電站控制智能體之間通過(guò)多智能體粒子群算法確定各儲(chǔ)能子站智能體的總充放電功率。同時(shí)在儲(chǔ)能智能體內(nèi)部，結(jié)合局部自治方法，基于儲(chǔ)能智能體內(nèi)多個(gè)儲(chǔ)能單元的SOC，進(jìn)行各PCS的功率再分配。
具體如下：首先儲(chǔ)能電站控制智能體發(fā)布儲(chǔ)能電站總功率需求。其次，各區(qū)域儲(chǔ)能智能體通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)協(xié)商，確定單個(gè)自治區(qū)域內(nèi)的功率需求，根據(jù)功率需求，控制所對(duì)應(yīng)儲(chǔ)能單元完成發(fā)電。當(dāng)儲(chǔ)能單元響應(yīng)后，如果出現(xiàn)，不能完成本儲(chǔ)能智能體所需要完成的功率需求時(shí)，將由其他儲(chǔ)能智能體補(bǔ)充。
（2）個(gè)別設(shè)備出現(xiàn)故障（或在運(yùn)維停運(yùn)）的運(yùn)行工況下
在儲(chǔ)能智能體工作工程中會(huì)出現(xiàn)故障停運(yùn)現(xiàn)象時(shí)，出現(xiàn)故障或停運(yùn)的智能體將會(huì)向儲(chǔ)能控制智能體發(fā)出請(qǐng)求，退出功率輸出任務(wù)。此時(shí)，儲(chǔ)能控制智能體，將會(huì)控制其他正在運(yùn)行的儲(chǔ)能智能體，重新競(jìng)爭(zhēng)分配儲(chǔ)能充放電功率任務(wù)。
具體如下：當(dāng)儲(chǔ)能電站中某一智能體出現(xiàn)故障或需要運(yùn)維檢修時(shí)，該智能體首先檢測(cè)內(nèi)部的儲(chǔ)能元件運(yùn)行狀態(tài)，并與其他區(qū)域儲(chǔ)能智能體和儲(chǔ)能控制智能體進(jìn)行信息交互，通知其他智能體自身將退出運(yùn)行，需重新分配各區(qū)域的功率需求。其他區(qū)域儲(chǔ)能智能體接收信號(hào)，根據(jù)當(dāng)前可運(yùn)行的儲(chǔ)能元件的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，重新分配各個(gè)智能體的儲(chǔ)能發(fā)電任務(wù)。當(dāng)故障排除后，該智能體檢測(cè)自身各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)，通知其他智能體恢復(fù)工作，與退出運(yùn)行類似，各智能體重新分配發(fā)電任務(wù)，從而恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。
2.基于多智能體粒子群的儲(chǔ)能電站功率控制技術(shù)
結(jié)合多智能體思想，將儲(chǔ)能電站分割成多個(gè)智能體區(qū)，同時(shí)結(jié)合粒子群算法，擴(kuò)大解空間搜索范圍，是一種適合百兆瓦級(jí)大規(guī)模電池儲(chǔ)能電站功率協(xié)調(diào)控制的解決方案。在多智能體粒子群算法中，生成的粒子的個(gè)數(shù)，代表所要求解的個(gè)數(shù)，即為儲(chǔ)能單元智能體的個(gè)數(shù)。
基于多智能體粒子群算法，本文提出了一種大規(guī)模百兆瓦級(jí)電池儲(chǔ)能電站控制方法。依據(jù)前述方法，將儲(chǔ)能電站控制層級(jí)分為兩級(jí)：主智能體與各儲(chǔ)能單元區(qū)智能體。通過(guò)多個(gè)智能體之間協(xié)商通信，主智能體將儲(chǔ)能總需求分配給各個(gè)儲(chǔ)能單元區(qū)智能體，各儲(chǔ)能單元區(qū)智能體在確定充放電功率參考值之后，確定多智能體粒子群算法微調(diào)區(qū)間，并結(jié)合控制范圍內(nèi)各儲(chǔ)能子單元的SOC狀態(tài)及最大充放電功率等參數(shù)最終確定各PCS實(shí)際充放電功率。
基于多智能體粒子群算法的儲(chǔ)能電站整體控制流程中，儲(chǔ)能電站主智能體與儲(chǔ)能單元區(qū)智能體互相之間協(xié)商通信，分別計(jì)算某一分區(qū)當(dāng)前時(shí)刻功率參考值，儲(chǔ)能單元區(qū)智能體通過(guò)對(duì)比判斷并最終確定該分區(qū)當(dāng)前時(shí)刻實(shí)際應(yīng)發(fā)功率。以跟蹤光伏發(fā)電計(jì)劃為例，控制流程圖如圖7所示：
圖7 站內(nèi)不同控制層級(jí)的儲(chǔ)能電站有功功率協(xié)調(diào)控制方法流程圖
國(guó)內(nèi)首部系統(tǒng)詮釋智慧儲(chǔ)能概念及實(shí)例的著作！中國(guó)工程院院士周孝信、于海斌 作序推薦！
▊《智慧儲(chǔ)能：多智能體在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用》作者 李相俊等
本書圍繞多智能體技術(shù)在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用，采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式，通過(guò)對(duì)其技術(shù)路徑、方法原理、編程環(huán)境及實(shí)際案例項(xiàng)目的講解，構(gòu)筑起一套面向智慧儲(chǔ)能的多智能體技術(shù)應(yīng)用體系，幫助廣大讀者快速掌握多智能體技術(shù)，并深刻理解智慧儲(chǔ)能相關(guān)理論、技術(shù)及應(yīng)用。
本書共11章，主要介紹多智能體系統(tǒng)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法及其在儲(chǔ)能電站管理中的應(yīng)用。其中，第1～4章主要介紹多智能體技術(shù)及其編程開發(fā)環(huán)境；第5、6章主要介紹強(qiáng)化學(xué)習(xí)、多智能體深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)相關(guān)算法原理及其應(yīng)用；第7～10章重點(diǎn)介紹多智能體技術(shù)在儲(chǔ)能領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用案例；第11章總結(jié)展望多智能體技術(shù)及智慧儲(chǔ)能的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。
撰 ?稿 ?人：楊健亭責(zé)任編輯： 李馨馨審 ?核 ?人：曹新宇
