2022能源互聯(lián)網(wǎng)多能分布式優(yōu)化研究挑戰(zhàn)與展望

能源互聯(lián)網(wǎng)多能分布式優(yōu)化研究挑戰(zhàn)與展望到能源互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行與控制技術(shù)是制約其發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸之一，從多能協(xié)調(diào)運行和分布式協(xié)同調(diào)控2個方面入礎(chǔ)上結(jié)合分布式優(yōu)化算法介紹了多智能體系統(tǒng)在能源互聯(lián)了進(jìn)一步展望。

0 引言能源是人類生存的物質(zhì)保障和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動力源泉，然而隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源短缺問題日益凸顯。同時，化石能源的大規(guī)模使用所導(dǎo)致的環(huán)境污染和氣候惡化等問題越來越嚴(yán)重。針對能源與環(huán)境領(lǐng)域的緊迫形勢，清潔可再生能源的發(fā)展備受關(guān)注，但其消納問題十分突出，棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象較為嚴(yán)重，并且用能側(cè)的能源利用效率較低，直接制約了我國的經(jīng)濟(jì)社會轉(zhuǎn)型。代表的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入發(fā)展使其與傳統(tǒng)工業(yè)相FREEDME-Energy計劃、FINSENY項目等以尋求在新能源智能并網(wǎng)[1-3]縱向互聯(lián)體現(xiàn)在源-網(wǎng)-荷-儲的協(xié)同運行控制。傳

(energy年首次提出的概念[8]，被視為能夠?qū)崿F(xiàn)多能互補(bǔ)轉(zhuǎn)化L=CP (1)P=[PP,P12 m

L=[LL,L12 n魯棒性而不再適用于這種支持所有參與者對等接針對能源互聯(lián)網(wǎng)橫向與縱向互聯(lián)的特點，本文首先分析總結(jié)了多能協(xié)調(diào)優(yōu)化運行問題中的能量樞紐與多能流網(wǎng)絡(luò)建模方法以及相關(guān)優(yōu)化運行策略，在此基礎(chǔ)上對能源互聯(lián)網(wǎng)分層分布式控制架構(gòu)和分布式優(yōu)化調(diào)控算法進(jìn)行了歸納，并介紹了多智能體系統(tǒng)在能源互聯(lián)網(wǎng)分布式優(yōu)化中的應(yīng)用前景，最后對能源互聯(lián)網(wǎng)在多能分布式優(yōu)化運行與控制領(lǐng)域的相關(guān)研究進(jìn)行了展望。1 多能協(xié)調(diào)優(yōu)化運行基礎(chǔ)功率耦合多能流網(wǎng)絡(luò)建模EH建模分析多能協(xié)調(diào)運行系統(tǒng)運行策略于多能源網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)運行問題還需要計及多能基礎(chǔ)功率耦合多能流網(wǎng)絡(luò)建模EH建模分析多能協(xié)調(diào)運行系統(tǒng)運行策略圖1多能協(xié)調(diào)運行問題研究關(guān)系圖Fig.1Researchdiagramofmulti-energycoordinatedoperation

等能源產(chǎn)品組成的輸出變量；C為轉(zhuǎn)換矩陣，其中的每個元素cij稱為耦合因子，并具有如下關(guān)系。CηN (2)ηijNij配因子?？梢钥闯?，能量樞紐是一多輸入-多輸出ij能源用于該種形式輸出的分配比例和轉(zhuǎn)化效率成正比?；诖?，研究人員建立并完善了考慮儲能設(shè)(combinedheatandpower，CHP)機(jī)組熱電比可調(diào)的運行模式下建立了能量樞紐的動態(tài)擴(kuò)展模型。文獻(xiàn)[12]建立了包括CHP、插電式混合動力汽車(plug-inhybridelectricvehicle，PHEV)功能的系統(tǒng)元件可以由已知元件的模型進(jìn)行類比電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)問題中冷負(fù)荷可等效為負(fù)值的熱負(fù)CHP系[14]。然而現(xiàn)有研究對能量樞紐中各元件的動態(tài)過程考慮較少，如未計及氣熱轉(zhuǎn)化中的時延特性等，且缺乏對各環(huán)節(jié)中存在不確定性的考慮，在復(fù)雜系統(tǒng)分析中還需對能量樞紐模型做進(jìn)一步完善。此外，隨著能源互聯(lián)網(wǎng)中不同能源在轉(zhuǎn)換、傳輸、分配、存儲等各個環(huán)節(jié)的融合深度逐漸提高，能量樞紐數(shù)學(xué)模型可能難以用公式直接表達(dá)，可考慮利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)識別和獲取能量樞紐的關(guān)鍵參數(shù)，對其中相應(yīng)的輸入輸出量進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，這也是能量樞紐智能自動化建模的下一步研究方向之一。建模與混合潮流計算成為能源互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)分析的[15-16]0F(xe,,,)0G(x,x,x,x)

加，對求解過程要求較高，可采用擴(kuò)展Newton-Raphson[18]法則是通過對能源耦合部分的能量作等值處理將[19] eg h

(3)0H(x,x,x,x)

重新計算直到所有系統(tǒng)潮流均收斂為止。在功率流0

eg hehEH(xe,,,

的優(yōu)化計算方面，可以將求解過程分為配電網(wǎng)三相潮流計算、燃?xì)夤芫W(wǎng)潮流計算及EH潮流計算、系式中：F代表電力系統(tǒng)潮流方程；G為天然氣系統(tǒng)程；CEH為能量樞紐的輸入輸出耦合方程；xhxeh 11121nP

統(tǒng)優(yōu)算3模進(jìn)行[20]，從而高算率。也有學(xué)者將 TLBO optimization)優(yōu)化算法應(yīng)用于求解多能源系統(tǒng)的最流題并合慮了源環(huán)效益[21]。以上研究主要基于電-氣-熱系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)能量運行規(guī)劃與實時調(diào)度中需要計及多能源系統(tǒng)傳輸2

2122 2n2

(4) P i2

n

牛頓第二定律在天然氣管道流量方程中的偏微分表述形式，而在氣體流量溫度與環(huán)境溫度相同時可忽略能量守恒公式[22]。具體描述為(i0,mi個能Tjj0,n)為含有載能體jm、n

(v)+=0l t

(5)P

H Fv|v|(v)(v2)

為

gas+G

+ + + =0 ij

l

l 2D t l由}30H1EH中載能體3[17]熱流、氣流在傳輸過程中遵循的物理機(jī)理不盡相

式中：ltvtx的函數(shù)T(tx同，熱力網(wǎng)模型中的支路水力方程、支路熱力方程

TvTT

(6)和節(jié)點工質(zhì)混合方程以及天然氣網(wǎng)模型中的支路能源互聯(lián)網(wǎng)短期優(yōu)化調(diào)度和超短期精確控制中的時需要將不同能源網(wǎng)絡(luò)方程聯(lián)立進(jìn)行統(tǒng)一迭代求

t x式中為管道的熱損耗系數(shù)?？偟膩碚f，天然氣網(wǎng)網(wǎng)多時間尺度混合潮流模型中可根據(jù)實際情況進(jìn)此外，由于能源互聯(lián)網(wǎng)中可再生能源的高滲透率以及高比例柔性負(fù)荷的參與，上述混合潮流模型中還需要考慮不確定因素在不同能源網(wǎng)絡(luò)間的傳播問題。但目前這方面的研究成果較少，如何類比電力系統(tǒng)隨機(jī)潮流建立能源互聯(lián)網(wǎng)隨機(jī)混合功率流模型進(jìn)行分析計算將是接下來的研究重點之一。21

造成的影響是一個亟待解決的問題。[29](3)穩(wěn)態(tài)混合潮流方程建立的能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型[14]為minf(x,u)2

h(x,u)0

(7)s.t.樞紐內(nèi)的設(shè)備配置及系統(tǒng)約束決定各時段該能量樞紐內(nèi)部的能源分配、轉(zhuǎn)化與存儲策略等[24]。單個能量樞紐的運行優(yōu)化問題由于不需要考能量樞紐與其連接的分布式電源和負(fù)荷等視為一CHP(demandresponse，DR)[25]2

g(x,u)0式中：x[30]u等。目標(biāo)函數(shù)fx,u)的選取通常要考慮能源互聯(lián)hx,u)=0主要程、網(wǎng)絡(luò)與能量樞紐耦合方程；不等式約束gx,u0主要包括技術(shù)約束、系統(tǒng)運行約束、能上述模型主要適用于區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運目標(biāo)函數(shù)輸入數(shù)據(jù)目標(biāo)函數(shù)輸入數(shù)據(jù)運行成本能效等輸出數(shù)據(jù)能量價格設(shè)備參數(shù)負(fù)荷預(yù)測求解模 約束條型能量平衡技術(shù)限制運行約束DR數(shù)、CHP熱電比、DR功率等對能互網(wǎng)行影響 另方主電網(wǎng)圖2優(yōu)化運行問題建模思路Fig.2Modelingapproachofoptimaloperationissues[26]CHP機(jī)組運行約束及儲能元件壽命等因素所帶來的優(yōu)化模利用數(shù)值方法與人工智能算法相結(jié)合的手段進(jìn)行[27-28]多能源系統(tǒng)中包含用戶進(jìn)行用能形式切換的綜合樞紐優(yōu)化建模中考慮其組成元件及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化

系統(tǒng)在實現(xiàn)自治多能協(xié)調(diào)優(yōu)化的同時應(yīng)保證電網(wǎng)能源接入等不確定因素影響下廣域多能源系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)的分層分布式控制結(jié)構(gòu)下采用分布自治的分布式協(xié)同優(yōu)化調(diào)控能源互聯(lián)網(wǎng)在源-網(wǎng)-荷-儲一體化縱向互聯(lián)方(7)夠處理海量數(shù)據(jù)的集中控制器用于判斷網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的運行狀況[4,23]，導(dǎo)致計算時間較長，且由于通信延遲問題使其計算準(zhǔn)確性無法保障。同時，大量分布式設(shè)備的即插即用使能源互聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能隨時發(fā)生變化，集中式優(yōu)化方案將難以適用。針對上述問題，分層分布式優(yōu)化方法逐漸成為能源互聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)運行與控制的研究熱點，其與多智能體系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合為能源互聯(lián)網(wǎng)的智能調(diào)控提供了有效解決途徑。步分為若干區(qū)域。這樣的分層方式在應(yīng)對故障隔多區(qū)域多層次的協(xié)調(diào)控制會造成大量的通信延時3[32]進(jìn)行能量平衡控制、供能質(zhì)量調(diào)節(jié)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)3給出了能源互聯(lián)網(wǎng)基本控制架構(gòu)示意圖。多個能源子網(wǎng)通過主干網(wǎng)架實現(xiàn)多種能源的功率能源互聯(lián)網(wǎng)主干網(wǎng)架

2分布式協(xié)同控制方法在處理能源互聯(lián)網(wǎng)中大量分布式資源不確定性與波動性的底層控制問題的通信網(wǎng)絡(luò)，其通過各分布式可控單元與其他鄰近單元通信，結(jié)合收集到的有限狀態(tài)信息進(jìn)行迭勵-響應(yīng)”模式下快速響應(yīng)分布式設(shè)備的頻繁狀態(tài)波動。分布式控制方法在解決實際問題中廣泛應(yīng)用的全分布式優(yōu)化算法主要有一致性算法和分布式最終使得網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的關(guān)鍵變量收斂于相同n個節(jié)點的有向網(wǎng)絡(luò)G，[k在離散時間kNi[33]n自治節(jié)點5

主導(dǎo)節(jié)點

主導(dǎo)節(jié)點

i[k]dijxj[kj1寫成矩陣形式x[kD[k]x[k]

自治節(jié)點4

自治節(jié)點3

自治節(jié)點1自治節(jié)點2物理互聯(lián) 信息互

dijD[k拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定，當(dāng)vjNidij=0。分布式次梯度算法作為另一種重要的全分布通過其自身的目標(biāo)函數(shù)信息（即目標(biāo)函數(shù)的次梯度圖3能源互聯(lián)網(wǎng)分層分布式控制架構(gòu)Fig.3Hierarchicalanddistributedcontrolarchitectureforenergyinternet

單元直接或間接地交換這些估計用于下一次的迭代更新，最終給出全局目標(biāo)最優(yōu)時的決策變量。對于以下無約束凸優(yōu)化問題n

本微增率等優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的(次)梯度信息和二階梯min

fi(x) i1

x

(10)

主體的分布式設(shè)備進(jìn)行信息交互會造成能源互聯(lián)ix[k]Fniki[34]in

網(wǎng)參與者隱私泄露，而采用交替方向乘子法(alternatingdirectionmethodofmultipliers，ADMM)[42-43][kaij[k]xj[k]di[k]si[k]j1

考慮到上述方法主要應(yīng)用于凸優(yōu)化問題，當(dāng)優(yōu)化目aij[kijdi[k0isi[k是單元if(xxx[k

解決能源互聯(lián)網(wǎng)中考慮最優(yōu)功率流等非凸優(yōu)化問[44-45]等方i i(9)(11)s[kx[k](j2,n線性

法將問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題繼續(xù)求解。上文中已經(jīng)提到，實現(xiàn)分層分布式優(yōu)化策略需要具有自治控制和響應(yīng)調(diào)控指令能力的分布式可i j表示，則一致性算法可視為一種特殊的次梯度算目標(biāo)函數(shù)的次梯度信息即各分布式電源的成本微等微增率點又可視為以成本微增率為決策變量的一致性算法與次梯度算法在應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變時僅需分別對狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣D[k和通信權(quán)重系數(shù)aij[k用于能源互聯(lián)網(wǎng)區(qū)域自治優(yōu)化調(diào)度及頻率快速恢復(fù)k然而一致性算法與次梯度算法均只有一階收[40-41]，HkH1k

控單元的參與，而這些分布式可控單元就相當(dāng)于不同的智能體，從而構(gòu)成了多智能體系統(tǒng)(multi-agentsystem，MAS)。多智能體系統(tǒng)也稱為多代理系統(tǒng)，廣義來講，MAS可視為分布式人工智能的應(yīng)用，其中的每個智能體能夠充分發(fā)揮自主性并具有與系統(tǒng)中其他智能體交互、協(xié)調(diào)、達(dá)成一致的社會能力[46]。4中的Agent構(gòu)。在上層控制中，各Agent代理區(qū)域的狀態(tài)信息后交由事件處理分發(fā)器進(jìn)行景下，各Agent利用通信系統(tǒng)與其他Agent決策決策1標(biāo)：計劃n通信系統(tǒng)效場景11處理分發(fā)器功效應(yīng)器--塊模塊下層控控制1型頻率下層控制模塊Agent運行環(huán)境頻率控制模塊電壓控制模塊控制器#1控制制模塊電壓控-數(shù)據(jù)庫功能模塊制評估能效n場景n上層控制上層n應(yīng)器發(fā)理分器計劃1Agent#1狀態(tài)感知器通信系統(tǒng)目標(biāo)Agent#n圖4智能體工作流程Fig.4Workflowofagent[47]。廣義虛擬電廠(generalizedvirtualpowerplant，GVPP)設(shè)置在各分布式設(shè)備的能源接口處[48]。其中，中間層智能體在能源互聯(lián)網(wǎng)中處于決定性地位，是聯(lián)系頂層智能體與底層智能體的紐帶，主要包括能量樞紐智能體、能源路由器智能體、微電網(wǎng)智能體等，通過分工合作完成接收頂層智能體綜合調(diào)控指令，與鄰接中間層智能體通信以及制定并下發(fā)模式切換策略和功率控制指令等功能，從而實現(xiàn)不同能源子網(wǎng)間的協(xié)調(diào)運行。中間層智能體與底層智能體的出現(xiàn)弱化了頂層智能體的調(diào)控功能，使得能源互聯(lián)網(wǎng)由傳統(tǒng)電網(wǎng)的垂直結(jié)構(gòu)向扁平化發(fā)展。多智能體系統(tǒng)作為分布式優(yōu)化算法實現(xiàn)的基文獻(xiàn)[49]基于多智能體一致性算法，設(shè)計了一種用能源互聯(lián)網(wǎng)中因分布式發(fā)電單元輸出電壓幅值和應(yīng)用于有功功率和頻率的精確控制[50]以及分布式電源競價機(jī)制制定[51]等領(lǐng)域。同時，作為能源互[55]構(gòu)的特點，還有待進(jìn)一步研究。此外，MAS在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用還需要解決標(biāo)準(zhǔn)化的開發(fā)平臺

術(shù)等關(guān)鍵問題。研究展望能源互聯(lián)網(wǎng)的多能分布式優(yōu)化問題涉及領(lǐng)域目前在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的先分層后分區(qū)的運行控制體系從電能傳輸與利用的角度將整個2多樣性，導(dǎo)致能源傳輸環(huán)節(jié)的控制作用被大大削of源互聯(lián)網(wǎng)分成若干個結(jié)構(gòu)較為簡單的能源自治區(qū)域使用等各個環(huán)節(jié)，結(jié)合開放系統(tǒng)互連模型(opensysteminterconnection/reference按5可以在不改變現(xiàn)有能源系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和地理邊界目前，分布式優(yōu)化調(diào)控研究多集中于主動配電Cell1Cell1Cell2接口層測控層通信層策略層服務(wù)層服務(wù)層策略層通信層測控層接口層5體系的功能分層結(jié)構(gòu)Fig.5