Агентная платформа управления распределенных энергетических ресурсов микрогрид

КРАТКИЙ ОБЗОР

MicroGrid обеспечивает эффективный подход к интегрированию множества мелких распределенных энергетических ресурсов в объемную электрическую сеть. В этой статье Вашему вниманию предлагается рассмотрение агентной платформы управления распределенных энергетических ресурсов микрогрид. Сначала обсуждаются особенности агентной технологии. Затем были представлены агентные системы управления для РЭР в микрогрид. Продемонстрирована эффективность предложенной агентной платформы управления, моделирование исследований было выполнено в распределенной энергетической системе постоянного тока, которая может использоваться в микрогрид в качестве модульного энергоблока. Результаты моделирования четко указывают, что агентная структура управления эффективно координирует различные распределенные энергетические ресурсы и управляет профилями напряжения и мощности.

ВВЕДЕНИЕ

Крупномасштабное использование распределенных энергетических ресурсов (РЭР) изменит способ передачи электрической энергии через сеть электроснабжения, позволяя потребителям электричества иметь определенную степень энергетической независимости, а основной системе питания мелких поставщиков распределенной энергии. Преимуществами (РЭР) являются: надежность обслуживания, качество источника питания и повышение эффективности использования энергии путем использования отработанного тепла от систем производства электроэнергии. Кроме того, системы (РЭР) могут принести пользу электроэнергетическим компаниям, уменьшая перегрузку в сети, уменьшая потребность в новой генерации и пропускной способности, и предлагая дополнительные услуги, такие как поддержание напряжения и реакция срабатывания. Однако система распределения электричества традиционно не была предназначена для активного производства электроэнергии, и ее хранения на уровне распределения.

Понятие микрогрид обеспечивает эффективный подход к интегрированию небольших распределенных энергетических ресурсов в объемную электрическую сеть [2] - [8]. Главное свойство микрогрид - возможность найти подходящую стратегию управления, которая использует в своих интересах свойственную масштабность и преимущества устойчивости распределенной энергии. Распределенное управление, с принятием решений, сделанными локально с каждым источником питания и нагрузкой, может потенциально создать масштабную и устойчивую энергетическую систему. При наличии источников питания и нагрузок, которые следуют за общей коммуникационной структурой, добавляя источники питания, чтобы удовлетворить увеличивающиеся требования нагрузки было бы проще, чем традиционный способ подключения новых источников в централизованную стратегию управления. В этом контексте агентная технология - подходящий подход для автономного управления распределенными энергетическими ресурсами микроград [9] - [14].

Эта статья представляет собой агентную платформу управления для распределенных источников энергии микрогрид. Основная задача состоит в том, чтобы описать в общих чертах агентную структуру и определить функции агентов согласно характеристикам отдельных энергетических ресурсов. Далее основные функции технологии агента сначала описываются в контексте микрогрид. Затем представлена основанная на агенте платформа управления для микрогрид. Чтобы демонстрировать эффективность предложенного агентного метода управления, была создана модель исследования распределенной энергетической системой постоянного тока, которая может использоваться в микрогрид в качестве модульного блока питания. Результаты моделирования четко что агентная структура управления эффективно координирует различные распределенные энергетические ресурсы и управляет профилями напряжения и мощности.

Применение агентной технологии для распределенных энергетических ресурсов микрогрид

Микрогрид, это, безусловно, распределенная система с множеством малых энергетических ресурсов, распределенных в энергетической сети. Как упоминалось выше, подход к этой абсолютно распределенной системе осуществляется с помощью агентной технологии. Агентная технология была успешно применена в производстве, транспортировке и многих других областях хозяйствования [15] - [19], та же идея может быть применена для управления распределенными энергетическими системами. Несмотря на то, что растущее число исследователей обсуждало проблемы, связанные с различными аспектами агентной технологии с прошлого десятилетия, все еще нет никакого строгого определения о том, каким должен быть агент. В контексте Microgrid агент может быть или физическим объектом, который действует в среде или виртуальным, т.е., без физического существования. В этом исследовании физический объект – агент, который управляет непосредственно распределенным энергетическим ресурсом, а виртуальный – часть программного обеспечения, которая делает предложения на энергетический рынок или хранит данные в базе данных. Строго говоря, агенты имеют определенные основные характеристики.

У агентов есть определенный уровень автономии, что означает, возможность принятия решения без центрального контроллера или координатора. С этой целью , они приводятся в действие с помощью набора вариантов. Например, тенденция аккумулирования энергии системой, когда батарея может заряжаться, если цена за кВт*ч и степень зарядки низкие. Таким образом, система мультиагента решает, когда начать заряжать аккумулятор на основе его собственных правил и целей, а не внешней командой. Кроме того, автономия каждого агента связана с ресурсами, которыми он обладает и использует. Этими ресурсами могут быть: доступное топливо для дизельного генератора, ветер для ветряного генератора или солнечный свет для фотоэлектрического генератора. Агенты способны к действию в соответствие своего проэктного назначения, что означает, что они в состоянии чувствовать изменения в среде, в которую они погружены и затем отвечать на изменения своими собственными действиями каждый раз, когда необходимо. Например, микротурбинный генератор, изменяя выработку энергии, может изменить параметры других локальных модулей, изменить уровень напряжения смежных шин, и с более глобальной точки зрения изменяет уровень безопасности системы [например, устойчивость системы в случае короткого замыкания].

У агентов есть превентивная способность, что означает, что агенты имеют свои собственные цели и действуют не только в ответ на изменения, которые произошли в их средах. Они также принимают меры, чтобы попытаться достигнуть своих целей. В системах мультиагента – агент имеет определенный вид поведения и, ориентирован удовлетворять определенные цели, используя ресурсы, умения и сервисное обслуживание. Примером этих умений может быть способность произвести или сохранить питание, а примером обслуживания является возможность продать питание на рынке. Способ, с помощью которого агент использует ресурсы, умения и сервисное обслуживание, характеризует его действия. Как следствие, очевидно, что функционирование каждого агента сформировано его задачами. У агента, который управляет системой аккумулирования, цель которой состоит в том, чтобы обеспечить бесперебойным питанием потребителя, будут различные режимы работы с одним и тем же аккумулятором, основная цель которой состоит в том, чтобы максимизировать прибыль, путем торгов на рынке энергоносителей.

Агенты обладают социальной способностью, что означает, что агенты могут связаться друг с другом через коммуникационный язык агента (ACL). Это можно было бы рассматривать как часть их возможностей к действиям в окружающей среде. Как пример, рассмотрим систему, которая включает ветрогенератор и аккумуляторную систему: система аккумулирования использует энергию от ветрогенератора, чтобы заряжать батарею или разрядить ее в случае когда ветер отсутствует. Чтобы оптимально достигнуть этой цели, эти два агента должны обмениваться множеством сообщений. Это тип эффективного взаимодействия, т.к. посредством коммуникации среда изменена иначе, чем если бы эти два агента действовали без какого-либо вида координации. Тематическое исследование, показанное позже, будет демонстрировать, что связь между агентами полезна для того, чтобы заставить распределенную систему работать хорошо или даже оптимизировать ее. Кроме того, другая значимая функция агентов – то, что они имеют частичное представление о системе или вообще не имеет такового. Например, в энергосистеме агент генератора знает только уровень напряжения своей собственной шины и, возможно, может оценить то, что происходит в остальных шинах. Однако агент не знает то, что происходит в других частях системы в целом. Все это – ядро мультиагентной системной технологии, так как цель состоит в том, чтобы управлять очень сложной системой с минимальным обменом данными и минимальными вычислительными операциями.

Агентская Платформа Управления

В предложенной агентной платформе, каждый энергетический ресурс и потребитель в Microgrid представлены как автономный агент, который обеспечивает общий коммуникационный интерфейс для всех различных компонентов в системе. Стратегия управления представленного энергетического ресурса или нагрузки полностью включена в порт программного обеспечения агента, таким образом, его соответственно называют «агентным контролем». За каждым агентом управления, установленном на отдельном компьютере, закреплена энергетическая система. Основанный на агенте подход упрощает самоорганизацию. Каждый агент независим, но как только он присоединяется к системе, логика позволяет ему присоединиться к интерфейсу других существующих агентов. Общепринятая методика интерфейса осуществляется через службу каталогов, посредством чего агенты фиксируют себя в общем каталоге и затем самоорганизуют свои действия. Так как система самоорганизуется, не может быть никакого предела тому, сколько агентов и когда может присоединиться к Microgrid, и нет ограничений на то, когда агент должен/может присоединиться. Если агент находится в оффлайн, другие агенты в состоянии справиться с потерей этого агента и реорганизовать систему.

Предложенный агентный Microgrid распределенных энергетических ресурсов показан на рис. 1. На рисунке черная линия представляет сеть передачи электроэнергии. Общая схема связи представлена внешним кругом, показанным на рисунке, который соединяет каждый агент в системе. Чтобы разработать агентную платформу управления, необходимо определить подробные функции каждого агента, согласно характеристикам отдельного энергетического ресурса. Ниже – краткое описание элементов агентной структуры.

1. Модуль источника энергии: модуль источника энергии проводит электричество или тепло к микрогрид. Примеры типичных распределенных источников энергии - топливные элементы, микротурбины, фотогальванические элементы, ветряные двигатели, геотермические заводы и микрогидроэлектростанции.

2. Модуль аккумулирования энергии: модуль аккумулирования энергии накапливает энергию, когда количество электроэнергии в энергетической системе достаточно и отдает энергию назад в микрогрид, когда избыточная энергия будет затребована. Примеры модулей аккумулирования энергии могут включать водородные системы хранения (электролизер, водородное хранение и системы топливного элемента), суперконденсаторы, батареи, маховики и системы сверхпроводящего магнитного аккумулирования энергии (SMES).

3.Нагрузка:нагрузка в микрогрид представляет собой потребителя электроэнергии или тепла в указанной области.

4.Агент источника энергии:агент источника энергии управляет представленным источником энергии на основе локально измеренной информации и связи с другими агентами. Агент определит, сколько энергии понадобилось и включит соответствующий источник энергии. Стратегии управления для различных типов источников энергии могут отличаться друг от друга, в зависимости от характеристик топлива.

5.Агент аккумулирования энергии:агент аккумулирования энергии управляет представленным модулем аккумулирования энергии на основе локально измеренной информации и связи с другими агентами источника энергии и агентами нагрузки. Агент аккумулирования энергии определит, сколько энергии будет сохранено или отдано в любое время.

6.Агент нагрузки:агент нагрузки управляет нагрузкой, чтобы сделать ее управляемым энергетическим ресурсом. В агентнобазированном микрогриде нагрузка также участвует в конкурентной борьбе.

7.HMI: Человеко-машинный интерфейс (HMI) для операторов, чтобы контролировать и наблюдать за состоянием системы.

Модули, показанные выше, являются универсальным представлением узловой энергетической системы. Энергетический узел может быть рассмотрен как локализованный набор источников и нагрузок, у которых есть более высокий уровень взаимодействия. Главное дизайнерское решение – это выбор стратегии управления каждым модулем координации друг с другом для того, чтобы удовлетворить спрос на энергию системы и выполнить распределенный контроль над системой. Стратегия координирования определяет общую коммуникационную платформу для всех взаимодействий между агентами. Простое регулирование сети может быть выбрано в начальной фазе исследования, потому что это – одна из самых простых стратегий управления [20]. Все взаимодействия между агентами начинаются запросом агента о предоставлении каких-либо услуг по установленному соглашению (договору), а затем заключается новое соглашение с целью минимизации затрат либо выполнения каких-либо других целей. Недостатком управления сетевым контрактом является существование только обычных переговоров, не допускающих встречных предложений [20]. Инициированный агент может эффективно выбрать из предоставленного списка договор, но не может согласовать цену. Преимущество управления сетевым контрактом состоит в том, что он распределяя вычислительную обработку данных, выбирает специального агента, который запустил процесс сетевого контракта, и является ответственным за оценку предложений и решений, принимаемых на основе его собственных правил в условиях переговоров. Он также классифицирует внутреннюю информацию агентов друг о друге, так как агенты только связываются через определенный сетевой протокол контракта, и все вычисления сделаны уже внутри каждого агента. Так как агенты могут меняться в каждом цикле сетевого контракта, нет никакой зависимости от определенного агента. Система с более сложными переговорами могла бы привести к более низким ценам; однако, простого сетевого контракта достаточно, чтобы использовать распределенную платформу управления.

Другим фактором создания полностью распределенной системы является использование службы каталогов. Служба каталогов позволяет агентам регистрировать себя и показывать свои возможности. При помощи службы каталогов агенты не должны знать о других агентах. Например, агент потребителя (нагрузки) будет искать источники, зарегистрированные в каталоге каждый раз, когда захочет заключить новый договор на энергоснабжение. Это позволяет агентам быть добавленными или удаленными из системы в любое время, так как агенты включенные в сетевой контракт регистрируют себя в службе каталогов.

Учебный пример: распределенная энергетическая система постоянного тока в микрогрид

Чтобы продемонстрировать эффективность предложенной агентной платформы управления, модель исследования была выполнена на распределенной энергетической системе постоянного тока, которая может использоваться в микрогрид в качестве модульного устройства производства электроэнергии. В рассмотренном примере, задержка связи в сети проигнорирована, так как цель состоит в том, чтобы проверить эффективность агентной платформы управления для РЭС в микрогрид. В будущей работе будет создана аппаратная платформа, и задержка связи будет рассмотрена.

Структура Распределенной энергетической системы: распределенная энергетическая система содержит солнечную панель, батарею топливных элементов и литий-ионный аккумулятор, которые соединены с шиной напряжения постоянного тока через соответствующие преобразователи энергии, что проиллюстрировано на рис. 2. Есть два основных источника энергии: солнечная панель и батарея топливных элементов. Каждый источник энергии представлен агентом управления, который используется, чтобы скоординировать преобразователь питания. Токи и напряжения панели PV и батареи топливных элементов измеряются и преобразуются соответствующим образом, и затем подводятся в локальные агенты управления. Система создания условий питания (включая преобразователи энергии и связанные агенты управления) управляет электропитанием, поступающим от каждого источника энергии, и, если это возможно, выделяет доступную энергию для перезарядки батареи. Несмотря на то, что аккумулятор – устройство аккумулирования энергии, это также источник энергии, когда нагрузке требуется избыточная энергия. В микрогрид солнечная панель обеспечивает как можно большее энергопитание нагрузки. Функция топливного элемента должна обеспечивать энергоснабжение остальной части нагрузки средней мощности, которую не может восполнить солнечная панель. Аккумулятор обеспечивает переходной энергией пиковую нагрузку или поглощает переходную мощность из других источников.

Солнечная панель питает нагрузку и заряжает батарею через понижающий преобразователь, который действует как средство отслеживания точки максимальной мощности. Понижающий преобразователь управляется генератором и цифровым контроллером. Повышающий преобразователь установлен для того, чтобы восстановить низкое выходное напряжения постоянного тока от батареи топливных элементов до отрегулированного напряжения на шине. Батарея непосредственно соединена с шиной напряжения. Зарядный ток регулируется, путем управления напряжением на шине. Это достигается, в конечном счете, путем регулирования источников солнечной панели и топливного элемента.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Моделирование исследования демонстрирует, что агенты управления управляют питанием каждого источника энергии должным образом, и микрогрид работает надежно. Результаты моделирования показывают, что предложенная агентная платформа управления эффективна для распределенных энергетических ресурсов в микрогрид.

5. ССЫЛКИ

1. T. S. Basso, and R. DeBlasio, “IEEE 1547 series of standards: interconnection issues”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 19, No. 5, pp. 1159 – 1162, Sept. 2004.
2. R. Lasseter, “MicroGrids”, Proceedings of 2002 IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, Vol. 1, pp. 305 – 308, Jan. 2002.
3. R. Lasseter, and P. Paigi, “Microgrid: a conceptual solution”, Proceeding of IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference, Vol. 6, pp. 4285 – 4290, June 2004.