一种基于异步动态事件触发的自能源集群双层分布式协同控制方法

1.本发明属于能源系统协同控制技术领域，具体涉及一种基于异步动态事件触发的自能源集群双层分布式协同控制方法。


背景技术：

2.化石能源枯竭所引发的环境问题日益引起全世界的关注，由此也带动新能源技术等一系列新技术的研发和推广，综合能源系统的安全高效清洁发展势在必行。而如何实现其内部多源异构能源的高效协同，完成综合能源系统中横向开发-转换-储备-运输-利用等环节充分融合，从而有效满足终端能源需求并提升能源利用效率具有重大意义。具有全双工、分布式、智能化等重要特性自能源集群是促进可再生能源消纳、提升能源利用效率、推动“碳中和，碳达峰”目标实现的重要手段。目前，国内外学者在综合能源系统安全高效清洁的研究主要从能量枢纽与自能源的建模与优化运行进行研究。但针对综合能源系统的低碳安全运行，从能量单元的协同控制的角度去讨论与研究却极少。随着信息技术的迅速发展以及实际能源系统工程规模的扩大，复杂网络的协同控制问题引起广泛关注。而由于综合能源系统发展趋于复杂化、灵活化，如何通过分布式协同控制来实现综合能源系统的智能协调控制，对于提高系统运行的安全可靠性具有重要意义。
3.目前，复杂系统协同控制的方法大多局限于单一的电能网络，对于多种能源网络的相互耦合考虑不充分。同时，线路阻抗等参数的影响会导致系统在实现按容量比例分配后无法满足参数恢复。


技术实现要素：

4.针对上述瓶颈问题，一种基于异步动态事件触发的自能源集群双层分布式协同控制方法提供了新的解决途径，可在自能源模型基础上，考虑系统的多能耦合特性，通过异步通信动态调节实现综合能源系统的精准调控，从而实习综合能源系统的安全高效清洁运行。
5.针对现有技术的不足，本发明提供一种基于异步动态事件触发的自能源集群双层分布式协同控制方法，包括如下步骤：
6.步骤1：构建基于多智能体的自能源集群控制模型，所述模型用于描述自能源集群分布式控制框架；
7.步骤2：构建基于多智能体一致控制方法的异构能源网络输出控制策略；
8.步骤2-1：基于经典电力网络结构，设计自能源的电能输出策略；
9.步骤2-1-1：基于经典电力网络结构，设计自能源的电能输出一级控制策略，表示如下：
[0010][0011]
式中，e表示电能，le和l
en
分别为自能源i电能输出的实际功率和额定功率，kq电能
输出的调节参数，fn和f分别为电网检测的实际频率和额定频率，τi为低通滤波器的时间常数。
[0012]
步骤2-1-2：基于动态一致频率控制设计自能源的电能输出二级控制策略，表达如下：
[0013][0014][0015]
式中，分别为所提控制器的比例增益。i,j分别代表不同的节点。u表示控制调节量。a
ij
为邻接矩阵中的元素，反映自能源智能体之间的连接关系。表示对邻居节点的跟踪频率不匹配项。g
fi
为虚拟领导者频率增益。
[0016]
步骤2-2：根据集中供热子网的特点，设计自能源的热能输出控制策略；
[0017]
步骤2-2-1：根据集中供热子网的特点，设计热输出一级控制策略，表达如下：
[0018][0019]
式中，h表示热能，lh和l
hn
分别代表自能源的输出热能的实际功率与额定功率。k
p
为热能控制的调节参数。p与pn分别代表系统实际的出水口压强与额定出水口压强。
[0020]
步骤2-2-2：基于多智能体一致性方法设计热输出自适应的二级控制方法，利用热输出功率来构造一阶线性多智能体动态系统，并设计相应的一致控制协议。令表达如下：
[0021]uhi
＝-rhq
hi
[0022]
式中，rh为热功率的耦合增益，q
hi
表示本地邻居热功率分配误差。进一步地，热功率分配误差需要满足如下：
[0023][0024]
式中，a
ij
为邻接矩阵中的元素，反映自能源智能体之间的连接关系。所提控制方法的一致协议设定为：
[0025][0026]
式中，和pi分别为自能源i预估压强和出口压强。r
p
为耦合增益。
[0027]
步骤3：根据自能源集群多源异构特征，设计动态事件触发通信协议；
[0028]
步骤3-1：基于异步事件触发机制设计分布式功率一致协议，令dh＝h/k
p
，表达如下：
[0029][0030]
式中，下标指代热输出功率控制的最近事件触发时刻到当
前时刻t，同理为电输出功率控制的最近事件触发时刻到当前时刻t。re为电功率的耦合增益，在考虑事件触发机制的协议设计中，每个自能源的事件探测器需要利用采样信息来决定控制动作的更新时间。
[0031]
步骤3-2：设计分布式功率事件触发条件，表示如下：
[0032][0033]
式中，σi和ρi为正标量。和分别为热、电功率在当前时刻与最近事件触发时刻之间的功率分配偏差。
[0034]
步骤3-3：基于异步事件触发机制设计分布式频率与压强一致协议，分布式频率一致协议表达如下：
[0035][0036]
式中，为频率控制从最近的事件触发时刻到当前时刻t。
[0037]
分布式压强一致协议表达如下：
[0038][0039]
式中，为压强控制从最近的事件触发时刻到当前时刻t；
[0040]
步骤3-4：设计分布式频率与压强一致协议事件触发条件，频率一致协议触发条件表示如下：
[0041][0042]
式中，为自能源i的频率触发条件增益。压强一致协议触发条件表示如下：
[0043][0044]
步骤4：建立以“碳-能”混合价格为基准的内部设备控制策略；
[0045]
步骤4-1：考虑自能源中涉及电负荷和热负荷，其“碳-能”混合价格设计如下：
[0046][0047]
式中，pr
buy
为“碳-能”混合价格，其从消费侧考虑来表示自能源从能源网络购买能源的价格，从而促进自能源购买低碳能源。变量m代表自能源中所包含的能量形式。为正常的能源市场交易价格。γ为碳排放税。是能源的碳排放强度。
[0048]
步骤4-2：设计电能的碳排放强度表示为：
[0049][0050]
式中，p
h pr为产电设备和可再生能源发电设备的电输出功率，pe为线路注入功率，ch
为发电设备的碳排放强度，其为由发电状态确定的参数，ce为线路碳排放强度。
[0051]
步骤4-3：考虑低碳运行的自能源内层优化控制策略的目标函数设计如下：
[0052][0053]
式中，pr
sell
代表自能源从能源网络出售能源的价格，p
buy
、p
sell
分别表示自能源向能源网络购买的能源量和出售的能源量。b表示电、热等不同的能量形式。
附图说明
[0054]
图1为本发明具体实施方式的自能源结构示意图；
[0055]
图2为本发明具体实施方式的自能源集群运行结构图；
[0056]
图3为本发明具体实施方式的自能源集群双层分布式协同控制方法流程图。
具体实施方式
[0057]
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
[0058]
本实施方式的基于异步动态事件触发的自能源集群双层分布式协同控制方法的自能源系统，包括能源交换区域和能源端口两部分，能源交换区域包括能量传输网络、负荷单元、发电单元、储能单元、能源转换单元，能源端口则和对应的能源网络相连接，如图1所示。自能源集群运行结构图如图2所示，多个自能源从能源网络获取或出售能源，并通过自能源内部设备进行调节，满足负荷需求
[0059]
能源供给智能体是一种对应于综合能源系统能源供给侧的静态智能体，实时监测能源供给侧的能源供应情况，响应自能源智能体的控制信号，计算自能源与供电侧之间的潮流分布。根据自能源智能体或者综合管理智能体的协调控制信号，调节功能装置，以保证各自能源的能源供给。
[0060]
自能源智能体是一种对应于自能源的静态智能体，用于实现自能源之间的分布式协调控制。通过调节实现各自能源的控制目标，并支撑综合能源系统的安全、稳定运行。
[0061]
综合管理智能体是一种虚拟的动态智能体，用于维持综合能源系统中各智能体的目录。
[0062]
咨询服务智能体是一种虚拟的动态智能体，可以维护代理商的目录和他们可以提供给其他代理商的服务。
[0063]
采用上述自能源系统进行一种基于异步动态事件触发的自能源集群双层分布式协同控制方法，总体流程如图3所示，具体包括如下步骤：
[0064]
步骤1：构建基于多智能体的自能源集群控制模型，利用通信测试确保自能源集群内部通信全连接，所述模型用于描述自能源集群分布式控制框架；
[0065]
步骤2：构建基于多智能体一致控制方法的异构能源网络输出控制策略；
[0066]
步骤2-1：基于经典电力网络结构，设计自能源的电能输出策略；
[0067]
步骤2-1-1：基于经典电力网络结构，设计自能源的电能输出一级控制策略，表示如下：
[0068]
le＝l
en
+kq(f
n-f)
[0069]
式中，表示对l
ei
求一阶导，le和l
en
分别为自能源i电能输出的实际功率和额定功率，kq为电能输出的调节参数，fn和f分别为电网检测的实际频率和额定频率。利用低通滤波器，一级控制策略可以进一步描述如下：
[0070][0071]
式中，τi为低通滤波器的时间常数。
[0072]
根据自能源电额定输出功率设计各自能源的电能调节参数，表示如下：
[0073][0074]
式中，e表示电能，k
iq
为自能源i电能输出的调节参数，l
ein
为自能源i电能输出的额定功率，d为常数。为了保证负载的按比例分配，网络中各自能源的额定电能输出功率与电能控制调节参数的比值均为常数d。
[0075]
步骤2-1-2：基于动态一致频率控制设计自能源的电能输出二级控制策略，表达如下：
[0076][0077]
式中，为电能输出控制的输入。进一步的，其表达式如下：
[0078][0079][0080]
式中，ud为电功率控制器，表示对ud求一阶导，。α
i βi分别为所提控制器的比例增益。i,j分别代表不同的节点。u表示控制调节量。a
ij
为邻接矩阵中的元素，反映自能源智能体之间的连接关系。表示对邻居节点的跟踪频率不匹配项。g
fi
为虚拟领导者频率增益。f
ref
为虚拟领导者频率的频率，其值应为恢复频率的参考值。
[0081]
步骤2-2：根据集中供热子网的特点，设计自能源的热能输出控制策略；
[0082]
步骤2-2-1：根据集中供热子网的特点，设计热输出一级控制策略，表达如下：
[0083][0084]
式中，h表示热能，lh和l
hn
分别代表自能源的输出热能的实际功率与额定功率。k
p
为热能控制的调节参数。p与pn分别代表系统实际的出水口压强与额定出水口压强。
[0085]
为了实现热负载的按容量比例分配，自能源各热能调节参数k
p
按照如下关系进行调节：
[0086][0087]
步骤2-2-2：基于多智能体一致性方法设计热输出自适应的二级控制方法，利用热输出功率来构造一阶线性多智能体动态系统，并设计相应的一致控制协议。令系统动态模型可以表示为：
[0088]
[0089]
式中，为参数hi的一阶导数，u
hi
为热功率的不匹配项，其根据各邻居自能源的信息和自身信息进行设定，可表示如下：
[0090]uhi
＝-rhq
hi
[0091]
式中，rh为热功率的耦合增益，q
hi
表示本地邻居热功率分配误差。进一步地，热功率分配误差需要满足如下：
[0092][0093]
式中，a
ij
为邻接矩阵中的元素，反映自能源智能体之间的连接关系。
[0094]
此外，热功率不匹配项将反馈给一个比例积分(pi)控制器di(s)，进而产生一个修正项δhi对热输出一级控制策略进行调整，表示如下：
[0095]
δhi＝di(s)u
hi
[0096]
由于各自能源的管道阻抗不同，其出口压强无法控制在相同值，其将被控制在一个可接受的额定压强区间。所提压强控制方法的一致协议设定为：
[0097][0098]
式中，和pi分别为自能源i预估压强和出口压强。r
p
为耦合增益。
[0099]
压强差额u
pi
可由预估压强与集中供热网络的参考压强p
ref
决定：
[0100][0101]
将其反馈给pi控制器，可得修正项：
[0102]
δpi＝gi(s)u
pi
[0103]
步骤3：根据自能源集群多源异构特征，设计动态事件触发通信协议；
[0104]
每个自能源需要将自己的信息和邻居节点进行交互，来形成控制策略，但其控制动作的更新并不必须是周期性的。
[0105]
步骤3-1：基于异步事件触发机制设计分布式功率一致协议，令dh＝h/k
p
，表达如下：
[0106][0107]
式中，下标指代热输出功率控制的最近事件触发时刻到当前时刻t，同理为电输出功率控制的最近事件触发时刻到当前时刻t。re为电功率的耦合增益，在考虑事件触发机制的协议设计中，每个自能源的事件探测器需要利用采样信息来决定控制动作的更新时间。
[0108]
步骤3-2：设计分布式功率事件触发条件，表示如下：
[0109][0110]
式中，σi和ρi为正标量。
[0111]
步骤3-3：基于异步事件触发机制设计分布式频率与压强一致协议，分布式频率一致协议表达如下：
[0112][0113]
式中，为频率控制从最近的事件触发时刻到当前时刻t。
[0114]
分布式压强一致协议表达如下：
[0115][0116]
式中，为压强控制从最近的事件触发时刻到当前时刻t；
[0117]
步骤3-4：设计分布式频率与压强一致协议事件触发条件，频率一致协议触发条件表示如下：
[0118][0119]
式中，为自能源i的频率触发条件增益。压强一致协议触发条件表示如下：
[0120][0121]
步骤4：建立以“碳-能”混合价格为基准的内部设备控制策略；
[0122]
步骤4-1：考虑自能源中涉及电负荷和热负荷，其“碳-能”混合价格设计如下：
[0123][0124]
式中，pr
buy
为“碳-能”混合价格，其从消费侧考虑来表示自能源从能源网络购买能源的价格，从而促进自能源购买低碳能源。变量m代表自能源中所包含的能量形式。为正常的能源市场交易价格。γ为碳排放税。是能源的碳排放强度。
[0125]
步骤4-2：设计电能的碳排放强度表示为：
[0126][0127]
式中，ph，pr为产电设备和可再生能源发电设备的电输出功率，pe为线路注入功率，ch为发电设备的碳排放强度，其为由发电状态确定的参数，ce为线路碳排放强度。
[0128]
步骤4-3：考虑低碳运行的自能源内层优化控制策略的目标函数设计如下：
[0129][0130]
式中，ω表示目标函数总收益，pr
sell
代表自能源从能源网络出售能源的价格，
p
buy
、p
sell
分别表示自能源向能源网络购买的能源量和出售的能源量。b表示电、热等不同的能量形式。
[0131]
步骤4-4：设计自能源的内层优化控制运行约束。其中，等式约束包括端口输出和设备输出之间的关系，对于一个包含热电联产机组、固态变压器、电热锅炉、燃气锅炉等设备的自能源，表示如下：
[0132][0133]
式中，e，g与h分别代表电、气与热三种能源，sst、chp、boil、fur分别表示固态变压器、热电联产机组、电热锅炉和燃气锅炉。设备出力与自能源输入之间的关系表示如下：
[0134][0135]
式中，η代表对应设备相应能源的转化效率。ε代表对应能源的分配系数。除此之外，根据设备类型的不同，其运行特性和运行约束不同，需满足设备的最大容量和最小容量的出力限制。
[0136]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于异步动态事件触发的自能源集群双层分布式协同控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：构建基于多智能体的自能源集群控制模型，所述模型用于描述自能源集群分布式控制框架；步骤2：构建基于多智能体一致控制方法的异构能源网络输出控制策略；步骤3：根据自能源集群多源异构特征，设计动态事件触发协议；步骤4：建立以“碳-能”混合价格为基准的自能源内部设备控制策略。2.根据权利要求1所述的一种基于异步动态事件触发的自能源集群双层分布式协同控制方法，其特征在于，所述步骤1的多智能体具体包括能源供给智能体、自能源智能体、综合管理智能体、咨询服务智能体，能源供给智能体是一种对应于综合能源系统能源供给侧的静态智能体，实时监测能源供给侧的能源供应情况，响应自能源智能体的控制信号，计算自能源与供电侧之间的潮流分布，根据自能源智能体或者综合管理智能体的协调控制信号，调节功能装置，以保证各自能源的能源供给，自能源智能体是一种对应于自能源的静态智能体，用于实现自能源之间的分布式协调控制，通过调节实现各自能源的控制目标，并支撑综合能源系统的安全、稳定运行，综合管理智能体是一种虚拟的动态智能体，用于维持综合能源系统中各智能体的目录，咨询服务智能体是一种虚拟的动态智能体，用于维护代理商的目录和他们能够提供给其他代理商的服务。3.根据权利要求1所述的一种基于异步动态事件触发的自能源集群双层分布式协同控制方法，其特征在于，所述步骤2构建基于多智能体一致控制方法的异构能源网络输出控制策略，具体包括如下步骤：步骤2-1：基于经典电力网络结构，设计自能源的电能输出策略；步骤2-2：根据集中供热子网的特点，设计自能源的热能输出控制策略。4.根据权利要求2所述的一种基于异步动态事件触发的自能源集群双层分布式协同控制方法，其特征在于，步骤2-1具体包括如下步骤：步骤2-1-1：基于经典电力网络结构，设计自能源的电能输出一级控制策略，表示如下：式中，表示对l
ei
求一阶导，e表示电能，l
e
和l
en
分别为自能源i电能输出的实际功率和额定功率，k
q
电能输出的调节参数，f
n
和f分别为电网检测的实际频率和额定频率，τ
i
为低通滤波器的时间常数；步骤2-1-2：基于动态一致频率控制设计自能源的电能输出二级控制策略，表达如下：2：基于动态一致频率控制设计自能源的电能输出二级控制策略，表达如下：式中，u
ei
为电功率控制器，表示对u
ei
求一阶导，α
i
β
i
分别为所提控制器的比例增益，i,j分别代表不同的节点，u表示控制调节量，a
ij
为邻接矩阵中的元素，反映自能源智能体之间的连接关系，表示对邻居节点的跟踪频率不匹配项，g
fi
为虚拟领导者频率增益，f
ref
为虚拟领导者频率的频率，其值应为恢复频率的参考值。
5.根据权利要求2所述的一种基于异步动态事件触发的自能源集群双层分布式协同控制方法，其特征在于，步骤2-2具体包括如下步骤：步骤2-2-1：根据集中供热子网的特点，设计热输出一级控制策略，表达如下：式中，h表示热能，l
h
和l
hn
分别代表自能源的输出热能的实际功率与额定功率，k
p
为热能控制的调节参数，p与p
n
分别代表系统实际的出水口压强与额定出水口压强；步骤2-2-2：基于多智能体一致性方法设计热输出自适应的二级控制方法，利用热输出功率来构造一阶线性多智能体动态系统，并设计相应的一致控制协议，令表达如下：u
hi
＝-r
h
q
hi
式中，u
hi
为热功率控制器，r
h
为热功率的耦合增益，q
hi
表示本地邻居热功率分配误差，进一步地，热功率分配误差需要满足如下：式中，a
ij
为邻接矩阵中的元素，反映自能源智能体之间的连接关系，所提二级控制方法的一致控制协议设定为：式中，和p
i
分别为自能源i预估压强和出口压强，r
p
为耦合增益。6.根据权利要求1所述的一种基于异步动态事件触发的自能源集群双层分布式协同控制方法，其特征在于，所述步骤3具体包括如下步骤：步骤3-1：基于异步事件触发机制设计分布式功率一致协议，令dh＝h/k
p
，表达如下：式中，下标指代热输出功率控制的最近事件触发时刻到当前时刻t，同理为电输出功率控制的最近事件触发时刻到当前时刻t，r
e
为电功率的耦合增益，在考虑事件触发机制的协议设计中，每个自能源的事件探测器需要利用采样信息来决定控制动作的更新时间；步骤3-2：设计分布式功率事件触发条件，表示如下：式中，σ
i
和ρ
i
为正标量，；
步骤3-3：基于异步事件触发机制设计分布式频率一致协议与压强一致协议，分布式频率一致协议表达如下：式中，为频率控制从最近的事件触发时刻到当前时刻t；分布式压强一致协议表达如下：式中，为压强控制从最近的事件触发时刻到当前时刻t；步骤3-4：设计分布式频率一致协议与压强一致协议事件触发条件，频率一致协议触发条件表示如下：式中，为自能源i的频率触发条件增益，压强一致协议触发条件表示如下：7.根据权利要求1所述的一种基于异步动态事件触发的自能源集群双层分布式协同控制方法，其特征在于，所述步骤4建立以“碳-能”混合价格为基准的自能源内部设备控制策略，具体包括如下步骤：步骤4-1：考虑自能源中涉及电负荷和热负荷，其“碳-能”混合价格设计如下：式中，pr
buy
为“碳-能”混合价格，其从消费侧考虑来表示自能源从能源网络购买能源的价格，从而促进自能源购买低碳能源，变量m代表自能源中所包含的能量形式，为正常的能源市场交易价格，γ为碳排放税，是能源的碳排放强度；步骤4-2：设计电能的碳排放强度表示为：式中，p
h
，p
r
为产电设备和可再生能源发电设备的电输出功率，p
e
为线路注入功率，c
h
为发电设备的碳排放强度，其为由发电状态确定的参数，c
e
为线路碳排放强度；步骤4-3：考虑低碳运行的自能源内层优化控制策略的目标函数设计如下：min of：式中，ω表示目标函数总收益，pr
sell
代表自能源从能源网络出售能源的价格，p
buy
、p
sell
分别表示自能源向能源网络购买的能源量和出售的能源量，b表示电、热等不同的能量形式。

技术总结
一种基于异步动态事件触发的自能源集群双层分布式协同控制方法，所述方法包括：基于多智能体的自能源集群控制模型构建，所述模型用于描述自能源集群分布式控制框架；设计基于多智能体一致控制方法的异构能源网络输出控制策略；根据自能源集群多源异构特征，设计动态事件触发通信协议；建立以“碳-能”混合价格为基准的内部设备控制策略。本发明基于一种基于异步动态事件触发的双层分布式协同控制方法解决自能源集群的综合能源系统的低碳与安全运行问题，所提出的控制方法可同时兼具异步通信、动态调节和分布式实施等特点，在保证系统的安全运行同时有效提高系统运行的经济性和低碳环保性。和低碳环保性。和低碳环保性。


技术研发人员：张宁 杨凌霄 胡存刚 刘碧 朱文杰 李浩然 吴振宇
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/10/8