MultiAgent在电气化铁道协调电压无功优化控制中的应用.docx
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MultiAgent在电气化铁道协调电压无功优化控制中的应用
硕士学位论文开题报告
Multi-Agent在电气化铁道协调电压无功优化控制中的应用
学号：
姓名：
导师：
教授
学院：
电气与电子工程学院
专业：
研究方向：
电能质量控制研究
日期：
年月
目录
一、课题的来源、目的和意义1
1课题的来源、项目名称1
2目的和意义1
二、本课题相关领域的现状2-5
三、本课题研究的主要内容和重点5-6
四、技术方案7-10
五、实施方案所需要的条件（技术条件、试验条件）10
六、存在的主要问题以及技术关键和创新点10-11
七、预期能达到的目标11-12
八、课题研究计划进度12
九、研究经费预算12
十、主要参考文献12
文献阅读报告：
13
1电能质量13
2无功功率和无功补偿14-15
3无功优化问题的分类及其研究范畴15-16
4无功检测技术16-20
5Multi-Agent系统的研究20-22
6参考文献22
一、课题的来源、目的和意义
1课题的来源、项目名称
课题来源：
导师推荐
项目名称：
Multi-Agent在电气化铁道协调电压无功优化控制中的应用
2目的和意义
电气化铁路具有载重大、速度快、能源消耗小、环境污染少等诸多优势，但是电气化铁路对电力系统的电能质量产生严重的污染：
诸如谐波，无功和负序等电能质量问题。
随着我国铁道电气化水平的提高，电网中的谐波、无功将会比较突出，对电力设备和经济运行也会有着不良的影响。
因此，结合我国实际情况开展对电气化铁道谐波、无功的电能质量综合补偿进行研究，对提高牵引供电系统的功率因数、减少谐波，提高电网及电气化铁道自身的运行安全、增大电力设备的利用率、改善电网绿色环境和提高电气化管理手段具有重要的现实意义。
Multi-Agent系统（MAS）是分布式人工智能（DAI）的一门前沿技术，它能使逻辑上和物理上分散的系统并行、协调地实现问题得以求解。
随着Multi-Agent系统的发展和成熟，这一技术在电力系统中也得到了广泛的应用。
Agent是对过程运行进行的决策或对控制任务进行抽象而得到具有行为能力的实体，它可以利用数学计算或规则推理完成特定操作任务，并能够通过消息机制与过程对象及其他Agent交互以完成信息传递与协调。
MAS是一个有组织、有序的Agent群体，共同工作在特定的环境中，每个Agent根据环境信息完成各自承担的工作，同时可以分工协作，合作完成特定的任务。
基于MAS的控制系统不同于传统意义上的分散控制，而是把控制器当作具有自治性和协作性的主动行为能力的Agent，通过相关Agent的通信和任务分享进行协作，以实现预定的控制目标。
Multi-Agent系统是近年来计算机科学领域中的一个重要概念。
它是由多个自主的、独立且又相互协作的Agent组成的一完整系统。
它是一种多智能的处理模式。
近年来，这种处理模式已成功地应用于电力系统，增强了电力系统的稳定性。
，目前在电力系统中对MAS的应用主要集中在电力系统安全防卫体系、电压控制、电力市场、EMS和发电厂等方面。
在电气化铁道方面，无功电压控制器是按地域分散配置的，控制器之间的相互协调和协作是需要研究和解决的重要理论和实际问题。
发电机自动电压调节器（AVR）、无功电容器、低压电抗器、变压器分接头及其他控制器作为执行Agent，各Agent一方面根据自身环境信息（如电压、有功、无功等）自主完成特定的调节任务，另一方面可接受其他Agent的调压任务请求和反馈任务执行信息，整个多Agent共同的目标是维持区域内的电压水平和无功平衡。
二、本课题相关领域的现状
1无功功率补偿方面的研究
1无功补偿的发展
电力系统中的无功补偿装置从最早的电容器开始，经历了电容器、同步调相机、静止无功补偿装置（SVC），直到今天引人注目的STATCOM几个不同阶段，如图2-1所示。
图2-1无功补偿装置的发展
2几种无功补偿装置及其简单的介绍
2.1电容器补偿
目前，常用的电容器无功补偿方式有就地无功补偿、分散无功补偿和集中无功补偿。
1就地无功补偿
采用电容器直接装于用电设备附近，与电动机的供电回路相并联，常用于低压网络。
它使用晶闸管或者机械开关作为投切开关，通过就地传感器控制而自动地投切电容器。
运行时电机所需无功由电容器就地供给，能量交换距离短，可以最大线路的降低线路电流。
在线路相同的条件下，线路损耗与电流的平方称正比，所以电容就地补偿，节能效果最好，投资也小，但是不易定时进行保养和维护，往往最易损坏。
2分散无功补偿
采用高压电容器分组安装于电网的10KV、6KV配电线路的杆架上、公用配电变压器的低压侧、用户各车间的配电母线上，达到提高电网的功率因数，降低配电线路的电流，减少了线损的目的。
3集中无功补偿
采用变压站或高压供电电力网用户降压变电站母线上的高压电容器组，也包括集中装设于电力用户总配电高低压母线上的电容器组。
其优点是有利于控制电压水平，且易于实现自动投切，利用率高，维护方便，能减少配电网、用户变压器及供电线路的无功损耗。
2.2同步调相机
同步调相机是传统的无功功率动态补偿装置，它是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。
然而，由于同步调相机损耗和噪声都较大，运行维护复杂，而且由于控制复杂造成响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求，逐步被其它的无功补偿装置所取代。
2.3并联电抗器
并联电抗器是一种感性吸收无功补偿设备，避免电网运行电压过高。
并联电抗器可以直接接到超高压（275kV及以上）线路上，其优点是：
可以限制高压线路的过电压，与中性点小电抗配合，有利于超高压长距离输电线路单相重合闸过程中故障相的消弧，从而提高单相重合闸的成功率。
高压电抗器本身损耗小，但造价较高。
并联电抗器也可以接到低压侧或变压器三次侧，有干式的和油浸的两种，这种方式的优点是造价较低，操作方便。
2.4静止无功补偿装置
早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器型的。
饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的有点，响应速度快；但是由于其缺铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，且存在非线性电路的问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。
随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶闸管的静止无功补偿装置推上了电力系统无功补偿的舞台。
由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有调节速度快，运行维护量较小，可靠性较高等优良的性能，所以，近些年来，在世界范围内气其市场得到迅速发展，已经占据了静止无功补偿装置的领导地位。
目前，静止无功补偿装置（SVC）主要有以下几种：
晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器的混合装置（TCR+TSC）、晶闸管控制电抗器与固定电容器（TCR+FC）、机械投切电容器（MSC）。
下面对以上几种静止无功补偿装置做简单介绍：
1晶闸管控制电抗器（TCR）
晶闸管控制电抗器（TCR）用反向并联晶闸管阀与电抗器串联，并通过对晶闸管阀触发角的相位控制来调节补偿无功功率的静止无功补偿装。
其主要优点是:
①可在较广的范围内连续调节无功功率;②动态响应时间短;③可以分相调节;④控制灵活。
其主要缺点是:
①无功出力和电压平方成正比;②产生的谐波电流与触发角相位有关，故通常将并联电容器支路设计为滤波器。
2晶闸管投切电容器（TSC）
晶闸管投切电容器（TSC）是电力系统无功补偿中最常见的补偿设备,它主要是由固定电容（FC）补偿演变而来,属于并联型补偿设备,是静止无功补偿器（SVC）的一个分支。
TSC通过给系统注入超前的容性无功电流来平衡系统中存在的感性无功电流,从而达到无功补偿的目的。
其优点是：
能快速跟踪冲击负荷的突变，随时保持最佳馈电功率因数，实现动态无功补偿，提高电能质量，节约电能，且运行时不产生谐波并且损耗较小。
其缺点是不能实现连续调节无功功率。
③晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器的混合装置（TCR+TSC）
该方法集合了晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器的优点，可以实现输出无功功率的连续调节，并且能够提供感性无功功率。
④晶闸管控制电抗器与固定电容器（TCR+FC）
采用TCR同固定电容器并联的方式，能够以足够快的速度跟随铁路系统的频繁负载变化，还能补偿一定的谐波电流。
其优点是：
可以实现平滑无极调节无功功率的目的，反应速度快，补偿效果好；但对设备技术要求高（特别是用于调节电抗器电流的晶闸管阀），电抗器损耗相对较大（因供电臂牵引负荷大时，电抗器电流小，无载或轻载时，电抗器满负荷工作），电抗器电流波形畸变严重，含有大量谐波电流。
基于磁控电抗器（MCR）的动态无功补偿
该动态无功补偿装置由3部分组成：
磁控电抗器（包括MCR本体和励磁控制系统）、固定电容器（FC）滤波器和无功补偿控制单元。
其中，FC滤波器用于提供系统所需要的容性无功功率、滤除负载及磁控电抗器本身所产生的少量3、5及7次谐波。
磁控电抗器用于平衡系统中因负载波动所需的感性无功功率，并稳定负载冲击所产生的电压波动。
无功补偿控制单元负责监测整个系统的无功功率变化情况，确定MCR的补偿量，提供控制指令，实时补偿无功功率，使系统保持在较高的功率因数水平上。
该装置运用在电网中可大幅降低冲击性等负载造成的电网大量无功频繁流动的现象，提高电压合格率，同时还可有效降低电网线路损耗。
动态无功补偿装置的系统框图如图3-2所示
图3-2基于MCR的动态无功补偿装置的系统框图
2.5静止同步补偿器（STATCOM）
随着电力电子技术的快速发展，20世纪80年代以来，出现了一种更为先进的静止型无功补偿，该装置采用自换向变流电路的静止无功补偿装置，称为静止同步补偿器（StaticSynchronousCompensator,STATCOM），STATCOM在电力系统中具有多种功能：
它在高压和超高压系统中能大幅度提高有功输送能力，提高系统的静态、动态和暂态稳定性，加强功率振荡阻尼，稳定电压。
从根本上讲，STATCOM的基本功能就是从电网中吸收或者向电网中输送连续可调的无功功率，以维持接入点的电压恒定，并有利于电网的无功功率平衡，随着大功率电力电子器件的日趋发展，STATCOM在电力系统中的应用也将越来越广泛。
在理论研究上，对STATCOM的研究成果主要集中在主电路线路接线方式及拓补结构选择、系统模型的建立、控制器设计及装置在电力系统中作用等方面，现在国内外以投入运行的STATCOM的主电路采用多重化结构，即使用多个逆变器通过曲折变压器与高压电网相连接。
目前，国内外以研制的大功率STATCOM装置均采用GTO器件，随着电力电子技术的发展及对供电质量要求的提高，GTO的开关频率已经不能满足要求，且因其必须采用变压器曲折连接方式，使电路设计复杂化。
因此STATCOM的工程应用研究越来越趋向于新型功率器件（如IGBT、IEGT等），这些新型功率器件具有很多优点，如饱和压降低、安全工作区宽、驱动功率低和工作频率低等，它的出现成为STATCOM研究中的一个新课题。
2.6DSTATCOM和磁控电抗器（MCR）的混合无功补偿
该装置采用由磁控电抗器（MCR）组成并在支路中带有电容组和小容量配电静止无功发生器的复合无功补偿系统，可以满足动态无功补偿的需求。
其工作原理为：
配电静止无功发生器处在准备突然改变当前电流的时刻，当无功功率需要发生快速变化时，由MCR和DSTATCOM组成的动态无功补偿迅速补偿负载所需的无功功率，其中MCR补偿大部分无功功率，DSTATCOM补偿MCR没能补偿的无功功率部分。
3无功补偿装置的发展趋势
随着国民经济的迅速发展，用电量的增加，电网的经济运行日益受到重视。
降低网损，提高电力系统输电效率和电力系统运行的经济性是电力系统研究的主要方向之一。
电力系统无功功率补偿是电力系统安全经济运行研究的一个重要组成部分。
目前，大功率新型电力电子器件得到快速的发展，它们也被广泛的应用到电力系统无功功率补偿中，而且获得了非常好的无功补偿效果。
并且在已有的无功补偿装置基础上，科研人员又开发拓展出一些新的无功补偿装置及无功补偿方法。
如新型磁阀式可控电抗器（MVCR）和固定电容的混合补偿装置、采用有源电力无功补偿装置等。
另外，在无功补偿的计算方法上，也越来越多开始采取一些智能算法，可以提高无功补偿的计算速度及准确性，如遗传算法、启发式算法、粒子群算法和神经元算法等。
2MAS的研究现状
Agent理论和技术作为分布式人工智能的研究领域，自20世纪70年代末出现以来发展变化很快，引起了众多研究人员的关注，其原因在于MAS可以在现代计算机科学及其应用领域扮演着重要角色。
Agent是人工智能、面向对象技术、计算机科学及人工生命相融合的产物，其思想是麻省理工学院的McCarthy于50年代提出的，随后由Selfridg将该思想与单词Agent结合，现在发展成为一种新兴的工程方法论。
Agent的概念出现于70年代的人工智能（artificialintelligence,AI）中，80年代后期才成长起来。
目前，学术界对Agent没有一个统一认可的定义。
Agent被看作一个独立代替人去完成既定任务的实体，具有身份唯一性（uniqueidentity）、自主性（autonomy）、预动性（pro-activity）、社交性（sociability）等。
由于分布并行处理技术、面向对象技术、多媒体技术、计算机网络技术、特别是Internet和WWW技术的发展，Agent不仅成为AI和计算机领域最活跃的研究内容之一，而且引起了科学界、教育界、工业界的广泛关注。
分布式人工智能（distributedartificialintelligence,DAI）是人工智能研究领域的一个重要分支。
DAI系统由多个Agent组成，每个Agent又是一个半自治系统，这些Agent之间以及Agent与环境之间都是并发的，需要进行交互。
目前MAS主要研究多Agent理论、哦、通信和交互技术、体系结构和组织形式、面向Agent的程序设计方法和语言以及多Agent间的协调、协作和协商等。
目前，绝大多数基于Agent的系统都是单Agent的。
然而，人工智能研究的目的在于解决大型、复杂的现实问题，解决这类问题已经超出了单Agent的能力。
一个智能Agent的能力受其知识、计算资源及其与其他Agent相互关系的限制，不能完成复杂问题的求解。
而多Agent系统的出现弥补了这个不足。
如果一个问题十分复杂、庞大或不可预测，那么解决该问题的唯一方法是开发大量的特殊成分的模块化成分（即Agent），专门用于解决问题的某个特定方面。
这种分解使每一Agent都采用恰当的范例解决相应的特殊问题，当出现相关互联的问题时，系统中的各个Agent必须相互协调，以确保正确处理这种相关性。
多智能体应用研究开始于20世纪80年代中期，目前已经扩展到了工业（包括过程控制、交通控制、制造、远程通信与软件开发、商业、电子商务、商业过程管理等）、娱乐、医疗等相当广泛的领域，具有潜在的巨大市场。
世界发达国家如美、日、德等都投入巨资支持多智能体理论与方法的研究。
多智能体技术具有自主性、分布性、协调性，并具有自组织能力、学习能力和推理能力。
采用多智能体系统解决实际应用问题，具有很强的鲁棒性和可靠性，并具有较高的问题求解效率。
多智能体技术打破了目前知识工程领域的一个限制，即仅使用一个专家，因而可完成复杂系统的作业任务。
多智能体技术在表达实际系统时，通过各智能体间的通信、合作、互解、协调、调度、管理及控制来表达系统的结构、功能及行为特性。
Agent、MAS技术研究主要集中在以下几方面：
Agent可信度、Agent间的协作、Agent的组件技术、Agent融合技术、移动Agent、Agent可靠性、采用学习Agent进行的仿真研究、MAS集合等。
另外还包括Agent的知识、目标、能力、规划、任务分配以及通信等。
目前，很多杂志如Artificialintelligence、MultiAgentSystem、IEEEExpert等进行了有关Agent研究及其应用成果报道。
采用基于MAS的电压控制系统进行系统无功电压控制与传统的集中控制相比，有着不少优势：
（1）在多Agent模式下，即使某些通信线路发生故障，或某些Agent失效，其它Agent也可以在一定程度上替代它的工作；
（2）采用并行工作方式的多Agent模式，增加了系统的灵活性和通用性；
（3）由予每个Agent具有自主性，因而它们可以按照任务的要求进行组合，使整个系统适应动态的环境；
（4）通过修改Agent规则库、控制算法和协调方式等可以满足不同的无功电压控制要求。
综上所述，人工智能技术特别最MAS系统可在电力系统无功电压控制方面中具有的应用前景和潜力，越来越引起重视，并且也有不少的科研成果。
近年来，基于Agent技术的人工智能由于可以引入专家的经验知识、能够处理不确定性的问题、具有自学习和获取知识的功能，在自动控制领域具有很好的应用前景。
三、本课题研究的主要内容和重点
3.1研究内容
在电气化铁道电压无功控制方面，电压无功控制对电力系统运行的安全性与经济性具有十分重要的意义。
在我国大多数地区，电压无功控制比较常用的方法是根据系统状态的位置来决定相应的控制手段，如调节变压器分接头和投切电容器。
这种控制方法以变电站为单位分散进行，各节点控制措施可能出现的不协调加速了一些集中式全网电压无功优化系统的诞生。
但全网电压无功控制问题是一个复杂、分布式的优化问题，集中式的系统因主机任务过于繁重、数据通信量大而难以满足控制的实时陛和可靠性要求，系统不易扩展。
随着互联电网的发展，电网规模不断扩大，集中式电压无功优化系统的瓶颈更加突现。
为此，本文应用基于MAS的电压无功优化控制的原理、结构和实现框架，对全局无功电压优化控制的数学模型和目标函数进行分析与改进。
在此基础上，采用基于辅助问题原理的分布式并行优化算法进行了优化计算。
该算法将全网的电压无功优化问题分解为多个子网的分布式优化问题，由各子网的区域优化控制Agent并行计算。
由于电网不同区域间的潮流交换和控制措施均会对全局优化产生影响，所以可以构建将管理分区与优化分区相结合的优化控制系统，研究分区间的协调与协商机制。
因此，针对上面的问题，本文的主要工作可以归纳为以下几方面：
1.电气化铁道供电系统的确定和建模
2.MultiAgentSystem在电气化铁道电网中的建立
3.基于MultiAgentSystem的电网协调控制的实现
4．仿真实验研究
3.2研究重点
1、建立基于多Agent技术的分布式电压无功优化控制系统结构，确定系统中各Agent的分类和功能。
2、建立数据采集模块和通信模块，分别用于感知补偿节点状态的变化，采集补偿节点的电压、电流、有功功率、无功功率等状态数据，并存放到数据库中。
且利用通信模块与所属的区域优化控制Agent进行通信，一方面将数据库中的数据传给区域优化控制Agent，另一方面接收区域优化控制Agent发来的优化计算结果。
3、建立执行模块，根据控制决策进行电压无功实时控制。
4、利用仿真软件，从理论上验证所提出方案的有效性。
四、技术方案
本课题采用晶闸管投切电容器（TSC）作为补偿装置，其具有响应速度快，可频繁动作及分相补偿能力，可有效地抑制由冲击性负荷引起的电压波动问题。
该方案的主要技术思想为：
电力系统中的电压控制器是按地域分散配置的，控制器之问的相互协调和协作是需要研究和解决的重要理论和实际问题。
将发电机自动电压调节器（AVR）、晶闸管投切电容器（TSC）作为Agent，各Agent一面根据自身的环境信息（如电压、有功、无功等）自主完成其特定的调节任务，另一方面可接受其他Agent的调压任务请求和反馈任务执行信息，整个多Agent系统的共同目标是维持区域内的电压水平。
利用Agent可较好地解决了电压调节的分散协调控制问题，并可在电力系统紧急状态下能较好地进行调压以快速恢复电压至正常范围。
4.1无功功率的检测
由电工学理论可知,对于交流电路,当处于纯阻性负载时,电压与电流同相位,即功率因数为1；对于纯感性负载,电感电流滞后其电压90°；对于纯容性负载,电容电流要超前其电压90°。
由此假设：
电源电压（以A相为例）：
（4-1）
流进非线性负载的该相周期性非正弦交流电流可用傅里叶级数展开为：
（4-2）
式中：
为直流分量；
为基波有功电流；
为基波无功电流；
为高次谐波电流。
由此可知,当电网相电压经过零点时,所对应的电流瞬时值就是畸变电流值。
所以,只要在系统电压过零点时检测出电流瞬时值的大小就可以得到负载电流的畸变值,包括无功电流分量和谐波电流分量,再滤除电流谐波分量后就可以得到负载电流中的基波无功电流分量。
基于上述原理，首先对电压、电流信号进行采样,然后对采样电压信号进行变换,对各提取出电压和电流信号中所有幅值不为零的频率分量幅值,并将这些分量的频率、幅值、相位等作为无功补偿和电能质量评估的接口参数,检测出各频率分量的无功功率以及总无功功率。
4.2基于多Agent技术的电压无功优化控制系统
基于多Agent技术的电压无功优化控制系统采用分层分布式结构，由电压无功控制Agent层、区域优化控制Agent层、中央管理Agent层构成，如图1所示。
系统中Agent的分类和功能：
1电压无功控制Agent
电压无功控制Agent以补偿节点电压合格、无功平衡为目标，控制该节点的电压和无功功率。
它由知识库、推理模块、执行模块、数据采集模块等组成，结构如图2所示。
图2电压无功控制Agent的结构
Fig.2Structureofthevoltage/reactivepowercontrolagent
电压无功控制Agent的功能如下：
（1）数据采集模块感知补偿节点状态的变化，采集补偿节点的电压、电流、有功功率、无功功率等状态数据，并存放到数据库中。
（2）数据库中存放补偿节点的状态数据、本地Agent的网络标识。
（3）采用通信模块与所属的区域优化控制Agent进行通信，一方面将数据库中的数据传给区域优化控制Agent，另一方面接收区域优化控制Agent发来的优化计算结果。
（4）知识库中存放Agent术语、电压无功模糊判据[4]、模糊判据的控制范围、控制范围的整定原理等知识。
电压无功控制Agent根据整定原理和区域优化控制Agent发来的优化计算结果修正控制范围。
（5）推理模块根据电压无功模糊判据、控制范围和补偿节点状态的变化进行推理，自动做出电压无功控制决策，发给执行模块。
（6）执行模块根据控制决策进行电压无功实时控制。
2区域优化控制Agent
区域优化控制Agent管理区域电网中的所有电压无功控制Agent，以全网网损最小为目标，根据辅助问题原理进行无功优化并行计算。
3中央管理Agent
中央管理Agent是整个系统的管理、协调中心。
其一方面接收电压无功控制Agent的状态数据和无功优化计算结果，另一方面将并行优化计算的参数下发给各区域优化控制Agent。
以全网有功损耗最小为目标函数，采用基于辅助问题原理的分布式并行优化算法[1]进行优化计算。
该算法将全网的电压无功优化问题分解为多个子网的分布式优化问题，由各子网的区域优化控制Agent并行计算。
算法的第k1次迭代如下：
对第i个区域优化控制Agent，利用
（1）
求解
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