本文是一篇电气自动化论文，本文研究一种考虑网损和功率约束的节点事件触发分布式经济调度策略。从最优潮流的角度考虑，假设网损随机组呈规律性变化，将网损表达为发电机输出功率的线性函数。在电力系统经济调度中引入基于事件触发的分布式一致性算法，根据仿真结果可知，系统在该分布式协议下可直接快速的实现一致性收敛。
第一章 绪论
1.论文的选题背景与研究意义
近年来，我国国民经济飞速发展，但能源消耗速率也在极速提高。在能源需求量持续增加的背景下，国家大力倡导发展新能源，力求提高能源利用效率，降低能源消耗。电能是人类生活所需能源之一，同时也是当下能源消耗占比最重的一个方面，为此，优化电力系统现行的发电调度方式，降低发电能耗，具有显著的现实意义。电力系统经济调度优化实际上是系统有功优化的问题，传统上采用集中控制的方式来解决电力系统经济调度。集中控制方法需要获取电网的全局信息，并且需要中央控制器来进行信息处理和指令调控，在控制过程中，系统的中央控制中心需要与每一个调度对象进行信息交互[1]。然而在智能电网飞速发展的时代，新能源发电设备大量接入电网系统，分布式电源发散分布，系统中不稳定性因素增多，且分布式电源的“即插即用”功能使得电力系统通信网络拓扑多变，当单个电源退出或重新接入电力系统时，很可能会破坏系统的稳定性，对系统的控制过程造成负面影响。灵活性与可靠性均较为普通的集中式调度已无法满足当下智能电网经济调度的发展需求。而分布式协同控制方法（Distributed Cooperative Control）因其可靠性高、鲁棒性强等多方面特点越来越受到学者们的重视。
作为控制方法的一种，分布式协同控制多用于多智能体系统（Multi-agent System）领域。多智能体系统具有以下特点[2]：1）自发性：单个智能体的运动状态由其控制策略决定；2）分布性：单个智能体只能与邻居智能体完成信息交互；3）交互性：单个智能体具有影响系统内其余智能体的能力。分布式协同控制的目标是使多智能个体通过局部交互来进行高效的协同工作，最终使得系统处于集体行为一致状态。它不需要调控系统全局信息，也不需要中央控制器去调度所有个体。在分布式控制器下，每个多智能体只需与其邻居节点进行信息交互，接受发送对方或自身的状态信息值，按照控制器所设置的更新原则来更新自身状态信息值，当系统控制趋于稳定后，每个个体的状态值都趋于一致性收敛。分布式协同控制方法可以提高系统效率，减少信息冗余，将该控制方法应用于电力系统经济调度领域，可有效克服集中式调度的缺点，满足分布式能源“即插即用”的需求，且在实现经济调度的同时保证系统的稳定性及安全性。
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1.2电力系统经济调度研究发展概述
随着现代社会的不断前进，电力市场的持续发展，各行各业对能源的需求量愈来愈大，如何节省能源已成为人们普遍关注的问题。电力系统是一个复杂的网络系统，由负荷、发电设备、输电系统、配电系统等共同组成。电力系统经济调度的目标是在保证安全和电能质量的前提下，合理的分配发电机的输出功率，使得系统在满足负荷需求的同时运行成本最小。目前经济调度研究已是电力系统运行与控制的重点之一。
迄今为止，电力系统机组发电量的最优分配研究已有近百余年的历史。从其发展过程来看，经济调度通常可划分为两类：经典法与现代数学规划方法[3]。20 世纪 30 年代，“基本负荷法”被人们普遍接受，但其并非有功负荷分配的最优方式。1934 年，等耗量微增率首次被提出，而后为了考虑网损的影响，于 1952 年提出了经典协调方程式，并随后进行了进一步修正。直至 20 世纪 60 年代，由于数字计算机的全面应用以及电网规模的逐步发展，电力系统经济调度随之发展到新阶段，即现代数学规划阶段。动态规划最优化原理被引入于经济调度中，用于解决多阶段决策过程问题。在该阶段中，优化算法模型主要分为四大类：1）线性规划模型：在线性约束的条件下，求目标函数的优化极值；2）非线性规划模型：在等式或者不等式的约束条件下的优化求解问题，其中约束条件或目标函数为非线性函数；3）二次规划模型：在等式或不等式的约束条件下，将目标函数设置为二次函数；4）动态规划模型：将整体优化问题按照时间或空间分为几个子优化问题，通过对子问题逐步进行优化从而得到整体最优解。表 1.1 展示了经典法与现代数学规划方法的特性。
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第二章 基础理论
2.1电力系统经济调度理论
经济调度是电力系统运行中的一个基本问题，电力系统经济调度的目的是在满足供需平衡的同时，最大程度的减少总运营成本，使得社会福利最大化。在电力系统经济调度中要满足“等微增率准则”，即电力系统中的各发电机组按相等的耗量微增率运行，从而使得总能源损耗最小，运行最经济。总体而言，经济调度是一个约束优化问题。
基于非负图的多智能体系统一致性问题已在诸多文献中进行了广泛的研究。在这种情况，系统内成员将以相同的速度或其他实际任务进行协作，使系统最终达到一致。在图论中，多智能体之间的合作一般用正向边来描述，若一个系统中各智能体之间只存在协作关系，则非负图可以很好描述其通信网络。然而，通常来说，某些群体当中不会仅仅存在合作关系，竞争关系也会同时存在，例如社交网络、捕食者-猎物动力学、生物系统等。在此类情况下，非负图已不再适合作为研究的图论基础，而带符号的图可以更适当的表示此类系统的通信网络，其中正向边缘表示协作关系，负向边缘表示竞争关系，文献[40-48]对此进行了深入的探讨。
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2.2考虑网损与功率约束的事件触发分布式电力系统经济调度
随着电力市场改革的不断深入，电网公司已经加强了对网损的管理。在电力系统运行中，因输配电引起的网损是衡量电力系统运行质量的一个重要指标，网损不仅与发电和用电的位置有关，还与机组的运行方式有着密不可分的联系[67]。随着电网规模的飞速发展，如何考虑输电网络损耗对电力系统经济调度的影响已成为经济调度领域的研究重点。一直以来，网损随机组功率变动的经济调度一直是一个复杂的优化难题。早在 1960 年代，网损近似公式便得到了广泛的研究，文献[53]提出了 B 系数法，其中网络损耗函数表示为发电机功率的恒定系数二次函数。1980 年代早期，利用直角坐标系中潮流方程的特定解析特性[54]，根据泰勒级数展开式，推出了更为精确的三阶网损近似公式。而后又有矩阵损耗分配法等方法相继被提出。但上述方法中，网损表达需要模型的近似或者简化，且表达式复杂非线性，在经济调度中难以得到有效的处理。若从最优潮流的概念出发，且当满足一定条件时，网损可以表达为控制量的线性函数。
根据文献一定条件时超平面满足凸特性，网损可以表示为控制量的线性函数。该表达式为考虑网损的电力系统经济调度提供了重要的简易求解方法。本小节在该网损表达式的基础上，提出了一种基于事件触发的分布式一致性算法，用于解决考虑网损和功率约束的电力系统经济调度问题，其中网损随发电机输出功率呈规律性变化。该算法无需定义领导者及跟随者，发电机在触发条件满足时按照通信协议与其邻居发电机进行通信，使得发电机系统在满足供需平衡的前提下，达到经济最优化。最后通过 MATLAB 仿真验证该算法的适用性及正确性。
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第三章 基于观测器的多智能体二分一致性扰动抑制 ........................... 16
5.1模型描述 .................................... 16
5.2多智能体的分布式二分一致性扰动抑制..................... 17
第四章 基于节点事件触发的电力系统经济调度.......................... 28
4.1考虑环境效益与功率约束的事件触发分布式电力系统经济调度 .......................... 29
4.1.1 数学模型 ............................... 29
4.1.2 事件触发一致性算法设计 ............................ 31
第五章 总结与展望 ............................ 53
5.1总结 ......................................... 53
5.2展望 ............................ 54
第四章 基于节点事件触发的电力系统经济调度
4.1 考虑环境效益与功率约束的事件触发分布式电力系统经济调度
分布式算法多被用来解决多智能体系统的一致性问题，在多智能体系统中，每个智能体仅与其邻居通信，无需知道系统的全局信息，且每个多智能体都具备微控制器，因此也无需中央控制器。由此可见，多智能体的分布式控制方法非常适用于解决电力系统中的经济调度问题。目前大多数分布式算法为连续时间算法，需要不断的更新控制器，要求控制器必须具有高性能，通信网络必须具有高带宽，这对于实际系统而言，是十分具有挑战性的。事件触发控制是当系统的性能指标偏离预期状态时，控制器才进行采样的控制方法。将事件触发机制运用在一致性算法中，可以合理解决系统通信带宽有限，通信能量持续消耗的问题。
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环境污染加剧，化石能源短缺，环境效益问题已越来越受到各国人民的重视。电力系统在发电的过程中，不可避免的要进行污染气体的排放，如何在使电力系统运行成本最低的同时，也使得对环境的污染最小，这个问题研究十分具有现实意义。
本小节设计了一种考虑环境效益和功率约束的节点事件触发经济调度策略，在分布式电力系统经济运行调度方法的基础上，采用加权法将二次成本函数和污染气体排放函数共同构成目标函数，并通过拉格朗日乘子法设置一致性增量成本，即一致性变量，根据分布式一致性协议进行发电机的通信，并利用事件触发方式来减小通信带宽，降低能源损耗。本小节采用的节点事件触发函数无需知晓拉普拉斯矩阵的特征值信息，通信拓扑不需要强连通，分布式协议能够在保证系统安全稳定运行且发电机输出功率不超过其阈值的前提下快速有效的实现系统经济调度。可见，通过基于节点事件触发机制的一致性算法实现电力系统的经济运行调度，是符合未来电力能源的需求和发展的。
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第五章 总结与展望
5.1总结
电力系统经济调度是电力系统运行中十分重要的研究问题，将基于事件触发的分布式一致性算法应用于电力系统经济调度领域是符合当代智能电网的发展需求，且十分具有现实意义的。本文的主要研究结果如下：
（1）研究多智能体系统具有确定性外部干扰且子系统含有竞争关系的多智能体分布式二分一致性问题。为了解决外部扰动的负面影响，构造扰动观测器，并提出了一种基于观测器的输出反馈控制器。通过求解 ARE 方程得到控制器的反馈增益，经过验证证明，在基于观测器的控制协议下，系统渐近稳定且确定性外部扰动成功得到抑制，系统的状态值能达到二分一致性收敛，即两个具有竞争关系的子系统状态值最终大小相等，符号相反。由于实际情况中，多智能体系统的通信带宽有限，且多智能体之间的连续通信会持续耗能，基于此，提出了一种基于事件触发和扰动观测器的分布式二分一致性控制器。在此触发机制下，系统抑制了扰动的负面影响，且依旧能实现二分一致性收敛，并有效避免了芝诺行为的产生。
（2）研究一种考虑环境效益和功率约束的节点事件触发分布式经济调度策略。该方法不用定义领导者与跟随者，实现了严格意义上的完全分布式经济调度。将发电机建模为多智能体，假设污染气体排放函数与发电成本函数均为二次函数，运用拉格朗日乘子法，根据加权后所得的目标函数算出一致性增量成本的初始值。发电机之间按照通信协议与其邻居发电机进行通信，每个发电机配备的控制器只有在触发条件满足时才会更新。在此分布式算法下，发电机系统能在满足供需平衡的前提下快速的实现经济调度，使得发电成本和污染气体排放均达到最小值。事件触发机制可有效降低发电机之间的通信频率，减小通信带宽，节省系统能源，并避免了芝诺行为的产生。
参考文献（略）