随着通信技术的发展及实际工程系统中受控对象数量的增加，网络化控制系统及复杂网络中多子系统间的协调控制问题引起广泛关注，分布式协调控制成为新的研究热点。对自能源实施恰当有效的控制措施是保证和实现能源互联网安全、可靠、稳定且高效灵活运行的关键技术之一。自能源的协调控制目标有四点：

1）保证系统稳定的同时，保证系统输出功率按比例分配。

2）可以保持自能源内部输出参数在一定范围内。

3）有效减少自能源内部环流，实现与能源互联网的功率实时传输，实现“即插即用”和“对等”的控制思想。

4）参与能源质量调节及能源市场，实现功率的优化调度和协调分配，同时必要时提供更丰富的额外服务。

借鉴分布式电源并网的控制方法，多个自能源接入能源互联网也可分为主从控制、对等控制和分级控制三种控制方法。其中，主从控制在实现自能源并网、孤岛模式切换时需完成自能源的运行模式调整，更适用于孤岛运行的自能源系统。由于主从控制下的自能源系统在孤岛模式下的能源质量支撑由可控能源生产单元提供，因此，该控制方法存在对可控能源生产单元依赖性强、冗余小和可靠性低的缺点，导致其应用受到限制。对等控制中所有能源生产单元均采用下垂控制方法，在并网、孤岛状态切换时无须改变各能源生产单元的运行模式，具有“即插即用”的优点，但对等控制中不存在统一的能源质量调整，当自能源内部的能源质量波动较大时，自能源系统的稳定性将很难保证，因此，采用这种控制方法只能实现自能源系统的初步控制，无法达到为负荷提供优质能源的目标。分级控制方法在自能源系统中增加了中央控制器单元，该单元既可实现自能源对上级调度指令的响应，也可实现能源生产、存储单元与负荷的协调管理，当自能源内部能源质量出现波动导致系统不稳定时，该单元可保障自能源实现能源质量的调整，其控制结构如图2.5所示。

图2.5 自能源分级控制结构

一级控制应用于能源生产单元中，也叫即时调控，是指精确到秒的实时控制，其目标是保证能源的供需平衡。在一级控制中，各能源生产单元内部响应速度很快，可实现负荷的毫秒级波动控制，使得系统在面对任何突发问题时都能保证能源的供需平衡。

二级控制应用于自能源的中央控制器中，可实现负荷分钟级的波动控制，其目标为实现自能源工作模式切换的无差控制。二级调控的运行周期是15min，每个时间段是30s（时间段的长短取决于获得真实数据的时间长短）。二级控制主要用于弥补一级控制器中的所产生的能源质量参数偏差并将其恢复到额定值，承担能源互联网中二次参数调整和恢复的作用，同时在自能源由孤岛运行转入并网运行时，负责与能源互联网进行同步。此外，二级控制中的控制指标的实现对于能源质量也会有所改善。因此，控制器必须将实时负荷曲线、能源生产单元运行数据考虑在内，同时要保证能源互联网的能源交互和能源存储设备的状态。

三级控制应用于上级调度中心，可实现负荷小时级的波动控制，通过结合自能源内能源生产单元的产能功率预测和负荷预测，实现自能源内部的经济优化运行。三级控制是分级控制中的最高一级，其主要的控制任务和目标是：管理自能源与能源互联网之间的能量交换；对能源互联网参数进行估计；进行孤岛检测等相关辅助功能。通过设置功率参考值，在调节器的作用下，向二级控制发送功率交换指令。为了达到这些目的，需要明确每天的能源价格和负荷需求等相关数据。在进行经济优化时，就能估算出各个自能源的控制信号，从而在保证未来收益（考虑到一天中高峰和低谷时段的能源价格差异）的情况下，实现系统最优的机组输出组合。最后得到的结果是一张各个时段的优化的功率输出时间表。

在以上各级控制中，自能源可在本地响应，因此一级控制不需要通信，而二级和三级控制需要依靠通信来完成，它们的调节时间尺度较长，对通信的速度要求也不高。然而，能量优化主要取决于自能源运行时采用的市场策略，自能源需要根据不同的市场策略，发挥其优化调控的作用。

然而，在多个自能源并入能源互联网时，每个自能源都包含多种多样的能源生产设备和存储设备，而负荷性质又不尽相同，这可能会导致每个自能源的运行特性差异较大。分布式的分级控制方法能够为自能源中的分布式设备和负荷提供最大化的自治权，本地控制具有的这种自主权表明其具有智能性，本地控制器间能够相互通信沟通。因此，这种分布式的控制结构必须要能够考虑到经济、环境、技术等因素，这些因素表明多智能体系统很适合用于实现自能源的分布式控制。较集中式控制方法而言，基于多智能体系统的自能源分布式控制方法具有如下优势：

1）信息量：基于多智能体系统（Multi-Agent System，MAS）技术的分布控制方法能够为每一个本地控制器提供其周围的信息，而对于集中控制方法，自能源控制中心（WECC）是很难得到所有这些信息的。也就是说，多智能体系统可以同步局部的通信达到集中控制方法全局通信的效果，大大节省了控制器的设计成本。

2）数据通信架构：多智能体系统仅仅利用本地网络和必要的数据进行交换。要获得相近的结果，集中化控制方法要求很大的数据流流向控制中心，且需要具有实时性，系统会变得更加复杂，投资成本增大。

3）系统的开放性：通过分布控制方法能够获得自能源即插即用的性能。如果有一个新的分布式电源连接到自能源中，智能体本身能够进行控制并不需要对其他控制进行调整，而在集中控制中，WECC需要根据新连接进来的分布式电源进行调整。

4）系统全局客观，且易于应用：控制中心获得系统全局客观信息，较为容易做出决策，容易进行协调操作。

基于多智能体系统的自能源分布式协调控制是实现能源互联网智能协调控制的重要途径。基于多智能体系统的分布式协调控制实际上是网络内自能源间的协调同步，具体可体现为根据一定的通信协议，网络内自能源与其他自能源完成交互合作的过程。能源互联网背景下的分布式协调控制问题本质上为基于多自能源协调控制问题，利用信息通信技术，实现能源互联网内各自能源的协调合作，对整个能源互联网内的自能源进行协调调度，实现能源互联网的故障诊断、故障恢复、状态监控、系统控制，保证能源互联网安全、稳定运行。(www.daowen.com)

基于以上分析，可将多自能源系统分为现场层（Field Level）、管理层（Management Level）和能源层（Energy Level），分别对应上述的一级控制，二级控制和三级控制，同时也分别对应本地控制（LC）、自能源控制中心（WECC）、能源互联网运行控制器（EI⁃NO）/市场运行器（MO）。只不过对应的控制器是分布式的，而不存在集中式控制，这样可以使整个系统实现更多附加功能，如提供电能、热能，参与市场调节，对敏感负荷不间断供能，黑启动，提供附加服务等。其中EINO主要是针对存在多个自能源的能源区域管理，MO主要负责每一个特定区域的市场运作。自能源与EINO/MO之间的主要接口是WECC，WECC智能体负责向本地智能体（Local Agent）发送控制信号，同时接收管理本地智能体发来的信息，找出最佳运行点，保证整个自能源系统的最优化运行。本地智能体接收来自WECC的信号，控制分布式电源（DER）及本地负荷，具有较高的自治运行能力。

目前研究大部分都是利用多智能体一致性算法的分布式特性，使得整个系统仅仅采用稀疏通信结构即可完成控制效果，多智能体一致性算法主要有两种用法，第一种是用平均一致性算法计算整个系统的某个值的平均值，然后使得系统中每个控制器都可获得全局信息；第二种是采用一致性算法求取系统中每个分布式控制器的输出量之间的误差作为系统反馈量，再结合如反馈线性化、滑膜控制、自适应控制等传统控制方法进行控制器设计。

由于多智能体一致性算法的分布式特点，因此本书结合多智能体一致性算法对自能源协调控制方法进行设计。为进一步减少系统的保守性，在设计控制器过程中考虑了自能源的计算延时和通信延时。

在所设计的二级控制器中存在两个问题，也就是两个需要同步的问题，第一个问题就是需要使每个逆变器输出电压相角的初始值同步，第二个问题是保证在分布式控制器的控制下，使得每个自能源可以获得δ_avg，从而实现相角的一致性控制。本书将分别解决以上两个同步问题。

（1）分布式电源输出初始相角同步

当自能源不需要并网时，则自能源采用平均一致性算法，进行调节下垂控制器中的相角参考值 ，最终结果将使得每个下垂控制器的相角参考值为 ，如式（2.1）所示：

式中，a_ij为通信拓扑图中邻接矩阵A中的元素；G表示系统的拓扑结构，系统中各自能源的连接情况用边集合E（G）＝｛（v_i，v_j）：i，j∈（1，…，n）｝表示，如果i节点能够获得来自j节点的信息，那么（v_i，v_j）∈E（G），否则（v_i，v_j）不属于E（G），若（v_i，v_j）∈E（G），i≠j，则称节点i是节点j的邻居节点；N（G，v_i）表示自能源i的所有邻居形成的集合，即N（G，v_i）＝｛v_j：（v_i，v_j）∈E（G），i≠j｝。邻接矩阵定义A∈R^{｜V｜×｜V｜}方式如下： 是有向图的邻接矩阵，此处的通信结构为有向强连通拓扑图。

当自能源需要并网时，则自能源采用带有领导者的一致性算法，领导者信息来自于能源互联网的相角δ_m，最终结果将使得每个下垂控制器的相角参考值为δ^∗_i＝δ_m，如式（2.2）所示：

当g_i＝1时，表示该控制器可以接收到能源互联网的相角信息；当g_i＝0时，表示该控制器不能接收到能源互联网的相角信息，一个自能源中需要至少有一个分布式电源的控制器可以接收到来自能源互联网的相角信息即可。

（2）分布式电源输出相角同步

设计控制器如下：

式（2.3）的控制器采用与式（2.1）中一样的通信结构，因为此控制器中需要计算功率，因此在控制器中考虑了计算延时和通信延时，其中τ₁表示计算延时，τ₂表示计算延时和通信延时之和。

计算结果e_i（t）将经过一个PI控制器，输出u_i（t）作为系统控制量，因此当系统中加入了二级控制器之后，系统可以写成如下形式：

式中，u（t）＝[u₁（t），…，u_n（t）]^T；P^∗＝（P^∗₁，…，P^∗_n）为系统在额定频率和额定电压运行时

自能源的输出功率；B∈R^{｜V｜×｜E｜}为节点-边入射矩阵， ，b_kl＝1表示节点k是边l的输入节点，b_kl＝-1表示节点k是边l的输出节点；C可以根据拉普拉斯矩阵L得出，L＝BCB^T，其中L用于表示能源互联网系统参数； ，l_ij∈L； =[δ₁，…，δ_n]；D＝ ；u（t）＝[u₁（t），…，u_n（t）]^T。