多尺度自主体网络协同及其在直流微网中的应用

Multi-scale phenomenon is universal in many natural or artificial networks such as neural networks and power grid. It means the diversity and coupling of information at disparate scales, which usually brings a great impact on the cooperation behavior of the networks. Unfortunately, the existing cooperation results on the multi-agent networks commonly hold for single scale cases, which cannot explain the cooperation mechanism of the coexisting multiple scales. Therefore, research on the cooperation of multi-scale agent networks is urgently needed by the practical applications, and has important theoretical values as well. In this project, different multi-scale phenomena induced by data information, states of agent, agents and communities in networks will be fully analyzed. Models of multi-scale agent networks will be constructed accordingly. The controllability of multi-scale agent networks will then be investigated and conditions on the existence of multi-scale consensus will be further established. Subsequently, both multi-scale consensus and multi-scale cluster consensus will be studied, where the internal relationship among the consensus, the multi-scale factor and the structure features of the network will be revealed. The analytical boundary of multi-scale factor will be found. Moreover, different kinds of temporal or spatial constraints will be taken into consideration to design the multi-scale consensus protocols and controllers. Finally, the multi-scale consensus results will be used to solve two problems in DC microgrid, namely, the synergistic charge and discharge control of mixed energy storages and the optimization of power sharing. This project will not only put forward the analysis and control theory on the multi-scale cooperation of agent networks, but provide new guidance and solution for the construction and the steady and effective operation of DC microgrid.

在神经网络、电力网络等自然或人造网络中广泛存在着多尺度现象，它是信息在不同尺度上呈现的多样性和耦合性，并对网络协同行为具有重要影响，而现有的多自主体网络协同研究通常只考虑单一尺度，无法解释多尺度协同作用机理。因此，开展多尺度自主体网络协同研究既是实际应用需要，又具有重要的理论价值。本项目拟充分分析现实网络中广泛存在的数据、状态、个体和社团等不同类型的多尺度现象，建立多尺度自主体网络模型；研究多尺度自主体网络的能控性，建立多尺度耦合下的一致性存在条件；分析多尺度一致性和簇一致性，揭示多尺度因子、拓扑结构特征与一致性之间的内在关联，得到多尺度因子的解析界值；在时空约束下设计多尺度一致性协议和控制器，并将其应用于解决直流微网的混合储能设备协同充放电控制和最优功率分配控制等问题。本项目将在理论上发展自主体网络的多尺度协同分析与控制理论，在应用上为直流微网的建设与稳定高效运行提供新的思路和解决方案。

具有多时间尺度特征的多自主体网络在智能电网等领域具有重要的理论意义和实际应用价值。本项目从多尺度自主体网络建模、多尺度自主体网络协同、时空约束下的多尺度自主体网络协同、多尺度协同在直流微网中的应用这四个方面开展研究，主要研究成果包括：建立了时延双时间尺度网络模型、混合脉冲双时间尺度模型和混合切换双时间尺度模型；研究了脉冲作用下异构层级双时间尺度自主体网络的强能控性，揭示了网络拓扑、自主体动力学、耦合矩阵等因素对网络能控性的影响机制；为双时间尺度切换系统建立了时间尺度因子依赖的指数稳定充分条件，揭示了时间尺度因子与镇定切换占比之间的解析关系；设计了牵制控制器、分层协同控制器、脉冲控制器、自适应控制器、事件驱动控制器等分布式控制器，解决了具有双时间尺度的耦合时滞竞争网络和自主体网络的分簇同步、一致性和编队包围问题；设计了模糊状态反馈控制、脉冲控制等分布式控制策略，实现了执行器饱和、时延、干扰等约束下线性和非线性自主体网络的全局一致或半全局一致；基于多自主体分布式控制策略，设计了混杂二级控制器、监督切换的均流调压二级控制器，实现了高精度电流分配和额定直流母线电压调控；针对直流微网多源协同供电的模型未知问题，基于强化学习设计了控制器实现了更好的控制性能；建立了时间耦合和空间耦合的需求响应模型，提出了实时最优能量管理调度策略；建立了兼顾总体和个人的楼宇集群多层次能量分享策略和多目标优化下的家居能源系统和能量管理策略；提出了孤岛微电网集群的分层多尺度能源调度架构；设计了双层鲁棒优化调度的微电网能量管理系统，设计了一种经济性混合储能分享框架实现全局能源成本最优，提高了绿色能源就地消纳的能力。项目成果在理论上发展了多尺度自主体网络的协同分析与控制理论，在应用上为直流微网和智能电网的建设与稳定高效运行提供了新的思路和解决方案。