多代理技术在距离保护中的应用研究

杨洋，屈媛媛，王亚红，姚国生，庞剑飞

（1.陕西省电力公司延安供电局，陕西延安 716000；2.陕西隆地电力自动化有限公司，陕西西安 710075；3.西安长庆科技有限责任公司,陕西西安 710018；4.中国人民解放军第三军医大学学员旅13队，重庆 400038）

电力系统继电保护的基本任务之一是发生故障后自动、迅速、有选择性地切除故障部分，使无故障部分仍继续运行。常规的继电保护系统是非自适应系统(Non-adaptive system)，线路保护的整定值按某一运行状态来确定，当系统运行状态发生变化时继电保护可能会误动。目前，继电保护中的瞬时段保护多采用故障分量原理，其本身不受负荷的影响，但延时段保护的故障分量提取比较困难[1-2]。而全量保护受运行状态变化的影响，国内外发生的多次大面积停电事故都与延时段保护（如：距离保护III段）的误动有着密切的关系[3-5]。随着风能、太阳能的并网发电以及柔性交流输电装置的广泛应用，电网结构变得非常复杂，潮流变化也更具动态性，因此非自适应的延时段保护更难准确检测到故障位置。

随着计算机技术和网络通讯技术的发展，自适应保护能够根据系统负荷的变化自动改变继电器的整定值[1]。而分布式智能技术(Distributed intelligence)在软件和控制领域的应用使得多代理技术(Multi-Agent Technology)得到电力系统专家越来越多的青睐。多代理技术是分布式智能技术的一个分支，多代理系统的每一个代理系统都有自身优化功能，系统与系统之间通过协作或者竞争实现知识数据的交换，因此多代理技术特别适用于分布式系统(Distributed Systems)[6-7]，而电力系统是一个典型的分布式开放型系统，使用多代理技术有望在不增加成本的前提下解决电力系统中复杂多变的问题[8-9]，国外多代理技术已成功应用于工程实际中。

为了提高延时段保护的性能，尤其是距离保护Ⅲ段，本文构建了一种基于多代理技术的协作距离保护系统，该系统具有分层分布特点，系统的各代理之间可以实现硬件和数据资源共享，能够自主、智能地根据系统运行状态变化来改变继电器的整定值。仿真验证表明该方法的速度更快、能够在较短的时间内切除故障，可适应多种电力系统的运行方式。

1 多代理系统的构成

多代理系统（Multi-agent system）由分布在不同位置的多个智能代理系统（Intelligent Agent System）构成；智能代理系统是由多个代理系统组成的结构分散却相互耦合的网络，按照功能可以分为智能硬件和智能软件两部分，软、硬件相互协作来实现特定功能。每个小的智能代理系统按照人工智能程序自动完成本地任务；多方代理系统则是本地代理层之间通过换数据交换，相互协作以完成全局任务，这是已有的独立代理系统所不能实现的。多代理系统的另一个突出特点是代理点可根据系统的要求灵活设置，还可以和其他代理系统合作。电力系统覆盖范围很广、网络结构复杂，因此多代理技术有很广阔的应用前景[10]。

2 多代理的保护系统

电力系统配置了大量保护装置，除纵联保护外，其他保护装置都是通过采集本地信息来实现保护功能的，被称为单端量保护。对于输电线路来说，单端量保护（对于高压输电线路主要指距离保护）不需要通信通道，因此是必不可少的。但单端量保护中的延时段在系统运行方式发生较大变化时性能将变差，可能会出现不正确的动作，为解决这一问题，本文提出多代理距离保护构思。

多方代理技术能够运行预先设定的算法或程序自主地、动态地、智能地适应电力系统的各种变化，改善保护性能。多代理系统可以分解为多个分层、自治、自适应的智能代理系统，每个小的代理系统可以实现本地保护的需要，小的代理系统通过自主的、相互的协作来完成对整个区域的保护，其架构如图1所示。

基于多代理技术的距离保护中每一层都包含若干个代理系统，每一个代理系统有着不同的功能，最底层的代理系统当出现故障时要迅速动作，而最高层的代理系统要从整个网络的角度进行分析并做出响应，各个代理系统之间可以通过广域网或局域网将信息传给协同保护系统，协同保护系统通过计算和判断以后做出响应。

图1 多层次多代理系统的构架

2.1 协同代理保护系统

图2为多代理距离保护的软件框架图。各模块的功能如下：

图2 自适应保护系统的软件框架图

员）检测装置检测本地的电流、电压信号，以及隔离开关、断路器的状态信号，将这些信号传输给保护代理。

2）保护代理。保护代理接受来自检测代理的信号，判断是否存在故障，并将故障跳闸信号传输到执行代理。

3）执行代理。执行代理接受本地保护代理以及相邻的保护代理的信号，做出报警，或者将跳闸信号传给断路器，迅速切除故障。

4）移动代理。充分利用装置资源和数据资源，使资源在软件代理和保护代理之间共享。

5）区域代理。从保护代理中获得电力系统其他部位的断路器状态信号，并将状态信号传到计算代理、保护代理和更高层。

6）计算代理。根据系统的参数计算保护装置的整定值，将整定值发给保护代理。

7）系统代理。通过对系统采集信号的分析，识别扰动，并将结果发送到评估代理。

8）评估代理。从系统代理中获取数据，评估保护的性能。如果保护能力满足要求，则要求计算代理重新整定。

在基于多方代理技术的距离保护系统中，各个代理的功能相对独立，各代理之间可以实现数据交换和资源共享，通过相互协作实现了整个系统保护的目标。

2.2 代理之间的通信和相互作用

1）通讯系统结构。通讯系统是一个实时系统，它是协同保护系统的基础。多方代理距离保护对通讯的速度和可靠性要求更高。按照通讯的方式可以分为变电站的站内通讯和变电站之间的通讯；站内通讯是通过局域网来实现的，使用TCP/IP协议作为它的通讯协议，变电站之间的通讯是通过同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy）来实现。不同的代理有不同的知识数据库和不同的表达方法。为了使不同的代理之间实现相互的联系和知识的数据交换，将基于消息的通讯语言(Knowledge Query and Manipulation Language)作为公共的通讯语言来实现数据交换。

2）各代理之间的协作。多方代理技术距离保护系统的各个代理如图2所示，各个代理之间需要进行大量协作，主要有以下几个方面：

设备代理检测本地的电流和电压信号，并发送到保护代理，“S”代表发送，“R”代表接受，用“S”和“R”代表执行的动作，而括号里的内容表示协作的对象和发送的内容例如：

Data｛测量代理（S），保护代理（R）,“Data”｝；保护代理检测是否有故障是否发出跳闸信号切除故障，如果故障存在跳闸信号发送到执行代理内容如下

Singal｛执行代理（S），保护代理（R），“trip singal”｝

3）变电站之间的协作。区域代理检测断路器开关状态，并把状态信息发送给计算代理。如果状态发生变化则区域代理就要求计算代理重新整定计算继电器的参数。控制信息可以表示为

Request｛区域代理（S），计算代理（R），“status”｝

4）系统之间的协作。当保护系统完成一次动作之后系统代理将向评估代理发出请求，要求评估代理对系统保护能力做出评估，如果不能满足要求则要求计算代理从新整定。

Request{评 估 代 理 （S）， 计 算 代 理（S），“evaluation”}

2.3 自适应距离保护

如前所述，延时段距离保护受运行方式的影响较大，在短路故障时不能够准确获取测量阻抗影响保护的动作性能。本文在距离保护技术中引入了计算机的中继功能来准确的计算参数提高保护的可靠性，这就要求通过移动代理对故障的故障信息作周期性的更新，计算代理周期性的计算超出保护线路的末端的线路的等效参数，并将计算结果作为输入信号发给自适应继电器见图3。

图3 仿真原理图

参数设置如下：

当系统参数变化时继电器的测量阻抗变化也随之变化，其变化数据如表1、表2所示。

其中h为线路两端电源的电势比，啄两端电源的相角差。

表1 过渡电阻变化时阻抗（h=0.95,啄越20毅）

表2 h=1.01，啄=0毅时阻抗

表3是过渡电阻为300，故障位置发生在h=0.95，啄=20毅时测量电阻与电抗特性数据，表4是h=1.01，啄=0毅，过渡电阻为300时测量电阻与电抗特性数据。

表3 h=0.95，啄=20毅时阻抗

表4 h=1.01，啄=0毅时阻抗

当线路发生故障主保护拒动时要求后备保护动作切除故障，但是后备保护会因为系统的过负荷而发生误动，这也就是造成保护级联故障原因，为了减少误动执行代理在接收到本地保护代理的跳闸信号后进行纠错，确保保护装置动作正常。当线路发生故障主保护拒动时要求后备保护动作切除故障，但是后备保护会因为系统的过负荷而发生误动，这也就是造成保护级联故障原因，为了减少误动执行代理在接收到本地保护代理的跳闸信号后进行纠错，确保保护装置动作正常。

当线路主保护启动，或者检测到主保护范围内的故障，系统将迅速的在切除故障缩小停电的范围，执行代理将检测短路器的状态确保动作正常，假如断路器在故障切除时间内没有跳闸，执行代理将要求移动代理发给相邻的执行代理发出跳闸信号或者执行断路器开关故障的监控程序，直到切除故障。这样可以实现较高选择性的后备保护功能。

当带有后备保护的传输线路故障时，本区域内保护的3段的继电器跳闸或者主继电器跳闸，故障的部分就会被隔离，而相关区域的传输线会处于区域的后备保护之中，这种方法能够有效地减少由于负荷过重引起的保护装置误动。为了防止主保护以及后备保护的拒动，执行代理将通过故障信息检测线路故障的位置，发出跳闸信号切除故障。传统的后备保护通过远端后备继电器解除故障，远端后备继电器的响应时间较长，会扩大停电范围。假如执行代理检测到主保护发生错误就会发出闭锁信号防止主保护发生误动。断路器失灵保护断开了连接在同一个设置了保护的母线上的所有断路器，这样对系统会有一定的扰动，但是断路器失灵保护会增加系统的可靠性。

3 动作速度的仿真说明

为了验证控制方法的可行性，根据前文所述的基本原理，用PSCAD/EMTDC搭建仿真模型如图3所示。线路上都带有距离保护和后备保护，故障为三相故障发生在线路的中间BC段，故障0.2 s发生，断路器4拒动（如图4所示），使用传统的后备保护（断路器6）在1.5 s动作，使用本文方法的断路器在0.35 s动作，通过仿真结果可以看出，多代理保护技术和传统的保护相比具有更快的响应速度。

图4 后备保护的动作时间

4 结语

本文提出了通过多代理系统的协作来实现距离保护的构思，阐述了多代理距离保护系统的工作原理及网络结构。为了验证该方法的有效性，在PSCAD/EMTDC环境下搭建了基于多方代理技术的距离保护仿真模型，通过仿真研究，其结果表明该方法有超于传统保护的优越性。

本文所提方案在工程实际应用中的完善与成熟还有待进一步研究。

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