基于多代理的多馈入直流输电换相失败协调预防研究

马静，刘天琪，李兴源，胡楠，李茜

(四川大学电气信息学院，四川成都610065)

基于多代理的多馈入直流输电换相失败协调预防研究

马静，刘天琪，李兴源，胡楠，李茜

(四川大学电气信息学院，四川成都610065)

换相失败是换流站常见的故障之一，换流站间的交互作用使多馈入直流输电系统的换相失败更为复杂，故障严重时会引发并发换相失败。换相失败预防控制器检测交流系统发生故障时立刻提前触发，增大换相裕度，避免换相失败。针对多馈入直流输电系统的交互作用，引入多代理系统，提出了基于多代理的多馈入直流输电换相失败协调预防方法，并在PSCAD中搭建了多代理换相失败协调预防模块，将其用于三馈入直流输电系统进行仿真验证，结果表明，多代理换相失败协调预防方法对本地和并发换相失败都可进行有效地预防。

换相失败;多代理;多馈入直流;协调预防

1 引言

换相失败是直流输电换流站最常见的故障之一，它将导致直流电压降低、输送功率减少、电流增大、换流阀寿命缩短等不良后果，若采取的控制措施不正确，还会引发后继换相失败［1］。随着“西电东送”的不断发展，高压直流输电系统逐渐兴起，在电网中形成多馈入直流输电系统。多馈入直流输电系统的交互作用使得换相失败问题更为复杂［2］。

文献［3］针对单相接地故障，通过解析计算，利用电压变化来判别换相失败。文献［4］将单相接地故障和三相故障分开，分别利用零序电压和三相电压经abc-αβ变换后的电压Uαβ来判别换相失败。文献［5］提出了一种基于sin-cos分量检测的改进方法，有效地减少多馈入直流系统发生换相失败的几率。但上述文献均未有针对性地考虑多馈入直流输电系统的交互作用对换相失败的影响。

文献［6］介绍了多代理系统(Multi-Agent Systems，MAS)的结构、作用和优点，并概述了其在电力系统中的应用。文献［7-9］介绍了多代理系统在电力系统控制方面的应用。上述文献为MAS在电力系统中的应用奠定了基础。

针对多馈入输电系统直流间的交互作用，引入多代理系统，提出了基于多代理的多馈入直流输电换相失败协调预防方法，在PSCAD上搭建了多代理换相失败协调预防模块，并详细研究了多代理系统的运行方式和具体结构。重点研究投入基于多代理的换相失败协调预防模块分别对本地换相失败和并发换相失败的改善情况。仿真结果表明基于多代理的多馈入直流输电换相失败协调预防方法可以有效地预防本地换相失败和并发换相失败。

2 换相失败机理分析

式中，k为变压器的变比;Id为直流电流;UV为交流电压有效值;XC为换相电抗;β为越前触发角。

当逆变侧交流系统发生不对称故障，换相线电压过零点前移角度φ时，逆变器的关断角为

预防换相失败主要有两种方法:①增大正常运行时整定的关断角γ;②在检测到将要发生换相失败时，减小触发角α，增加换相裕度以预防换相失败［5］。由于方法①以消耗无功功率为代价，因此选择方法②作为预防逻辑。

3 多代理协调预防机理

3.1 多代理系统

多代理系统是由多个功能独立、具有逻辑推理能力和通信能力的代理联合而成，每个代理的地位和功能相同，能够作用于自身和周围环境，可解决单个代理不能解决的复杂问题［6］。文中的预防控制代理采用的是JADE(Java Agent Development Framework)代理分层模型，JADE代理分层模型包括三层:消息处理层(message handling layer)、行为层(behavioral layer)、功能层(functional layer)［10，11］，如图1所示。

当前,医养结合在我国尚处于初步探索阶段,已有的研究成果较少,且多集中在医疗服务管理与养老机构服务方式的结合[3]、医养结合模式创新[4]等领域,对医养结合模式下设施体系构建方面研究较少．仅有少部分学者[5]从医养机构以及养老社区的体系构建、医养结合建筑设计等方面论述，但对医养结合的社区养老设施的分级、设施体系、功能定位研究不够．

图1 JADE代理分层模型Fig．1 Layered architecture employed by JADE agent

功能层实现代理的核心功能，如代理要执行的动作。行为层控制代理执行特定的动作，当功能层产生新的数据时，行为层将指示消息处理层，告知对新数据感兴趣的代理;同样，代理对新收到的消息的反应也是在行为层决定的。消息处理层负责发送消息和从其他代理接受消息。

3.2 多代理协调预防模块

根据JADE代理分层模型可知，预防控制代理功能的实现主要在行为层和功能层。功能层主要实现多回直流之间的换相失败的预防控制。

假设系统中有k回直流，图2表示第j回HVDC的换相失败预防控制模块(Commutation Failure Prevention and Control，CFPC)。CFPC的输入量为各回HVDC的状态信息，主要包括当前的换流母线电压Udj，CFPC输出量为附加触发角Δαj_CFPC。

图3给出了CFPC的模块框图，其主要由两个部分组成:①检测系统发生单相或三相故障的判断模块;②预防控制模块。

图2 CFPC j的闭环控制简化框图Fig．2 Simplified closed-loop control diagram of CPFC j

图3 CFPC j的简化模块框图Fig．3 Simplified block diagram of CPFC j

检测判断模块的功能是检测逆变侧交流系统发生的单相或三相故障并发出信号。发生单相故障时，换流母线电压零序电压［1］为

当零序分量超过预设值DIFF_LEVEL1时，表示该回直流逆变侧发生的单相故障可能引发本地换相失败，输出信号D1j;当零序分量超过DIFF_LEVEL2时，表示故障可能引发并发换相失败，输出信号D2j。

发生三相故障时，检测三相故障的是基于abc-αβ变换的变换器，其变换方程如下［1］:

式中，Uα和Uβ是矢量Uαβ在αβ平面中沿着α轴和β轴的投影，则Uαβ为

当αβ_DIFF该差值超过预设值αβ_LEVEL1时，表示该回直流逆变侧发生的三相故障可能引发本地换相失败，输出信号S1j;当其超过αβ_LEVEL2时，表示故障可能引发换相失败，输出信号S2j。

信号D2j、S2j综合后作为预警信号λj，通过行为层和消息处理层传给相邻的直流系统。信号D1j和S1j与相邻直流输电系统发出的预警信号综合后作为预防模块的启动信号。零序分量通过变化转换为Z_AMIN，αβ_DIFF转换为αβ_AMIN，将αβ_ AMIN与Z_AMIN中的最大值作为输出。

当行为层监测到本回HVDC系统发生可能引发并发换相失败的故障时，发出进行全局广播的预警信号，其他直流都可收到该信号。同时，行为层可接受来自其他HVDC系统的预警信号，并根据自身情况对求助的单回或多回HVDC系统发出应答预警信号。

消息处理层接收来自其他直流系统发出的信号并进行解密，再送给行为层使用;接受来自行为层发送过来的信号并进行加密，再发至其他直流的换相失败预防控制代理。

4 仿真

4.1 仿真模型

仿真所用的三馈入直流输电系统模型是基于CIGRE HVDC标准模型搭建的，如图4所示。交流系统强度设为SCR1=SCR2=SCR3=2.5，三条直流子系统逆变侧间的耦合阻抗设置为Z13= 0.96pu，Z12=Z23=0.59pu。

图4 三馈入直流输电系统模型Fig．4 Three infeed HVDC systemsmodel

4.2 仿真结果分析

判断换相失败的最简单标准应该以其基本特征为准:关断角小于换流阀恢复阻断能力的时间所对应的角度大小，即γ＜γmin［12］。仿真结果考虑误差和安全裕度，γmin设定为7°。

在直流子系统1的逆变侧施加单相接地故障，接地阻抗为R1，仿真结果如图5～图7所示。图中，γ1、γ2、γ3表示未投入协调预防模块时子系统逆变侧的关断角;γ'1、γ'2、γ'3表示投入协调预防模块后子系统逆变侧的关断角。

图5 单相接地故障下的子系统1的关断角Fig．5 Extinction angle 1 in single-phase earth fault

图6 单相接地故障下的子系统2的关断角Fig．6 Extinction angle 2 in single-phase earth fault

图7 单相接地故障下的子系统3的关断角Fig．7 Extinction angle 3 in single-phase earth fault

投入多代理协调预防模块后，当故障可能引发本地换相失败时，子系统1逆变侧的关断角提升，表明单相接地故障情况下，投入多代理协调预防模块可有效地预防本地换相失败。当单相接地故障可能引发直流子系统1和2的并发换相失败时，子系统2逆变侧的关断角增大，当单相接地故障更大到可能引发三条直流子系统的并发换相失败时，子系统3逆变侧的关断角均增大至7°以上，表明单相接地故障情况下，投入多代理协调预防模块可有效地预防并发换相失败。

图8～图10为三相接地故障，接地阻抗大小为R'1时的测试结果。

图8 三相接地故障下的子系统1的关断角Fig．8 Extinction angle 1 in three phase earth fault

图9 三相接地故障下的子系统2的关断角Fig．9 Extinction angle 2 in three phase earth fault

由图5～图10可知，在单相和三相接地故障情况下，投入多代理换相失败协调预防模块均可在一定程度上预防本地和并发换相失败。

为研究不同故障时刻对换相失败的影响，引入换相失败免疫指标(Commutation Failure Immunity Index，CFII)和并发换相失败免疫指标(Concurrent CFII)，可量化发生本地换相失败和并发换相失败的容易程度。考虑到最严重的干扰是三相电感故障，CFII定义为不会导致系统换相失败的最严重三相电感故障下的短路容量与直流输电线路额定输送功率的比值［13］:

图10 三相接地故障下的子系统3的关断角Fig．10 Extinction angle 3 in three phase earth fault

式中，Uac为逆变侧交流母线额定线电压;Lmin为最小可能的不会导致换相失败的故障电感;Pdc为直流输电线路额定输送功率。

三馈入直流输电系统中直流子系统1和2的耦合程度较子系统1和3的耦合更紧密，因此仅考虑直流子系统1和2发生并发换相失败的情况。并发换相失败免疫指标的定义如式(7)所示，式中，Lmin指直流子系统1逆变侧发生故障而刚好不造成直流子系统2逆变侧换相失败的故障电感［14］。

表1给出了不同时刻的系统换相失败免疫指标值。CFII1、CFII'1和CFII″1分别表示未投入、投入换相失败预防控制模块和投入多代理换相失败协调预防模块下子系统1的本地换相失败免疫指标，Con CFII、Con CFII'和Con CFII″分别表示上述三种不同情况的并发换相失败免疫指标。

表1 不同故障时刻的换相失败免疫指标值Tab．1 Commutation failure immunity index of different faultmoments

由表1可知，投入多代理换相失败协调预防模块后，CFII和Con CFII的值得到提高，系统发生本地换相失败和并发换相失败的容易程度均有所降低，说明该协调预防模块可以有效地预防本地和并发换相失败;投入多代理协调预防模块和投入换相失败预防控制模块相比，前者的并发换相失败免疫指标更大，说明其能更好地预防并发换相失败。在3.104s时刻投入故障时，换相失败没有得到改善，因为此时换流阀已经开始换相，提前触发不能避免换相失败，在换相未开始时，投入多代理协调预防模块后，本地和并发换相失败均得到较好的改善。

5 结论

换相失败是多馈入直流输电系统中常见的故障之一，针对各直流子系统的交互作用，利用多代理系统的特点，提出基于多代理的多馈入直流输电换相失败协调预防方法，在PSCAD平台上搭建了多代理换相失败协调预防模块。研究在三馈入直流输电系统的直流子系统1的逆变侧换流母线上施加单相和三相接地故障时，投入基于多代理的换相失败协调预防模块分别对本地换相失败和并发换相失败的改善情况。仿真结果表明基于多代理的多馈入直流输电换相失败协调预防方法可以有效地预防本地和并发换相失败，可为实际系统的应用提供理论依据。

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(，cont．on p.80)(，cont．from p.65)

M ethod of coordinated prevention of commutation failure based on multi-agent in M IDC

MA Jing，LIU Tian-qi，LIXing-yuan，HU Nan，LIQian
(School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China)

Commutation failure is one of the common faults of the converter station in high-voltage direct current transmission system．Commutation failure ismuchmore complicated because of the interaction between the converter stations in multi-infeed HVDC systems，in which concurrent commutation failure can occur with a serious fault．The function of commutation failure prevention controller is to increase the commutationmargin immediately to avoid commutation failure by decreasing firing angle when the faults of the AC system are detected，while the impact and importance of interactions are ignored．Formulti-infeed HVDC system interactions，themethod of commutation failure coordinated prevention based on themulti-agent system is proposed．In this paper，themulti-agency prevention module is builtand applied to the three infeed HVDC systems in PSCAD．The simulation results of the three infeed HVDC systems show that themulti-agency coordination prevention method can be effective in preventing local and concurrent commutation failure．

commutation failure;multi-agent;multi-infeed DC;coordinated prevention

TM721.1

A

1003-3076(2015)03-0061-05

2013-12-02

国家自然科学基金重点项目(51037003)、国家电网公司大电网重大专项资助项目(SGCC-MPLG027-2012)

马静(1991-)，女，四川籍，硕士研究生，研究方向为电力系统稳定与控制;刘天琪(1962-)，女，四川籍，教授，博士生导师，研究方向为电力系统分析计算与稳定控制、高压直流输电及调度自动化。