基于多Agent技术的主动配电网保护方案

文　亮，陈　众，廖九林

(长沙理工大学 湖南省智能电网运行与控制重点实验室,湖南长沙410004)



基于多Agent技术的主动配电网保护方案

文亮，陈众，廖九林

(长沙理工大学 湖南省智能电网运行与控制重点实验室,湖南长沙410004)

摘要：分布式电源(DG)接入配电网后，改变了配电网网络结构，导致原有保护装置出现拒动和误动等问题。提出了一种针对主动配电网且根据故障电流信号的多Agent保护方案。该方案采用三级代理的控制结构，底层代理负责信息采集，决策层代理负责故障定位，顶层负责全网状态监控。通过分析多分支节点电流故障分量相角特点和线路两端故障前后电流相角的突变方向，提出了两类决策单元的故障判定矩阵算法。该方法运用了广域故障信息，不仅能够提供主保护，还能为相邻线路和设备提供后备保护。最后，通过仿真分析结果证明该方法的正确性和可行性。

关键词：主动配电网；多Agent技术；继电保护； 矩阵算法

0引言

随着世界能源的不断紧张以及环境问题的日益加重，分布式发电(DG)技术作为一种新型的能源开发技术逐渐得到了广泛应用[1-2]。DG作为一种容量小、分散、模块化的发电设备，可以向负荷和电网进行供电，通常不经过变压器直接与低压配电网进行连接[3]。传统的配电网络结构均为辐射型单电源网络，保护策略采用重合闸-熔断器的过电流保护策略[4-5]，当网络故障时，运用配网自动化信息进行故障定位。传统的配电网络保护和故障定位都是基于单电源的单向潮流特点，但分布式电源接入配电网络后，改变了原有网络单向潮流的特性，使得配电网变成多电源的复杂系统，给配电网络保护带来了新的问题[6-7]。

针对上述问题，文献[8]总结了应对DG接入配电网的5种方案：(1)配电网故障时退出DG单元；(2)限制配电网中DG的接入位置和接入容量；(3)限制DG接入点故障电流；(4)改变配电网原有保护方案；(5)采用多级代理智能保护。文献[9]根据故障分量电流相位特点提出了无需电压信息的方向元件。文献[10]提出根据故障前后故障电流与负荷电流相角的突变方向来判断线路是否发生故障。文献[11]论证了多Agent技术应用在继电保护中的可行性。

基于此，本文中提出了基于多Agent技术的主动配电网保护策略。该方法通过对广域故障信息进行综合分析，以确定故障线路，从而提高了保护的灵活性和准确性。同时，各层次和各Agent单元之间的相互配合为网络提供后备保护，确保了整个系统的安全可靠性。

1多Agent保护系统的结构框架

多Agent系统是人工智能DAI(Distribution Artificial Intelligence)研究的前沿领域，它不仅具备一般分布式系统所具有的资源共享、易于扩张、可靠性强、灵活性强、实用性好的特点，而且各Agent能够通过相互协调解决大规模的复杂问题，使系统具有很强的鲁棒性、可靠性和自组织能力[11]103。配电网中保护单元分散的分布在整个配电网络中，因此分层、分布和集中的保护结构适用于配电网[12]。文中保护系统的Agent单元根据其职责进行分层和分类，保护系统由上而下分成中央管理层、区域管理层和本地执行层，框架结构如图1所示。

图1　多Agent保护系统的结构框图

中央管理层：实时监控和协调各Agent单元，各区域内电气量的实时显示，故障时间的记录和各种保护定值的修改。

区域管理层：正常运行时，用于检测本区域内Agent单元的运行状态，形成区域关联矩阵。故障后，根据预定算法判断故障线路。根据控制对象不同又分为A类决策单元和B类决策单元。

本地执行层：正常运行时，采集电气量和开关状态等信息。故障后，对故障信息进行初处理以及执行管理层传达的操作命令。根据在网络中的位置不同又可分为：Agent_A，装设于多分枝节点处；Agent_B装设于2分支节点处，在网络中的位置如图2所示。

图2　两类不同Agent单元在配电网中的位置

2A类决策单元故障判定算法

2.1正序电流故障分量的相角特点

假设图2中线路AB上的f点发生故障，由于无论发生哪种类型的故障，网络中都存在正序分量，由此忽略负荷影响的前提下可画出正序故障分量网络，如图3所示。

图3　正序故障分量网络

一般设定电流的正方向为母线流向线路，则流过节点A上各支路的正序电流故障分量为：

(1)

一般近似认为线路的阻抗Z的阻抗角为70°～85°，由式(1)可画出故障支路电流故障分量Ia与非故障支路电流故障分量之间的相位关系，如图4所示。

图4　各支路电流故障分量相角关系

由图4可知，故障线路中流过的电流故障分量的相位与其他非故障线路流过的电流故障分量的相位相反，并且幅值也最大。因此，可利用母线上各支路流过的电流故障分量的相角关系来区分故障支路和非故障支路，而幅值大小可以用来辅助判断。

另外当母线发生故障时，所有连接在母线上支路的电流故障分量的相角近似相同，运用这个特点可以用来判断母线是否发生故障。

2.2A类决策单元故障判定矩阵算法

用矩阵D1描述网络中各Agent_A单元的连接关系：

D1中各元素的定义为：(1)主角线上的元素Aii用于描述编号为i的Agent_A单元的工作状态，当Aii=1时Agent单元正常工作，当Aii=0时Agent单元故障或退出工作。(2)非对角元素Aij表示Agent单元i和j的相邻关系，当Aij=1时表示相邻，当Aij=0时表示不相邻。

网络中规定以母线为界，将网络分为电源侧和负荷侧，当电源侧支路发生故障时称为上游支路故障，负荷侧发生故障时称为下游支路故障。当网络中某点发生故障后，每个Agent_A单元根据正序故障电流相角特点判断出故障方向和故障支路，并将故障方向信息F发送给区域决策单元。

区域决策单元根据故障信息F形成故障信息矩阵G1。再利用故障信息矩阵G1对描矩阵D1进行修正得到故障判断矩阵Dp。修正原则为：对D1中每行不为零的元素用故障信息矩阵中元素进行替换，为零的元素保持不变。

通过故障判断矩阵Dp对故障区段的判断方法如下：

(1)判断主对角元素Aii是否为零，若Aii=0则直接判断为母线故障，向该母线上的支路断路器发出跳闸命令。

(2)若Aii≠0，用每行的主对角元素与非对角元素中的非零元素求异或，找出Aii⨁Aij=1的区域作为故障待选区域。

(3)本地Agent_A单元根据故障线路编号对故障区段进行最终的判定，得到故障区域。

3B类Agent单元的故障判定算法

3.1故障前后线路两端电流相角的突变方向

图2中f点发生故障，对于AB线路可以用图5所示网络进行等效。电网1和电网2分别代表该条线路两端的配电网，Ipre表示正常情况下的负荷电流。假设线路功率流动的正方向为A端流向B端[13]；电流正方向为母线流向线路。当系统由非故障状态转变到故障状态时，节点A和B端的电压相角变化一般较小，约在0.2°～0.5°之间[14]，因此可以近似看成故障前后电压的相角不发生变化。

图5　双端口网络等效图

网络的正序分量等效图如图3，由此可知流过线路AB两端断路器的正序电流故障分量为：

(2)

以f点的电压相角为参考点，假设线路两侧系统的等效阻抗和线路阻抗相等[15]，并且忽略线路中的电阻，可得到电压电流相位关系如图6。

图6　电压电流相量图

从图6可以看出，流过保护A的故障电流I1滞后负荷电流Ipre1；流过保护B的故障电流I2超前负荷电流Ipre2。因此，在假设功率流动方向为从M节点到N节点条件下，可以得出：线路发生故障后流过一端保护A的电流相角突变量ΔφA<0°;另一端保护B的电流相角突变量ΔφB>0°。

上述结论是基于功率流向为A节点流向B节点。但是，因为分布式电源多采用的是风能、太阳能等间歇性能源，可能在运行过程中功率的流向发生改变(由B点流向A点)。同样的分析方法，可得出结论：流过一端保护A的电流相角突变量ΔφA>0°;另一端保护B的电流相角突变量ΔφB<0°。

3.2B类决策单元故障判定矩阵算法

根据节2中判断得出的故障区域，形成区域内Agent单元的描述矩阵D2。

D2中各元素的定义为：(1)A代表区域两端终节点，B代表区域内的节点；(2)Ai表示Agent_A单元的工作状态，Ai=1时Agent_A正常工作，Ai=0时Agent_A故障或退出运行；(3)Bi表示Agent_B单元的工作状态，Bi=1时Agent_B正常工作，Bi=0时Agent_B故障或退出运行；(4)Dij表示Agent单元i，j之间的相邻关系，Dij=1时表示相临，Dij=0时表示不相临。

判定区域内所有Agent单元故障电流与负荷电流相角的突变方向，并对描述矩阵D2进行修正得到故障判定矩阵Dq。修正原则为：(1)若Dij支路上正序故障电流超前于负荷电流则Dij=1，滞后则取Dij=0；(2)若Dij支路无负荷电流流过则取Dij=-1。

根据故障判定矩阵Dq判断故障线路的具体方法如下：

(1)故障判断矩阵Dq中，若Dij≠-1且Dij⨁Dji=1，则节点i，j间的线路为故障线路；如果Dij≠-1且Dij⨁Dji=0，则节点i，j间的线路为非故障线路；如果Dij=-1且Dji=-1，则说明节点i，j之间的线路没有负荷电流流过。

(2)若Dij=-1且Dji=-1，则先不对该线路进行相位比较，等待别的线路判断完成后再进行判断。

(3)若本地Agent_A或Agent_B发生故障，则将其Dij的值都置为-1，当无负荷电流的节点进行讨论。

4仿真分析

利用MATLAB仿真软件搭建如图7所示配电网络的仿真模型。系统基准容量为500 MVA，基准电压为10.5 kV。线路均采用架空线路，线路参数为x1=0.347 Ω/km，r1=0.27 Ω/km，各段线路长度如表1所示。所有分布式电源容量取1 MVA，负载设为(3+j0.6)MVA。

图7　某含DG的配电网络

线路名称(A1,A2)(A2,A5)(A5,B3)(A2,B1)长度/km2462(B1,B2)(B2,A4)(A1,A3)(A3,B4)(B4,A6)44624

假设图7中f点发生故障，流过保护7，21，22的故障电流由主电网、DG1、DG2、DG3共同提供，故障电流值较无DG接入时有所增大，若仍采用传统三段式电流保护，则保护7，21可能出现误动。保护23，24分别位于母线B2进线侧和出线侧，当故障发生后流过的故障电流大小基本相同，若采用传统电流幅值判定方法，保护24将可能出现误动。

采用本文提出的故障判定方法可形成Agent_A单元的描绘矩阵D1：

流过各Agent_A单元内各支路正序电流故障分量以及对故障方向的判定结果如表2所示。

由表2可形成故障信息矩阵G1=[-1,-1,1,1,1,1]，并用其对D1进行修正得到故障判定矩阵Dp。

表2　电流故障分量值

根据故障判断矩阵Dp初步判断故障区域为：(A1，A3)，(A2，A5)，(A2，A4)。区域管理单元向不可能故障区域的本地Agent单元发出保护闭锁信号，对可能发生故障的区域发出确认信号，本地Agent单元根据故障支路信息，判断最终的故障区域为(A2，A4)。

根据区域(A2，A4)网络形成区域描绘矩阵D2：

(A2，A4)区域内各断路器故障前后流过正序电流如表3所示。

由表2可得故障信息矩阵G2=[-1,-1,-1,1,1,1]，并运用G2对D2进行修正得到故障判断矩阵Dq。

表3　正序电流分量值

在故障判断矩阵Dq中找出Dij⨁Dji=1的元素，可以判断出故障发生在线路B1B2上。

5结论

文中提出基于多Agent技术利用广域故障信息将配电网保护系统分为3个层次：底层单元根据其安装的位置分为Agent_A和Agent_B；管理决策单元根据管理对象不同又分为A类决策单元和B类决策单元，并分别提出了两类决策单元故障判定矩阵算法。系统中各Agent单元与各层次之间可进行通信，相互协调配合，不仅为配电网提供主保护，而且为相邻线路或设备提供后备保护。该保护策略原理简单、计算量小、可靠性高，可避免因分布式电源接入引起的传统保护的不足。

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Protection Scheme for Active Distribution System Based on Multi-agent Technology

WEN Liang，CHEN Zhong，LIAO Jiulin

(Hunan Province Key Laboratory of Intelligent Power Grid Operation and Control, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China)

Abstract：After distributed power (DG) access to distribution network, which changes the structure of power distribution network and leads to mis-operation and malfunction of protective relays. A multi-agent protective relay is proposed for active distribution grid based on fault current information. The scheme adopts the triple agent control structure, the underlying agency responsible for information collection,policy agency responsible for fault location; the top responsible for the entire network state monitoring. Through analyzing the characteristics of the multiple branch node current fault component phase angle and the mutation direction of the fault before and after the current phase angle on both ends of the line, put forward two kinds of decision making units fault judgement matrix algorithm. The method used the wide-area fault information can not only provide the main protection but also backup protection for adjacent lines and equipment. The simulation results show that the proposed method is correct and feasible.

Keywords：active distribution grid; multi-agent technology; protective relay; matrix algorithm

收稿日期：2016-04-25。

作者简介：文亮(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为主动配电网保护与控制，E-mail：316782923@qq.com。

中图分类号:TM773

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.06.010