基于多Agent的微电网自适应保护方案设计

张孟琛，王 宁，王美娟，崔志强

(1.国网冀北电力有限公司秦皇岛供电公司,河北 秦皇岛 066000；2.燕山大学河北省电力电子节能与传动控制重点实验室，河北 秦皇岛066004；3.河北省仪器仪表工程技术研究中心，河北 承德 067000)

0 引言

微电网是解决分布式能源在电力系统大量渗透的有效途径[1-2]。微电网主要由分布式电源(Distributed Generation，DG)、储能装置、负荷及监控和保护装置组成。微电网能最大化接纳可再生分布式能源，促进绿色能源的高效利用，为电网和用户带来收益[3-4]。然而，微电网由于潮流方向不确定、故障电流差异大、拓扑结构多样等特点，使得基于“事先整定，实时动作”的传统继电保护思想很难适用于微电网保护[5-7]。目前，微电网保护方面的研究成果主要是从保护原理出发，探索能同时适应并网、孤岛两种运行模式的保护方法[8-10]。文献[11]给出依靠高性能可通信数字继电器实现的电流差动保护方案，不受运行模式和DG类型的影响，可有效检测高阻接地故障，但保护系统成本很高，不适合微电网大规模安装。文献[12]提出一种基于图模型的微网边方向变化量保护算法，以降低微电网潮流和运行模式变化对保护的影响。文献[13]提出一种应用树形节点搜索方法在线整定保护定值的微电网自适应保护方法，能有效跟踪微电网拓扑结构变化并实时更改保护整定值。

微电网既可并网运行又可孤岛运行，微电网内的分布式电源具有即插即用、自由投退的特点，使得微电网拓扑结构灵活多变，当微电网故障时其特征表现与大电网不同。并网运行和孤岛运行两种模式的故障电流相差悬殊，而逆变器型分布式电源最多只提供约2倍额定电流的故障电流，这些因素要求微电网保护系统具备高度自治性和自适应性。因此，本文在文献[13]的基础上，采用Agent技术设计了一种依据运行模式在线自适应改变保护策略的微电网保护方案。该保护方案主要包括硬件架构和功能架构的设计。基于全网故障信息建立中央保护决策单元后备保护算法，设计了基于多Agent的微电网自适应保护协作机制。算例验证表明该保护方案能有效解决不同运行模式的保护协调及主/后备保护的配合问题。

1 基于多Agent的微电网自适应保护架构

1.1 硬件架构

微电网自适应保护方案硬件架构如图1所示。主要由2部分组成，即中央保护决策单元和本地保护测控单元[14]。中央保护决策单元通过通信网络与本地保护测控单元相连，本地保护测控单元均为智能电子设备(Intelligent Electronic Device，IED)，包括保护IED和控制IED两种设备。由于微网中存在多个DG，使得电流方向不确定，本文设置的微电网保护方法为在各条馈线两端母线出口分别配置功率方向IED，正方向为母线指向线路。故障时，IED根据整定值起动判断故障电流方向。

图1 微电网自适应保护系统硬件架构
Fig.1 The hardware architecture of micro-grid adaptive protection system

1.2 功能架构

中央保护决策单元的功能主要有：

1)接收本地保护测控单元上传的微电网实时信息；2)根据微电网实时运行状态制定相应的保护策略；3)根据拓扑结构和网络参数在线整定保护定值，适应微电网各种运行模式；4)下发最新的保护定值到本地保护测控单元；5)在线检测是否需要启动后备保护，并根据全微电网信息进行后备保护配置和整定；6)启动后备保护实现快速故障定位。

本地保护测控单元的功能主要有：

1)控制IED采集本地DG输出电压、电流、功率和运行状态信息；2)保护IED采集本地电压、电流及断路器状态信息；3)上传微电网实时状态信息；4)接收中央保护决策单元下发的最新保护定值，实现本地主保护；5)接收中央保护决策单元下发的后备保护信息切除故障线路；6)完成DG的控制、孤岛检测等。

根据中央保护决策单元和本地保护测控单元的功能，设计了基于多Agent的微电网自适应保护系统，其功能框架如图2所示。

图2 基于多Agent的微电网自适应保护系统功能架构
Fig.2 The functional architecture of micro-gridadaptive protection system based on multi-agent

中央保护决策单元的功能主要由决策层的Agent完成，本地保护测控单元的功能主要由执行层的Agent完成。

1.3 多Agent自适应保护功能设计

1.3.1 Agent结构及功能

Agent体系结构主要有慎思型结构、反应型结构、混合型结构[15-16]。本文设计的微电网自适应保护Agent结构及功能如表1所示。

1.3.2 设计Agent

1) 保护决策Agent

微电网自适应保护方案的核心是保护决策Agent。它根据实时微电网状态数据选择保护方案，并将结果下发到执行层相关Agent。保护决策Agent需要具有逻辑推理能力，因此保护决策Agent选用慎思型结构，如图3所示。

结合图3，可将保护决策Agent表示为

<保护决策Agent>∶∶，

(1)

式中，B为当前信念(Belief)，这里指微电网内的开关状态信息和PCC处静态开关状态信息，这些信息由数据管理Agent和状态监控Agent提供；A为行为能力(Action ability)，保护决策Agent的行为能力主要有4种，即能够选出最适合当前电网状态的保护方案、发送该保护方案到任务管理Agent、接收任务管理Agent的反馈信息、发送执行指令到保护Agent和DG Agent；G为目标(Goal)，保护决策Agent的目标是决策保护方案；P为规划(Plans)，这里指根据微电网运行模式选出保护方案；I为意图(Intention)，当决策结果为主保护时，保护决策Agent启动任务管理Agent进行保护定值在线整定；当决策结果为后备保护时，保护决策Agent启动任务管理Agent进行故障定位。

表1 微电网自适应保护中Agent结构及功能
Tab.1 The structure and function of Agent in micro-grid adaptive protection

结构Agent功能慎思型保护决策Agent根据微电网运行状态确定保护策略,给各Agent下发任务及协调控制信息状态监控Agent监控微电网环境变化并反馈给相关Agent,监控系统内部各Agent,处理任务执行中出现的问题拓扑计算Agent根据微电网开关变位计算微电网拓扑整定计算Agent根据微电网拓扑结构在线计算各保护定值故障定位Agent利用故障方向信息实现故障定位反应型人机交互Agent以图形方式动态显示当前系统运行状态和保护决策意见;接受调度员命令,并传送给保护决策Agent数据管理Agent处理保护Agent、DG Agent上传的微电网实时状态数据,并转发给人机交互Agent通信服务Agent保障各Agent之间的通信状态管理AgentIED采集的线路电压、电流信息及DG的运行状态、开关信息的管理定值管理Agent保护定值的接收及更新孤岛检测Agent检测DG是否需要孤岛运行执行Agent执行保护Agent或DG Agent的开断命令混合型任务管理Agent拓扑计算Agent、故障定位Agent和整定计算Agent的管理协调保护Agent状态管理Agent、定值管理Agent和执行Agent的 管理协调DG Agent孤岛检测Agent、状态管理Agent和执行Agent的管理协调

图3 保护决策Agent结构图
Fig.3 Protection decision-making Agent structure

2) 执行Agent

保护Agent或DG Agent的反馈信息由执行Agent接收，按预定顺序操作断路器。其特点是推理简单。因此，采用反应型Agent设计执行Agent，其结构如图4所示。

同样，根据执行Agent的结构图，结合反应型Agent的一般形式化描述，可将执行Agent表示为

<执行Agent>∶∶，

(2)

式中，S为状态(State)，表示保护Agent或DG Agent对断路器开断或DG运行与否的判断结果；R为条件—动作规则(Rule)，只要满足条件，执行Agent就相应动作。

图4 执行Agent结构图
Fig.4 Structure of execution Agent

对于其他Agent，设计思路与保护决策Agent和执行Agent类似，不再赘述。

2 自适应保护方法

2.1 主保护的自适应整定方法

为了实现对各保护装置动作值的自适应整定，首先建立微电网树形节点搜索，通过建立IED节点结构体和搜索函数，在IED保护范围内找到提供故障电流的DG，及时有效地跟踪微电网运行方式及网络拓扑结构。在完成搜索后，将搜索结果作为每个线路IED动作值的整定依据。因微电网内线路长度较短，其阻抗较小，故在线路发生故障时，故障点处的故障电流由DG提供，并网运行时还应加上公共电网提供的故障电流。具体方法详见文献[13]。

2.2 基于全网故障信息的后备保护方法

本系统利用微电网全局故障信息建立后备保护，实现故障定位，避免了依靠延时实现后备保护带来的主、后备保护配合难的问题。

1) 故障线路辨识

在故障发生后，需要先辨识故障所在线路。电流正方向定义为母线流向IED方向，搜索与母线根节点(即B1)直接相连且电流方向为正的保护IED，若有，则该IED所在线路为故障线路。

2) 故障区段定位

步骤一：辨识出故障线路后，对故障线路内的保护IED依次进行编号。构建有向网络拓扑矩阵D，用来反映网络中节点的关联性。设故障线路内有n个保护IED节点，则D为n×n方阵。电流正方向定义为PCC点流向支路末端。D阵的对角线元素定义为1，非对角元素定义如下：

(3)

步骤二：构建故障矩阵F，用来反映保护IED处是否检测到故障电流。F为1×n的行向量，F中的元素定义如下：

(4)

步骤三：构建故障判断矩阵P，为1×n的行向量。P中元素根据故障矩阵和有向网络拓扑矩阵D确定。

a) 若f1=1，在D中查找非对角元素dij(i≠j)，如果存在dij=1且fj=1，则pi=0，否则pi=1；

b) 若fi=-1，在D中第i列查找是否存在唯一非对角元素dij=1，若存在，则当fj=-1或D中第j行存在djm=1且fm=1(m≠j)时，pi=0，否则pi=-1；

c)P中元素存在pi=1，pj=-1，则表示故障发生在以节点i为始端、节点j为末端的线路上。

3 基于多Agent的微电网自适应保护的协作机制

3.1 线路主保护协作机制

微电网自适应保护系统的中央保护决策单元收集本地保护测控单元的保护IED和控制IED采集的微电网实时状态数据，并根据当前运行状态选择保护方案，在线整定和更新保护定值。线路主保护协作机制如图5所示。

图5 线路主保护协作机制
Fig.5 Cooperation mechanism of line primary protection

决策层的保护决策Agent与数据管理Agent、任务管理Agent、保护Agent均通过通信服务Agent交换数据。

保护决策Agent向数据管理Agent发送查询指令(图5中①)，数据管理Agent收到查询指令后，将微电网基础状态信息数据(图5中②)反馈给保护决策Agent。

保护决策Agent根据反馈的微电网实时数据制定保护策略，向任务管理Agent发送激活指令(图5中③)。任务管理Agent收到激活指令后启动拓扑计算Agent和整定计算Agent。

保护决策Agent接收计算结果(图5中④)后，向各保护Agent发送定值(图5中⑤)。

定值管理Agent负责接收和保存保护Agent下发的定值。

3.2 线路后备保护协作机制

后备保护也要求具有较高的可靠性和快速性。微电网自适应保护系统的中央保护决策单元首先获取保护区域内的故障方向信息并进行故障线路辨识，然后利用故障定位算法进行故障定位。具体的协作机制如图6所示。

图6 线路后备保护协作机制
Fig.6 Cooperation mechanism of line backup protection

决策层的各Agent均通过通信服务Agent交换数据。

状态监控Agent检测到微电网故障未切除，状态监控Agent向保护决策Agent发送激活指令(图6中①)。

保护决策Agent向数据管理Agent发送查询指令(图6中②)，数据管理Agent收到查询指令后，将保护区域内故障方向信息(图6中③)反馈给保护决策Agent。

根据反馈的故障方向信息保护决策Agent向任务管理Agent发送激活指令(图6中④)。任务管理Agent收到激活指令后启动拓扑计算Agent和故障定位计算Agent。

保护决策Agent接收计算结果(图6中⑤)后，向各保护 Agent发送故障定位结果(图6中⑥)，保护 Agent再下发到执行Agent中，由执行Agent操作保护IED切除故障。

4 仿真算例分析

针对微电网并网及孤岛不同运行状态，对本文提出的微电网自适应保护方法进行仿真。在MATLAB/Simulink环境下对图1所示的微电网进行建模，模型中设置配电网容量为1 200 kVA，经过10 kV/380 V降压变压器向用户端送电，微电网线路电压380 V，线路阻抗0.08+j0.15 Ω。负荷1～3分别为52 kW、40 kW和75 kW。微网内DG全部采用逆变器型电源，额定容量均为52 kW。考虑到微电网通信实时性及保护装置动作性能，取微电网能够承受的最大短路时间为800 ms。

4.1 保护算法验证

以图1微电网拓扑结构为例，验证基于全网故障信息的故障定位算法。设微电网并网运行0.1～0.5 s时，负荷2处发生单相接地故障。取各IED故障电流基波幅值及相角与整定值进行判别，整定值及判别结果如表2所示。

表2 微电网单相接地故障电流结果
Tab.2 Results of fault current in the case foroccurring the single-phase ground fault at MG

保护装置故障电流方向角/(°)电流整定值/A故障时电流/AIED1.284.701 818.24155.92IED2.1-89.811 506.08155.06IED2.089.781 818.24155.25IED1.390.281 818.24149.05IED3.1-89.981 506.08149.22IED3.088.331 818.24155.27IED3.3-98.901 924.3217.42IED1.4-90.451 641.442 081.25IED4.190.051 641.442 081.15IED4.089.481 818.24158.88IED4.5-90.431 712.162 222.08IED5.490.051 506.082 209.58IED5.086.561 818.24160.41IED5.5-90.361 924.322 369.99IED4.4-98.861 924.3217.95

从上述仿真结果可以看出微电网并网运行发生故障时，流向故障点处的故障电流值很大，足以使保护装置启动。

基于全网故障信息的故障定位方法的具体实施过程如下：

1) 故障线路辨识

故障发生后，根据保护IED1.2、保护IED1.3、保护IED1.4检测到电流信息，可得到故障发生在线路C。

2) 故障区段定位

线路C上共有8个开关，编号如图1中所示。建立8行8列的有向网络拓扑矩阵D和1行8列的故障矩阵F，

(5)

(6)

然后根据网络拓扑矩阵D和故障矩阵F求得故障判断矩阵P，

(7)

最后可判断出故障发生在3号开关与4号开关之间，与假设故障相符，算法正确。

4.2 基于多Agent的微电网自适应保护协作机制验证

以图1为例，验证基于多Agent的微电网自适应保护的工作流程。假设微电网运行在并网模式，F1处发生单相接地短路故障，基于多Agent的微电网自适应保护具体工作流程如下：

1) 故障发生前，微电网自适应保护根据IED-CB0上传信息检测到微电网运行在并网模式，按文献[13]中基于路径搜索的自适应整定方法，实现保护定值在线更新，保护决策Agent将电流整定值下发至各保护Agent。Agent具体协作机制如3.1节所述。

2) 保护决策Agent将故障发生在F1处的信息通过通信管理Agent发送给状态管理Agent，并启动保护。保护Agent同时收集电流整定值、实时测量电流值和故障方向角，进行故障判别。保护Agent4.5、保护Agent5.4感受到本区故障，同时将故障判别结果发送至对方，由执行Agent控制相关IED同时跳开断路器CB4.5、CB5.4，切除故障。具体协作流程见图7。

3) 若微电网自适应保护中状态监控Agent感知故障未切除，则由后备保护系统根据全网故障信息后备保护算法将定位结果下放至各保护Agent。具体协作机制如3.2节所述。

5 结论

针对微电网的保护特点，提出一种基于多Agent的微电网故障信息集中决策的自适应保护方案。建立的后备保护算法能有效实现故障线路辨识和故障定位。设计的微电网自适应主保护和后备保护协作机制能解决主保护、后备保护的配合问题。该保护方案可根据不同的微电网运行模式动态在线制定保护策略，合理解决并网、孤岛模式的保护协调问题,具有自适应性特点。

图7 并网模式下主保护执行协作流程
Fig.7 The primary protection executingcooperation process in grid-connected mode