基于多智能体系统一致性的智能电网自愈控制研究

陈康

（南京乾佳科技有限公司，江苏 南京 210019）

智能电网中包含了大量的电气设备，并且由于采用分布式连接，日常的电网维护压力较大。这种情况下很容易因为养护不到位、检查不细致，导致潜在的故障没有得到及时发现、处理，进而引发严重故障，造成电网局部停运。基于多智能体系统的自愈控制，能够实时进行智能电网运行状态的监测，在故障发生初期识别故障并作出决策，自动完成故障处理，从而不影响电网的正常运行。

1 基于多智能体一致性的智能电网自愈控制系统

1.1 系统模块连接方式

基于多智能体一致性的智能电网自愈控制系统，共有3个模块，分别是决策模块、协调模块和反应模块，其模块关系如图1 所示。

图1 智能电网自愈控制系统

1.2 决策模块

该模块是整个自愈控制系统的最高层，操作流程有两个步骤：

首先进行自愈控制。根据下一级协调模块提供的故障信息，进行故障分类、分级，包括确定故障类型、判断故障危重程度。如果同时出现两种及以上的故障，可通过故障分级确定优先级，让更加严重的故障得到优先处理。根据故障分析结果，生成自愈控制指令，实现自愈效果。

其次进行快速仿真。快速仿真环节能够保证自愈控制指令的有效性，在虚拟环境下判断该指令后，判断能否实现故障的处理和自愈，待仿真结果显示达到自愈目标后，再将指令应用于实际。

1.3 协调模块

位于自愈控制系统中间层的协调模块，发挥了“上传下达”的作用，具体操作流程为：首先，对于下一级反应模块采集并上传的数据信息，并对数据进行初步筛选，将正常的数据过滤掉，只保留与智能电网运行故障有关的数据，可以降低数据处理和信息分析的压力，提高系统响应速度；

其次，对上一级决策模块发送的指令，准确分配至智能电网发生故障的区域，保证故障问题得到有效解决，实现自愈。结合图2 可知，协调模块的具体功能包括状态评估、故障诊断、优化控制、预防补补偿等几种。现以状态评估和紧急控制为例展开简要介绍。

图2 智能电网自愈控制系统的状态评估流程

1.3.1 状态评估指令。

其实现过程如下：

根据反应模块提供的电网测控信息，对照智能电网的特征信息，对比关键指标的一致性；

如果关键指标的特征值（标准值）与实测值之间差异显著，说明存在异常运行状态；

将所有筛选出来的关键指标逐一进行对比，并做归一化处理；把计算结果输入到运算推理数学模型中，对智能电网的健康状态进行评价；

最终评价结果由通讯模块上传到决策模块。然后决策模块根据电网当前状态，决定采取优化控制、恢复控制或紧急控制等策略。状态评估流程如图2所示。

1.3.2 紧急控制指令。根据状态评估结果，若当前智能电网发生故障，并且故障状态下的实时参数已经超出了约束范围，这种情况下必须采取紧急控制，将故障区域或故障设备从电网中切除，避免引起更大范围的连锁反应。紧急控制的实现方式如下：参考状态评估结果，了解当前智能电网运行状态；进行故障严重程度判断，若超出约束条件，则激活紧急控制程序，自动下达切机、切负荷等指令；判断故障部位是否从电网中切除。若未成功切除，则重复上述切除步骤，直到判断切除成功。紧急控制流程如图3 所示。

图3 智能电网自愈控制系统的紧急控制流程

1.4 反应模块

作为整个自愈控制系统的最底层，该部分的操作方式是：利用前端的传感监测装置和无线通信设备，在获取智能电网各部分实时运行状态参数的基础上，将其反馈给调度中心的数据采集系统；

由于智能电网实时运行中产生了海量的数据，为节约网络资源，数据采集系统在接收实时数据后，将数据进行暂存，然后按照特定频率以数据包的形式，将数据信息上传到上一级的协调模块；

采集、上传信息后，反应模块还会接收上级发送的各类控制指令，并作出相应的动作。例如控制中心发送隔离指令后，位于反应模块的隔离器动作，自动将发生故障的电气设备从电网中切除，避免产生连锁反应造成故障影响范围的扩大化。

2 基于多智能体一致性的智能电网自愈方法

2.1 电网故障自愈的基本要求

故障自愈不仅要将已经发生的电网故障顺利解决，保证智能电网的稳定运行，而且还要通过拓扑结构的调整，将失电区域的负荷容量均摊到正常运行的馈线上，并且保证电网不会出现超负荷情况，防止引发二次故障。总结来说，智能电网自愈控制应满足以下基本要求：（1）提高响应及时性和控制有效性，保证非故障区域不受影响；（2）各类开关的动作次数不宜过多。开关的动作次数与寿命直接挂钩，如果自愈控制中频繁开断，会严重缩短开关设备的寿命；（3）分摊负荷容量时，要考虑智能电网不同区域的最大用电负荷；（4）尽量减少对电网结构的更改。

2.2 智能电网自愈方法

2.2.1 连通性判断在故障区域或设备被切除以后，由于此部分出现断路，周边的电气设备也有可能受到影响进而形成“孤岛”。连通性判断就是在准备切除故障时，预测切除故障以后局部电网能否正常运行。若连通性差，则重新优化切除方案，提高自愈控制的实用性。假设有一个邻接矩阵A，内部包含了n 个元素，通过计算连通性矩阵判断故障区域和非故障区域之间的连通性，具体方法如下：

（1）在现有邻接矩阵A 的基础上，设计一个新的矩阵P，使P=A。

（2）对矩阵P 做初始化处理，使j=1。

（3）对所有的i，如果存在P（i,j）=1，则对k=1，2，3……n。使P（i,k）=P（i,k）∨P（j,k）。

（4）j=j+1。

（5）若存在j≤n，则返回步骤（3），重复上述步骤，直到j＞n，停止。

收集所有j＞n 的值，即表示能够正常连通，反之则表示无法正常连通。

2.2.2 故障节点标记

对于智能电网中因为发生故障而失电的区域、设备，可通过重新闭合线路恢复供电。但是为保证恢复供电后的电网不存在超负荷等问题，还应做好网络结构布局和负荷功率调整等工作。故障节点标记的作用是在确定故障区域或故障设备后，在就近的两个节点上，分别做相应的标记。按照电流的方向，在电流的流入方向上，将最接近故障区域的节点标记为1；在电流的留出方向上，将最接近故障区域的节点标记为2。注意故障节点标记遵循就近原则并且不得重复。在故障节点1 和2 中间，即为满足自愈控制的最小切除范围。将该范围内的电力设备及线缆切除，既能够保证智能电网实现故障自愈，又可以最大程度上降低对智能电网运行的影响。

3 基于多智能体一致性的智能电网自愈仿真实验

3.1 仿真实验设计

上文介绍了基于多智能体的自愈控制系统结构组成和功能实现方式。为了进一步验证该系统能否将电网常见故障做到妥善处理，在仿真环境下开展了实验进行证实。使用Matlab 软件进行仿真实验。在仿真环境下构建了一个由10台发电机、50 个节点、44 条线路组成的380kV 电网。设定基准电压为380kV，基准功率为110MVA。进行如下实验：模拟电力系统三相接地短路故障，每台发动机剩余≥10%的备用容量。利用基于多智能体系统一致性的自愈控制系统，对发生短路故障的电力系统进行故障自愈。选择发电机转速作为判断指标。

3.2 仿真实验结果

以发生三相接地短路故障的时间点作为起始点，记录在故障发生10s 内的发电机转速，如图4 所示。

图4 故障状态下发电机转速变化情况

结合图4 可知，在电网发生接地故障后，10 台发电机的转子转速发生了明显波动。发电机出现暂态运行失稳后，除了影响自身的输出功率外，还会因为电压的明显波动，对整个电网的安全性造成冲击影响，电网面临崩溃的风险。

重复上述实验，但是在故障发生1s 后，接入了基于多智能体系统一致性的自愈控制系统，并记录从接入之后9s 内的发电机转速变化数据。将所得数据绘制成图，得到发电机转速在不同时间内的变化图，如图5 所示。

图5 故障状态下接入自愈控制系统的发电机转速变化

结合图5 可知，在短路故障发生后，10 台发电机也出现了转速波动、暂态失稳的情况。而1s 时接入了自愈控制系统，发电机转速迅速稳定下来，从第5s 开始，10 台发电机的转速保持一致并趋于平稳，说明三相接地短路故障已经得到自愈。

结束语

在智能电网覆盖范围逐步扩大的背景下，如何保障智能电网稳定、可靠运行，成为电力公司关注的焦点问题。根据智能电网的规模，选择若干个多智能体，按照一致性算法将其组合成为完整的故障检测和控制系统，能够实现对智能电网运行工况的实时监测，并对故障问题作出准确判断和分级分类，然后下达相应的指令，切除故障或解决问题，在不需要人工干预的情况下，实现了自愈。仿真实验表明，该自愈控制系统能够有效解决常规的故障，为智能电网运维管理提供了帮助。