孫 輝,劉前進(jìn)

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院,廣州 510640)

隨著改革的深入電力產(chǎn)業(yè)將重組成為一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈的產(chǎn)業(yè),許多電力公司將在配電系統(tǒng)中安裝大量的分布式發(fā)電機(jī)(DGs)。對(duì)用戶來(lái)說(shuō),DGs能夠提供靈活的和高質(zhì)量的電能;對(duì)系統(tǒng)方而言,DGs能夠幫助維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,減少輸電和配電的損耗,但是在配電系統(tǒng)中,由于大量的DGs的接入,配電計(jì)劃和控制會(huì)更加復(fù)雜。因此,有必要設(shè)計(jì)一個(gè)新的保護(hù)和控制方案,該方案在大量DGs的情況下仍能滿足可靠的電力系統(tǒng)運(yùn)行。

在信息技術(shù)改善的前提下,多代理系統(tǒng)MAS(multi-agent system)可以為電力系統(tǒng)運(yùn)行提供一個(gè)新的解決方案。MAS是一個(gè)計(jì)算系統(tǒng),該系統(tǒng)中代理執(zhí)行獨(dú)立的動(dòng)作,它們相互協(xié)作共同完成周圍環(huán)境中的事件任務(wù)。在電力系統(tǒng)中,MAS可以應(yīng)用于配電網(wǎng)的保護(hù)和控制。本文基于多代理技術(shù)提出了一個(gè)用于配電系統(tǒng)保護(hù)和控制方案,并且通過(guò)大量的仿真研究表明本文提出的保護(hù)方案,在各種不同的條件下,能夠提供一個(gè)快速的繼電反應(yīng)和高精度的故障定位。

1 多代理在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)應(yīng)該擁有可靠的的通信設(shè)施,這樣可以在原有的設(shè)備上部署新的功能(例如設(shè)備控制,監(jiān)控需求等),在這種情況下,多代理的實(shí)施也將會(huì)實(shí)現(xiàn)一些新的功能。

在本文中,代理指的是計(jì)算機(jī)程序,它具有交互性,自動(dòng)性,有能力與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信,基于多代理技術(shù)的配電系統(tǒng)如圖1所示。各種代理通過(guò)一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)連接在一起。將多代理技術(shù)應(yīng)用到電力系統(tǒng)中,可以實(shí)現(xiàn)一些新的功能。

圖1 基于多代理技術(shù)的配電系統(tǒng)Fig.1 Distribution system withmu lti-agent system

1)控制

文獻(xiàn)[1]提出了基于多代理的自動(dòng)發(fā)電控制AGC(automatic generation control)方案,用于被隔離的電力系統(tǒng)。

該方案中三類代理相互通信:監(jiān)控代理通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分發(fā)必要的信息;控制代理用于控制能量電容器系統(tǒng)ECS(energy capacitor system);管理代理用于協(xié)調(diào)ECS之間的行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相對(duì)于傳統(tǒng)的基于IP控制的發(fā)電方案,它具有很大的優(yōu)越性。

在多帶理的控制下,具有大量DGs的配電網(wǎng)能夠可靠的運(yùn)行[2],同時(shí)在DG處的監(jiān)控代理和管理代理,從變電站的代理處搜集電網(wǎng)潮流信息。位于DGs處的控制代理能夠利用廣域信息和關(guān)于它們的負(fù)荷饋線的本地信息。在這種情況下,可以控制DG的輸出以減少整個(gè)配電系統(tǒng)的負(fù)荷波動(dòng)[2],該文使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的配電系統(tǒng)模型進(jìn)行數(shù)字仿真,結(jié)果顯示出,控制DG運(yùn)行不僅能夠補(bǔ)償他們自己的負(fù)荷波動(dòng),而且能夠補(bǔ)償其他沒(méi)有DG的母線處的負(fù)荷波動(dòng),使配電系統(tǒng)處于一個(gè)良好的運(yùn)行狀態(tài)。

基于多代理的DG控制能夠提高被隔離的配電系統(tǒng)的可靠性[3]。同時(shí)所有DGs的容量應(yīng)該足夠大,使配電系統(tǒng)能夠連續(xù)地運(yùn)行,即使由于永久性的故障,從輸電系統(tǒng)中被隔離之后,配電系統(tǒng)仍然能夠運(yùn)行。

在這種情況下,當(dāng)隔離的配電系統(tǒng)運(yùn)行方式改變進(jìn)入到最小運(yùn)行方式時(shí),系統(tǒng)頻率可能會(huì)發(fā)生短暫的波動(dòng)。一些研究工作表明,當(dāng)DG配備有多代理控制方案時(shí),通過(guò)代理交換信息(如潮流從一個(gè)DG轉(zhuǎn)移到相鄰的DGs),能夠減小頻率波動(dòng)。

2)電網(wǎng)重組

文獻(xiàn)[4]提出多代理方案用于電力系統(tǒng)重組,該方案由許多母線代理BAG(bus agents)和一個(gè)服務(wù)代理FAG(facilitator agent)組成。在一個(gè)故障發(fā)生后,BAG通過(guò)與它鄰近的BAG交互,決定非最優(yōu)目標(biāo)的配置,同時(shí)FAG充當(dāng)一個(gè)管理者幫助重組決策過(guò)程。

網(wǎng)絡(luò)模型的仿真試驗(yàn)表明,該方案僅僅使用本地信息能夠決定目標(biāo)配置和開(kāi)關(guān)動(dòng)作順序,從而進(jìn)行最優(yōu)的電網(wǎng)重組。

3)保護(hù)

保護(hù)系統(tǒng)可以看作是位于電力系統(tǒng)各種位置的協(xié)調(diào)保護(hù)設(shè)備的總和。隨著信息和通訊技術(shù)的發(fā)展,作為分布式人工智能的代理技術(shù)已經(jīng)被介紹到輸電系統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)中。例如,基于多代理的距離繼電器[6]和電流差動(dòng)繼電器[7]已經(jīng)應(yīng)用于輸電系統(tǒng)。另外基于多代理的電流差動(dòng)繼電器可以提供一些額外的特點(diǎn),例如設(shè)備故障探測(cè),具有通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)傳遞跳閘命令的能力,也具有從電力系統(tǒng)的任何點(diǎn)搜集數(shù)據(jù)的性能[8]。

基于多代理的保護(hù)方案能夠應(yīng)用于配電系統(tǒng)[9],當(dāng)許多DGs接入和切斷時(shí),電力系統(tǒng)阻抗和電力潮流將會(huì)發(fā)生改變。在這種情況下,根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變,過(guò)電流繼電器的時(shí)間設(shè)置和協(xié)作規(guī)則必須做相應(yīng)的調(diào)整。

傳統(tǒng)的保護(hù)方案很難調(diào)整,很有可能降低電網(wǎng)的可靠性和電能質(zhì)量,故障通常會(huì)引起很寬的頻帶諧波,它不同于正常負(fù)荷情況下的諧波和開(kāi)關(guān)變換時(shí)的沖擊能量。同時(shí)如果一條線路是故障線路,則故障諧波能量方向?qū)⒘魅胨膬啥?。該特點(diǎn)被開(kāi)發(fā)成電流差動(dòng)繼電器,繼電器作為代理相互協(xié)作,定位故障區(qū)域。

2 基于多代理(MAS)的保護(hù)方案

考慮到配電網(wǎng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和設(shè)備的數(shù)量巨大,配電系統(tǒng)的保護(hù)方案應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)單化。因此,提出一種新的基于多代理保護(hù)方案,用于接入大量DGs的配電系統(tǒng),它的主要特點(diǎn)是簡(jiǎn)化了信息的利用。

2.1 基于多代理的保護(hù)方案

本文提出的基于多代理保護(hù)方案,用圖2來(lái)解釋。兩條饋線連接到變電站(S/S)。在配電系統(tǒng)中接入大量的DGs,DGs能夠提供可靠的和連續(xù)的電能。因此,當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),故障區(qū)域的斷開(kāi)應(yīng)當(dāng)盡可能多地加以限制,以避免DGs的斷開(kāi)。在這種情況下,通過(guò)區(qū)域形成斷路器(B1-2和B2-3),接入大量DGs的配電系統(tǒng)將劃分為多個(gè)不用的區(qū)域。在圖2中,一條饋線所經(jīng)歷的配電區(qū)域劃分為3個(gè)區(qū)域?qū)儆陴伨€A屬于饋線B。

因?yàn)槭褂脜^(qū)域形成斷路器將各個(gè)區(qū)域相互連接,當(dāng)一個(gè)故障發(fā)生時(shí),通過(guò)跳開(kāi)相應(yīng)的區(qū)域斷路器將故障區(qū)域斷開(kāi)。例如,當(dāng)一個(gè)故障發(fā)生在Z2區(qū)域時(shí),用于斷開(kāi)Z2的必要條件如下:

(1)連接區(qū)域Z2(該區(qū)域Z2的鄰近區(qū)域?yàn)閆1和Z3)的區(qū)域斷路器B1-2和B2-3的電流,以及該區(qū)域的DGs處斷路器的電流都將流向區(qū)域Z2;

(2)在(1)中的電流,其中至少有一個(gè)電流幅值應(yīng)將超過(guò)某一個(gè)極限值(Ith)。

需要(1)表明Z2區(qū)域外面沒(méi)有任何故障,需要(2)表明,當(dāng)在Z2區(qū)域的負(fù)荷需求被Z1和Z3區(qū)域的DG滿足時(shí),在正常情況下B1-2和B2-3處的電流也將流向Z2區(qū)域。因此,由于(2)的約束,便保證了在斷路器處的繼電器能夠辨別Z2是否發(fā)生故障。

圖2 分區(qū)的環(huán)狀配電系統(tǒng)Fig.2 Ring distribution system divided into p rotection zones

對(duì)于所有的斷路器來(lái)說(shuō),為了知道在其他斷路器處的電流方向和幅值,它們必須相互交換一些信息。為了實(shí)現(xiàn)在斷路器處的信息交換,本文設(shè)計(jì)了三種類型的代理:監(jiān)測(cè)代理(aonitoring agent),通信代理(communication agent),繼電器代理(relay agent)。它們部署在每一個(gè)斷路器處。在本文提出的保護(hù)方案中,最重要的特點(diǎn)是用一個(gè)簡(jiǎn)單化的方式進(jìn)行信息交換。如簡(jiǎn)化的二進(jìn)制狀態(tài)信號(hào)(0/1)在一個(gè)有限的區(qū)域內(nèi)交換。

監(jiān)測(cè)代理:觀察電流的流動(dòng)方向。當(dāng)一個(gè)故障發(fā)生在配電系統(tǒng)的某個(gè)地方時(shí),電流流動(dòng)的狀態(tài),方向和幅值將會(huì)突然改變。位于故障點(diǎn)附近的監(jiān)測(cè)代理,通過(guò)使用方向繼電器和過(guò)電流繼電器,將產(chǎn)生和提供2類信號(hào)。其中一類信號(hào)電流的幅值是否超過(guò)某一給定值(),而不需要提供幅值本身的大小,另一類信號(hào)是電流的方向。這兩類信號(hào)都是以二進(jìn)制信號(hào)表示(0/1),在產(chǎn)生時(shí)不包括時(shí)間的信息。這些信號(hào)僅僅表明了一個(gè)事實(shí),電流流動(dòng)的狀態(tài)是變化的。

通信代理:搜集一些信號(hào),該信號(hào)來(lái)自于位于其他的斷路器處代理,這些代理必須是連接同一區(qū)域的。

繼電器代理:將所有的被搜集的狀態(tài)信號(hào)和本地信號(hào)應(yīng)用在一個(gè)邏輯電路中,如果它自身斷路器應(yīng)當(dāng)跳閘,則它將發(fā)出一個(gè)跳閘信號(hào)用于它自身的斷路器。

2.2 網(wǎng)絡(luò)信息的利用

圖3表明了二進(jìn)制狀態(tài)信號(hào)的產(chǎn)生以及網(wǎng)絡(luò)信息被斷路器Z12處的繼電器利用,當(dāng)故障發(fā)生在Z2區(qū)域時(shí),在區(qū)域形成斷路器B1-2處的通信代理接受由BDG1、BDG2、B2-3和BS-1處的通信代理發(fā)出的信息。相同的方式,在B1-2處的繼電器代理利用從BS-1處發(fā)出的信號(hào)和它自己的信號(hào),用于探測(cè)在Z1區(qū)域處的故障。

使用簡(jiǎn)化的二進(jìn)制狀態(tài)信號(hào)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐竭M(jìn)行。通常,在保護(hù)系統(tǒng)中,普遍使用的差動(dòng)繼電器保護(hù)方案中,數(shù)據(jù)同步是非常重要的。由于數(shù)據(jù)同步的目的,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須貼上實(shí)時(shí)標(biāo)簽。所有的信號(hào)是同步的,具有來(lái)自全球定位系統(tǒng)GPS(global positioning system)接收器的時(shí)鐘脈沖[11]。但是,在本文的保護(hù)方案中,二進(jìn)制狀態(tài)信號(hào)不需要包含時(shí)間的信息,當(dāng)它被創(chuàng)造時(shí),盡管有時(shí)候由于網(wǎng)絡(luò)阻塞,二進(jìn)制信號(hào)在不同的地點(diǎn)不能被同時(shí)利用,但本文提出的保護(hù)方案仍能正常工作。

本文提出方案的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是DGs的容量和配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以靈活地改變。在保護(hù)方案中,也將采用變電站代理,它給在斷路器處的通信代理提供關(guān)于區(qū)域數(shù)量信息,以至斷路器處的代理能夠知道相關(guān)的區(qū)域。當(dāng)一個(gè)新的DG接入配電系統(tǒng)時(shí),將給它的通信代理分配(通過(guò)變電站代理)一個(gè)區(qū)域數(shù)字。這樣,其他的代理將知道在同一個(gè)區(qū)域中有一個(gè)新的單元,并且搜集關(guān)于它的信號(hào)。在這個(gè)過(guò)程中,將交換關(guān)于電流幅值是否超過(guò)極限值(I th)的信息,同時(shí)對(duì)于一個(gè)新接入的DG來(lái)說(shuō),不要求它進(jìn)行傳統(tǒng)的協(xié)作。

圖3 繼電器B1-2處的信息網(wǎng)絡(luò)Fig.3 In formation netw ork for relay at B1-2

2.3 產(chǎn)生二進(jìn)制狀態(tài)信號(hào)的程序設(shè)計(jì)

在本文提出的方案中,當(dāng)其中一個(gè)繼電器代理通過(guò)探測(cè)故障跳開(kāi)它自己的斷路器,其他的繼電器代理可能失去二進(jìn)制信號(hào)用于探測(cè)故障,將可能導(dǎo)致誤動(dòng)。

為了避免誤動(dòng),每個(gè)繼電器應(yīng)該擁有查看邏輯電路輸出信號(hào)的能力,僅當(dāng)跳閘信號(hào)的激活狀態(tài)持續(xù)到一段時(shí)間時(shí),繼電器代理將提供一個(gè)跳閘信號(hào)。這個(gè)時(shí)間本文設(shè)定為34 m s,相當(dāng)于2個(gè)周期,一旦跳閘信號(hào)被鎖定,在同一地點(diǎn)的檢測(cè)代理不能臨時(shí)改變它自己的狀態(tài)值,即使其他斷路器的跳閘使故障電流的幅值減小。

由于信號(hào)具有鎖定功能,在其它斷路器處的通信代理,即使很晚才接受斷路器跳閘的信號(hào),它仍舊能利用適當(dāng)?shù)男畔⒂糜谔l它自己的斷路器。

因?yàn)樵谡顩r下的零序電流可以忽略不計(jì),在故障狀態(tài)下將會(huì)產(chǎn)生一定量的零序電流,所以可以通過(guò)觀察零序電流來(lái)探測(cè)接地故障。同時(shí)在程序設(shè)計(jì)中,故障電流的極限值(I th)的確定也是一件重要的事,該極限值最好能適用于所有的運(yùn)行方式。在短路情況下,過(guò)電流的極限值也應(yīng)該綜合考慮多方面的因素,比如負(fù)荷的變動(dòng)、DG的增加所引起的頻率的改變等。

當(dāng)配電系統(tǒng)劃分成幾個(gè)保護(hù)區(qū)域時(shí),繼電器不必考慮在遠(yuǎn)處點(diǎn)的故障。另外,二進(jìn)制狀態(tài)信號(hào)僅在有限的區(qū)域中交換,即連接于同一區(qū)域的繼電器代理之間。通過(guò)感知電流突然改變,繼電器代理能夠自動(dòng)確定過(guò)電流信號(hào),同時(shí)減輕與遠(yuǎn)處繼電器的協(xié)作。這個(gè)特點(diǎn)可以很好的應(yīng)用在配電結(jié)構(gòu)的各種條件,并且DG運(yùn)行不需要繼電器之間的協(xié)作。

在本文中,區(qū)域繼電器的過(guò)電流的極限值設(shè)置成正常狀況電流的200%～1000%。在正常情況下的最大負(fù)荷時(shí),并且系統(tǒng)沒(méi)有接入DG,此時(shí)的電流可以相應(yīng)于最大值,被監(jiān)測(cè)代理記錄。在DG處的斷路器的極限值,也設(shè)置成DG額定電流的200%～1000%。

3 數(shù)字仿真

3.1 配電系統(tǒng)仿真模型

本節(jié)通過(guò)使用PSCAD/EM TDC進(jìn)行數(shù)字仿真,來(lái)驗(yàn)證本文提出的保護(hù)方案。如圖4顯示了本文研究所使用的配電系統(tǒng)模型。

該模型由兩條6.6 kV的饋線組成。他們相互連接在一起,在系統(tǒng)的末端,組成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)。275 kV輸電系統(tǒng)作為電壓源,6.6 kV配電系統(tǒng)不接地。

在該模型中,變壓器靠近配電系統(tǒng)一側(cè)接10 k的電阻,該電阻相當(dāng)于變壓器第三繞組的阻抗,用于探測(cè)故障時(shí)的零序電壓。配電系統(tǒng)被劃分為6個(gè)區(qū)域Z1～Z6,系統(tǒng)負(fù)載總?cè)萘渴?500 kVA,負(fù)荷因素占90%,DGs連接于Z1、Z3、Z4、Z6,以及它們自己的負(fù)荷。假設(shè)所有的DGs是同步發(fā)電機(jī),通過(guò)變壓器(T r)接于配電系統(tǒng)中。

線路參數(shù)如下。

電壓為6.6 kV;R=0.313(mΩ/m);長(zhǎng)度為1 km(斷路器到母線距離);L=1.0μH/m;C=0.012 nF/m。

負(fù)荷參數(shù)如下:

LDG1、LDG3、LDG4、LDG6為300 kW;L1、L3、L4、L6為200 kW為500 kW為1000 kW。

圖4 配電系統(tǒng)仿真模型Fig.4 Simu lationmodel of distribution system

假設(shè)具有不同DG容量接入的3種案例:案例A、案例B和案例C。

案例A中DG1、DG3、DG4、DG6的容量都為200 kW;

案例B中DG1、DG3、DG4、DG6的容量都為600 kW;

案例C中DG1、DG4、DG6的容量為300kW,DG3的容量為1300 kW。

3.2 仿真結(jié)果

3.2.1 接地短路故障

本文將測(cè)試在每一個(gè)區(qū)域(Z1～Z6)的各種不同類型的接地故障:接地故障(1LG)、兩相接地短路(2LL)和三相接地短路(3LL)。

壓器(Tr)在配電系統(tǒng)中沒(méi)有接地,所以在故障時(shí)DGs處的零序電流忽略不計(jì)。因此連接于Z6的繼電器代理能夠通過(guò)感知零序電流的出現(xiàn),發(fā)出跳閘命令,將Z6區(qū)域斷開(kāi)。

假設(shè)代理之間接受信號(hào)有一定的延遲,如下所示:

(1)區(qū)域形成斷路器與DG斷路器之間的延遲設(shè)置為25 ms;

(2)區(qū)域形成斷路器與區(qū)域形成斷路器之間的延遲設(shè)置為40 m s。

基于上面的假設(shè)進(jìn)行數(shù)字仿真,大量的仿真結(jié)果表明,繼電器代理能夠成功的斷開(kāi)故障區(qū)域。同時(shí)還仿真了在不同的接地故障類型下和不同的DGs容量下,各個(gè)繼電器代理均能正確動(dòng)作。

3.2.2 相間短路故障

由于發(fā)生相間短路故障時(shí),沒(méi)有零序電流的出現(xiàn),因此采用線路的過(guò)電流來(lái)探測(cè)相間短路故障的位置,過(guò)電流極限值的設(shè)置也成為隔離故障的關(guān)鍵。本文的保護(hù)方案中,線路過(guò)電流的極限值設(shè)置成額定電流值200%～1000%。

仿真測(cè)試了各個(gè)區(qū)域在各種相間短路故障情況下的動(dòng)作情況,表1概括了斷路器代理斷開(kāi)故障區(qū)域的情況,符號(hào)的含義為:S為故障區(qū)域能夠被成功的斷開(kāi);X為在故障區(qū)域斷開(kāi)之后,非故障區(qū)域也斷開(kāi);I th為預(yù)設(shè)的極限值。

表2是相應(yīng)于表1的各種情況的靈敏系數(shù)k sen,其中

式中:Ik,B為保護(hù)范圍內(nèi)故障參數(shù)的計(jì)算值;I″act,2為保護(hù)裝置的動(dòng)作參數(shù),這里為過(guò)電流的極限值。

由表1和表2可知:

當(dāng)Ith設(shè)置為正常電流的1000%時(shí),也能夠成功的斷開(kāi)故障區(qū)域,非故障區(qū)域沒(méi)有斷開(kāi),此時(shí)的靈敏系數(shù)絕大部分能滿足保護(hù)的靈敏度要求。

表1 成功或者失敗的斷開(kāi)故障區(qū)域情況Tab.1 Success or failure for distribution fault zone

表2 各種極限值情況下的靈敏系數(shù)Tab.2 Sensitivity coefficient for each kind of lim it value

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先提出保護(hù)系統(tǒng)的概念,選擇二進(jìn)制狀態(tài)信號(hào)用于該保護(hù)方案中,然后使用PSCAD/EM TDC數(shù)字仿真,在建模時(shí)信息之間的交換當(dāng)作是給定的條件,在實(shí)際的狀況下,它必須要用多代理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),多代理編程作為進(jìn)一步的工作。大量的仿真表明,該保護(hù)方案在各種條件下,能夠?qū)崿F(xiàn)快速的繼電反應(yīng)和快速的切除故障。

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