基于網損最小的配電網多代理復電系統設計

李紅偉,孔 冰,李 超

（西南石油大學 電氣信息學院,四川 成都 610500）

0 引言

配電網不可避免地會發生各種類型的故障，如果故障后不能及時地恢復供電，嚴重情況下可能會造成巨大的經濟損失和嚴重的社會影響。隨著我國配電網結構及其運行方式變得越來越復雜，如何快速而可靠地實現復電重構，是當前研究的一個熱點[1-4]。電力系統的復電重構，即故障情況下的自恢復，是通過改變饋線開關的狀態，將饋線區域的部分或全部停電負載轉移到臨近負載較低的饋線。在該問題的求解過程中，需要考慮如擴大復電區域、減少開關操作、最大限度地減少復電時間、保持系統的輻射狀架構等諸多因素，最終所得到的解是一系列開關操作?，F階段，對該問題的研究方法大致有數學優化方法、啟發式搜索方法、人工智能方法以及多代理技術等[5-12]。

文獻[9]根據配電網的分層結構特點，建立了三層多代理故障恢復模型，采用分階段故障恢復，優先考慮用最近的電源恢復最多的停電負荷，從而減小故障影響范圍。文獻[10]設計的環網的多代理系統（MAS）中，沒有設置中央控制代理，各代理僅與其鄰居代理通信，減少了信息交互的負擔。文獻[11]提出了一種基于多代理技術的黑啟動恢復方法，使得電網或系統在出現故障后，能不依靠其他網絡實現整個系統的電力恢復。文獻[12]針對船艦電力系統，討論并提出了用以實現電力系統重構的多代理系統，能在保障高優先級負荷供電的前提下，盡可能地恢復整個系統的供電，為配電系統的供電恢復提供了一個思路。

MAS應用于配電網復電有其獨特的優勢，相關的研究都還有待深化。本文基于多代理技術和JADE開發平臺，以配電網絡重構后的網損最小為目標，設計了配電網絡的多代理復電系統，分析了該系統完成配電網故障重構的原理及過程；以33母線系統為對象，通過模擬部分區域故障檢驗了該多代理復電系統的運行情況，驗證了其可行性。

1 MAS

1.1 MAS特點

代理是運行于動態環境中的實體，它具有智能性及自主性，能夠根據所獲得的信息實現對問題的規劃和求解。MAS是由多個代理所組成的整體系統，其通過各代理的自主性動作或代理之間的相互合作完成對問題的求解[13-14]。MAS中的各代理依然具有獨立性和自治性，其目標和行為不受其他代理干擾，并通過競爭或協商等手段協調解決目標和行為之間的矛盾和沖突[15]。

MAS具有分布式結構，系統中的各個代理可以協同工作。將MAS應用到配電網絡重構中，能夠減輕當前集中控制系統的計算負擔，也能夠使得故障的處理更加靈活。

1.2 MAS功能

根據MAS的特點，基于JADE開發平臺來設計配電網多代理復電系統。JADE包括一個代理賴以生存的運行環境、開發代理應用的類庫及用來調試和配置的一套圖形化工具，為分布式多代理的應用提供了基礎設施和最基本的服務。利用JADE平臺所提供的各種工具，可控制各代理的工作狀態，對代理實現多種操作，并實時監測各代理的交互狀況等。本文所設計的多代理復電系統以分散的方式運行于JADE平臺上，其總目標是：當實際的配電系統發生故障并導致部分區域停電時，該多代理復電系統能夠快速地制定出優化的復電重構方案，并據此方案控制相應的開關動作，實現復電。

該多代理復電系統含多個母線代理（BusAgent）和1個輔助代理（AssistantAgent），各代理根據各自的運行規則執行相應的功能。輔助代理僅是一個軟件實體，在實際的配電網絡中沒有實物與之對應，其主要任務和功能是獲取實際配電系統的參數，為其他母線代理提供諸如支線號、功率損耗等各種查詢服務。多代理復電系統中的各母線代理與實際配電網絡的各母線節點一一對應，其主要目標是在配電網絡出現故障時，根據復電優化算法，制定一個網損最小的復電重構方案；代理通過彼此之間的交互和協商，根據最優方案操作相應的開關動作，從而為停電區域恢復供電。

該復電系統中的任何一個母線代理都可以調用復電優化算法，從而制定出最優的復電重構方案。但是每次故障時，僅有一個代理調用復電優化算法，具體由哪條母線的代理執行該動作，主要是取決于實際網絡的故障范圍。一旦發生了故障，處于故障區域的母線代理中就會自動產生一個復電總代理，由該代理制定復電方案并主導復電過程。所以，該復電系統能夠很靈活地處理配電網絡可能出現的多種故障情況。

2 MAS復電分析

當配電系統發生故障并導致部分區域停電時，各代理根據復電總目標，通過彼此間的協作，共同制定復電方案。整個復電流程大致可以分為確定復電總代理、確定停電區域、制定優化復電方案、方案執行4個部分。圖1為配電系統發生故障時復電的流程圖。

圖1 多代理復電流程圖Fig.1 Flowchart of multi-agent power restoration

具體分析如下。

a.程序初始化。程序啟動時，多代理復電系統自動進行初始化。輔助代理自動獲取配電網絡參數，準備向母線代理提供查詢服務；各母線代理向輔助代理請求查詢服務，獲得其鄰居母線代理（處于其前面和后面的母線代理）的信息。

b.確定復電總代理。系統發生故障后，需要確定一個復電總代理，由它主導復電過程。一旦檢測到停電，各母線代理就會詢問其鄰居代理是否停電。鄰居代理接收到詢問消息后，會反饋自身母線上的故障標志的值（“假”表示未停電，“真”表示已停電）。各母線代理即根據其鄰居代理的故障標志的值判定自身是否是復電總代理：若其前面的母線代理回復“假”，而其后面的母線代理回復“真”，則可以確定當前母線代理是復電總代理；否則不是復電總代理。

c.確定停電區域。確定了復電總代理后，該代理需要確定停電區域，從而準備復電操作，具體實現過程如圖2所示。若A為復電總代理，A會向其后面的已經停電的鄰居代理B發送一條包含復電總代理信息的通知。B接收到該通知后，向A回復一條包含自身故障狀況的信息，表示其已經獲得了復電總代理的信息。該信息主要包括兩部分內容：故障母線的編號，用于幫助復電總代理確定停電區域；母線發生故障的時間，便于生成故障記錄。然后，B會向其后面的已經停電的鄰居代理C轉發它接收到的通知。C接收到B的通知后，向A回復一條包含自身故障狀況的信息，表示其已經獲得了復電總代理的信息。然后，母線代理C及其后面的停電的母線代理會將該通知轉發下去，直到停電區域內的所有母線代理都已經獲得了復電總代理的信息。復電總代理A根據其接收到的來自于各停電母線代理的回復信息確定停電區域。

圖2 確定停電區域示意圖Fig.2 Schematic diagram of blackout area determination

d.制定優化復電方案。在復電總代理確定了停電區域的范圍之后，調用復電優化算法，本系統采用改進的最優流模式法來確定網損最小的優化復電方案。

e.方案執行。復電總代理根據制定的復電重構方案，分別向特定的母線代理發送命令，要求其操作相應支線上的開關，從而更改配電網絡結構，以最優的方式為停電區域恢復電力供應。

從執行時間而言，一般要求從故障發生到制定出復電重構方案的時間為數秒到數十秒，在本文的MAS中，各代理之間進行一次信息交互的時間約為幾微秒，復電總代理調用復電優化算法制定復電方案的時間一般為數十到數百微秒（跟硬件有關），能滿足實際系統要求。

3 優化復電方案

3.1 改進的最優流模式算法

最優流模式法[6]最早由 Darish Shirmohammadi等人提出，其基本思想是：首先閉合配電網絡中所有的聯絡開關形成一個弱環網，然后將網絡負荷利用各節點的電壓轉換為節點電流注入，通過潮流計算得到該弱網環的潮流分布，稱之為最優流模式，即將各個支路的阻抗僅以電阻表示，在滿足KCL和KVL的條件下計算得到環網支路的電流分布，此時環網網損最小，最后打開最優流模式中流過電流最小的支路上的開關把環網變為輻射網。

本文采用了文獻[17]的改進最優流模式算法實現網絡重構分析，該算法在文獻[16]提出的最優流模式法上做了以下改進。

a.以啟發式規則確定聯絡開關的閉合順序。每次閉合一個聯絡開關形成只含一個環網的網絡，然后打開環網上的一個開關使網絡恢復為輻射網。啟發式規則認為聯絡開關兩端電壓降越大，閉合該開關后所引起的網損減少量越大。在確定聯絡開關電壓降后，就可以忽略一些電壓降太小的聯絡開關，這樣減少了不必要的開關操作。

b.打開環網支路上開關的判據。首先計算打開環網上各個支路開關后所引起的網損變化，然后選擇打開造成網損增量最小且滿足電流約束的支路開關。

通過如上改進，減少了不必要的開關操作，極大地降低了計算量。與此同時，將網損變化量作為開關操作的判據，為開關動作提供了理論基礎，保證了結果的最優性。重構方案的具體執行過程見圖3。

3.2 網損計算

最優流模式實現了配電網絡網損最小的電流分布，但是為了保證配電網絡的輻射狀運行，就必須打開環網的一條支路上的開關L，這樣就必然會造成網損的變化ΔPloss。開關L必須滿足開關打開后造成的網損增加量最小，這樣打開L后的配電網絡的網損才能更接近最優流模式?；谥方粨Q算法的配電網的重構中，當聯絡開關L與環網支路k上的開關發生支路交換后，負荷將發生轉移，在此過程中，一般可以認為最佳負荷轉移量與電壓無關[18-19]，因此在計算開關L打開前后的網損變化量的過程中可以忽略節點電壓變化的影響，即近似認為輻射支路的網損不變，只需要計算環網的網損影響，從而降低了計算量。

設環網支路k上的首端功率為Pk+jQk，電阻為Rk，則環網支路上的網損為：

圖3 重構方案流程圖Fig.3 Flowchart of reconstruction scheme

其中，bloop為環網上所有支路的集合；Uk為環網支路k首端節點的電壓幅值。

打開開關L后環網支路的功率變為：

其中，PL、QL分別為開關L所在支路的有功、無功功率。

環網支路的網損變為：

則有：

其中，PLloss為開關L打開后的網損；ΔPLloss為開關L打開后的環網網損變化量。

在本文的重構方案中，采用了一種基于節點注入功率的潮流計算方法計算潮流，這種基于回路分析法實現的潮流算法為實數運算，具有計算速度快、收斂性好等優點[20]。該潮流計算方法可直接計算出各支路的功率分布、功率損耗，應用于上述重構復電算法時，不需要專門計算各支路功率，可大幅降低計算量，提高計算速度。

4 仿真案例

將本文設計的多代理復電系統應用于求解33母線系統的故障復電問題，通過設定故障點以驗證該系統的有效性。圖4為33母線測試系統，該系統中共有 33 條母線（B0— B32）、32 條支線（1—32）、5條聯絡線（33—37）。在圖4所示的配電網絡的每條母線上都設置一個母線代理，設該系統中各支線和聯絡線上都有開關，且這些開關的動作由相應支線和聯絡線的首端母線代理控制。當系統發生故障后，即是通過各母線代理之間的協調與合作，控制各支線和聯絡線上的開關動作，共同為停電區域恢復供電。

圖4 33母線測試系統Fig.4 33-bus test system

4.1 重構復電方案

本文僅介紹模擬圖4中33母線系統支線11發生故障時的復電重構情況。當支線11發生故障后，支線11上的開關將斷開，這將導致支線12—17停電，從而母線B11—B17停電。母線代理BusAgent11—BusAgent17一旦檢測到該故障，就會啟動復電程序，試圖為這些停電的區域恢復供電。本文模擬母線B11—B17停電的方法，是通過在JADE平臺上新建一個虛擬代理，由該虛擬代理向MAS中的母線代理BusAgent11—BusAgent17各發送一條故障信息，母線代理 BusAgent11—BusAgent17接收到故障信息后，則判定相應母線發生故障，并將其故障標志的值設為“真”。

當母線B11—B17停電后，首先會在母線代理BusAgent11—BusAgent17中產生一個復電總代理BusAgent11。復電總代理確定停電區域之后，根據優化復電方案，可以分別得到需要斷開和閉合的開關所在的位置（即線路編號），如表1所示。在向輔助代理請求查詢服務后，復電總代理會分別得到操作以上開關動作的母線代理信息。最后，復電總代理會分別向這些母線代理發送REQUEST信息，要求其操作相應的支路開關。

表1 優化復電方案Tab.1 Optimal power restoration scheme

復電總代理得到表1的開關操作方案后，根據該方案指導各母線代理控制各開關動作，從而為停電的區域恢復供電。根據最優復電方案，網絡重構后的結構見圖5。與未優化的復電方案相比，利用本文的復電方案進行復電重構后的網損大幅減小，見表2。

圖5 最優復電結構圖Fig.5 Structure of optimal power restoration

表2 網損比較Tab.2 Comparison of grid loss

4.2 應用MAS的復電過程

圖6由JADE平臺中的SnifferAgent監測得到，表示的是復電重構過程中各代理之間的交互情況。圖中每一列代表一個代理；每條帶箭頭的直線表示一次代理之間的通信，表示信息由發送者指向接收者。為更加清晰地展示結果，圖中未列出全部的代理，只列出母線代理BusAgent10—BusAgent17以及輔助代理（AssistantAgent）的信息交互情況。 在圖 6（a）、6（b）中，第2列到第10列分別代表輔助代理、母線代理BusAgent10—BusAgent17，圖中各交互信息所表示的具體含義如下。

a.1—7行。母線代理BusAgent11—BusAgent17接收到來自于虛擬代理的INFORM類型的故障信息，模擬母線B11—B17停電。

b.8—33行。各停電的母線代理分別向其鄰居代理發送類型為QUERY-REF的信息，詢問其是否停電；鄰居代理接收到詢問后，回復的類型為INFORM的信息。各母線代理據此判定自身是否成為復電總代理。

c.34—36行。BusAgent11成為復電總代理，它向BusAgent12發送一條包含復電總代理信息的INFORM類型的通知；BusAgent12接收到該通知后，回復一條INFORM類型的信息表示確認；BusAgent12向復電總代理發送一條INFORM類型的信息，報告其故障情況。

圖6 各代理的交互順序圖Fig.6 Schematic diagram of agent interaction sequence

d.37—39行。BusAgent12將接收到的通知以INFORM信息的形式轉發給BusAgent13；BusAgent13接收到通知后回復INFORM類型的確認信息；BusAgent13向復電總代理發送INFORM類型的信息，報告其故障狀態。

e.40—51行。各代理轉發通知、向復電總代理報告其故障狀態。

f.52、53 行。復電總代理（BusAgent11）向輔助代理發送QUERY-REF信息，請求查詢所有處于停電區域中的支線；輔助代理查詢完畢后，將結果以INFORM信息的形式反饋給BusAgent11。

g.54、55行。復電總代理根據優化重構算法得到最優復電方案后，向輔助代理請求查詢操作相應支線開關斷開的母線代理的信息；輔助代理完成查詢后，將結果反饋給復電總代理。

h.56、57行。復電總代理向輔助代理請求查詢操作相應支線開關閉合的母線代理的信息；輔助代理完成查詢后，將結果反饋給復電總代理。

i.58—71行。復電總代理向相應的母線代理發送REQUEST信息，要求其斷開或者閉合相應的支路開關。其中，第63、67行分別表示復電總代理（BusAgent11）閉合支線35和12上的開關。

5 結論

本文基于多代理技術，利用JADE開發平臺，設計了一個配電網多代理復電系統；通過模擬33母線系統部分區域故障，驗證了該多代理復電系統的可行性和有效性。該多代理復電系統中的各代理分布于配電網絡各母線節點上，當配電網絡故障時，停電區域中會確定一個復電總代理。該復電總代理根據復電優化算法得到一個最優的復電方案并指導方案的實施。與傳統集中式復電重構系統相比，該多代理復電系統的分布式結構能減輕系統的信息交互負擔、簡化系統結構、增強系統魯棒性，為配電網絡的復電重構提供了一種新的途徑。多代理系統采用分布式結構，可擴展性強；系統中各代理分布于配電網絡中，通過彼此間的協調動作共同實現復電重構，避免了對某個或某些代理的完全依賴，使得故障的處理更加靈活。將多代理技術應用于配電網絡復電重構，在提高配電網的供電可靠性、提升配電網的整體自動化水平、促進智能配電網的建設等方面都具有相當重要的現實意義和十分廣闊的應用前景。