基于多Agent的有限廣域方向比較算法與仿真實現

劉世丹+王增超+梁博

摘 要 容錯性是電網廣域后備保護系統設計應考慮的重要因素。本文在分析廣域后備保護研究現狀的基礎上，提出一種基于多Agent的有限廣域方向比較算法，該算法簡化了Agent間的通訊，并充分考慮方向元件冗余以保證算法的高容錯性，從而可快速可靠地進行故障定位，實現了線路與母線的后備保護。在EPOCHS平臺上對該算法進行了仿真，驗證了該算法的可行性和正確性。

【關鍵詞】有限廣域后備保護 容錯性 Agent 方向比較

在廣域測量系統、計算機與通信等技術快速發展的背景下，利用廣域信息的電網后備保護日益受到關注。文獻[1]采用廣域電流差動算法，通信量大，對時復雜，加大了實時通信的難度；文獻[2]采用基于一次設備/方向元件關聯矩陣的方向比較算法，對變電站內主接線變化有很好的適應能力，但該算法沒有考慮遠后備保護，且容錯性不高；文獻[3]則利用方向元件冗余來實現高容錯性，算法簡單可靠，通信量小，可以很好地在裝置中實現，但該算法較強地依賴于變電站決策中心的可靠性，且沒有考慮線路對側主保護跳閘對本側后備保護的影響，對母線后備保護考慮也較為簡單。

針對上述算法的缺陷，本文提出一種新的基于多Agent的有限廣域方向比較算法，該算法采用有限廣域內的多Agent分布式結構，簡化Agent間的通訊，利用Agent與線路/母線關聯矩陣進行廣域方向比較，能快速可靠地實現線路和母線的后備保護；在若干線路保護信息丟失的情況下，該算法通過對母線后備保護的自適應整定，并充分考慮方向元件的高容錯性，保證了后備保護系統的可靠工作；最后在電力和通信同步仿真平臺（EPOCHS）上驗證了該算法的準確性。

1 系統結構模型

系統結構模型如圖1所示。按照后備保護的配置原則，該后備保護系統需給本站元件（包括母線和線路）提供近后備保護，還要給下一級變電站元件（對端母線及對端母線的出線）提供遠后備保護。因此，本系統中的有限廣域半徑取為R=2，即需要收集直接相鄰變電站所有Agent的信息及次相鄰變電站靠近本站側的Agent的信息。有限廣域劃分示意圖如圖2所示，虛線范圍即為變電站A內的保護Agent需要信息的范圍。對某一確定Agent，他發送自己信息的對象就是有限廣域范圍包含本Agent的變電站的所有Agent。以A1（表示Agent1，以此類推）為例，它需發送自己信息給A2、A3、A4、A5、A6和A7。

2 基于方向元件冗余的方向比較算法

每個Agent均配置方向元件和距離元件，配置方法見參考文獻[3]，假設其輸出值分別為f、j，并將線路主保護和近后備保護的動作信息構成記憶故障方向元件，將這三個元件的輸出結果進行融合，形成Agent的故障測度值，再經過通信網絡收集其他Agent的故障測度值，根據Agent與線路/母線關聯矩陣，計算保護范圍內各元件的故障綜合值并與故障整定值相比較，就可以得出各元件的故障情況。下面介紹記憶故障方向元件和故障測度值、故障綜合值的形成以及故障判別方法。為方便描述，記近后備延時為Tlocal，遠后備延時為Tremote，最長待包時間為waittime。

2.1 記憶故障方向元件

引入記憶故障方向信息，把主保護和近后備保護的動作信息作為一種方向信息維持一段時間。若本側線路主保護正確動作，則可以確定故障發生在本段線路正方向，故將記憶故障方向信息置為1，如果主保護沒動作，則記憶故障方向值置為0；若本側線路或母線近后備保護動作，將記憶故障方向信息值置為1。兼顧主保護可能誤動的情況，記憶故障方向元件的輸出值為：

記憶故障方向信息的維持時間整定為Tremote和waittime之和。

2.2 故障測度值與故障綜合值

利用方向元件、距離元件和記憶故障方向元件的輸出值，定義Agent的故障測度值為：

收集完有限廣域范圍內Agent的故障測度值后，計算各元件故障綜合值F。若元件故障綜合值的絕對值大于其故障整定值絕對值，則將其判為確定故障元件；若等于，則判為疑似故障元件；若小于，則判為正常元件。

對于線路，利用線路各端Agent的故障測度值來計算故障綜合值，如式（3）所示。線路故障整定值如式（4）所示。

式中，Ni表示關聯矩陣中線路所在列中的非零元素個數。

母線故障綜合值的計算方法如式（5）所示。

式中，Xi為關聯矩陣中母線所在行中的非零元素個數，Yi為母線所在行中非零元素對應列中的其他非零元素個數，Coutj和Coutm則為非零元素對應Agent的故障測度值。

母線故障整定值如式（6）所示。

其中，n為與對應母線關聯的Agent丟包的數量，如果某Agent檢測到其他Agent信息全部丟失，可以判斷為本Agent通信端口出現故障，則取消最長待包延時，并將Tlocal提高至與Tremote相等。

3 跳閘策略

如圖3所示。

4 EPOCHS仿真

電力與通信同步仿真平臺EPOCHS將電力仿真軟件PSCAD和網絡仿真軟件NS2整合到一起，利用文件傳遞數據和命令，實現兩者的同步運行，十分適合廣域保護系統的仿真。本文利用EPOCHS搭建圖2所示輸電網絡來驗證算法的準確性，并獲取通信延時。設定Tlocal為100ms，Tremote為200ms；假設系統正常運行后0.2s發生故障，k1為線路接地，k2為母線接地。下面分別對各Agent正常工作及有限個Agent失效情況下兩種接地故障的仿真結果作分析。

4.1 各Agent與通信均正常

當線路2-5發生A相接地故障時，各Agent正常輸出，各元件輸出如表1所示。通過計算故障綜合值，線路2-5被判為確定故障線路。對于線路3-1有兩種情況，即故障點在A3的距離元件整定范圍之外或之內，對應的A3的故障測度值為0或1，線路3-1被判為正常線路或疑似線路，但由于保護范圍內存在確定故障線路，由跳閘策略可知，切除線路2-5。A5主保護在0.236s動作，A2近后備保護在0.351s動作，正確動作。endprint

當母線A發生A相接地時，各元件輸出如表2所示。母線1-2故障綜合值為-4，因此被判為確定故障，其他元件無故障。因此，A1和A2后備保護在0.351s動作，正確動作。

4.2 有限個Agent失效

對于有限個Agent失效的情況，主要考慮線路末端高阻接地時距離元件或序分量方向元件拒動，以及由于通信丟包而導致某個Agent信息未能按時送達，或者故障時某變電站路由器擁塞導致該站所有Agent對外通信中斷。下面分別進行討論：

（1）線路2-5末端高阻接地時A2距離元件拒動。

各元件輸出如表3所示。通過計算故障綜合值，比較可得，線路2-5和母線A被判為疑似故障，由跳閘策略可知，近后備延時后先跳閘線路2-5，故障在0.351s被切除，母線后備保護返回，正確動作。

（2）k1或k2接地時，A2發給A5的信息包丟失。

Agent2信息包丟失時，A5一直等到waittime結束時，才將A2的故障測度按0處理。

當k1接地時，假設A2和A5的線路主保護都拒動，各元件輸出如表4所示，A2于0.251s將線路2-5判為確定故障；A5于0.293s將線路2-5和母線A判為疑似故障，根據跳閘策略，A5將于Tlocal后跳閘。因此，A2在0.351s動作，A5在0.393s動作，正確動作。

當母線A接地時，各元件輸出如表2所示。A1和A2于0.251s將母線A判為確定故障，而A5于0.293s將線路2-5判為疑似故障線路。因此，A1和A2在0.351s動作，正確動作。

（3）k1或k2接地時，變電站A對外通信中斷。

變電站A對外通信中斷將導致A1和A2只能收到本站內Agent的信息，waittime到達后將其他站的Agent故障測度值作0處理。

k1點接地時，A5線路主保護于0.236s正常動作，各元件輸出見表1。由于變電站A對外通信中斷，A1和A2將線路2-5和母線C判為疑似故障，A2于0.391s跳閘，正確動作。

k2點接地時，各元件輸出如表2所示。A1和A2將母線A判為疑似故障，而由于A5和A3未接收到A1和A2的信息，判斷得出線路2-5、線路3-1和母線A為疑似故障。因此，A1、A2、A3和A4于0.391s左右先后動作跳閘，正確動作。

5 結語

本文提出了一種有限廣域內的分布式方向比較算法，該算法不僅能為本站母線和線路提供近后備保護，還能為相鄰變電站的母線和出線提供遠后備保護。在有限個Agent失效的情況下，該算法還具有較高的容錯性；另外，由于該算法涉及的通信范圍與通信量較小，通信包種類較少，因此，基于該算法的分布式后備保護系統容易在裝置上實現。

參考文獻

[1]蘇盛，段獻忠，曾祥君等.基于多Agent的廣域電流差動保護系統.電網技術， 2005，29（14）：15-19.

[2]楊增力，石東源，段獻忠.基于方向比較原理的廣域繼電保護系統.中國電機工程學報，2008，28（22）：87-93.

[3]張保會，周良才，汪成根等.具有容錯性能的廣域后備保護算法.電力系統自動化，2010，34（5）：66-71.

[4]尹項根，汪旸，張哲.適應智能電網的有限廣域繼電保護分區與跳閘策略.中國電機工程學報，2010，30（7）：1-7.

作者簡介

劉世丹（1987-），男，廣東省汕頭市人。工學碩士學位?，F為廣東電網電力調度控制中心助理工程師，從事繼電保護專業管理工作。

王增超（1987-），男，山東省青島市人。工學碩士學位?，F為廣東電網電力調度控制中心助理工程師，從事繼電保護專業管理工作。

梁博（1984-），男，廣東省茂名市人?，F為廣東電網電力調度控制中心工程師，從事繼電保護專業管理工作。

作者單位

廣東電網電力調度控制中心 廣東省廣州市 510600endprint

當母線A發生A相接地時，各元件輸出如表2所示。母線1-2故障綜合值為-4，因此被判為確定故障，其他元件無故障。因此，A1和A2后備保護在0.351s動作，正確動作。

4.2 有限個Agent失效

對于有限個Agent失效的情況，主要考慮線路末端高阻接地時距離元件或序分量方向元件拒動，以及由于通信丟包而導致某個Agent信息未能按時送達，或者故障時某變電站路由器擁塞導致該站所有Agent對外通信中斷。下面分別進行討論：

（1）線路2-5末端高阻接地時A2距離元件拒動。

各元件輸出如表3所示。通過計算故障綜合值，比較可得，線路2-5和母線A被判為疑似故障，由跳閘策略可知，近后備延時后先跳閘線路2-5，故障在0.351s被切除，母線后備保護返回，正確動作。

（2）k1或k2接地時，A2發給A5的信息包丟失。

Agent2信息包丟失時，A5一直等到waittime結束時，才將A2的故障測度按0處理。

當k1接地時，假設A2和A5的線路主保護都拒動，各元件輸出如表4所示，A2于0.251s將線路2-5判為確定故障；A5于0.293s將線路2-5和母線A判為疑似故障，根據跳閘策略，A5將于Tlocal后跳閘。因此，A2在0.351s動作，A5在0.393s動作，正確動作。

當母線A接地時，各元件輸出如表2所示。A1和A2于0.251s將母線A判為確定故障，而A5于0.293s將線路2-5判為疑似故障線路。因此，A1和A2在0.351s動作，正確動作。

（3）k1或k2接地時，變電站A對外通信中斷。

變電站A對外通信中斷將導致A1和A2只能收到本站內Agent的信息，waittime到達后將其他站的Agent故障測度值作0處理。

k1點接地時，A5線路主保護于0.236s正常動作，各元件輸出見表1。由于變電站A對外通信中斷，A1和A2將線路2-5和母線C判為疑似故障，A2于0.391s跳閘，正確動作。

k2點接地時，各元件輸出如表2所示。A1和A2將母線A判為疑似故障，而由于A5和A3未接收到A1和A2的信息，判斷得出線路2-5、線路3-1和母線A為疑似故障。因此，A1、A2、A3和A4于0.391s左右先后動作跳閘，正確動作。

5 結語

本文提出了一種有限廣域內的分布式方向比較算法，該算法不僅能為本站母線和線路提供近后備保護，還能為相鄰變電站的母線和出線提供遠后備保護。在有限個Agent失效的情況下，該算法還具有較高的容錯性；另外，由于該算法涉及的通信范圍與通信量較小，通信包種類較少，因此，基于該算法的分布式后備保護系統容易在裝置上實現。

參考文獻

[1]蘇盛，段獻忠，曾祥君等.基于多Agent的廣域電流差動保護系統.電網技術， 2005，29（14）：15-19.

[2]楊增力，石東源，段獻忠.基于方向比較原理的廣域繼電保護系統.中國電機工程學報，2008，28（22）：87-93.

[3]張保會，周良才，汪成根等.具有容錯性能的廣域后備保護算法.電力系統自動化，2010，34（5）：66-71.

[4]尹項根，汪旸，張哲.適應智能電網的有限廣域繼電保護分區與跳閘策略.中國電機工程學報，2010，30（7）：1-7.

作者簡介

劉世丹（1987-），男，廣東省汕頭市人。工學碩士學位?，F為廣東電網電力調度控制中心助理工程師，從事繼電保護專業管理工作。

王增超（1987-），男，山東省青島市人。工學碩士學位?，F為廣東電網電力調度控制中心助理工程師，從事繼電保護專業管理工作。

梁博（1984-），男，廣東省茂名市人?，F為廣東電網電力調度控制中心工程師，從事繼電保護專業管理工作。

作者單位

廣東電網電力調度控制中心 廣東省廣州市 510600endprint

當母線A發生A相接地時，各元件輸出如表2所示。母線1-2故障綜合值為-4，因此被判為確定故障，其他元件無故障。因此，A1和A2后備保護在0.351s動作，正確動作。

4.2 有限個Agent失效

對于有限個Agent失效的情況，主要考慮線路末端高阻接地時距離元件或序分量方向元件拒動，以及由于通信丟包而導致某個Agent信息未能按時送達，或者故障時某變電站路由器擁塞導致該站所有Agent對外通信中斷。下面分別進行討論：

（1）線路2-5末端高阻接地時A2距離元件拒動。

各元件輸出如表3所示。通過計算故障綜合值，比較可得，線路2-5和母線A被判為疑似故障，由跳閘策略可知，近后備延時后先跳閘線路2-5，故障在0.351s被切除，母線后備保護返回，正確動作。

（2）k1或k2接地時，A2發給A5的信息包丟失。

Agent2信息包丟失時，A5一直等到waittime結束時，才將A2的故障測度按0處理。

當k1接地時，假設A2和A5的線路主保護都拒動，各元件輸出如表4所示，A2于0.251s將線路2-5判為確定故障；A5于0.293s將線路2-5和母線A判為疑似故障，根據跳閘策略，A5將于Tlocal后跳閘。因此，A2在0.351s動作，A5在0.393s動作，正確動作。

當母線A接地時，各元件輸出如表2所示。A1和A2于0.251s將母線A判為確定故障，而A5于0.293s將線路2-5判為疑似故障線路。因此，A1和A2在0.351s動作，正確動作。

（3）k1或k2接地時，變電站A對外通信中斷。

變電站A對外通信中斷將導致A1和A2只能收到本站內Agent的信息，waittime到達后將其他站的Agent故障測度值作0處理。

k1點接地時，A5線路主保護于0.236s正常動作，各元件輸出見表1。由于變電站A對外通信中斷，A1和A2將線路2-5和母線C判為疑似故障，A2于0.391s跳閘，正確動作。

k2點接地時，各元件輸出如表2所示。A1和A2將母線A判為疑似故障，而由于A5和A3未接收到A1和A2的信息，判斷得出線路2-5、線路3-1和母線A為疑似故障。因此，A1、A2、A3和A4于0.391s左右先后動作跳閘，正確動作。

5 結語

本文提出了一種有限廣域內的分布式方向比較算法，該算法不僅能為本站母線和線路提供近后備保護，還能為相鄰變電站的母線和出線提供遠后備保護。在有限個Agent失效的情況下，該算法還具有較高的容錯性；另外，由于該算法涉及的通信范圍與通信量較小，通信包種類較少，因此，基于該算法的分布式后備保護系統容易在裝置上實現。

參考文獻

[1]蘇盛，段獻忠，曾祥君等.基于多Agent的廣域電流差動保護系統.電網技術， 2005，29（14）：15-19.

[2]楊增力，石東源，段獻忠.基于方向比較原理的廣域繼電保護系統.中國電機工程學報，2008，28（22）：87-93.

[3]張保會，周良才，汪成根等.具有容錯性能的廣域后備保護算法.電力系統自動化，2010，34（5）：66-71.

[4]尹項根，汪旸，張哲.適應智能電網的有限廣域繼電保護分區與跳閘策略.中國電機工程學報，2010，30（7）：1-7.

作者簡介

劉世丹（1987-），男，廣東省汕頭市人。工學碩士學位?，F為廣東電網電力調度控制中心助理工程師，從事繼電保護專業管理工作。

王增超（1987-），男，山東省青島市人。工學碩士學位?，F為廣東電網電力調度控制中心助理工程師，從事繼電保護專業管理工作。

梁博（1984-），男，廣東省茂名市人?，F為廣東電網電力調度控制中心工程師，從事繼電保護專業管理工作。

作者單位

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