基于多Agent的微電網自適應保護方案設計

張孟琛，王 寧，王美娟，崔志強

(1.國網冀北電力有限公司秦皇島供電公司,河北 秦皇島 066000；2.燕山大學河北省電力電子節能與傳動控制重點實驗室，河北 秦皇島066004；3.河北省儀器儀表工程技術研究中心，河北 承德 067000)

0 引言

微電網是解決分布式能源在電力系統大量滲透的有效途徑[1-2]。微電網主要由分布式電源(Distributed Generation，DG)、儲能裝置、負荷及監控和保護裝置組成。微電網能最大化接納可再生分布式能源，促進綠色能源的高效利用，為電網和用戶帶來收益[3-4]。然而，微電網由于潮流方向不確定、故障電流差異大、拓撲結構多樣等特點，使得基于“事先整定，實時動作”的傳統繼電保護思想很難適用于微電網保護[5-7]。目前，微電網保護方面的研究成果主要是從保護原理出發，探索能同時適應并網、孤島兩種運行模式的保護方法[8-10]。文獻[11]給出依靠高性能可通信數字繼電器實現的電流差動保護方案，不受運行模式和DG類型的影響，可有效檢測高阻接地故障，但保護系統成本很高，不適合微電網大規模安裝。文獻[12]提出一種基于圖模型的微網邊方向變化量保護算法，以降低微電網潮流和運行模式變化對保護的影響。文獻[13]提出一種應用樹形節點搜索方法在線整定保護定值的微電網自適應保護方法，能有效跟蹤微電網拓撲結構變化并實時更改保護整定值。

微電網既可并網運行又可孤島運行，微電網內的分布式電源具有即插即用、自由投退的特點，使得微電網拓撲結構靈活多變，當微電網故障時其特征表現與大電網不同。并網運行和孤島運行兩種模式的故障電流相差懸殊，而逆變器型分布式電源最多只提供約2倍額定電流的故障電流，這些因素要求微電網保護系統具備高度自治性和自適應性。因此，本文在文獻[13]的基礎上，采用Agent技術設計了一種依據運行模式在線自適應改變保護策略的微電網保護方案。該保護方案主要包括硬件架構和功能架構的設計?；谌W故障信息建立中央保護決策單元后備保護算法，設計了基于多Agent的微電網自適應保護協作機制。算例驗證表明該保護方案能有效解決不同運行模式的保護協調及主/后備保護的配合問題。

1 基于多Agent的微電網自適應保護架構

1.1 硬件架構

微電網自適應保護方案硬件架構如圖1所示。主要由2部分組成，即中央保護決策單元和本地保護測控單元[14]。中央保護決策單元通過通信網絡與本地保護測控單元相連，本地保護測控單元均為智能電子設備(Intelligent Electronic Device，IED)，包括保護IED和控制IED兩種設備。由于微網中存在多個DG，使得電流方向不確定，本文設置的微電網保護方法為在各條饋線兩端母線出口分別配置功率方向IED，正方向為母線指向線路。故障時，IED根據整定值起動判斷故障電流方向。

圖1 微電網自適應保護系統硬件架構
Fig.1 The hardware architecture of micro-grid adaptive protection system

1.2 功能架構

中央保護決策單元的功能主要有：

1)接收本地保護測控單元上傳的微電網實時信息；2)根據微電網實時運行狀態制定相應的保護策略；3)根據拓撲結構和網絡參數在線整定保護定值，適應微電網各種運行模式；4)下發最新的保護定值到本地保護測控單元；5)在線檢測是否需要啟動后備保護，并根據全微電網信息進行后備保護配置和整定；6)啟動后備保護實現快速故障定位。

本地保護測控單元的功能主要有：

1)控制IED采集本地DG輸出電壓、電流、功率和運行狀態信息；2)保護IED采集本地電壓、電流及斷路器狀態信息；3)上傳微電網實時狀態信息；4)接收中央保護決策單元下發的最新保護定值，實現本地主保護；5)接收中央保護決策單元下發的后備保護信息切除故障線路；6)完成DG的控制、孤島檢測等。

根據中央保護決策單元和本地保護測控單元的功能，設計了基于多Agent的微電網自適應保護系統，其功能框架如圖2所示。

圖2 基于多Agent的微電網自適應保護系統功能架構
Fig.2 The functional architecture of micro-gridadaptive protection system based on multi-agent

中央保護決策單元的功能主要由決策層的Agent完成，本地保護測控單元的功能主要由執行層的Agent完成。

1.3 多Agent自適應保護功能設計

1.3.1 Agent結構及功能

Agent體系結構主要有慎思型結構、反應型結構、混合型結構[15-16]。本文設計的微電網自適應保護Agent結構及功能如表1所示。

1.3.2 設計Agent

1) 保護決策Agent

微電網自適應保護方案的核心是保護決策Agent。它根據實時微電網狀態數據選擇保護方案，并將結果下發到執行層相關Agent。保護決策Agent需要具有邏輯推理能力，因此保護決策Agent選用慎思型結構，如圖3所示。

結合圖3，可將保護決策Agent表示為

<保護決策Agent>∶∶，

(1)

式中，B為當前信念(Belief)，這里指微電網內的開關狀態信息和PCC處靜態開關狀態信息，這些信息由數據管理Agent和狀態監控Agent提供；A為行為能力(Action ability)，保護決策Agent的行為能力主要有4種，即能夠選出最適合當前電網狀態的保護方案、發送該保護方案到任務管理Agent、接收任務管理Agent的反饋信息、發送執行指令到保護Agent和DG Agent；G為目標(Goal)，保護決策Agent的目標是決策保護方案；P為規劃(Plans)，這里指根據微電網運行模式選出保護方案；I為意圖(Intention)，當決策結果為主保護時，保護決策Agent啟動任務管理Agent進行保護定值在線整定；當決策結果為后備保護時，保護決策Agent啟動任務管理Agent進行故障定位。

表1 微電網自適應保護中Agent結構及功能
Tab.1 The structure and function of Agent in micro-grid adaptive protection

結構Agent功能慎思型保護決策Agent根據微電網運行狀態確定保護策略,給各Agent下發任務及協調控制信息狀態監控Agent監控微電網環境變化并反饋給相關Agent,監控系統內部各Agent,處理任務執行中出現的問題拓撲計算Agent根據微電網開關變位計算微電網拓撲整定計算Agent根據微電網拓撲結構在線計算各保護定值故障定位Agent利用故障方向信息實現故障定位反應型人機交互Agent以圖形方式動態顯示當前系統運行狀態和保護決策意見;接受調度員命令,并傳送給保護決策Agent數據管理Agent處理保護Agent、DG Agent上傳的微電網實時狀態數據,并轉發給人機交互Agent通信服務Agent保障各Agent之間的通信狀態管理AgentIED采集的線路電壓、電流信息及DG的運行狀態、開關信息的管理定值管理Agent保護定值的接收及更新孤島檢測Agent檢測DG是否需要孤島運行執行Agent執行保護Agent或DG Agent的開斷命令混合型任務管理Agent拓撲計算Agent、故障定位Agent和整定計算Agent的管理協調保護Agent狀態管理Agent、定值管理Agent和執行Agent的 管理協調DG Agent孤島檢測Agent、狀態管理Agent和執行Agent的管理協調

圖3 保護決策Agent結構圖
Fig.3 Protection decision-making Agent structure

2) 執行Agent

保護Agent或DG Agent的反饋信息由執行Agent接收，按預定順序操作斷路器。其特點是推理簡單。因此，采用反應型Agent設計執行Agent，其結構如圖4所示。

同樣，根據執行Agent的結構圖，結合反應型Agent的一般形式化描述，可將執行Agent表示為

<執行Agent>∶∶，

(2)

式中，S為狀態(State)，表示保護Agent或DG Agent對斷路器開斷或DG運行與否的判斷結果；R為條件—動作規則(Rule)，只要滿足條件，執行Agent就相應動作。

圖4 執行Agent結構圖
Fig.4 Structure of execution Agent

對于其他Agent，設計思路與保護決策Agent和執行Agent類似，不再贅述。

2 自適應保護方法

2.1 主保護的自適應整定方法

為了實現對各保護裝置動作值的自適應整定，首先建立微電網樹形節點搜索，通過建立IED節點結構體和搜索函數，在IED保護范圍內找到提供故障電流的DG，及時有效地跟蹤微電網運行方式及網絡拓撲結構。在完成搜索后，將搜索結果作為每個線路IED動作值的整定依據。因微電網內線路長度較短，其阻抗較小，故在線路發生故障時，故障點處的故障電流由DG提供，并網運行時還應加上公共電網提供的故障電流。具體方法詳見文獻[13]。

2.2 基于全網故障信息的后備保護方法

本系統利用微電網全局故障信息建立后備保護，實現故障定位，避免了依靠延時實現后備保護帶來的主、后備保護配合難的問題。

1) 故障線路辨識

在故障發生后，需要先辨識故障所在線路。電流正方向定義為母線流向IED方向，搜索與母線根節點(即B1)直接相連且電流方向為正的保護IED，若有，則該IED所在線路為故障線路。

2) 故障區段定位

步驟一：辨識出故障線路后，對故障線路內的保護IED依次進行編號。構建有向網絡拓撲矩陣D，用來反映網絡中節點的關聯性。設故障線路內有n個保護IED節點，則D為n×n方陣。電流正方向定義為PCC點流向支路末端。D陣的對角線元素定義為1，非對角元素定義如下：

(3)

步驟二：構建故障矩陣F，用來反映保護IED處是否檢測到故障電流。F為1×n的行向量，F中的元素定義如下：

(4)

步驟三：構建故障判斷矩陣P，為1×n的行向量。P中元素根據故障矩陣和有向網絡拓撲矩陣D確定。

a) 若f1=1，在D中查找非對角元素dij(i≠j)，如果存在dij=1且fj=1，則pi=0，否則pi=1；

b) 若fi=-1，在D中第i列查找是否存在唯一非對角元素dij=1，若存在，則當fj=-1或D中第j行存在djm=1且fm=1(m≠j)時，pi=0，否則pi=-1；

c)P中元素存在pi=1，pj=-1，則表示故障發生在以節點i為始端、節點j為末端的線路上。

3 基于多Agent的微電網自適應保護的協作機制

3.1 線路主保護協作機制

微電網自適應保護系統的中央保護決策單元收集本地保護測控單元的保護IED和控制IED采集的微電網實時狀態數據，并根據當前運行狀態選擇保護方案，在線整定和更新保護定值。線路主保護協作機制如圖5所示。

圖5 線路主保護協作機制
Fig.5 Cooperation mechanism of line primary protection

決策層的保護決策Agent與數據管理Agent、任務管理Agent、保護Agent均通過通信服務Agent交換數據。

保護決策Agent向數據管理Agent發送查詢指令(圖5中①)，數據管理Agent收到查詢指令后，將微電網基礎狀態信息數據(圖5中②)反饋給保護決策Agent。

保護決策Agent根據反饋的微電網實時數據制定保護策略，向任務管理Agent發送激活指令(圖5中③)。任務管理Agent收到激活指令后啟動拓撲計算Agent和整定計算Agent。

保護決策Agent接收計算結果(圖5中④)后，向各保護Agent發送定值(圖5中⑤)。

定值管理Agent負責接收和保存保護Agent下發的定值。

3.2 線路后備保護協作機制

后備保護也要求具有較高的可靠性和快速性。微電網自適應保護系統的中央保護決策單元首先獲取保護區域內的故障方向信息并進行故障線路辨識，然后利用故障定位算法進行故障定位。具體的協作機制如圖6所示。

圖6 線路后備保護協作機制
Fig.6 Cooperation mechanism of line backup protection

決策層的各Agent均通過通信服務Agent交換數據。

狀態監控Agent檢測到微電網故障未切除，狀態監控Agent向保護決策Agent發送激活指令(圖6中①)。

保護決策Agent向數據管理Agent發送查詢指令(圖6中②)，數據管理Agent收到查詢指令后，將保護區域內故障方向信息(圖6中③)反饋給保護決策Agent。

根據反饋的故障方向信息保護決策Agent向任務管理Agent發送激活指令(圖6中④)。任務管理Agent收到激活指令后啟動拓撲計算Agent和故障定位計算Agent。

保護決策Agent接收計算結果(圖6中⑤)后，向各保護 Agent發送故障定位結果(圖6中⑥)，保護 Agent再下發到執行Agent中，由執行Agent操作保護IED切除故障。

4 仿真算例分析

針對微電網并網及孤島不同運行狀態，對本文提出的微電網自適應保護方法進行仿真。在MATLAB/Simulink環境下對圖1所示的微電網進行建模，模型中設置配電網容量為1 200 kVA，經過10 kV/380 V降壓變壓器向用戶端送電，微電網線路電壓380 V，線路阻抗0.08+j0.15 Ω。負荷1～3分別為52 kW、40 kW和75 kW。微網內DG全部采用逆變器型電源，額定容量均為52 kW?？紤]到微電網通信實時性及保護裝置動作性能，取微電網能夠承受的最大短路時間為800 ms。

4.1 保護算法驗證

以圖1微電網拓撲結構為例，驗證基于全網故障信息的故障定位算法。設微電網并網運行0.1～0.5 s時，負荷2處發生單相接地故障。取各IED故障電流基波幅值及相角與整定值進行判別，整定值及判別結果如表2所示。

表2 微電網單相接地故障電流結果
Tab.2 Results of fault current in the case foroccurring the single-phase ground fault at MG

保護裝置故障電流方向角/(°)電流整定值/A故障時電流/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

從上述仿真結果可以看出微電網并網運行發生故障時，流向故障點處的故障電流值很大，足以使保護裝置啟動。

基于全網故障信息的故障定位方法的具體實施過程如下：

1) 故障線路辨識

故障發生后，根據保護IED1.2、保護IED1.3、保護IED1.4檢測到電流信息，可得到故障發生在線路C。

2) 故障區段定位

線路C上共有8個開關，編號如圖1中所示。建立8行8列的有向網絡拓撲矩陣D和1行8列的故障矩陣F，

(5)

(6)

然后根據網絡拓撲矩陣D和故障矩陣F求得故障判斷矩陣P，

(7)

最后可判斷出故障發生在3號開關與4號開關之間，與假設故障相符，算法正確。

4.2 基于多Agent的微電網自適應保護協作機制驗證

以圖1為例，驗證基于多Agent的微電網自適應保護的工作流程。假設微電網運行在并網模式，F1處發生單相接地短路故障，基于多Agent的微電網自適應保護具體工作流程如下：

1) 故障發生前，微電網自適應保護根據IED-CB0上傳信息檢測到微電網運行在并網模式，按文獻[13]中基于路徑搜索的自適應整定方法，實現保護定值在線更新，保護決策Agent將電流整定值下發至各保護Agent。Agent具體協作機制如3.1節所述。

2) 保護決策Agent將故障發生在F1處的信息通過通信管理Agent發送給狀態管理Agent，并啟動保護。保護Agent同時收集電流整定值、實時測量電流值和故障方向角，進行故障判別。保護Agent4.5、保護Agent5.4感受到本區故障，同時將故障判別結果發送至對方，由執行Agent控制相關IED同時跳開斷路器CB4.5、CB5.4，切除故障。具體協作流程見圖7。

3) 若微電網自適應保護中狀態監控Agent感知故障未切除，則由后備保護系統根據全網故障信息后備保護算法將定位結果下放至各保護Agent。具體協作機制如3.2節所述。

5 結論

針對微電網的保護特點，提出一種基于多Agent的微電網故障信息集中決策的自適應保護方案。建立的后備保護算法能有效實現故障線路辨識和故障定位。設計的微電網自適應主保護和后備保護協作機制能解決主保護、后備保護的配合問題。該保護方案可根據不同的微電網運行模式動態在線制定保護策略，合理解決并網、孤島模式的保護協調問題,具有自適應性特點。

圖7 并網模式下主保護執行協作流程
Fig.7 The primary protection executingcooperation process in grid-connected mode