基于多智能體系統(tǒng)一致性的智能電網(wǎng)自愈控制研究

陳康

（南京乾佳科技有限公司，江蘇 南京 210019）

智能電網(wǎng)中包含了大量的電氣設(shè)備，并且由于采用分布式連接，日常的電網(wǎng)維護(hù)壓力較大。這種情況下很容易因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)不到位、檢查不細(xì)致，導(dǎo)致潛在的故障沒(méi)有得到及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重故障，造成電網(wǎng)局部停運(yùn)?；诙嘀悄荏w系統(tǒng)的自愈控制，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行智能電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，在故障發(fā)生初期識(shí)別故障并作出決策，自動(dòng)完成故障處理，從而不影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

1 基于多智能體一致性的智能電網(wǎng)自愈控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)模塊連接方式

基于多智能體一致性的智能電網(wǎng)自愈控制系統(tǒng)，共有3個(gè)模塊，分別是決策模塊、協(xié)調(diào)模塊和反應(yīng)模塊，其模塊關(guān)系如圖1 所示。

圖1 智能電網(wǎng)自愈控制系統(tǒng)

1.2 決策模塊

該模塊是整個(gè)自愈控制系統(tǒng)的最高層，操作流程有兩個(gè)步驟：

首先進(jìn)行自愈控制。根據(jù)下一級(jí)協(xié)調(diào)模塊提供的故障信息，進(jìn)行故障分類、分級(jí)，包括確定故障類型、判斷故障危重程度。如果同時(shí)出現(xiàn)兩種及以上的故障，可通過(guò)故障分級(jí)確定優(yōu)先級(jí)，讓更加嚴(yán)重的故障得到優(yōu)先處理。根據(jù)故障分析結(jié)果，生成自愈控制指令，實(shí)現(xiàn)自愈效果。

其次進(jìn)行快速仿真。快速仿真環(huán)節(jié)能夠保證自愈控制指令的有效性，在虛擬環(huán)境下判斷該指令后，判斷能否實(shí)現(xiàn)故障的處理和自愈，待仿真結(jié)果顯示達(dá)到自愈目標(biāo)后，再將指令應(yīng)用于實(shí)際。

1.3 協(xié)調(diào)模塊

位于自愈控制系統(tǒng)中間層的協(xié)調(diào)模塊，發(fā)揮了“上傳下達(dá)”的作用，具體操作流程為：首先，對(duì)于下一級(jí)反應(yīng)模塊采集并上傳的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步篩選，將正常的數(shù)據(jù)過(guò)濾掉，只保留與智能電網(wǎng)運(yùn)行故障有關(guān)的數(shù)據(jù)，可以降低數(shù)據(jù)處理和信息分析的壓力，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度；

其次，對(duì)上一級(jí)決策模塊發(fā)送的指令，準(zhǔn)確分配至智能電網(wǎng)發(fā)生故障的區(qū)域，保證故障問(wèn)題得到有效解決，實(shí)現(xiàn)自愈。結(jié)合圖2 可知，協(xié)調(diào)模塊的具體功能包括狀態(tài)評(píng)估、故障診斷、優(yōu)化控制、預(yù)防補(bǔ)補(bǔ)償?shù)葞追N。現(xiàn)以狀態(tài)評(píng)估和緊急控制為例展開(kāi)簡(jiǎn)要介紹。

圖2 智能電網(wǎng)自愈控制系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估流程

1.3.1 狀態(tài)評(píng)估指令。

其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

根據(jù)反應(yīng)模塊提供的電網(wǎng)測(cè)控信息，對(duì)照智能電網(wǎng)的特征信息，對(duì)比關(guān)鍵指標(biāo)的一致性；

如果關(guān)鍵指標(biāo)的特征值（標(biāo)準(zhǔn)值）與實(shí)測(cè)值之間差異顯著，說(shuō)明存在異常運(yùn)行狀態(tài)；

將所有篩選出來(lái)的關(guān)鍵指標(biāo)逐一進(jìn)行對(duì)比，并做歸一化處理；把計(jì)算結(jié)果輸入到運(yùn)算推理數(shù)學(xué)模型中，對(duì)智能電網(wǎng)的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)；

最終評(píng)價(jià)結(jié)果由通訊模塊上傳到?jīng)Q策模塊。然后決策模塊根據(jù)電網(wǎng)當(dāng)前狀態(tài)，決定采取優(yōu)化控制、恢復(fù)控制或緊急控制等策略。狀態(tài)評(píng)估流程如圖2所示。

1.3.2 緊急控制指令。根據(jù)狀態(tài)評(píng)估結(jié)果，若當(dāng)前智能電網(wǎng)發(fā)生故障，并且故障狀態(tài)下的實(shí)時(shí)參數(shù)已經(jīng)超出了約束范圍，這種情況下必須采取緊急控制，將故障區(qū)域或故障設(shè)備從電網(wǎng)中切除，避免引起更大范圍的連鎖反應(yīng)。緊急控制的實(shí)現(xiàn)方式如下：參考狀態(tài)評(píng)估結(jié)果，了解當(dāng)前智能電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)；進(jìn)行故障嚴(yán)重程度判斷，若超出約束條件，則激活緊急控制程序，自動(dòng)下達(dá)切機(jī)、切負(fù)荷等指令；判斷故障部位是否從電網(wǎng)中切除。若未成功切除，則重復(fù)上述切除步驟，直到判斷切除成功。緊急控制流程如圖3 所示。

圖3 智能電網(wǎng)自愈控制系統(tǒng)的緊急控制流程

1.4 反應(yīng)模塊

作為整個(gè)自愈控制系統(tǒng)的最底層，該部分的操作方式是：利用前端的傳感監(jiān)測(cè)裝置和無(wú)線通信設(shè)備，在獲取智能電網(wǎng)各部分實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的基礎(chǔ)上，將其反饋給調(diào)度中心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

由于智能電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行中產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)，為節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存，然后按照特定頻率以數(shù)據(jù)包的形式，將數(shù)據(jù)信息上傳到上一級(jí)的協(xié)調(diào)模塊；

采集、上傳信息后，反應(yīng)模塊還會(huì)接收上級(jí)發(fā)送的各類控制指令，并作出相應(yīng)的動(dòng)作。例如控制中心發(fā)送隔離指令后，位于反應(yīng)模塊的隔離器動(dòng)作，自動(dòng)將發(fā)生故障的電氣設(shè)備從電網(wǎng)中切除，避免產(chǎn)生連鎖反應(yīng)造成故障影響范圍的擴(kuò)大化。

2 基于多智能體一致性的智能電網(wǎng)自愈方法

2.1 電網(wǎng)故障自愈的基本要求

故障自愈不僅要將已經(jīng)發(fā)生的電網(wǎng)故障順利解決，保證智能電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，而且還要通過(guò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)整，將失電區(qū)域的負(fù)荷容量均攤到正常運(yùn)行的饋線上，并且保證電網(wǎng)不會(huì)出現(xiàn)超負(fù)荷情況，防止引發(fā)二次故障?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，智能電網(wǎng)自愈控制應(yīng)滿足以下基本要求：（1）提高響應(yīng)及時(shí)性和控制有效性，保證非故障區(qū)域不受影響；（2）各類開(kāi)關(guān)的動(dòng)作次數(shù)不宜過(guò)多。開(kāi)關(guān)的動(dòng)作次數(shù)與壽命直接掛鉤，如果自愈控制中頻繁開(kāi)斷，會(huì)嚴(yán)重縮短開(kāi)關(guān)設(shè)備的壽命；（3）分?jǐn)傌?fù)荷容量時(shí)，要考慮智能電網(wǎng)不同區(qū)域的最大用電負(fù)荷；（4）盡量減少對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的更改。

2.2 智能電網(wǎng)自愈方法

2.2.1 連通性判斷在故障區(qū)域或設(shè)備被切除以后，由于此部分出現(xiàn)斷路，周邊的電氣設(shè)備也有可能受到影響進(jìn)而形成“孤島”。連通性判斷就是在準(zhǔn)備切除故障時(shí)，預(yù)測(cè)切除故障以后局部電網(wǎng)能否正常運(yùn)行。若連通性差，則重新優(yōu)化切除方案，提高自愈控制的實(shí)用性。假設(shè)有一個(gè)鄰接矩陣A，內(nèi)部包含了n 個(gè)元素，通過(guò)計(jì)算連通性矩陣判斷故障區(qū)域和非故障區(qū)域之間的連通性，具體方法如下：

（1）在現(xiàn)有鄰接矩陣A 的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)新的矩陣P，使P=A。

（2）對(duì)矩陣P 做初始化處理，使j=1。

（3）對(duì)所有的i，如果存在P（i,j）=1，則對(duì)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，則返回步驟（3），重復(fù)上述步驟，直到j(luò)＞n，停止。

收集所有j＞n 的值，即表示能夠正常連通，反之則表示無(wú)法正常連通。

2.2.2 故障節(jié)點(diǎn)標(biāo)記

對(duì)于智能電網(wǎng)中因?yàn)榘l(fā)生故障而失電的區(qū)域、設(shè)備，可通過(guò)重新閉合線路恢復(fù)供電。但是為保證恢復(fù)供電后的電網(wǎng)不存在超負(fù)荷等問(wèn)題，還應(yīng)做好網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)布局和負(fù)荷功率調(diào)整等工作。故障節(jié)點(diǎn)標(biāo)記的作用是在確定故障區(qū)域或故障設(shè)備后，在就近的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上，分別做相應(yīng)的標(biāo)記。按照電流的方向，在電流的流入方向上，將最接近故障區(qū)域的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為1；在電流的留出方向上，將最接近故障區(qū)域的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為2。注意故障節(jié)點(diǎn)標(biāo)記遵循就近原則并且不得重復(fù)。在故障節(jié)點(diǎn)1 和2 中間，即為滿足自愈控制的最小切除范圍。將該范圍內(nèi)的電力設(shè)備及線纜切除，既能夠保證智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)故障自愈，又可以最大程度上降低對(duì)智能電網(wǎng)運(yùn)行的影響。

3 基于多智能體一致性的智能電網(wǎng)自愈仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

上文介紹了基于多智能體的自愈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和功能實(shí)現(xiàn)方式。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)能否將電網(wǎng)常見(jiàn)故障做到妥善處理，在仿真環(huán)境下開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)進(jìn)行證實(shí)。使用Matlab 軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。在仿真環(huán)境下構(gòu)建了一個(gè)由10臺(tái)發(fā)電機(jī)、50 個(gè)節(jié)點(diǎn)、44 條線路組成的380kV 電網(wǎng)。設(shè)定基準(zhǔn)電壓為380kV，基準(zhǔn)功率為110MVA。進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：模擬電力系統(tǒng)三相接地短路故障，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)剩余≥10%的備用容量。利用基于多智能體系統(tǒng)一致性的自愈控制系統(tǒng)，對(duì)發(fā)生短路故障的電力系統(tǒng)進(jìn)行故障自愈。選擇發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速作為判斷指標(biāo)。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以發(fā)生三相接地短路故障的時(shí)間點(diǎn)作為起始點(diǎn)，記錄在故障發(fā)生10s 內(nèi)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，如圖4 所示。

圖4 故障狀態(tài)下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化情況

結(jié)合圖4 可知，在電網(wǎng)發(fā)生接地故障后，10 臺(tái)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)生了明顯波動(dòng)。發(fā)電機(jī)出現(xiàn)暫態(tài)運(yùn)行失穩(wěn)后，除了影響自身的輸出功率外，還會(huì)因?yàn)殡妷旱拿黠@波動(dòng)，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的安全性造成沖擊影響，電網(wǎng)面臨崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。

重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，但是在故障發(fā)生1s 后，接入了基于多智能體系統(tǒng)一致性的自愈控制系統(tǒng)，并記錄從接入之后9s 內(nèi)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化數(shù)據(jù)。將所得數(shù)據(jù)繪制成圖，得到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在不同時(shí)間內(nèi)的變化圖，如圖5 所示。

圖5 故障狀態(tài)下接入自愈控制系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化

結(jié)合圖5 可知，在短路故障發(fā)生后，10 臺(tái)發(fā)電機(jī)也出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速波動(dòng)、暫態(tài)失穩(wěn)的情況。而1s 時(shí)接入了自愈控制系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速穩(wěn)定下來(lái)，從第5s 開(kāi)始，10 臺(tái)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持一致并趨于平穩(wěn)，說(shuō)明三相接地短路故障已經(jīng)得到自愈。

結(jié)束語(yǔ)

在智能電網(wǎng)覆蓋范圍逐步擴(kuò)大的背景下，如何保障智能電網(wǎng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，成為電力公司關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。根據(jù)智能電網(wǎng)的規(guī)模，選擇若干個(gè)多智能體，按照一致性算法將其組合成為完整的故障檢測(cè)和控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)智能電網(wǎng)運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)故障問(wèn)題作出準(zhǔn)確判斷和分級(jí)分類，然后下達(dá)相應(yīng)的指令，切除故障或解決問(wèn)題，在不需要人工干預(yù)的情況下，實(shí)現(xiàn)了自愈。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該自愈控制系統(tǒng)能夠有效解決常規(guī)的故障，為智能電網(wǎng)運(yùn)維管理提供了幫助。