孙 辉,刘前进

(华南理工大学电力学院,广州 510640)

随着改革的深入电力产业将重组成为一个竞争越来越激烈的产业,许多电力公司将在配电系统中安装大量的分布式发电机(DGs)。对用户来说,DGs能够提供灵活的和高质量的电能;对系统方而言,DGs能够帮助维护系统的稳定性,减少输电和配电的损耗,但是在配电系统中,由于大量的DGs的接入,配电计划和控制会更加复杂。因此,有必要设计一个新的保护和控制方案,该方案在大量DGs的情况下仍能满足可靠的电力系统运行。

在信息技术改善的前提下,多代理系统MAS(multi-agent system)可以为电力系统运行提供一个新的解决方案。MAS是一个计算系统,该系统中代理执行独立的动作,它们相互协作共同完成周围环境中的事件任务。在电力系统中,MAS可以应用于配电网的保护和控制。本文基于多代理技术提出了一个用于配电系统保护和控制方案,并且通过大量的仿真研究表明本文提出的保护方案,在各种不同的条件下,能够提供一个快速的继电反应和高精度的故障定位。

1 多代理在电力系统中的应用

电力系统应该拥有可靠的的通信设施,这样可以在原有的设备上部署新的功能(例如设备控制,监控需求等),在这种情况下,多代理的实施也将会实现一些新的功能。

在本文中,代理指的是计算机程序,它具有交互性,自动性,有能力与整个网络通信,基于多代理技术的配电系统如图1所示。各种代理通过一个通信网络连接在一起。将多代理技术应用到电力系统中,可以实现一些新的功能。

图1 基于多代理技术的配电系统Fig.1 Distribution system withmu lti-agent system

1)控制

文献[1]提出了基于多代理的自动发电控制AGC(automatic generation control)方案,用于被隔离的电力系统。

该方案中三类代理相互通信:监控代理通过计算机网络分发必要的信息;控制代理用于控制能量电容器系统ECS(energy capacitor system);管理代理用于协调ECS之间的行为。实验结果表明,相对于传统的基于IP控制的发电方案,它具有很大的优越性。

在多带理的控制下,具有大量DGs的配电网能够可靠的运行[2],同时在DG处的监控代理和管理代理,从变电站的代理处搜集电网潮流信息。位于DGs处的控制代理能够利用广域信息和关于它们的负荷馈线的本地信息。在这种情况下,可以控制DG的输出以减少整个配电系统的负荷波动[2],该文使用了一个简单的配电系统模型进行数字仿真,结果显示出,控制DG运行不仅能够补偿他们自己的负荷波动,而且能够补偿其他没有DG的母线处的负荷波动,使配电系统处于一个良好的运行状态。

基于多代理的DG控制能够提高被隔离的配电系统的可靠性[3]。同时所有DGs的容量应该足够大,使配电系统能够连续地运行,即使由于永久性的故障,从输电系统中被隔离之后,配电系统仍然能够运行。

在这种情况下,当隔离的配电系统运行方式改变进入到最小运行方式时,系统频率可能会发生短暂的波动。一些研究工作表明,当DG配备有多代理控制方案时,通过代理交换信息(如潮流从一个DG转移到相邻的DGs),能够减小频率波动。

2)电网重组

文献[4]提出多代理方案用于电力系统重组,该方案由许多母线代理BAG(bus agents)和一个服务代理FAG(facilitator agent)组成。在一个故障发生后,BAG通过与它邻近的BAG交互,决定非最优目标的配置,同时FAG充当一个管理者帮助重组决策过程。

网络模型的仿真试验表明,该方案仅仅使用本地信息能够决定目标配置和开关动作顺序,从而进行最优的电网重组。

3)保护

保护系统可以看作是位于电力系统各种位置的协调保护设备的总和。随着信息和通讯技术的发展,作为分布式人工智能的代理技术已经被介绍到输电系统的保护系统中。例如,基于多代理的距离继电器[6]和电流差动继电器[7]已经应用于输电系统。另外基于多代理的电流差动继电器可以提供一些额外的特点,例如设备故障探测,具有通过信息网络传递跳闸命令的能力,也具有从电力系统的任何点搜集数据的性能[8]。

基于多代理的保护方案能够应用于配电系统[9],当许多DGs接入和切断时,电力系统阻抗和电力潮流将会发生改变。在这种情况下,根据系统结构的改变,过电流继电器的时间设置和协作规则必须做相应的调整。

传统的保护方案很难调整,很有可能降低电网的可靠性和电能质量,故障通常会引起很宽的频带谐波,它不同于正常负荷情况下的谐波和开关变换时的冲击能量。同时如果一条线路是故障线路,则故障谐波能量方向将流入它的两端。该特点被开发成电流差动继电器,继电器作为代理相互协作,定位故障区域。

2 基于多代理(MAS)的保护方案

考虑到配电网的复杂结构和设备的数量巨大,配电系统的保护方案应当简单化。因此,提出一种新的基于多代理保护方案,用于接入大量DGs的配电系统,它的主要特点是简化了信息的利用。

2.1 基于多代理的保护方案

本文提出的基于多代理保护方案,用图2来解释。两条馈线连接到变电站(S/S)。在配电系统中接入大量的DGs,DGs能够提供可靠的和连续的电能。因此,当配电系统发生故障时,故障区域的断开应当尽可能多地加以限制,以避免DGs的断开。在这种情况下,通过区域形成断路器(B1-2和B2-3),接入大量DGs的配电系统将划分为多个不用的区域。在图2中,一条馈线所经历的配电区域划分为3个区域属于馈线A属于馈线B。

因为使用区域形成断路器将各个区域相互连接,当一个故障发生时,通过跳开相应的区域断路器将故障区域断开。例如,当一个故障发生在Z2区域时,用于断开Z2的必要条件如下:

(1)连接区域Z2(该区域Z2的邻近区域为Z1和Z3)的区域断路器B1-2和B2-3的电流,以及该区域的DGs处断路器的电流都将流向区域Z2;

(2)在(1)中的电流,其中至少有一个电流幅值应将超过某一个极限值(Ith)。

需要(1)表明Z2区域外面没有任何故障,需要(2)表明,当在Z2区域的负荷需求被Z1和Z3区域的DG满足时,在正常情况下B1-2和B2-3处的电流也将流向Z2区域。因此,由于(2)的约束,便保证了在断路器处的继电器能够辨别Z2是否发生故障。

图2 分区的环状配电系统Fig.2 Ring distribution system divided into p rotection zones

对于所有的断路器来说,为了知道在其他断路器处的电流方向和幅值,它们必须相互交换一些信息。为了实现在断路器处的信息交换,本文设计了三种类型的代理:监测代理(aonitoring agent),通信代理(communication agent),继电器代理(relay agent)。它们部署在每一个断路器处。在本文提出的保护方案中,最重要的特点是用一个简单化的方式进行信息交换。如简化的二进制状态信号(0/1)在一个有限的区域内交换。

监测代理:观察电流的流动方向。当一个故障发生在配电系统的某个地方时,电流流动的状态,方向和幅值将会突然改变。位于故障点附近的监测代理,通过使用方向继电器和过电流继电器,将产生和提供2类信号。其中一类信号电流的幅值是否超过某一给定值(),而不需要提供幅值本身的大小,另一类信号是电流的方向。这两类信号都是以二进制信号表示(0/1),在产生时不包括时间的信息。这些信号仅仅表明了一个事实,电流流动的状态是变化的。

通信代理:搜集一些信号,该信号来自于位于其他的断路器处代理,这些代理必须是连接同一区域的。

继电器代理:将所有的被搜集的状态信号和本地信号应用在一个逻辑电路中,如果它自身断路器应当跳闸,则它将发出一个跳闸信号用于它自身的断路器。

2.2 网络信息的利用

图3表明了二进制状态信号的产生以及网络信息被断路器Z12处的继电器利用,当故障发生在Z2区域时,在区域形成断路器B1-2处的通信代理接受由BDG1、BDG2、B2-3和BS-1处的通信代理发出的信息。相同的方式,在B1-2处的继电器代理利用从BS-1处发出的信号和它自己的信号,用于探测在Z1区域处的故障。

使用简化的二进制状态信号的一个优点是不需要数据传输的同步进行。通常,在保护系统中,普遍使用的差动继电器保护方案中,数据同步是非常重要的。由于数据同步的目的,传输的数据必须贴上实时标签。所有的信号是同步的,具有来自全球定位系统GPS(global positioning system)接收器的时钟脉冲[11]。但是,在本文的保护方案中,二进制状态信号不需要包含时间的信息,当它被创造时,尽管有时候由于网络阻塞,二进制信号在不同的地点不能被同时利用,但本文提出的保护方案仍能正常工作。

本文提出方案的第二个优点是DGs的容量和配电系统结构可以灵活地改变。在保护方案中,也将采用变电站代理,它给在断路器处的通信代理提供关于区域数量信息,以至断路器处的代理能够知道相关的区域。当一个新的DG接入配电系统时,将给它的通信代理分配(通过变电站代理)一个区域数字。这样,其他的代理将知道在同一个区域中有一个新的单元,并且搜集关于它的信号。在这个过程中,将交换关于电流幅值是否超过极限值(I th)的信息,同时对于一个新接入的DG来说,不要求它进行传统的协作。

图3 继电器B1-2处的信息网络Fig.3 In formation netw ork for relay at B1-2

2.3 产生二进制状态信号的程序设计

在本文提出的方案中,当其中一个继电器代理通过探测故障跳开它自己的断路器,其他的继电器代理可能失去二进制信号用于探测故障,将可能导致误动。

为了避免误动,每个继电器应该拥有查看逻辑电路输出信号的能力,仅当跳闸信号的激活状态持续到一段时间时,继电器代理将提供一个跳闸信号。这个时间本文设定为34 m s,相当于2个周期,一旦跳闸信号被锁定,在同一地点的检测代理不能临时改变它自己的状态值,即使其他断路器的跳闸使故障电流的幅值减小。

由于信号具有锁定功能,在其它断路器处的通信代理,即使很晚才接受断路器跳闸的信号,它仍旧能利用适当的信息用于跳闸它自己的断路器。

因为在正常状况下的零序电流可以忽略不计,在故障状态下将会产生一定量的零序电流,所以可以通过观察零序电流来探测接地故障。同时在程序设计中,故障电流的极限值(I th)的确定也是一件重要的事,该极限值最好能适用于所有的运行方式。在短路情况下,过电流的极限值也应该综合考虑多方面的因素,比如负荷的变动、DG的增加所引起的频率的改变等。

当配电系统划分成几个保护区域时,继电器不必考虑在远处点的故障。另外,二进制状态信号仅在有限的区域中交换,即连接于同一区域的继电器代理之间。通过感知电流突然改变,继电器代理能够自动确定过电流信号,同时减轻与远处继电器的协作。这个特点可以很好的应用在配电结构的各种条件,并且DG运行不需要继电器之间的协作。

在本文中,区域继电器的过电流的极限值设置成正常状况电流的200%～1000%。在正常情况下的最大负荷时,并且系统没有接入DG,此时的电流可以相应于最大值,被监测代理记录。在DG处的断路器的极限值,也设置成DG额定电流的200%～1000%。

3 数字仿真

3.1 配电系统仿真模型

本节通过使用PSCAD/EM TDC进行数字仿真,来验证本文提出的保护方案。如图4显示了本文研究所使用的配电系统模型。

该模型由两条6.6 kV的馈线组成。他们相互连接在一起,在系统的末端,组成一个环状结构。275 kV输电系统作为电压源,6.6 kV配电系统不接地。

在该模型中,变压器靠近配电系统一侧接10 k的电阻,该电阻相当于变压器第三绕组的阻抗,用于探测故障时的零序电压。配电系统被划分为6个区域Z1～Z6,系统负载总容量是3500 kVA,负荷因素占90%,DGs连接于Z1、Z3、Z4、Z6,以及它们自己的负荷。假设所有的DGs是同步发电机,通过变压器(T r)接于配电系统中。

线路参数如下。

电压为6.6 kV;R=0.313(mΩ/m);长度为1 km(断路器到母线距离);L=1.0μH/m;C=0.012 nF/m。

负荷参数如下:

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

图4 配电系统仿真模型Fig.4 Simu lationmodel of distribution system

假设具有不同DG容量接入的3种案例:案例A、案例B和案例C。

案例A中DG1、DG3、DG4、DG6的容量都为200 kW;

案例B中DG1、DG3、DG4、DG6的容量都为600 kW;

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

3.2 仿真结果

3.2.1 接地短路故障

本文将测试在每一个区域(Z1～Z6)的各种不同类型的接地故障:接地故障(1LG)、两相接地短路(2LL)和三相接地短路(3LL)。

压器(Tr)在配电系统中没有接地,所以在故障时DGs处的零序电流忽略不计。因此连接于Z6的继电器代理能够通过感知零序电流的出现,发出跳闸命令,将Z6区域断开。

假设代理之间接受信号有一定的延迟,如下所示:

(1)区域形成断路器与DG断路器之间的延迟设置为25 ms;

(2)区域形成断路器与区域形成断路器之间的延迟设置为40 m s。

基于上面的假设进行数字仿真,大量的仿真结果表明,继电器代理能够成功的断开故障区域。同时还仿真了在不同的接地故障类型下和不同的DGs容量下,各个继电器代理均能正确动作。

3.2.2 相间短路故障

由于发生相间短路故障时,没有零序电流的出现,因此采用线路的过电流来探测相间短路故障的位置,过电流极限值的设置也成为隔离故障的关键。本文的保护方案中,线路过电流的极限值设置成额定电流值200%～1000%。

仿真测试了各个区域在各种相间短路故障情况下的动作情况,表1概括了断路器代理断开故障区域的情况,符号的含义为:S为故障区域能够被成功的断开;X为在故障区域断开之后,非故障区域也断开;I th为预设的极限值。

表2是相应于表1的各种情况的灵敏系数k sen,其中

式中:Ik,B为保护范围内故障参数的计算值;I″act,2为保护装置的动作参数,这里为过电流的极限值。

由表1和表2可知:

当Ith设置为正常电流的1000%时,也能够成功的断开故障区域,非故障区域没有断开,此时的灵敏系数绝大部分能满足保护的灵敏度要求。

表1 成功或者失败的断开故障区域情况Tab.1 Success or failure for distribution fault zone

表2 各种极限值情况下的灵敏系数Tab.2 Sensitivity coefficient for each kind of lim it value

4 结语

本文首先提出保护系统的概念,选择二进制状态信号用于该保护方案中,然后使用PSCAD/EM TDC数字仿真,在建模时信息之间的交换当作是给定的条件,在实际的状况下,它必须要用多代理系统实现,多代理编程作为进一步的工作。大量的仿真表明,该保护方案在各种条件下,能够实现快速的继电反应和快速的切除故障。

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