運用MAS的配電網保護和控制*

孫 輝,劉前進

(華南理工大學電力學院,廣州 510640)

隨著改革的深入電力產業將重組成為一個競爭越來越激烈的產業,許多電力公司將在配電系統中安裝大量的分布式發電機(DGs)。對用戶來說,DGs能夠提供靈活的和高質量的電能;對系統方而言,DGs能夠幫助維護系統的穩定性,減少輸電和配電的損耗,但是在配電系統中,由于大量的DGs的接入,配電計劃和控制會更加復雜。因此,有必要設計一個新的保護和控制方案,該方案在大量DGs的情況下仍能滿足可靠的電力系統運行。

在信息技術改善的前提下,多代理系統MAS(multi-agent system)可以為電力系統運行提供一個新的解決方案。MAS是一個計算系統,該系統中代理執行獨立的動作,它們相互協作共同完成周圍環境中的事件任務。在電力系統中,MAS可以應用于配電網的保護和控制。本文基于多代理技術提出了一個用于配電系統保護和控制方案,并且通過大量的仿真研究表明本文提出的保護方案,在各種不同的條件下,能夠提供一個快速的繼電反應和高精度的故障定位。

1 多代理在電力系統中的應用

電力系統應該擁有可靠的的通信設施,這樣可以在原有的設備上部署新的功能(例如設備控制,監控需求等),在這種情況下,多代理的實施也將會實現一些新的功能。

在本文中,代理指的是計算機程序,它具有交互性,自動性,有能力與整個網絡通信,基于多代理技術的配電系統如圖1所示。各種代理通過一個通信網絡連接在一起。將多代理技術應用到電力系統中,可以實現一些新的功能。

圖1 基于多代理技術的配電系統Fig.1 Distribution system withmu lti-agent system

1)控制

文獻[1]提出了基于多代理的自動發電控制AGC(automatic generation control)方案,用于被隔離的電力系統。

該方案中三類代理相互通信:監控代理通過計算機網絡分發必要的信息;控制代理用于控制能量電容器系統ECS(energy capacitor system);管理代理用于協調ECS之間的行為。實驗結果表明,相對于傳統的基于IP控制的發電方案,它具有很大的優越性。

在多帶理的控制下,具有大量DGs的配電網能夠可靠的運行[2],同時在DG處的監控代理和管理代理,從變電站的代理處搜集電網潮流信息。位于DGs處的控制代理能夠利用廣域信息和關于它們的負荷饋線的本地信息。在這種情況下,可以控制DG的輸出以減少整個配電系統的負荷波動[2],該文使用了一個簡單的配電系統模型進行數字仿真,結果顯示出,控制DG運行不僅能夠補償他們自己的負荷波動,而且能夠補償其他沒有DG的母線處的負荷波動,使配電系統處于一個良好的運行狀態。

基于多代理的DG控制能夠提高被隔離的配電系統的可靠性[3]。同時所有DGs的容量應該足夠大,使配電系統能夠連續地運行,即使由于永久性的故障,從輸電系統中被隔離之后,配電系統仍然能夠運行。

在這種情況下,當隔離的配電系統運行方式改變進入到最小運行方式時,系統頻率可能會發生短暫的波動。一些研究工作表明,當DG配備有多代理控制方案時,通過代理交換信息(如潮流從一個DG轉移到相鄰的DGs),能夠減小頻率波動。

2)電網重組

文獻[4]提出多代理方案用于電力系統重組,該方案由許多母線代理BAG(bus agents)和一個服務代理FAG(facilitator agent)組成。在一個故障發生后,BAG通過與它鄰近的BAG交互,決定非最優目標的配置,同時FAG充當一個管理者幫助重組決策過程。

網絡模型的仿真試驗表明,該方案僅僅使用本地信息能夠決定目標配置和開關動作順序,從而進行最優的電網重組。

3)保護

保護系統可以看作是位于電力系統各種位置的協調保護設備的總和。隨著信息和通訊技術的發展,作為分布式人工智能的代理技術已經被介紹到輸電系統的保護系統中。例如,基于多代理的距離繼電器[6]和電流差動繼電器[7]已經應用于輸電系統。另外基于多代理的電流差動繼電器可以提供一些額外的特點,例如設備故障探測,具有通過信息網絡傳遞跳閘命令的能力,也具有從電力系統的任何點搜集數據的性能[8]。

基于多代理的保護方案能夠應用于配電系統[9],當許多DGs接入和切斷時,電力系統阻抗和電力潮流將會發生改變。在這種情況下,根據系統結構的改變,過電流繼電器的時間設置和協作規則必須做相應的調整。

傳統的保護方案很難調整,很有可能降低電網的可靠性和電能質量,故障通常會引起很寬的頻帶諧波,它不同于正常負荷情況下的諧波和開關變換時的沖擊能量。同時如果一條線路是故障線路,則故障諧波能量方向將流入它的兩端。該特點被開發成電流差動繼電器,繼電器作為代理相互協作,定位故障區域。

2 基于多代理(MAS)的保護方案

考慮到配電網的復雜結構和設備的數量巨大,配電系統的保護方案應當簡單化。因此,提出一種新的基于多代理保護方案,用于接入大量DGs的配電系統,它的主要特點是簡化了信息的利用。

2.1 基于多代理的保護方案

本文提出的基于多代理保護方案,用圖2來解釋。兩條饋線連接到變電站(S/S)。在配電系統中接入大量的DGs,DGs能夠提供可靠的和連續的電能。因此,當配電系統發生故障時,故障區域的斷開應當盡可能多地加以限制,以避免DGs的斷開。在這種情況下,通過區域形成斷路器(B1-2和B2-3),接入大量DGs的配電系統將劃分為多個不用的區域。在圖2中,一條饋線所經歷的配電區域劃分為3個區域屬于饋線A屬于饋線B。

因為使用區域形成斷路器將各個區域相互連接,當一個故障發生時,通過跳開相應的區域斷路器將故障區域斷開。例如,當一個故障發生在Z2區域時,用于斷開Z2的必要條件如下:

(1)連接區域Z2(該區域Z2的鄰近區域為Z1和Z3)的區域斷路器B1-2和B2-3的電流,以及該區域的DGs處斷路器的電流都將流向區域Z2;

(2)在(1)中的電流,其中至少有一個電流幅值應將超過某一個極限值(Ith)。

需要(1)表明Z2區域外面沒有任何故障,需要(2)表明,當在Z2區域的負荷需求被Z1和Z3區域的DG滿足時,在正常情況下B1-2和B2-3處的電流也將流向Z2區域。因此,由于(2)的約束,便保證了在斷路器處的繼電器能夠辨別Z2是否發生故障。

圖2 分區的環狀配電系統Fig.2 Ring distribution system divided into p rotection zones

對于所有的斷路器來說,為了知道在其他斷路器處的電流方向和幅值,它們必須相互交換一些信息。為了實現在斷路器處的信息交換,本文設計了三種類型的代理:監測代理(aonitoring agent),通信代理(communication agent),繼電器代理(relay agent)。它們部署在每一個斷路器處。在本文提出的保護方案中,最重要的特點是用一個簡單化的方式進行信息交換。如簡化的二進制狀態信號(0/1)在一個有限的區域內交換。

監測代理:觀察電流的流動方向。當一個故障發生在配電系統的某個地方時,電流流動的狀態,方向和幅值將會突然改變。位于故障點附近的監測代理,通過使用方向繼電器和過電流繼電器,將產生和提供2類信號。其中一類信號電流的幅值是否超過某一給定值(),而不需要提供幅值本身的大小,另一類信號是電流的方向。這兩類信號都是以二進制信號表示(0/1),在產生時不包括時間的信息。這些信號僅僅表明了一個事實,電流流動的狀態是變化的。

通信代理:搜集一些信號,該信號來自于位于其他的斷路器處代理,這些代理必須是連接同一區域的。

繼電器代理:將所有的被搜集的狀態信號和本地信號應用在一個邏輯電路中,如果它自身斷路器應當跳閘,則它將發出一個跳閘信號用于它自身的斷路器。

2.2 網絡信息的利用

圖3表明了二進制狀態信號的產生以及網絡信息被斷路器Z12處的繼電器利用,當故障發生在Z2區域時,在區域形成斷路器B1-2處的通信代理接受由BDG1、BDG2、B2-3和BS-1處的通信代理發出的信息。相同的方式,在B1-2處的繼電器代理利用從BS-1處發出的信號和它自己的信號,用于探測在Z1區域處的故障。

使用簡化的二進制狀態信號的一個優點是不需要數據傳輸的同步進行。通常,在保護系統中,普遍使用的差動繼電器保護方案中,數據同步是非常重要的。由于數據同步的目的,傳輸的數據必須貼上實時標簽。所有的信號是同步的,具有來自全球定位系統GPS(global positioning system)接收器的時鐘脈沖[11]。但是,在本文的保護方案中,二進制狀態信號不需要包含時間的信息,當它被創造時,盡管有時候由于網絡阻塞,二進制信號在不同的地點不能被同時利用,但本文提出的保護方案仍能正常工作。

本文提出方案的第二個優點是DGs的容量和配電系統結構可以靈活地改變。在保護方案中,也將采用變電站代理,它給在斷路器處的通信代理提供關于區域數量信息,以至斷路器處的代理能夠知道相關的區域。當一個新的DG接入配電系統時,將給它的通信代理分配(通過變電站代理)一個區域數字。這樣,其他的代理將知道在同一個區域中有一個新的單元,并且搜集關于它的信號。在這個過程中,將交換關于電流幅值是否超過極限值(I th)的信息,同時對于一個新接入的DG來說,不要求它進行傳統的協作。

圖3 繼電器B1-2處的信息網絡Fig.3 In formation netw ork for relay at B1-2

2.3 產生二進制狀態信號的程序設計

在本文提出的方案中,當其中一個繼電器代理通過探測故障跳開它自己的斷路器,其他的繼電器代理可能失去二進制信號用于探測故障,將可能導致誤動。

為了避免誤動,每個繼電器應該擁有查看邏輯電路輸出信號的能力,僅當跳閘信號的激活狀態持續到一段時間時,繼電器代理將提供一個跳閘信號。這個時間本文設定為34 m s,相當于2個周期,一旦跳閘信號被鎖定,在同一地點的檢測代理不能臨時改變它自己的狀態值,即使其他斷路器的跳閘使故障電流的幅值減小。

由于信號具有鎖定功能,在其它斷路器處的通信代理,即使很晚才接受斷路器跳閘的信號,它仍舊能利用適當的信息用于跳閘它自己的斷路器。

因為在正常狀況下的零序電流可以忽略不計,在故障狀態下將會產生一定量的零序電流,所以可以通過觀察零序電流來探測接地故障。同時在程序設計中,故障電流的極限值(I th)的確定也是一件重要的事,該極限值最好能適用于所有的運行方式。在短路情況下,過電流的極限值也應該綜合考慮多方面的因素,比如負荷的變動、DG的增加所引起的頻率的改變等。

當配電系統劃分成幾個保護區域時,繼電器不必考慮在遠處點的故障。另外,二進制狀態信號僅在有限的區域中交換,即連接于同一區域的繼電器代理之間。通過感知電流突然改變,繼電器代理能夠自動確定過電流信號,同時減輕與遠處繼電器的協作。這個特點可以很好的應用在配電結構的各種條件,并且DG運行不需要繼電器之間的協作。

在本文中,區域繼電器的過電流的極限值設置成正常狀況電流的200%～1000%。在正常情況下的最大負荷時,并且系統沒有接入DG,此時的電流可以相應于最大值,被監測代理記錄。在DG處的斷路器的極限值,也設置成DG額定電流的200%～1000%。

3 數字仿真

3.1 配電系統仿真模型

本節通過使用PSCAD/EM TDC進行數字仿真,來驗證本文提出的保護方案。如圖4顯示了本文研究所使用的配電系統模型。

該模型由兩條6.6 kV的饋線組成。他們相互連接在一起,在系統的末端,組成一個環狀結構。275 kV輸電系統作為電壓源,6.6 kV配電系統不接地。

在該模型中,變壓器靠近配電系統一側接10 k的電阻,該電阻相當于變壓器第三繞組的阻抗,用于探測故障時的零序電壓。配電系統被劃分為6個區域Z1～Z6,系統負載總容量是3500 kVA,負荷因素占90%,DGs連接于Z1、Z3、Z4、Z6,以及它們自己的負荷。假設所有的DGs是同步發電機,通過變壓器(T r)接于配電系統中。

線路參數如下。

電壓為6.6 kV;R=0.313(mΩ/m);長度為1 km(斷路器到母線距離);L=1.0μH/m;C=0.012 nF/m。

負荷參數如下:

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

圖4 配電系統仿真模型Fig.4 Simu lationmodel of distribution system

假設具有不同DG容量接入的3種案例:案例A、案例B和案例C。

案例A中DG1、DG3、DG4、DG6的容量都為200 kW;

案例B中DG1、DG3、DG4、DG6的容量都為600 kW;

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

3.2 仿真結果

3.2.1 接地短路故障

本文將測試在每一個區域(Z1～Z6)的各種不同類型的接地故障:接地故障(1LG)、兩相接地短路(2LL)和三相接地短路(3LL)。

壓器(Tr)在配電系統中沒有接地,所以在故障時DGs處的零序電流忽略不計。因此連接于Z6的繼電器代理能夠通過感知零序電流的出現,發出跳閘命令,將Z6區域斷開。

假設代理之間接受信號有一定的延遲,如下所示:

(1)區域形成斷路器與DG斷路器之間的延遲設置為25 ms;

(2)區域形成斷路器與區域形成斷路器之間的延遲設置為40 m s。

基于上面的假設進行數字仿真,大量的仿真結果表明,繼電器代理能夠成功的斷開故障區域。同時還仿真了在不同的接地故障類型下和不同的DGs容量下,各個繼電器代理均能正確動作。

3.2.2 相間短路故障

由于發生相間短路故障時,沒有零序電流的出現,因此采用線路的過電流來探測相間短路故障的位置,過電流極限值的設置也成為隔離故障的關鍵。本文的保護方案中,線路過電流的極限值設置成額定電流值200%～1000%。

仿真測試了各個區域在各種相間短路故障情況下的動作情況,表1概括了斷路器代理斷開故障區域的情況,符號的含義為:S為故障區域能夠被成功的斷開;X為在故障區域斷開之后,非故障區域也斷開;I th為預設的極限值。

表2是相應于表1的各種情況的靈敏系數k sen,其中

式中:Ik,B為保護范圍內故障參數的計算值;I″act,2為保護裝置的動作參數,這里為過電流的極限值。

由表1和表2可知:

當Ith設置為正常電流的1000%時,也能夠成功的斷開故障區域,非故障區域沒有斷開,此時的靈敏系數絕大部分能滿足保護的靈敏度要求。

表1 成功或者失敗的斷開故障區域情況Tab.1 Success or failure for distribution fault zone

表2 各種極限值情況下的靈敏系數Tab.2 Sensitivity coefficient for each kind of lim it value

4 結語

本文首先提出保護系統的概念,選擇二進制狀態信號用于該保護方案中,然后使用PSCAD/EM TDC數字仿真,在建模時信息之間的交換當作是給定的條件,在實際的狀況下,它必須要用多代理系統實現,多代理編程作為進一步的工作。大量的仿真表明,該保護方案在各種條件下,能夠實現快速的繼電反應和快速的切除故障。

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