基于多智能體的船舶區(qū)域配電網(wǎng)短路故障重構(gòu)

張威，施偉鋒，溫彤

（上海海事大學(xué)，上海201306）

0 引言

多智能體(MA, Multi-Agent)作為分布式人工智能的重要組成部分，不僅具有分布性、智能性及理性特點，而且較傳統(tǒng)的人工智能技術(shù)有更強(qiáng)的靈活性和適用性。隨著多智能體理論及其技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，越來越多地被用來解決工程實際問題，出現(xiàn)了各種各樣的基于智能體技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)：電網(wǎng)運(yùn)行決策系統(tǒng)、配電網(wǎng)快速故障恢復(fù)決策系統(tǒng)[1]、智能交通系統(tǒng)[2]等。

船舶電力系統(tǒng)故障重構(gòu)是解決船舶電力系統(tǒng)故障時，切除故障部分，保證非故障部分及重要負(fù)荷可靠供電，確保整個船舶電力系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的重要方法之一。本文，首先介紹了多智能體方法；然后，結(jié)合所采用的船舶區(qū)域配電系統(tǒng)電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，探索復(fù)合型多智能體技術(shù)在船舶區(qū)域配電網(wǎng)故障重構(gòu)中的應(yīng)用；最后，通過對船舶區(qū)域配電網(wǎng)在有、無多智能體作用下的故障重構(gòu)的對比仿真與分析，說明復(fù)合型多智能體能夠有效實現(xiàn)船舶區(qū)域配電網(wǎng)短路故障重構(gòu)。

1 多智能體方法

智能體可以看成一個智能單元[1]，通過傳感器感知環(huán)境信息，通過效應(yīng)器作用于環(huán)境。其工作過程，如圖1所示。

智能體的體系結(jié)構(gòu)主要包括三種[1,3]：認(rèn)知結(jié)構(gòu)、反應(yīng)結(jié)構(gòu)和復(fù)合結(jié)構(gòu)。這里采用的復(fù)合結(jié)構(gòu)多智能體進(jìn)行船舶電力系統(tǒng)重構(gòu)研究，它同時包含認(rèn)知型和反應(yīng)型智能體。其中，認(rèn)知型智能體是利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)學(xué)習(xí)能力，且能夠以任意精度逼近任一連續(xù)函數(shù)的功能，進(jìn)行認(rèn)知學(xué)習(xí)；反應(yīng)型智能體通過對認(rèn)知型智能體產(chǎn)生的數(shù)據(jù)處進(jìn)行理分析后生成相應(yīng)的控制信號，控制斷路器動作進(jìn)而實現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)。

基于船舶電力系統(tǒng)復(fù)雜性的特點，研究采用的是復(fù)合型多智能體。這種結(jié)構(gòu)綜合了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、發(fā)散結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，各智能體既可通過網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相互聯(lián)系，又可通過發(fā)散結(jié)構(gòu)實現(xiàn)各智能體間通信。

2 船舶區(qū)域配電系統(tǒng)重構(gòu)智能體分布

2.1 船舶區(qū)域配電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

船舶電力系統(tǒng)是一個非線性動態(tài)系統(tǒng)，電力推進(jìn)船舶對供電系統(tǒng)有著較高的可靠性要求，對于區(qū)域配電系統(tǒng)更是如此[4,5]。典型的船舶電力系統(tǒng)區(qū)域配電結(jié)構(gòu)[6]，如圖 2所示。船舶電力系統(tǒng)采用區(qū)域配電結(jié)構(gòu)使得整個系統(tǒng)具有更高的集成性與分布性，便于船舶電力系統(tǒng)重構(gòu)控制實現(xiàn)。

在該區(qū)域配電方式中，發(fā)電單元與配電單元采用縱向連接的方式，并與各配電單元串接在一起形成一個完整的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，繼而向各區(qū)域用電單元供電。某一配電區(qū)域發(fā)生的局部故障不致影響到整個船舶電力系統(tǒng)，只需要合理的供電配置就可以保證重要設(shè)備具有較高的供電可靠性。

2.2 船舶區(qū)域配電系統(tǒng)多智能體配置

基于多智能體的船舶區(qū)域配電網(wǎng)故障重構(gòu)中的智能體按功能又可分為兩大類：執(zhí)行智能體和決策智能體，通過各執(zhí)行智能體對整個電力系統(tǒng)中各開關(guān)元件狀態(tài)信號、支路電流、節(jié)點電壓的數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給決策智能體，由決策智能體產(chǎn)生重構(gòu)策略，實現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)。

根據(jù)船舶電力系統(tǒng)中各單元的負(fù)荷類型， 多智能體的區(qū)域劃分如圖3所示。圖中，GA、MA、BA、ZA、LA分別代表發(fā)電機(jī)單元、推進(jìn)電動機(jī)單元、母線單元、區(qū)域負(fù)荷單元及由母線直接供電負(fù)荷單元智能體。

每一種類型的智能體都包含執(zhí)行智能體與決策智能體兩個組成部分，且各執(zhí)行智能體均受同類型的決策智能體控制。例如：發(fā)電機(jī)決策智能體控制；推進(jìn)電機(jī)決策智能體控制；母線決策智能體控制；區(qū)域配電決策智能體控制；負(fù)荷決策智能體控制。決策智能體與其所控制的執(zhí)行智能體間的通信是雙向的，如圖 4(a)所示；各決策智能體間也有著通信連接，且受全局決策智能體的控制，如圖4(b)所示。

3 基于多智能體的船舶區(qū)域配電網(wǎng)短路故障重構(gòu)與分析

3.1 多智能體的重構(gòu)原理

多智能體(MA)技術(shù)在船舶電力系統(tǒng)重構(gòu)中的實現(xiàn)，不僅通過各智能體自主完成任務(wù)，而且通過通信使各智能體相互協(xié)作完成。各智能體之間功能有著清晰的劃分，且能較好的相互協(xié)作解決重構(gòu)問題，使得整個系統(tǒng)不僅具有一定的自主性，還擁有良好的交互性。船舶電力系統(tǒng)智能體重構(gòu)是通過對船舶電力系統(tǒng)故障運(yùn)行數(shù)據(jù)信息（電流、電壓）的提取，在多智能體的作用下進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，診斷出故障位置、類型及范圍，根據(jù)重構(gòu)約束條件，生成相應(yīng)的系統(tǒng)重構(gòu)策略實現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)。

船舶電力系統(tǒng)重構(gòu)通常應(yīng)該滿足以下約束條件：1) 優(yōu)先級約束：按照負(fù)荷優(yōu)先級別高低恢復(fù)供電；2) 功率平衡約束：必須滿足發(fā)電和負(fù)荷功率的平衡，不能引起發(fā)電機(jī)組過載；3)電壓、電流約束。

本文研究的船舶區(qū)域配電網(wǎng)故障重構(gòu)是考慮負(fù)荷供電優(yōu)先級的船舶電力系統(tǒng)重構(gòu)，首先根據(jù)各用電設(shè)備在船舶電力系統(tǒng)中的重要性，設(shè)置不同的供電優(yōu)先級。當(dāng)供電單元故障不能為整個系統(tǒng)提供足夠的能量時，優(yōu)先切除供電優(yōu)先級低的負(fù)荷單元，確保更高一級的用電單元安全供電；當(dāng)供電單元恢復(fù)系統(tǒng)供電時，按負(fù)荷供電優(yōu)先級由高到低依次恢復(fù)各用電單元的供電。最終，實現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)在保證安全可靠供電的基礎(chǔ)上具有一定的自愈能力。

3.2 故障重構(gòu)邏輯分析

在各發(fā)電機(jī)組工作在非滿載狀態(tài)下，當(dāng)某一發(fā)電機(jī)組如組1功率輸出側(cè)發(fā)生故障，必須切除對系統(tǒng)供電時，由如圖4所示的交互關(guān)系可知，GA1在多智能體的作用下，首先切除發(fā)電機(jī)組1對整個系統(tǒng)的供電；然后，在通過 GA1與鄰近GA2、GA4的直接通信提高它們對系統(tǒng)的供電，同時，將故障信號傳輸給發(fā)電機(jī)決策智能體，由發(fā)電機(jī)決策智能體控制其余發(fā)電機(jī)組的功率輸出。當(dāng)非故障發(fā)電機(jī)組的供電能力不能滿足全系統(tǒng)的需求時，發(fā)電機(jī)決策智能體向其他各決策智能體發(fā)出通信請求，通過各決策智能體的交互、協(xié)作，生成相應(yīng)的重構(gòu)策略進(jìn)行相應(yīng)的負(fù)荷卸載切換，為船舶的安全運(yùn)行提供可靠供電。

表1為發(fā)電機(jī)組故障時，相應(yīng)智能體的狀態(tài)。表中，0：正常狀態(tài)（“+”表示功率輸出增大），1：動作（故障）信號，未列出的智能體維持原狀態(tài)。

3.3 船舶區(qū)域配電系統(tǒng)故障重構(gòu)仿真

根據(jù)圖2所示的船舶區(qū)域配電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及相應(yīng)的智能體分布，如圖 3，在 MATLAB/SimPowerSystem環(huán)境下搭建系統(tǒng)仿真模型。

研究復(fù)合型多智能體在發(fā)電機(jī)組功率輸出側(cè)發(fā)生三相接地短路時，隔離故障；故障切除后，發(fā)電機(jī)對系統(tǒng)恢復(fù)供電的影響。該仿真系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)智能體、負(fù)荷智能體、推進(jìn)電機(jī)智能體及母線智能體組成，供電母線模擬故障發(fā)生前的發(fā)電機(jī)組單元，同步發(fā)電機(jī)模型模擬非故障發(fā)電機(jī)組單元，異步電動機(jī)模擬推進(jìn)電動機(jī)單元。

仿真研究采用的復(fù)合型多智能體，首先，由基于 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知型智能體通過對供電母線側(cè)電流數(shù)據(jù)的采集分析，生成狀態(tài)信號0、1（1表示故障，0表示正常），同時將狀態(tài)信息上傳給決策智能體；其次，通過反應(yīng)型智能體執(zhí)行決策智能體發(fā)出的控制信號，控制斷路器動作；最后，對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。認(rèn)知型智能體所采用的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具學(xué)習(xí)訓(xùn)練后得到的，它的輸入是所監(jiān)測的支路電流值，輸出是該支路的狀態(tài)信息。其中，輸入層到隱含層權(quán)值：[101.7540,107.0394]T,隱含層閾值為[26.7917, 28.3097]T，隱含層到輸出層權(quán)值：[-15.8562,15.8478]，輸出層閾值：-1.0114。

故障類型：三相接地短路，故障時間為1.0 s至 1.4 s。

仿真結(jié)果表明，當(dāng)母線側(cè)發(fā)生三相接地短路時，母線側(cè)的短路電流達(dá)32 kA，瞬時沖擊電流達(dá)55kA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過母線穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下的75 A電流，必須予以切除。

故障發(fā)生前，母線與同步發(fā)電機(jī)聯(lián)合向異步電動機(jī)供電；故障發(fā)生時，在多智能體的作用下，故障部分的供電母線被切除，異步電動機(jī)由同步發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電。

對比分析故障前后，在有無多智能體作用下異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化，可知在沒有多智能體的情況下，短路發(fā)生時電力推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速急劇下降，在故障發(fā)生 0.4 s時下降至 1000 rpm，降幅達(dá)33.3%；采用多智能體后，電力推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速維持在1450 rpm，降幅為3.33%。說明系統(tǒng)故障時在多智能體控制下，能夠有效切除故障，保證非故障部分的可靠供電。同時，在 1.4 s時圖 5(b)轉(zhuǎn)速下降幅度小于圖5(a)，然后回升至正常轉(zhuǎn)速。

通過對仿真系統(tǒng)在有、無多智能體作用下相應(yīng)的潮流分析，可知當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，異步電動機(jī)的有功功率由供電母線提供（母線表現(xiàn)為容性），發(fā)電機(jī)僅為系統(tǒng)提供無功功率，同時對母線進(jìn)行無功補(bǔ)償；故障時，供電母線被切除，電動機(jī)完全由發(fā)電機(jī)供電。

4 結(jié)論

電力推進(jìn)船舶電力系統(tǒng)是以柴油發(fā)電機(jī)與大功率推進(jìn)電機(jī)作為船舶動力裝置的系統(tǒng)，取代內(nèi)燃機(jī)作為船舶主動力,為提高供電可靠性越來越多地采用區(qū)域配電方式。本文通過對多智能體(MA)工作原理的介紹，結(jié)合船舶區(qū)域配電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其智能體分布，將復(fù)合型多智能體方法應(yīng)用于船舶區(qū)域配電網(wǎng)故障重構(gòu)中。在MATLAB/ SimPowerSystem環(huán)境下，對比分析船舶電力系統(tǒng)某一發(fā)電機(jī)組功率輸出側(cè)發(fā)生三相接地短路故障時，在有、無復(fù)合型多智能體作用下重構(gòu)前后的潮流及電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真波形，說明復(fù)合型多智能體能夠有效實現(xiàn)短路故障重構(gòu)，對保證船舶電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行起到了積極的作用。

:

[1]盛萬興，楊旭升. 多 Agent系統(tǒng)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[M]. 北京：中國電力出版社，2007.

[2]李英. 多 Agent系統(tǒng)及其在預(yù)測與智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用[M]. 上海：華東理工大學(xué)出版社，2004.

[3]艾芊. 現(xiàn)代電力系統(tǒng)辨識人工智能方法[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2012.

[4]Wang, J., Kadanak, P., Sumner, M., Thomas, D.W.P.,Geertsma, R.D. Active fault protection for an AC zonal marine power system architecture[J]. Industry Applications Society Annual Meeting, IEEE, 2008.

[5]Chalfant, J.S., Chryssostomidis, C. Analysis of various all-electric-ship electrical distribution system topologies[J]. Electric ship Technologies Symposium(ESTS), IEEE, 2011.

[6]施偉鋒，許曉彥. 船舶電力系統(tǒng)建模與控制[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2012.