基于多智能體系統(tǒng)一致性的智能電網自愈控制研究

陳康

（南京乾佳科技有限公司，江蘇 南京 210019）

智能電網中包含了大量的電氣設備，并且由于采用分布式連接，日常的電網維護壓力較大。這種情況下很容易因為養(yǎng)護不到位、檢查不細致，導致潛在的故障沒有得到及時發(fā)現、處理，進而引發(fā)嚴重故障，造成電網局部停運。基于多智能體系統(tǒng)的自愈控制，能夠實時進行智能電網運行狀態(tài)的監(jiān)測，在故障發(fā)生初期識別故障并作出決策，自動完成故障處理，從而不影響電網的正常運行。

1 基于多智能體一致性的智能電網自愈控制系統(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自愈控制系統(tǒng)，共有3個模塊，分別是決策模塊、協調模塊和反應模塊，其模塊關系如圖1 所示。

圖1 智能電網自愈控制系統(tǒng)

1.2 決策模塊

該模塊是整個自愈控制系統(tǒng)的最高層，操作流程有兩個步驟：

首先進行自愈控制。根據下一級協調模塊提供的故障信息，進行故障分類、分級，包括確定故障類型、判斷故障危重程度。如果同時出現兩種及以上的故障，可通過故障分級確定優(yōu)先級，讓更加嚴重的故障得到優(yōu)先處理。根據故障分析結果，生成自愈控制指令，實現自愈效果。

其次進行快速仿真。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，判斷能否實現故障的處理和自愈，待仿真結果顯示達到自愈目標后，再將指令應用于實際。

1.3 協調模塊

位于自愈控制系統(tǒng)中間層的協調模塊，發(fā)揮了“上傳下達”的作用，具體操作流程為：首先，對于下一級反應模塊采集并上傳的數據信息，并對數據進行初步篩選，將正常的數據過濾掉，只保留與智能電網運行故障有關的數據，可以降低數據處理和信息分析的壓力，提高系統(tǒng)響應速度；

其次，對上一級決策模塊發(fā)送的指令，準確分配至智能電網發(fā)生故障的區(qū)域，保證故障問題得到有效解決，實現自愈。結合圖2 可知，協調模塊的具體功能包括狀態(tài)評估、故障診斷、優(yōu)化控制、預防補補償等幾種。現以狀態(tài)評估和緊急控制為例展開簡要介紹。

圖2 智能電網自愈控制系統(tǒng)的狀態(tài)評估流程

1.3.1 狀態(tài)評估指令。

其實現過程如下：

根據反應模塊提供的電網測控信息，對照智能電網的特征信息，對比關鍵指標的一致性；

如果關鍵指標的特征值（標準值）與實測值之間差異顯著，說明存在異常運行狀態(tài)；

將所有篩選出來的關鍵指標逐一進行對比，并做歸一化處理；把計算結果輸入到運算推理數學模型中，對智能電網的健康狀態(tài)進行評價；

最終評價結果由通訊模塊上傳到決策模塊。然后決策模塊根據電網當前狀態(tài)，決定采取優(yōu)化控制、恢復控制或緊急控制等策略。狀態(tài)評估流程如圖2所示。

1.3.2 緊急控制指令。根據狀態(tài)評估結果，若當前智能電網發(fā)生故障，并且故障狀態(tài)下的實時參數已經超出了約束范圍，這種情況下必須采取緊急控制，將故障區(qū)域或故障設備從電網中切除，避免引起更大范圍的連鎖反應。緊急控制的實現方式如下：參考狀態(tài)評估結果，了解當前智能電網運行狀態(tài)；進行故障嚴重程度判斷，若超出約束條件，則激活緊急控制程序，自動下達切機、切負荷等指令；判斷故障部位是否從電網中切除。若未成功切除，則重復上述切除步驟，直到判斷切除成功。緊急控制流程如圖3 所示。

圖3 智能電網自愈控制系統(tǒng)的緊急控制流程

1.4 反應模塊

作為整個自愈控制系統(tǒng)的最底層，該部分的操作方式是：利用前端的傳感監(jiān)測裝置和無線通信設備，在獲取智能電網各部分實時運行狀態(tài)參數的基礎上，將其反饋給調度中心的數據采集系統(tǒng)；

由于智能電網實時運行中產生了海量的數據，為節(jié)約網絡資源，數據采集系統(tǒng)在接收實時數據后，將數據進行暫存，然后按照特定頻率以數據包的形式，將數據信息上傳到上一級的協調模塊；

采集、上傳信息后，反應模塊還會接收上級發(fā)送的各類控制指令，并作出相應的動作。例如控制中心發(fā)送隔離指令后，位于反應模塊的隔離器動作，自動將發(fā)生故障的電氣設備從電網中切除，避免產生連鎖反應造成故障影響范圍的擴大化。

2 基于多智能體一致性的智能電網自愈方法

2.1 電網故障自愈的基本要求

故障自愈不僅要將已經發(fā)生的電網故障順利解決，保證智能電網的穩(wěn)定運行，而且還要通過拓撲結構的調整，將失電區(qū)域的負荷容量均攤到正常運行的饋線上，并且保證電網不會出現超負荷情況，防止引發(fā)二次故障。總結來說，智能電網自愈控制應滿足以下基本要求：（1）提高響應及時性和控制有效性，保證非故障區(qū)域不受影響；（2）各類開關的動作次數不宜過多。開關的動作次數與壽命直接掛鉤，如果自愈控制中頻繁開斷，會嚴重縮短開關設備的壽命；（3）分攤負荷容量時，要考慮智能電網不同區(qū)域的最大用電負荷；（4）盡量減少對電網結構的更改。

2.2 智能電網自愈方法

2.2.1 連通性判斷在故障區(qū)域或設備被切除以后，由于此部分出現斷路，周邊的電氣設備也有可能受到影響進而形成“孤島”。連通性判斷就是在準備切除故障時，預測切除故障以后局部電網能否正常運行。若連通性差，則重新優(yōu)化切除方案，提高自愈控制的實用性。假設有一個鄰接矩陣A，內部包含了n 個元素，通過計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）在現有鄰接矩陣A 的基礎上，設計一個新的矩陣P，使P=A。

（2）對矩陣P 做初始化處理，使j=1。

（3）對所有的i，如果存在P（i,j）=1，則對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），重復上述步驟，直到j＞n，停止。

收集所有j＞n 的值，即表示能夠正常連通，反之則表示無法正常連通。

2.2.2 故障節(jié)點標記

對于智能電網中因為發(fā)生故障而失電的區(qū)域、設備，可通過重新閉合線路恢復供電。但是為保證恢復供電后的電網不存在超負荷等問題，還應做好網絡結構布局和負荷功率調整等工作。故障節(jié)點標記的作用是在確定故障區(qū)域或故障設備后，在就近的兩個節(jié)點上，分別做相應的標記。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)點標記為1；在電流的留出方向上，將最接近故障區(qū)域的節(jié)點標記為2。注意故障節(jié)點標記遵循就近原則并且不得重復。在故障節(jié)點1 和2 中間，即為滿足自愈控制的最小切除范圍。將該范圍內的電力設備及線纜切除，既能夠保證智能電網實現故障自愈，又可以最大程度上降低對智能電網運行的影響。

3 基于多智能體一致性的智能電網自愈仿真實驗

3.1 仿真實驗設計

上文介紹了基于多智能體的自愈控制系統(tǒng)結構組成和功能實現方式。為了進一步驗證該系統(tǒng)能否將電網常見故障做到妥善處理，在仿真環(huán)境下開展了實驗進行證實。使用Matlab 軟件進行仿真實驗。在仿真環(huán)境下構建了一個由10臺發(fā)電機、50 個節(jié)點、44 條線路組成的380kV 電網。設定基準電壓為380kV，基準功率為110MVA。進行如下實驗：模擬電力系統(tǒng)三相接地短路故障，每臺發(fā)動機剩余≥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)，對發(fā)生短路故障的電力系統(tǒng)進行故障自愈。選擇發(fā)電機轉速作為判斷指標。

3.2 仿真實驗結果

以發(fā)生三相接地短路故障的時間點作為起始點，記錄在故障發(fā)生10s 內的發(fā)電機轉速，如圖4 所示。

圖4 故障狀態(tài)下發(fā)電機轉速變化情況

結合圖4 可知，在電網發(fā)生接地故障后，10 臺發(fā)電機的轉子轉速發(fā)生了明顯波動。發(fā)電機出現暫態(tài)運行失穩(wěn)后，除了影響自身的輸出功率外，還會因為電壓的明顯波動，對整個電網的安全性造成沖擊影響，電網面臨崩潰的風險。

重復上述實驗，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 內的發(fā)電機轉速變化數據。將所得數據繪制成圖，得到發(fā)電機轉速在不同時間內的變化圖，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)電機轉速變化

結合圖5 可知，在短路故障發(fā)生后，10 臺發(fā)電機也出現了轉速波動、暫態(tài)失穩(wěn)的情況。而1s 時接入了自愈控制系統(tǒng)，發(fā)電機轉速迅速穩(wěn)定下來，從第5s 開始，10 臺發(fā)電機的轉速保持一致并趨于平穩(wěn)，說明三相接地短路故障已經得到自愈。

結束語

在智能電網覆蓋范圍逐步擴大的背景下，如何保障智能電網穩(wěn)定、可靠運行，成為電力公司關注的焦點問題。根據智能電網的規(guī)模，選擇若干個多智能體，按照一致性算法將其組合成為完整的故障檢測和控制系統(tǒng)，能夠實現對智能電網運行工況的實時監(jiān)測，并對故障問題作出準確判斷和分級分類，然后下達相應的指令，切除故障或解決問題，在不需要人工干預的情況下，實現了自愈。仿真實驗表明，該自愈控制系統(tǒng)能夠有效解決常規(guī)的故障，為智能電網運維管理提供了幫助。