基于多Agent的有限广域方向比较算法与仿真实现
2014-11-19刘世丹王增超梁博
刘世丹+王增超+梁博
摘 要 容错性是电网广域后备保护系统设计应考虑的重要因素。本文在分析广域后备保护研究现状的基础上，提出一种基于多Agent的有限广域方向比较算法，该算法简化了Agent间的通讯，并充分考虑方向元件冗余以保证算法的高容错性，从而可快速可靠地进行故障定位，实现了线路与母线的后备保护。在EPOCHS平台上对该算法进行了仿真，验证了该算法的可行性和正确性。
【关键词】有限广域后备保护 容错性 Agent 方向比较
在广域测量系统、计算机与通信等技术快速发展的背景下，利用广域信息的电网后备保护日益受到关注。文献[1]采用广域电流差动算法，通信量大，对时复杂，加大了实时通信的难度；文献[2]采用基于一次设备/方向元件关联矩阵的方向比较算法，对变电站内主接线变化有很好的适应能力，但该算法没有考虑远后备保护，且容错性不高；文献[3]则利用方向元件冗余来实现高容错性，算法简单可靠，通信量小，可以很好地在装置中实现，但该算法较强地依赖于变电站决策中心的可靠性，且没有考虑线路对侧主保护跳闸对本侧后备保护的影响，对母线后备保护考虑也较为简单。
针对上述算法的缺陷，本文提出一种新的基于多Agent的有限广域方向比较算法，该算法采用有限广域内的多Agent分布式结构，简化Agent间的通讯，利用Agent与线路/母线关联矩阵进行广域方向比较，能快速可靠地实现线路和母线的后备保护；在若干线路保护信息丢失的情况下，该算法通过对母线后备保护的自适应整定，并充分考虑方向元件的高容错性，保证了后备保护系统的可靠工作；最后在电力和通信同步仿真平台（EPOCHS）上验证了该算法的准确性。
1 系统结构模型
系统结构模型如图1所示。按照后备保护的配置原则，该后备保护系统需给本站元件（包括母线和线路）提供近后备保护，还要给下一级变电站元件（对端母线及对端母线的出线）提供远后备保护。因此，本系统中的有限广域半径取为R=2，即需要收集直接相邻变电站所有Agent的信息及次相邻变电站靠近本站侧的Agent的信息。有限广域划分示意图如图2所示，虚线范围即为变电站A内的保护Agent需要信息的范围。对某一确定Agent，他发送自己信息的对象就是有限广域范围包含本Agent的变电站的所有Agent。以A1（表示Agent1，以此类推）为例，它需发送自己信息给A2、A3、A4、A5、A6和A7。
2 基于方向元件冗余的方向比较算法
每个Agent均配置方向元件和距离元件，配置方法见参考文献[3]，假设其输出值分别为f、j，并将线路主保护和近后备保护的动作信息构成记忆故障方向元件，将这三个元件的输出结果进行融合，形成Agent的故障测度值，再经过通信网络收集其他Agent的故障测度值，根据Agent与线路/母线关联矩阵，计算保护范围内各元件的故障综合值并与故障整定值相比较，就可以得出各元件的故障情况。下面介绍记忆故障方向元件和故障测度值、故障综合值的形成以及故障判别方法。为方便描述，记近后备延时为Tlocal，远后备延时为Tremote，最长待包时间为waittime。
2.1 记忆故障方向元件
引入记忆故障方向信息，把主保护和近后备保护的动作信息作为一种方向信息维持一段时间。若本侧线路主保护正确动作，则可以确定故障发生在本段线路正方向，故将记忆故障方向信息置为1，如果主保护没动作，则记忆故障方向值置为0；若本侧线路或母线近后备保护动作，将记忆故障方向信息值置为1。兼顾主保护可能误动的情况，记忆故障方向元件的输出值为：
记忆故障方向信息的维持时间整定为Tremote和waittime之和。
2.2 故障测度值与故障综合值
利用方向元件、距离元件和记忆故障方向元件的输出值，定义Agent的故障测度值为：
收集完有限广域范围内Agent的故障测度值后，计算各元件故障综合值F。若元件故障综合值的绝对值大于其故障整定值绝对值，则将其判为确定故障元件；若等于，则判为疑似故障元件；若小于，则判为正常元件。
对于线路，利用线路各端Agent的故障测度值来计算故障综合值，如式（3）所示。线路故障整定值如式（4）所示。
式中，Ni表示关联矩阵中线路所在列中的非零元素个数。
母线故障综合值的计算方法如式（5）所示。
式中，Xi为关联矩阵中母线所在行中的非零元素个数，Yi为母线所在行中非零元素对应列中的其他非零元素个数，Coutj和Coutm则为非零元素对应Agent的故障测度值。
母线故障整定值如式（6）所示。
其中，n为与对应母线关联的Agent丢包的数量，如果某Agent检测到其他Agent信息全部丢失，可以判断为本Agent通信端口出现故障，则取消最长待包延时，并将Tlocal提高至与Tremote相等。
3 跳闸策略
如图3所示。
4 EPOCHS仿真
电力与通信同步仿真平台EPOCHS将电力仿真软件PSCAD和网络仿真软件NS2整合到一起，利用文件传递数据和命令，实现两者的同步运行，十分适合广域保护系统的仿真。本文利用EPOCHS搭建图2所示输电网络来验证算法的准确性，并获取通信延时。设定Tlocal为100ms，Tremote为200ms；假设系统正常运行后0.2s发生故障，k1为线路接地，k2为母线接地。下面分别对各Agent正常工作及有限个Agent失效情况下两种接地故障的仿真结果作分析。
4.1 各Agent与通信均正常
当线路2-5发生A相接地故障时，各Agent正常输出，各元件输出如表1所示。通过计算故障综合值，线路2-5被判为确定故障线路。对于线路3-1有两种情况，即故障点在A3的距离元件整定范围之外或之内，对应的A3的故障测度值为0或1，线路3-1被判为正常线路或疑似线路，但由于保护范围内存在确定故障线路，由跳闸策略可知，切除线路2-5。A5主保护在0.236s动作，A2近后备保护在0.351s动作，正确动作。endprint
当母线A发生A相接地时，各元件输出如表2所示。母线1-2故障综合值为-4，因此被判为确定故障，其他元件无故障。因此，A1和A2后备保护在0.351s动作，正确动作。
4.2 有限个Agent失效
对于有限个Agent失效的情况，主要考虑线路末端高阻接地时距离元件或序分量方向元件拒动，以及由于通信丢包而导致某个Agent信息未能按时送达，或者故障时某变电站路由器拥塞导致该站所有Agent对外通信中断。下面分别进行讨论：
（1）线路2-5末端高阻接地时A2距离元件拒动。
各元件输出如表3所示。通过计算故障综合值，比较可得，线路2-5和母线A被判为疑似故障，由跳闸策略可知，近后备延时后先跳闸线路2-5，故障在0.351s被切除，母线后备保护返回，正确动作。
（2）k1或k2接地时，A2发给A5的信息包丢失。
Agent2信息包丢失时，A5一直等到waittime结束时，才将A2的故障测度按0处理。
当k1接地时，假设A2和A5的线路主保护都拒动，各元件输出如表4所示，A2于0.251s将线路2-5判为确定故障；A5于0.293s将线路2-5和母线A判为疑似故障，根据跳闸策略，A5将于Tlocal后跳闸。因此，A2在0.351s动作，A5在0.393s动作，正确动作。
当母线A接地时，各元件输出如表2所示。A1和A2于0.251s将母线A判为确定故障，而A5于0.293s将线路2-5判为疑似故障线路。因此，A1和A2在0.351s动作，正确动作。
（3）k1或k2接地时，变电站A对外通信中断。
变电站A对外通信中断将导致A1和A2只能收到本站内Agent的信息，waittime到达后将其他站的Agent故障测度值作0处理。
k1点接地时，A5线路主保护于0.236s正常动作，各元件输出见表1。由于变电站A对外通信中断，A1和A2将线路2-5和母线C判为疑似故障，A2于0.391s跳闸，正确动作。
k2点接地时，各元件输出如表2所示。A1和A2将母线A判为疑似故障，而由于A5和A3未接收到A1和A2的信息，判断得出线路2-5、线路3-1和母线A为疑似故障。因此，A1、A2、A3和A4于0.391s左右先后动作跳闸，正确动作。
5 结语
本文提出了一种有限广域内的分布式方向比较算法，该算法不仅能为本站母线和线路提供近后备保护，还能为相邻变电站的母线和出线提供远后备保护。在有限个Agent失效的情况下，该算法还具有较高的容错性；另外，由于该算法涉及的通信范围与通信量较小，通信包种类较少，因此，基于该算法的分布式后备保护系统容易在装置上实现。
参考文献
[1]苏盛，段献忠，曾祥君等.基于多Agent的广域电流差动保护系统.电网技术， 2005，29（14）：15-19.
[2]杨增力，石东源，段献忠.基于方向比较原理的广域继电保护系统.中国电机工程学报，2008，28（22）：87-93.
[3]张保会，周良才，汪成根等.具有容错性能的广域后备保护算法.电力系统自动化，2010，34（5）：66-71.
[4]尹项根，汪旸，张哲.适应智能电网的有限广域继电保护分区与跳闸策略.中国电机工程学报，2010，30（7）：1-7.
作者简介
刘世丹（1987-），男，广东省汕头市人。工学硕士学位。现为广东电网电力调度控制中心助理工程师，从事继电保护专业管理工作。
王增超（1987-），男，山东省青岛市人。工学硕士学位。现为广东电网电力调度控制中心助理工程师，从事继电保护专业管理工作。
梁博（1984-），男，广东省茂名市人。现为广东电网电力调度控制中心工程师，从事继电保护专业管理工作。
作者单位
广东电网电力调度控制中心 广东省广州市 510600endprint
当母线A发生A相接地时，各元件输出如表2所示。母线1-2故障综合值为-4，因此被判为确定故障，其他元件无故障。因此，A1和A2后备保护在0.351s动作，正确动作。
4.2 有限个Agent失效
对于有限个Agent失效的情况，主要考虑线路末端高阻接地时距离元件或序分量方向元件拒动，以及由于通信丢包而导致某个Agent信息未能按时送达，或者故障时某变电站路由器拥塞导致该站所有Agent对外通信中断。下面分别进行讨论：
（1）线路2-5末端高阻接地时A2距离元件拒动。
各元件输出如表3所示。通过计算故障综合值，比较可得，线路2-5和母线A被判为疑似故障，由跳闸策略可知，近后备延时后先跳闸线路2-5，故障在0.351s被切除，母线后备保护返回，正确动作。
（2）k1或k2接地时，A2发给A5的信息包丢失。
Agent2信息包丢失时，A5一直等到waittime结束时，才将A2的故障测度按0处理。
当k1接地时，假设A2和A5的线路主保护都拒动，各元件输出如表4所示，A2于0.251s将线路2-5判为确定故障；A5于0.293s将线路2-5和母线A判为疑似故障，根据跳闸策略，A5将于Tlocal后跳闸。因此，A2在0.351s动作，A5在0.393s动作，正确动作。
当母线A接地时，各元件输出如表2所示。A1和A2于0.251s将母线A判为确定故障，而A5于0.293s将线路2-5判为疑似故障线路。因此，A1和A2在0.351s动作，正确动作。
（3）k1或k2接地时，变电站A对外通信中断。
变电站A对外通信中断将导致A1和A2只能收到本站内Agent的信息，waittime到达后将其他站的Agent故障测度值作0处理。
k1点接地时，A5线路主保护于0.236s正常动作，各元件输出见表1。由于变电站A对外通信中断，A1和A2将线路2-5和母线C判为疑似故障，A2于0.391s跳闸，正确动作。
k2点接地时，各元件输出如表2所示。A1和A2将母线A判为疑似故障，而由于A5和A3未接收到A1和A2的信息，判断得出线路2-5、线路3-1和母线A为疑似故障。因此，A1、A2、A3和A4于0.391s左右先后动作跳闸，正确动作。
5 结语
本文提出了一种有限广域内的分布式方向比较算法，该算法不仅能为本站母线和线路提供近后备保护，还能为相邻变电站的母线和出线提供远后备保护。在有限个Agent失效的情况下，该算法还具有较高的容错性；另外，由于该算法涉及的通信范围与通信量较小，通信包种类较少，因此，基于该算法的分布式后备保护系统容易在装置上实现。
参考文献
[1]苏盛，段献忠，曾祥君等.基于多Agent的广域电流差动保护系统.电网技术， 2005，29（14）：15-19.
[2]杨增力，石东源，段献忠.基于方向比较原理的广域继电保护系统.中国电机工程学报，2008，28（22）：87-93.
[3]张保会，周良才，汪成根等.具有容错性能的广域后备保护算法.电力系统自动化，2010，34（5）：66-71.
[4]尹项根，汪旸，张哲.适应智能电网的有限广域继电保护分区与跳闸策略.中国电机工程学报，2010，30（7）：1-7.
作者简介
刘世丹（1987-），男，广东省汕头市人。工学硕士学位。现为广东电网电力调度控制中心助理工程师，从事继电保护专业管理工作。
王增超（1987-），男，山东省青岛市人。工学硕士学位。现为广东电网电力调度控制中心助理工程师，从事继电保护专业管理工作。
梁博（1984-），男，广东省茂名市人。现为广东电网电力调度控制中心工程师，从事继电保护专业管理工作。
作者单位
广东电网电力调度控制中心 广东省广州市 510600endprint
当母线A发生A相接地时，各元件输出如表2所示。母线1-2故障综合值为-4，因此被判为确定故障，其他元件无故障。因此，A1和A2后备保护在0.351s动作，正确动作。
4.2 有限个Agent失效
对于有限个Agent失效的情况，主要考虑线路末端高阻接地时距离元件或序分量方向元件拒动，以及由于通信丢包而导致某个Agent信息未能按时送达，或者故障时某变电站路由器拥塞导致该站所有Agent对外通信中断。下面分别进行讨论：
（1）线路2-5末端高阻接地时A2距离元件拒动。
各元件输出如表3所示。通过计算故障综合值，比较可得，线路2-5和母线A被判为疑似故障，由跳闸策略可知，近后备延时后先跳闸线路2-5，故障在0.351s被切除，母线后备保护返回，正确动作。
（2）k1或k2接地时，A2发给A5的信息包丢失。
Agent2信息包丢失时，A5一直等到waittime结束时，才将A2的故障测度按0处理。
当k1接地时，假设A2和A5的线路主保护都拒动，各元件输出如表4所示，A2于0.251s将线路2-5判为确定故障；A5于0.293s将线路2-5和母线A判为疑似故障，根据跳闸策略，A5将于Tlocal后跳闸。因此，A2在0.351s动作，A5在0.393s动作，正确动作。
当母线A接地时，各元件输出如表2所示。A1和A2于0.251s将母线A判为确定故障，而A5于0.293s将线路2-5判为疑似故障线路。因此，A1和A2在0.351s动作，正确动作。
（3）k1或k2接地时，变电站A对外通信中断。
变电站A对外通信中断将导致A1和A2只能收到本站内Agent的信息，waittime到达后将其他站的Agent故障测度值作0处理。
k1点接地时，A5线路主保护于0.236s正常动作，各元件输出见表1。由于变电站A对外通信中断，A1和A2将线路2-5和母线C判为疑似故障，A2于0.391s跳闸，正确动作。
k2点接地时，各元件输出如表2所示。A1和A2将母线A判为疑似故障，而由于A5和A3未接收到A1和A2的信息，判断得出线路2-5、线路3-1和母线A为疑似故障。因此，A1、A2、A3和A4于0.391s左右先后动作跳闸，正确动作。
5 结语
本文提出了一种有限广域内的分布式方向比较算法，该算法不仅能为本站母线和线路提供近后备保护，还能为相邻变电站的母线和出线提供远后备保护。在有限个Agent失效的情况下，该算法还具有较高的容错性；另外，由于该算法涉及的通信范围与通信量较小，通信包种类较少，因此，基于该算法的分布式后备保护系统容易在装置上实现。
参考文献
[1]苏盛，段献忠，曾祥君等.基于多Agent的广域电流差动保护系统.电网技术， 2005，29（14）：15-19.
[2]杨增力，石东源，段献忠.基于方向比较原理的广域继电保护系统.中国电机工程学报，2008，28（22）：87-93.
[3]张保会，周良才，汪成根等.具有容错性能的广域后备保护算法.电力系统自动化，2010，34（5）：66-71.
[4]尹项根，汪旸，张哲.适应智能电网的有限广域继电保护分区与跳闸策略.中国电机工程学报，2010，30（7）：1-7.
作者简介
刘世丹（1987-），男，广东省汕头市人。工学硕士学位。现为广东电网电力调度控制中心助理工程师，从事继电保护专业管理工作。
王增超（1987-），男，山东省青岛市人。工学硕士学位。现为广东电网电力调度控制中心助理工程师，从事继电保护专业管理工作。
梁博（1984-），男，广东省茂名市人。现为广东电网电力调度控制中心工程师，从事继电保护专业管理工作。
作者单位
广东电网电力调度控制中心 广东省广州市 510600endprint
