基于Multi-Agent的电网广域备自投控制系统

冯彦钊，陈梦涛，龚石林，张兆云，陈卫

（1. 云南省电力公司，云南 昆明 650011；2. 华中科技大学 强电磁工程与新技术国家重点实验室，

湖北 武汉 430074）

目前，随着经济社会的发展，用户对供电可靠性的要求越来越高，备自投作为一种保证供电可靠性的有效措施，一直受到电力系统运行部门和相关研究工作者的关注[1-4]。传统备自投装置通常分散装设于各个变电站中，利用就地信息实现站内电源的备用，但仅依靠站内信息，仍存在以下一些局限[5-6]：

1）只考虑其本身所在厂站内的相关信息，对整个电网信息的利用有限，对备自投动作条件、闭锁条件等考虑不够全面[7-8]。

2）仅考虑了本地变电站母线电压或线路电流，而没有考虑备用电源侧主变的容载比、线路的热稳定极限等，如果负荷转移之后备用电源侧过载，则有可能导致故障扩大[9]。

3）现有备自投装置无法区分是线路故障还是安全稳定装置动作远切负荷造成的主电源失电，无法实现与安全稳定控制装置的协调动作[10]。

4）难以实现站间备自投功能，同时也无法实现其他变电站备自投的协调动作。

针对常规备自投的不足，国内外学者做了大量的研究工作。文献[11]提出了一种基于能量管理系统的广域备自投控制模式。文献[12]提出了一种主站区域备用电源自动投入系统，在调度自动化的基础上，实现串供接线的站间备自投。基于EMS中的高级应用，文献[13]提出了一种广域备自投控制决策系统。这些网络备自投方法的共同点是依赖现有自动化系统，具有集中式控制、决策信息来源丰富、系统搭建工作量小等特点。然而，这些网络备自投方法，无法摆脱集中式控制模式，网络通信量大、传输实时性和可靠性差等难以回避的问题。另外，在控制中心统一进行备自投建模、决策，也存在建模复杂、工作量巨大等有待进一步解决的问题。

为克服这些缺点，本文基于Multi-Agent分层分布式控制原理[14-15]，提出了一种电网广域备自投系统，并介绍了该系统的结构、功能和实现方案。该系统通过Multi-Agent的分散协调，实现了全网备自投的最优决策，提高了备自投动作策略的安全性。

1 基于Multi-Agent的电网广域备自投控制系统框架

1.1 Agent的基本特性

Agent是对过程运行中的决策或控制任务进行抽象而得到的一种具有主动行为能力的实体。Agent基本特性包括：自治性、可通信性、反应性、面向目标性和针对环境性等。多个Agent之间相互通信，进行协调或者协作，就形成了Multi-Agent系统。Multi-Agent系统通过任务分解和任务协调提高整体解决问题的能力，克服了单个Agent知识不完全、处理信息不准确的缺点。

电网中的备自投装置是按地域分散配置的，控制装置之间只有相互协调才能实现全网优化控制。Multi-Agent技术的特点显示了它在解决广域备自投控制问题上的优势。

1.2 系统框架

基于Multi-Agent的电网广域备自投系统，将各变电站独立分散配置的备自投装置看作在地理上分布的、有一定自治能力的Agent，它在区域级Agent的协调下，构成一个分层分布式的广域备自投控制系统。区域协调级Agent通过协调各站级Agent，共同完成全网的最优备自投控制。其系统结构如图1所示。

1.3 Agent的任务执行机制

基于Multi-Agent的电网广域备自投系统中Agent执行控制任务有以下2种基本方式：

1）基于就地环境信息的自治方式。站级Agent通过本站信息搜索获取站内网架的拓扑结构，自主确定备自投的充电条件、动作条件、闭锁条件、动作序列和判据逻辑，自动建立全站的备自投模型；感知站内环境信息的变化，自动执行各备自投的逻辑。这种控制方式和现有各站分散备自投一致。

2）基于通信协调的请求-响应方式。当某一站级Agent需要其他Agent协助完成控制任务时，向区域协调Agent发送任务协调请求，通过区域协调Agent协调各站级Agent共同完成任务。当变电站无充足备用电源时，站级Agent无法独立建立起完整的备自投模型，通过向区域协调Agent发送请求，在区域协调Agent的协调下，建立起站间备自投模型。在备自投的执行过程中，由于开关操作将会改变整个网络的潮流，有可能引起线路过载或者变压器过载，因此站级Agent需要在区域协调Agent的协调下，对备自投控制策略进行安全校验，对于可能引起电网静态安全越限的策略进行修正，得到最终的控制策略。其系统结构如图1所示。

图1 基于Multi-Agent的电网广域备自投系统的结构Fig. 1 Structure of wide area automatic switchover system based on Multi-Agent

1.4 区域协调Agent的构造

区域协调Agent是从全局的角度考虑电网运行变化，协调各站级Agent的资源，实现全网范围的备自投的最优决策与控制，保证对用户的可靠供电和电网稳定。其协调作用主要体现在站间备自投的建模和全网备自投控制策略的校验和修正。其结构如图2所示。

区域协调Agent各模块的功能如下：

1）通信模块，一方面通过接收各站级Agent发送的数据和请求信息，另一方面将区域协调结果下发给各站级Agent。

2）数据库中存放站级Agent发送的数据和请求信息、区域协调结果、各Agent的网络标识等信息。

3）知识库中存放Agent术语、各种备自投模型（进线备自投、分段备自投。变压器备自投）以及各自的充放电逻辑和动作逻辑的整定原理等知识。区域协调Agent通过协调全网各站级Agent完成备自投逻辑的整定和动作逻辑的协调执行。

图2 区域优化协调Agent的结构Fig. 2 Structure of the local optimal control Agent

4）网络分析模块利用数据库中获得的全网状态信息、备自投动作信息等，通过网络潮流分析对各站级Agent的备自投策略进行安全校验，以防止备自投动作引起电网静态安全越限。

5）策略修正模块根据网络分析模块的结果对站级Agent的备自投策略进行修正。

1.5 站级Agent子系统的构造

各站级Agent的控制目标是在区域Agent的协调下通过搜索获取站内网架的拓扑结构，确定备自投的充电条件、动作条件、闭锁条件、动作序列和判据逻辑，自动建立全站的备自投模型；感知站内环境信息的变化，在区域Agent的协调下，从全网的角度对控制策略进行安全校验，对于可能引起电网静态安全越限的策略进行修正，得到最终的控制策略并自动执行各备自投的逻辑。其结构如图3所示。

图3 站级Agent模型的系统结构Fig. 3 System construction of Agent model in the substation

当然为了进一步发挥各站级Agent系统的独立性和对环境的适应性，各站级Agent可以工作在基于当地环境信息的自治方式下，各站级Agent只根据各站内的信息实现站内备自投逻辑。

站级Agent的各模块的功能如下：

1）数据采集模块感知变电站运行方式的变化，采集备自投所需要的母线电压电流，进线电压电流，各断路器的状态，以及其他保护闭锁信号等信息，并存放到数据库中。

2）数据库中存放备自投所需要的数据、本地Agent的网络标识。

3）通信模块与区域协调Agent进行通信，一方面将数据库中的数据发送给区域协调Agent，另一方面接收区域协调Agent发来的协调结果。

4）知识库中存放Agent术语、各种备自投模型（进线备自投、分段备自投。变压器备自投）的建模原理（充电条件、放电条件、闭锁条件、动作条件、动作序列）、过负荷策略等知识。

5）备自投建模模块利用知识库中的备自投建模原理，结合数据采集模块获得的本站的运行方式等信息，在区域协调Agent的协调下，建立变电站的备自投模型。

6）逻辑判断模块包括充电逻辑判断模块、放电逻辑判断模块、闭锁逻辑判断模块、动作逻辑判断模块、过负荷逻辑判断模块和过负荷策略生成模块等子模块组成，完成备自投的充放电逻辑、动作逻辑、过负荷逻辑的判断及过负荷备自投控制策略的校验和修正。

7）执行模块根据控制决策进行备自投动作序列的执行。

2 系统实现

2.1 备自投建模

站级Agent在区域协调Agent的协调下，通过搜索获取站内网架的拓扑结构，自动匹配备自投模型，确定备自投的充电条件、动作条件、闭锁条件、动作序列和判据逻辑，自动建立全站的备自投模型。对于有充足备用电源的变电站，其站级Agent可以独立生成全站的备自投模型；对于无充足备用电源的变电站（如串行供电、T型接线等），站级Agent需要向区域协调Agent发出请求，在区域协调Agent的协调下，建立站间广域备自投模型。以图4所示的串行供电为例，说明站间备自投建模的过程。图中DU1-DU6为开关（实心表示合位，空心表示分位），变电站A、B由电源1串行供电。

图4 单电源串行供电故障Fig. 4 Fault of the single power supply

假设变电站A、B配有常规备自投，当前运行方式下，当线路1发生故障，1DU、2DU跳开，变电站A、B同时失电，只有变电站B的常规备自投动作，跳开4DU，合上5DU，最终A变电站失电。

本文所提的方法中，由于变电站A的两路进线开关均处于合位，其站级Agent无法生成变电站的备自投模型，向区域协调Agent发出协调请求；区域协调Agent收到变电站A站级Agent 发送的请求信息，通过拓扑分析，向变电站B站级Agent发送请求协调信息；变电站B站级Agent 收到区域协调Agent的请求消息后做出应答，变电站A站级Agent 与变电站B站级Agent相互协调，建立站间备自投模型（见图5），当出现线路1发生故障时，动作跳开2DU，合上5DU，从而避免了常规备自投造成串供站A失电。

图5 电网备自投协调建模过程示意图Fig. 5 Diagram of the coordinated modeling of the automatic switchover

2.2 控制策略生成与修正

建立备自投模型后，站级Agent系统根据采集到的变电站状态信息，驱动相应的备自投逻辑。当备自投模型满足充电条件之后，该备自投模型投人运行。当运行的备自投模型满足动作条件之后，备自投模型将产生动作策略。由于动作策略涉及开关的操作而改变整个网络的潮流，有可能引起线路过载或者其他变电站的变压器过载，所以站级Agent在备自投满足动作条件后，需要向区域协调Agent发出动作请求；区域协调Agent在收到动作请求后，对控制策略进行安全校验，对于可能引起电网静态安全越限的策略进行修正，得到最终的控制策略，否则维持站级Agent的动作策略不变。区域协调Agent对动作策略进行校验和修正流程如图6所示。

图6 备自投动作策略的修正Fig. 6 Correcting operation of the automatic switchover system

3 系统测试及应用

广域备自投系统已在云南电网部分地区进行了安装，调试运行成功，本文仅以图7所示的某变电站接线（图中实心表示合位，空心表示分位）为例说明备自投系统的工作原理。由于本站拥有备用电源，其站级Agent可以独立建立备自投模型，建立的备自投模型同经典模型相似，不在赘述。

图7 110 kV某变电站接线Fig. 7 Electric diagram of an 110 kV substation

通过人工模拟故障，使进线L1、L2失压，变电站失电，变电站备自投满足动作条件，其站级Agent向区域协调Agent发送动作请求（跳开关121、122，合开关123），区域协调Agent收到动作请求后，判断非上级变电站安稳装置动作，根据动作后的拓扑进行潮流计算，发现备自投动作后，线路L3功率越限，需切除12.13 MW，区域协调Agent通过计算，形成切负荷策略如表1所示，将切负荷策略下发，变电站站级Agent收到切负荷策略后，切除对应线路，切除完成后，跳开121、122开关，确认121、122开关断开后，合上123开关。最终形成了备自投的最优动作。

表1 切负荷策略Tab. 1 Strategy of load-shedding

测试结果表明能实现了全网备自投的最优决策，提高了备自投动作策略的安全性。

4 结论

本文基于MAS的分层分布式控制原理，提出了一种基于Multi-Agent广域备自投控制系统，通过各分散Agent的协调控制，完成了全网备自投的自适应建模，解决了无备用电源变电站的备自投问题，并对备自投策略进行安全校验和修正，实现了全网备自投的最优决策，提高了备自投动作策略的安全性，同时也克服了网络备自投集中控制模式的缺点。

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