馬靜，劉天琪，李興源，胡楠，李茜

(四川大學電氣信息學院，四川成都610065)

基于多代理的多饋入直流輸電換相失敗協(xié)調(diào)預防研究

馬靜，劉天琪，李興源，胡楠，李茜

(四川大學電氣信息學院，四川成都610065)

換相失敗是換流站常見的故障之一，換流站間的交互作用使多饋入直流輸電系統(tǒng)的換相失敗更為復雜，故障嚴重時會引發(fā)并發(fā)換相失敗。換相失敗預防控制器檢測交流系統(tǒng)發(fā)生故障時立刻提前觸發(fā)，增大換相裕度，避免換相失敗。針對多饋入直流輸電系統(tǒng)的交互作用，引入多代理系統(tǒng)，提出了基于多代理的多饋入直流輸電換相失敗協(xié)調(diào)預防方法，并在PSCAD中搭建了多代理換相失敗協(xié)調(diào)預防模塊，將其用于三饋入直流輸電系統(tǒng)進行仿真驗證，結(jié)果表明，多代理換相失敗協(xié)調(diào)預防方法對本地和并發(fā)換相失敗都可進行有效地預防。

換相失敗;多代理;多饋入直流;協(xié)調(diào)預防

1 引言

換相失敗是直流輸電換流站最常見的故障之一，它將導致直流電壓降低、輸送功率減少、電流增大、換流閥壽命縮短等不良后果，若采取的控制措施不正確，還會引發(fā)后繼換相失?。?］。隨著“西電東送”的不斷發(fā)展，高壓直流輸電系統(tǒng)逐漸興起，在電網(wǎng)中形成多饋入直流輸電系統(tǒng)。多饋入直流輸電系統(tǒng)的交互作用使得換相失敗問題更為復雜［2］。

文獻［3］針對單相接地故障，通過解析計算，利用電壓變化來判別換相失敗。文獻［4］將單相接地故障和三相故障分開，分別利用零序電壓和三相電壓經(jīng)abc-αβ變換后的電壓Uαβ來判別換相失敗。文獻［5］提出了一種基于sin-cos分量檢測的改進方法，有效地減少多饋入直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的幾率。但上述文獻均未有針對性地考慮多饋入直流輸電系統(tǒng)的交互作用對換相失敗的影響。

文獻［6］介紹了多代理系統(tǒng)(Multi-Agent Systems，MAS)的結(jié)構(gòu)、作用和優(yōu)點，并概述了其在電力系統(tǒng)中的應用。文獻［7-9］介紹了多代理系統(tǒng)在電力系統(tǒng)控制方面的應用。上述文獻為MAS在電力系統(tǒng)中的應用奠定了基礎。

針對多饋入輸電系統(tǒng)直流間的交互作用，引入多代理系統(tǒng)，提出了基于多代理的多饋入直流輸電換相失敗協(xié)調(diào)預防方法，在PSCAD上搭建了多代理換相失敗協(xié)調(diào)預防模塊，并詳細研究了多代理系統(tǒng)的運行方式和具體結(jié)構(gòu)。重點研究投入基于多代理的換相失敗協(xié)調(diào)預防模塊分別對本地換相失敗和并發(fā)換相失敗的改善情況。仿真結(jié)果表明基于多代理的多饋入直流輸電換相失敗協(xié)調(diào)預防方法可以有效地預防本地換相失敗和并發(fā)換相失敗。

2 換相失敗機理分析

式中，k為變壓器的變比;Id為直流電流;UV為交流電壓有效值;XC為換相電抗;β為越前觸發(fā)角。

當逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障，換相線電壓過零點前移角度φ時，逆變器的關(guān)斷角為

預防換相失敗主要有兩種方法:①增大正常運行時整定的關(guān)斷角γ;②在檢測到將要發(fā)生換相失敗時，減小觸發(fā)角α，增加換相裕度以預防換相失?。?］。由于方法①以消耗無功功率為代價，因此選擇方法②作為預防邏輯。

3 多代理協(xié)調(diào)預防機理

3.1 多代理系統(tǒng)

多代理系統(tǒng)是由多個功能獨立、具有邏輯推理能力和通信能力的代理聯(lián)合而成，每個代理的地位和功能相同，能夠作用于自身和周圍環(huán)境，可解決單個代理不能解決的復雜問題［6］。文中的預防控制代理采用的是JADE(Java Agent Development Framework)代理分層模型，JADE代理分層模型包括三層:消息處理層(message handling layer)、行為層(behavioral layer)、功能層(functional layer)［10，11］，如圖1所示。

當前,醫(yī)養(yǎng)結(jié)合在我國尚處于初步探索階段,已有的研究成果較少,且多集中在醫(yī)療服務管理與養(yǎng)老機構(gòu)服務方式的結(jié)合[3]、醫(yī)養(yǎng)結(jié)合模式創(chuàng)新[4]等領(lǐng)域,對醫(yī)養(yǎng)結(jié)合模式下設施體系構(gòu)建方面研究較少．僅有少部分學者[5]從醫(yī)養(yǎng)機構(gòu)以及養(yǎng)老社區(qū)的體系構(gòu)建、醫(yī)養(yǎng)結(jié)合建筑設計等方面論述，但對醫(yī)養(yǎng)結(jié)合的社區(qū)養(yǎng)老設施的分級、設施體系、功能定位研究不夠．

圖1 JADE代理分層模型Fig．1 Layered architecture employed by JADE agent

功能層實現(xiàn)代理的核心功能，如代理要執(zhí)行的動作。行為層控制代理執(zhí)行特定的動作，當功能層產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)時，行為層將指示消息處理層，告知對新數(shù)據(jù)感興趣的代理;同樣，代理對新收到的消息的反應也是在行為層決定的。消息處理層負責發(fā)送消息和從其他代理接受消息。

3.2 多代理協(xié)調(diào)預防模塊

根據(jù)JADE代理分層模型可知，預防控制代理功能的實現(xiàn)主要在行為層和功能層。功能層主要實現(xiàn)多回直流之間的換相失敗的預防控制。

假設系統(tǒng)中有k回直流，圖2表示第j回HVDC的換相失敗預防控制模塊(Commutation Failure Prevention and Control，CFPC)。CFPC的輸入量為各回HVDC的狀態(tài)信息，主要包括當前的換流母線電壓Udj，CFPC輸出量為附加觸發(fā)角Δαj_CFPC。

圖3給出了CFPC的模塊框圖，其主要由兩個部分組成:①檢測系統(tǒng)發(fā)生單相或三相故障的判斷模塊;②預防控制模塊。

圖2 CFPC j的閉環(huán)控制簡化框圖Fig．2 Simplified closed-loop control diagram of CPFC j

圖3 CFPC j的簡化模塊框圖Fig．3 Simplified block diagram of CPFC j

檢測判斷模塊的功能是檢測逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生的單相或三相故障并發(fā)出信號。發(fā)生單相故障時，換流母線電壓零序電壓［1］為

當零序分量超過預設值DIFF_LEVEL1時，表示該回直流逆變側(cè)發(fā)生的單相故障可能引發(fā)本地換相失敗，輸出信號D1j;當零序分量超過DIFF_LEVEL2時，表示故障可能引發(fā)并發(fā)換相失敗，輸出信號D2j。

發(fā)生三相故障時，檢測三相故障的是基于abc-αβ變換的變換器，其變換方程如下［1］:

式中，Uα和Uβ是矢量Uαβ在αβ平面中沿著α軸和β軸的投影，則Uαβ為

當αβ_DIFF該差值超過預設值αβ_LEVEL1時，表示該回直流逆變側(cè)發(fā)生的三相故障可能引發(fā)本地換相失敗，輸出信號S1j;當其超過αβ_LEVEL2時，表示故障可能引發(fā)換相失敗，輸出信號S2j。

信號D2j、S2j綜合后作為預警信號λj，通過行為層和消息處理層傳給相鄰的直流系統(tǒng)。信號D1j和S1j與相鄰直流輸電系統(tǒng)發(fā)出的預警信號綜合后作為預防模塊的啟動信號。零序分量通過變化轉(zhuǎn)換為Z_AMIN，αβ_DIFF轉(zhuǎn)換為αβ_AMIN，將αβ_ AMIN與Z_AMIN中的最大值作為輸出。

當行為層監(jiān)測到本回HVDC系統(tǒng)發(fā)生可能引發(fā)并發(fā)換相失敗的故障時，發(fā)出進行全局廣播的預警信號，其他直流都可收到該信號。同時，行為層可接受來自其他HVDC系統(tǒng)的預警信號，并根據(jù)自身情況對求助的單回或多回HVDC系統(tǒng)發(fā)出應答預警信號。

消息處理層接收來自其他直流系統(tǒng)發(fā)出的信號并進行解密，再送給行為層使用;接受來自行為層發(fā)送過來的信號并進行加密，再發(fā)至其他直流的換相失敗預防控制代理。

4 仿真

4.1 仿真模型

仿真所用的三饋入直流輸電系統(tǒng)模型是基于CIGRE HVDC標準模型搭建的，如圖4所示。交流系統(tǒng)強度設為SCR1=SCR2=SCR3=2.5，三條直流子系統(tǒng)逆變側(cè)間的耦合阻抗設置為Z13= 0.96pu，Z12=Z23=0.59pu。

圖4 三饋入直流輸電系統(tǒng)模型Fig．4 Three infeed HVDC systemsmodel

4.2 仿真結(jié)果分析

判斷換相失敗的最簡單標準應該以其基本特征為準:關(guān)斷角小于換流閥恢復阻斷能力的時間所對應的角度大小，即γ＜γmin［12］。仿真結(jié)果考慮誤差和安全裕度，γmin設定為7°。

在直流子系統(tǒng)1的逆變側(cè)施加單相接地故障，接地阻抗為R1，仿真結(jié)果如圖5～圖7所示。圖中，γ1、γ2、γ3表示未投入?yún)f(xié)調(diào)預防模塊時子系統(tǒng)逆變側(cè)的關(guān)斷角;γ'1、γ'2、γ'3表示投入?yún)f(xié)調(diào)預防模塊后子系統(tǒng)逆變側(cè)的關(guān)斷角。

圖5 單相接地故障下的子系統(tǒng)1的關(guān)斷角Fig．5 Extinction angle 1 in single-phase earth fault

圖6 單相接地故障下的子系統(tǒng)2的關(guān)斷角Fig．6 Extinction angle 2 in single-phase earth fault

圖7 單相接地故障下的子系統(tǒng)3的關(guān)斷角Fig．7 Extinction angle 3 in single-phase earth fault

投入多代理協(xié)調(diào)預防模塊后，當故障可能引發(fā)本地換相失敗時，子系統(tǒng)1逆變側(cè)的關(guān)斷角提升，表明單相接地故障情況下，投入多代理協(xié)調(diào)預防模塊可有效地預防本地換相失敗。當單相接地故障可能引發(fā)直流子系統(tǒng)1和2的并發(fā)換相失敗時，子系統(tǒng)2逆變側(cè)的關(guān)斷角增大，當單相接地故障更大到可能引發(fā)三條直流子系統(tǒng)的并發(fā)換相失敗時，子系統(tǒng)3逆變側(cè)的關(guān)斷角均增大至7°以上，表明單相接地故障情況下，投入多代理協(xié)調(diào)預防模塊可有效地預防并發(fā)換相失敗。

圖8～圖10為三相接地故障，接地阻抗大小為R'1時的測試結(jié)果。

圖8 三相接地故障下的子系統(tǒng)1的關(guān)斷角Fig．8 Extinction angle 1 in three phase earth fault

圖9 三相接地故障下的子系統(tǒng)2的關(guān)斷角Fig．9 Extinction angle 2 in three phase earth fault

由圖5～圖10可知，在單相和三相接地故障情況下，投入多代理換相失敗協(xié)調(diào)預防模塊均可在一定程度上預防本地和并發(fā)換相失敗。

為研究不同故障時刻對換相失敗的影響，引入換相失敗免疫指標(Commutation Failure Immunity Index，CFII)和并發(fā)換相失敗免疫指標(Concurrent CFII)，可量化發(fā)生本地換相失敗和并發(fā)換相失敗的容易程度?？紤]到最嚴重的干擾是三相電感故障，CFII定義為不會導致系統(tǒng)換相失敗的最嚴重三相電感故障下的短路容量與直流輸電線路額定輸送功率的比值［13］:

圖10 三相接地故障下的子系統(tǒng)3的關(guān)斷角Fig．10 Extinction angle 3 in three phase earth fault

式中，Uac為逆變側(cè)交流母線額定線電壓;Lmin為最小可能的不會導致?lián)Q相失敗的故障電感;Pdc為直流輸電線路額定輸送功率。

三饋入直流輸電系統(tǒng)中直流子系統(tǒng)1和2的耦合程度較子系統(tǒng)1和3的耦合更緊密，因此僅考慮直流子系統(tǒng)1和2發(fā)生并發(fā)換相失敗的情況。并發(fā)換相失敗免疫指標的定義如式(7)所示，式中，Lmin指直流子系統(tǒng)1逆變側(cè)發(fā)生故障而剛好不造成直流子系統(tǒng)2逆變側(cè)換相失敗的故障電感［14］。

表1給出了不同時刻的系統(tǒng)換相失敗免疫指標值。CFII1、CFII'1和CFII″1分別表示未投入、投入換相失敗預防控制模塊和投入多代理換相失敗協(xié)調(diào)預防模塊下子系統(tǒng)1的本地換相失敗免疫指標，Con CFII、Con CFII'和Con CFII″分別表示上述三種不同情況的并發(fā)換相失敗免疫指標。

表1 不同故障時刻的換相失敗免疫指標值Tab．1 Commutation failure immunity index of different faultmoments

由表1可知，投入多代理換相失敗協(xié)調(diào)預防模塊后，CFII和Con CFII的值得到提高，系統(tǒng)發(fā)生本地換相失敗和并發(fā)換相失敗的容易程度均有所降低，說明該協(xié)調(diào)預防模塊可以有效地預防本地和并發(fā)換相失敗;投入多代理協(xié)調(diào)預防模塊和投入換相失敗預防控制模塊相比，前者的并發(fā)換相失敗免疫指標更大，說明其能更好地預防并發(fā)換相失敗。在3.104s時刻投入故障時，換相失敗沒有得到改善，因為此時換流閥已經(jīng)開始換相，提前觸發(fā)不能避免換相失敗，在換相未開始時，投入多代理協(xié)調(diào)預防模塊后，本地和并發(fā)換相失敗均得到較好的改善。

5 結(jié)論

換相失敗是多饋入直流輸電系統(tǒng)中常見的故障之一，針對各直流子系統(tǒng)的交互作用，利用多代理系統(tǒng)的特點，提出基于多代理的多饋入直流輸電換相失敗協(xié)調(diào)預防方法，在PSCAD平臺上搭建了多代理換相失敗協(xié)調(diào)預防模塊。研究在三饋入直流輸電系統(tǒng)的直流子系統(tǒng)1的逆變側(cè)換流母線上施加單相和三相接地故障時，投入基于多代理的換相失敗協(xié)調(diào)預防模塊分別對本地換相失敗和并發(fā)換相失敗的改善情況。仿真結(jié)果表明基于多代理的多饋入直流輸電換相失敗協(xié)調(diào)預防方法可以有效地預防本地和并發(fā)換相失敗，可為實際系統(tǒng)的應用提供理論依據(jù)。

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(，cont．on p.80)(，cont．from p.65)

M ethod of coordinated prevention of commutation failure based on multi-agent in M IDC

MA Jing，LIU Tian-qi，LIXing-yuan，HU Nan，LIQian
(School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China)

Commutation failure is one of the common faults of the converter station in high-voltage direct current transmission system．Commutation failure ismuchmore complicated because of the interaction between the converter stations in multi-infeed HVDC systems，in which concurrent commutation failure can occur with a serious fault．The function of commutation failure prevention controller is to increase the commutationmargin immediately to avoid commutation failure by decreasing firing angle when the faults of the AC system are detected，while the impact and importance of interactions are ignored．Formulti-infeed HVDC system interactions，themethod of commutation failure coordinated prevention based on themulti-agent system is proposed．In this paper，themulti-agency prevention module is builtand applied to the three infeed HVDC systems in PSCAD．The simulation results of the three infeed HVDC systems show that themulti-agency coordination prevention method can be effective in preventing local and concurrent commutation failure．

commutation failure;multi-agent;multi-infeed DC;coordinated prevention

TM721.1

A

1003-3076(2015)03-0061-05

2013-12-02

國家自然科學基金重點項目(51037003)、國家電網(wǎng)公司大電網(wǎng)重大專項資助項目(SGCC-MPLG027-2012)

馬靜(1991-)，女，四川籍，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制;劉天琪(1962-)，女，四川籍，教授，博士生導師，研究方向為電力系統(tǒng)分析計算與穩(wěn)定控制、高壓直流輸電及調(diào)度自動化。