基于免疫Agent的配電網(wǎng)電纜線路故障自愈系統(tǒng)

王雷

（國網(wǎng)冀北電力有限公司三河市供電分公司燕郊高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)供電中心，河北廊坊 065201）

目前，我國配電網(wǎng)絡(luò)的自動化程度仍較低，供電故障檢測、隔離、恢復(fù)等基礎(chǔ)工作已很難滿足廣大用戶對供電質(zhì)量的需求。根據(jù)統(tǒng)計，每年都會存在一大部分由配網(wǎng)造成的供電事故。隨著多種新的可再生能源的加入，以及電力供應(yīng)模式的多元化，任何不正常的操作都會對電力供應(yīng)的品質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。自愈技術(shù)是配電網(wǎng)智能化的具體體現(xiàn)，其與配電網(wǎng)的免疫機制一樣，對確保配電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行發(fā)揮著重要作用。文獻[1]提出的基于配電自動化的自愈系統(tǒng)，通過使用自動化技術(shù)分析配電網(wǎng)電纜線路單相接地情況，并進行精準(zhǔn)定位。通過定位結(jié)果重構(gòu)配電網(wǎng)電纜線路，實現(xiàn)線路自愈；文獻[2]提出的計及充換放儲一體化配電網(wǎng)故障恢復(fù)方法，以系統(tǒng)孤島負荷、網(wǎng)損為不同層優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建配電網(wǎng)電纜線路故障多層優(yōu)化模型，結(jié)合混沌模擬退火競爭算法對模型進行優(yōu)化，實現(xiàn)線路自愈。

配電網(wǎng)線路是一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，一旦配電網(wǎng)電纜線路出現(xiàn)故障，就需要停機檢查，該過程會造成設(shè)備損耗。因此，設(shè)計了一種基于免疫Agent 的配電網(wǎng)電纜線路故障自愈系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于免疫Agent 的配電網(wǎng)電纜線路故障自愈系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，控制系統(tǒng)包括分布式電源、控制器、分級控制器、中央控制器和調(diào)度中心，其中分布式電源和控制器，負責(zé)對網(wǎng)絡(luò)接口和分布式供電自身進行控制；中央控制器負責(zé)管理配電網(wǎng)電壓、頻率和運行模式；調(diào)度中心負責(zé)對多個微網(wǎng)進行統(tǒng)一管理[3]。

1.1 免疫Agent結(jié)構(gòu)

為了提高配電網(wǎng)的自愈能力，將內(nèi)部單元劃分為兩類，并給出具體代理結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 免疫Agent結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，一種是領(lǐng)導(dǎo)代理，部署在各個電纜線路內(nèi)的分段開關(guān)上，另一種是成員代理，部署在電纜線路的負荷上[4]。成員代理能夠?qū)⑧徑灾螀^(qū)的負荷、備用電源、發(fā)送狀況等信息傳遞給離失效地點最近的代理，并僅與離故障點最近的一個代理通信。例如，負載代理被分配到一個負載和一個數(shù)字網(wǎng)絡(luò)之間，以收集數(shù)據(jù)線區(qū)域負荷，并和其他成員代理進行互動。同時，還可以檢查相應(yīng)連接開關(guān)是否閉合[5-6]。交換機的分布分散，用于采集線纜內(nèi)部狀況，并按不同情況進行故障修復(fù)，將消息傳送到各線纜中的成員代理，進行電力恢復(fù)工作[7]。

1.2 智能控制終端

智能控制終端起到了饋電代理的作用，能夠獨立地進行分布式控制。該終端不僅能夠?qū)崟r監(jiān)測故障狀態(tài)，還能處理復(fù)雜數(shù)據(jù)，由此實現(xiàn)就地控制[8]。

該終端以ARM9 為主要處理單元，ARM 為核心，以可編程門陣為中心，對其進行控制，具有400 MHz的主頻以及豐富的界面資源，便于與外部通信，并具有可擴充的功能模塊[9-10]。通過FPGA 功能模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對高速數(shù)據(jù)的采集、處理，將處理結(jié)果作為依據(jù)進行故障檢測和各種邏輯控制。

1.3 通信服務(wù)器

針對配電網(wǎng)絡(luò)中的問題，根據(jù)其本身的特點和分布的特點，提出了一種“聯(lián)邦”架構(gòu)，并將其與分層設(shè)計相結(jié)合，構(gòu)建了一種適用于配電網(wǎng)絡(luò)的自修復(fù)系統(tǒng)。在“聯(lián)邦”架構(gòu)中，一個介子把一系列代理集中成一個代理，而子集的代理只和這個代理通信。該介子負責(zé)子中心代理的行為控制，并與其他代理進行交流和協(xié)調(diào)[11]。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

針對故障診斷問題，免疫Agent 的作用是對被稱作抗原的非自我物質(zhì)進行體內(nèi)或體外的檢測與鑒別。其工作原理對電力系統(tǒng)中的配電網(wǎng)電纜線路的研究具有一定的參考價值。

2.1 故障自愈模型構(gòu)建

配電網(wǎng)的故障定位、隔離與維護是實現(xiàn)配電網(wǎng)電纜線路故障自愈的一種重要方法，該系統(tǒng)可實時分析、判斷所收集的斷路器及故障指示，并通過各個分支機構(gòu)的指揮，迅速準(zhǔn)確地找到最佳停電恢復(fù)方案[12]。

當(dāng)電纜線路發(fā)生故障時，關(guān)鍵負荷的優(yōu)先級別為最高，因此，最大限度恢復(fù)優(yōu)先級高的負荷便于電纜線路正常運行，由此構(gòu)建的故障自愈模型如下所示：

式中，ωi、ωj分別表示i、j節(jié)點的權(quán)重系數(shù)；qi、qj分別表示i、j節(jié)點的負荷；‖λi‖表示負荷供電狀態(tài)向量幅值；n表示供電節(jié)點總數(shù)。當(dāng)時，說明節(jié)點i與配電網(wǎng)電纜線路無負荷通過，即負荷處于孤島狀態(tài)[13]；當(dāng)=1 時，說明節(jié)點i與配電網(wǎng)電纜線路有負荷通過，即電纜線路連接正常。

2.2 故障自愈拓撲約束

對于電纜線路輻射狀約束，可表示為：

式中，Ek表示電纜線路正常運行情況下的線路結(jié)構(gòu)；SR表示滿足輻射狀運行的線路結(jié)構(gòu)集合。對于支路潮流容量約束，可表示為：

式中，Wkmax表示電纜線路支路額定容量；Wk表示流過電纜線路支路的功率[14]。

對于節(jié)點電壓、電流約束，可表示為：

式中，Umin、Imin分別表示節(jié)點電壓、電流下限；Umax、Imax分別表示節(jié)點電壓、電流上限。

2.3 自愈執(zhí)行過程

在故障自愈拓撲約束條件下，確定評估價指標(biāo)，公式為：

式中，Q表示自愈執(zhí)行方案恢復(fù)的所有負荷容量；m表示重復(fù)操作次數(shù)；M表示電纜線路裕度；B表示饋線條數(shù)；α1、α2、α3、α4均表示各項指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)[15]。當(dāng)故障發(fā)生后，通過獲取全局信息來制定自愈方案。

在系統(tǒng)的實施中，主要是通過對主控系統(tǒng)的故障進行早期檢測與診斷，然后利用智能決策、主動調(diào)整或其他相關(guān)方法來防止和解決主控系統(tǒng)故障[16]。系統(tǒng)自愈執(zhí)行過程，如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)自愈執(zhí)行過程

由圖3 可知，通過定義控制文件大小，將各個自愈執(zhí)行策略映射到免疫Agent 系統(tǒng)，從而構(gòu)造出免疫Agent 系統(tǒng)的主體間的概念映射空間。以免疫系統(tǒng)的特征為主體的抽象結(jié)構(gòu)，通過不同功能的免疫代理構(gòu)成了一個子系統(tǒng)。在多代理系統(tǒng)中，每個代理都攜帶著本地的信息，利用這些信息進行空間搜索，從而表現(xiàn)出復(fù)雜的群體行為，并以一種穩(wěn)定的方式完成任務(wù)。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 配電網(wǎng)電纜線路結(jié)構(gòu)

為了驗證基于免疫Agent 的配電網(wǎng)電纜線路故障自愈系統(tǒng)的設(shè)計合理性，設(shè)計以下實驗完成相關(guān)測試。實驗配電網(wǎng)電纜線路結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 配電網(wǎng)電纜線路結(jié)構(gòu)

對于圖4 所示的電纜線路，使用繼電保護裝置為實驗平臺供電。

3.2 實驗結(jié)果與分析

對于三個故障區(qū)域，該文系統(tǒng)的自愈結(jié)果如表1所示。

表1 該文系統(tǒng)配電網(wǎng)電纜故障自愈結(jié)果

由表1 可知，應(yīng)用該文系統(tǒng)后98%以上的配電網(wǎng)電纜故障得以自愈，應(yīng)用效果非常理想。

對比分析三種方法的自愈時間，結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)方法自愈時間對比

由表2 可知，經(jīng)過300 次迭代處理后，文獻[1]系統(tǒng)和文獻[2]系統(tǒng)的耗時均高于該文系統(tǒng)。通過分析結(jié)果可知，使用基于免疫Agent 的自愈系統(tǒng)自愈時間最短。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計了一種基于免疫Agent 的配電網(wǎng)電纜線路故障自愈系統(tǒng)，根據(jù)配電網(wǎng)電纜線路結(jié)構(gòu)特征，給出了自愈系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)與約束條件。結(jié)合免疫Agent 算法，實現(xiàn)配電網(wǎng)電纜線路故障自愈。雖然該文已經(jīng)深入研究了配電網(wǎng)電纜線路故障自愈模式，但是在日后研究中還需要針對自愈系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理、圖形配置等方面的技術(shù)進一步開發(fā)和設(shè)計。