基于多Agent系统的船舶交流配电网选择性保护方法

摘要

本发明涉及一种基于多Agent系统的船舶交流配电网选择性保护方法，针对船舶交流配电网络中的每个断路器建立相应的断路器Agent软硬件系统，作为断路器的保护装置；各断路器Agent通过电流传感器同时采集流过对应断路器安装点处的三相电流i

说明书

技术领域

本发明涉及船舶电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种基 于多Agent系统的船舶交流配电网选择性保护方法，适用于船舶交 流电力系统配电网络保护系统的选择性和快速性保护的实现。

背景技术

区别于陆地电力系统，船舶电力系统电压等级低、供电面积小、 馈电线路短，因而短路电流大，而船舶上的操舵装置、导航、通信 等重要负载失电将对船舶航行安全带来严重影响，因此要求较高的 供电可靠性，应尽量避免因单一短路故障导致大量开关跳闸，这就 对船用保护装置的保护选择性提出了较高的要求。

船舶电力系统为实现保护的选择性，一般基于电流原则和时间 原则，对各级断路器的短路保护动作电流值和短路动作延时时间进 行整定。但由于船舶电力系统电缆长度较短，在配电网侧，短路故 障点的位置和其间电缆的长短对短路电流大小的影响较小，按照电 流原则整定，仅在个别情况下保证保护选择性。按照时间原则可以 较好的实现选择性，但由于各级断路器延时时间随着配电层级不断 增大，将严重影响保护的快速性。这就要求船舶电网保护系统最大 限度兼顾保护的选择性和快速性。

随着船舶电力系统容量逐渐增大，大型船舶电网短路故障电流 峰值可达40kA以上，而随着船用电气负载的增加，船舶电网供电区 段变多，配电级数增加。配电级数增多后，各级断路器延时间隔时 间不能过长，否则将故障切除时间过长，严重影响保护的快速性。 而由于短路电流大，短路电流切除时间长，往往先动作的下级断路 器，在上级断路器短暂延时后仍未分断短路电流，造成上下级开关 一起跳闸，保护选择性不能满足。传统的基于电流和时间原则的选 择性保护方法面临具大挑战。

为提高继电保护技术性能并适应电力系统不断发展，在传统的 三段式电流保护方法的基础上，又出现了距离保护、差动保护、行 波保护等新型继电保护方法，但这些保护方法主要针对高电压、长 线路、电网结构相对固定的陆地电网，在应用船舶电力系统继电保 护时存在不足。

由于船舶电网空间面积有限，上下级保护装置间线路短(最长 不超过200m，最短时只有不到10m)，线路阻抗小，应用距离保护 时，考虑到互感器测量误差的存在，测量阻抗很难准确反映故障点 位置，严重时将导致保护选择性失效。而应用行波保护方法时，由 于线路距离短，正反向行波脉冲到达检测点的时间差极小，因而对 故障信号的检测、分析和处理速度的要求极为苛刻，同时还无法避 免因测量和计时误差而导致的故障测距不准。就现阶段的技术水平， 尚无将行波保护应用于船舶电力系统的可行性。

差动保护方法被认为是具有绝对选择性的继电保护方法，但传 统电磁式差动保护方法需要在每一段被保护线路的两侧安装电流互 感器，并通过导引线将电流互感器连接成差动回路，这无疑增加了 整个保护系统的复杂性，对于空间紧张的船舶电力系统来说，差动 保护的应用难度较大，而且相互独立的差动保护装置在开放性、可 扩展性方面也存在不足。

为此，需要一种适用于船舶交流配电网络特点的短路故障选择 性保护方法，在有效实现保护的选择性的同时兼顾和提高保护的快 速性，从而保证船舶配电网络安全运行。

发明内容

本发明的目的是为了克服传统的基于电流原则和时间原则的船 舶电网保护方法的缺陷和不足，提供一种基于多Agent系统的船舶 交流配电网选择性保护方法，以提高船舶交流配电网短路故障保护 的选择性和快速性。

为实现上述目的，本发明设计的基于多Agent系统的船舶交流 配电网选择性保护方法，其特征在于，包含以下步骤：

第(一)步，针对船舶交流配电网络中的每个断路器建立相应 的断路器Agent软硬件系统，作为断路器的保护装置；

第(二)步，各断路器Agent通过电流传感器同时采集流过对 应断路器安装点处的三相电流i_a、i_b、i_c；

第(三)步，各级断路器Agent利用采集到的各断路器三相电 流实时数据，计算三相电流的电流变化率；

第(四)步，将计算得到的三相电流变化率的绝对值分别与短 路故障电流变化率阈值进行比较，并将三相电流绝对值与短路故障 电流阈值进行比较，若任意一相电流绝对值在整定的阈值范围内， 且任意一相电流变化率在整定的阈值范围内，则判断出现了短路故 障，反之，则说明未发生短路故障；

第(五)步，各级断路器Agent若检测到了短路故障，则与相 邻上、下级断路器Agent进行通信应答，交互各自短路故障检测的 结果信息，并根据选择性保护动作策略进行决策，输出动作指令， 使对应的断路器跳闸，从而实现船舶配电网络选择性保护。

在上述技术方案中，各级断路器Agent选择性保护动作策略方 法如下：

第(一)步，末端断路器Agent若检测到短路故障则立即输出 动作信号使断路器跳闸，并在收到上级断路器Agent的询问信息后， 将动作结果反馈给上级断路器Agent，若末端断路器Agent未检测到 短路电流，则在收到上级断路器Agent的询问信息后，将故障判断 结果反馈给上级断路器Agent。

第(二)步，中间级断路器Agent若检测到短路故障，则向其 下级各断路器Agent发出询问请求；若下级断路器Agent返回来的 询问结果表明下级断路器Agent检测到短路故障，则开始计时，在 计时到延时动作时间后，判断短路电流故障是否仍存在，若仍存在 则输出动作信号使对应断路器跳闸动作，若短路电流故障排除，则 不输出断路器动作信号；若询问结果表明下级断路器Agent均未检 测到短路故障，则立即输出动作信号使对应断路器跳闸动作；

中间级断路器Agent在与其下级断路器Agent通信的同时，若收 到其上级断路器Agent的询问信息，将短路故障判断结果反馈给上 级断路器Agent；

第(三)步，顶端断路器Agent若检测到短路故障，则向其下 级各断路器Agent发出询问请求；若下级断路器Agent返回来的询 问结果表明下级断路器Agent检测到短路故障，则开始计时，在计 时到延时动作时间后，判断短路电流故障是否仍存在，若仍存在则 输出动作信号使对应断路器跳闸动作，若短路电流故障排除，则不 输出断路器动作信号；若询问结果表明下级断路器Agent均未检测 到短路故障，则立即输出动作信号使对应断路器跳闸动作。

本发明同时提供了一种实现上述基于多Agent系统的船舶交流 配电网选择性保护方法的系统，其包括以下模块：

通信模块，其输入端和输出端均与通信协调Agent模块连接并 进行通信，用于完成与相邻断路器Agent的通信交互；

通信协调Agent模块，其输入端与故障诊断Agent模块连接并 进行通信，其输入端和输出端与综合决策Agent模块连接并进行通 信，用于计完成与相邻断路器Agent的通信交互；

综合决策Agent模块，其输入端和输出端均连接通信协调Agent 模块、故障诊断Agent模块、监控Agent模块，用于综合故障诊断、 通信信息及断路器状态信息，按照断路器选择性保护动作策略进行 综合决策，并输出断路器保护动作信号；

监控Agent模块，其输入端和输出端均连接综合决策Agent模 块、监控模块，用于管理断路器状态信息，并接收断路器保护动作 信号，并输出给外部监控模块；

故障诊断Agent模块，其输入端连接A/D转换器，其输入端和 输出端均连接综合决策Agent模块，用于计算电流变化率并与阈值 比较，以判断短路故障；所述A/D转换器用于将电流互感器采集到 的电流模拟信号转换为数字信号。

本发明采用上述技术方案进行船舶交流配电网选择性保护，具 有以下优点是：

(1)本发明通过检测电流变化率判断短路故障，能够在短路电 流未达到峰值的初始时刻下，快速准确地判断出短路故障，为各级 断路器Agent协同保护决策和动作争取了时间，提高了保护的快速 性。

(2)本发明中，各断路器Agent根据选择性保护动作策略进行 决策和动作，能够准确、可靠和完全地实现配电网络短路故障的保 护的选择性。

(3)本发明中，各断路器Agent同时进行电流检测和短路故障 判断，在相互进行通信时，仅交互短路故障判断结果，通信量极少， 从而有效提高了通信速度，缩短协同保护动作决策时间。

(4)本发明方法，运算量和通信量少、步骤简便、易于实现， 所需增加的装置较少，且能有效地实现船舶配电网络保护的选择性 和快速性。

附图说明

图1是断路器Agent硬件结构图；

图2是断路器Agent软件系统图；

图3是船舶交流配电网络多Agent继电保护系统示意图；

图4是末端断路器Agent选择性保护动作决策流程图；

图5是中间级断路器Agent选择性保护动作决策流程图；

图6是顶端断路器Agent选择性保护动作决策流程；

图7是基于CAN总线的多Agent通信硬件系统图(部分)；

图8a、8b、8c、8d是F1点短路保护实验结果；

图9a、9b、9c、9d是F2点短路保护实验结果。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

船舶交流配电网络短路故障选择性保护方法，包括以下步骤：

第一步：针对船舶交流配电网络中的每个断路器建立相应的断 路器Agent软硬件系统，作为断路器的保护装置。

断路器Agent的硬件结构如图1所示，其中，A/D转换器负责将 电流互感器采集到的电流模拟信号转换为数字信号。为测量瞬态交 流信号，且满足在计算电流变化率时对转换精度要求，应选择高精 度、双极性、高采样率的A/D转换芯片，内部嵌置滤波器，以滤除 高次谐波干扰。必要时可在A/D转换器输入端外置滤波器，以提高 滤波效果，保证测量的精度和准确性。CPU为断路器Agent软件系 统的运算载体，完成故障诊断、通信协调、状态监控、综合决策等 功能。为满足计算整定、故障判定和综合决策的快速性要求，应选 择处理速度快、功能强大的单片机系统。通信模块实现与相邻断路 器Agent系统的通信功能，为保证多机通信的快速性，应选择通信 方式灵活、通信速率、高抗干扰能力强、出错率低的通信总线和通 信方式，如采用CAN总线通信方式。监控模块负责监测断路器工作 状态，并将CPU输出的控制信号放大，驱动断路器的脱扣器动作， 使断路器跳闸。

断路器Agent的软件系统如图2所示，内含故障诊断、通信协 调、监控及综合决策等四个子Agent模块。故障诊断Agent负责计 算电流变化率并与阈值比较，以判断短路故障。通信协调Agent负 责完成与相邻断路器Agent的通信交互。断路器综合决策Agent综 合故障诊断、通信信息及断路器状态信息，按照断路器选择性保护 动作策略进行综合决策，并输出断路器保护动作信号。监控Agent 负责管理断路器状态信息，并接收断路器保护动作信号，并输出给 外部监控模块。船舶配电网络中的各个断路器Agent相互通信构成 了船舶交流配电网络多Agent继电保护系统，典型结构如图3所示。

第二步：各断路器Agent通过电流传感器同时采集流过对应断 路器安装点处的三相电流i_a、i_b、i_c。为保证电流测量的准确性和实 时性，应选择测量幅值和相位精度高，在量程范围内线性度好的电 流互感器。

第三步：将计算得到的三相电流变化率的绝对值分别与短路故 障电流变化率阈值进行比较，并将三相电流绝对值与短路故障电流 阈值进行比较，若任意一相电流绝对值在整定的阈值范围内，且任 意一相电流变化率在整定的阈值范围内，则可判断出现了短路故障， 反之，则说明未发生短路故障。

保护装置循环检测电流，设每一个检测周期采样点的数量为n， 则各相电流变化率可基于最小二乘法方式计算得到，以A相电流为 例，电流变化率可按以下方式计算：

$\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{i}_{a,k}·\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}k-n\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}k·i_{a,k}}{\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}k·\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}k-n\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{k}^2}·\frac{1}{\Delta t}=\frac{6\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{i}_{a,k}-\frac{12}{n+1}\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}k·i_{a,k}}{3n\left(n+1\right)-2n\left(2n+1\right)}·\frac{1}{\Delta t}---\left(1\right)$

式(1)中i_a,k为当前周期内A相电流第i次电流采样值，Δt为采样 间隔时间。

当三相电流绝对值满足：

|i_a|>I_min，或|i_b|>I_min，或|i_c|>I_min(2)

且三相电流变化率绝对值满足：

$D_{\min }<\left|\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}\right|<D_{max},$或$D_{\min }<\left|\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}\right|<D_{max},$或$D_{\min }<\left|\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}\right|<D_{max}---\left(3\right)$

则可认为断路器流过了短路电流，系统出现了短路故障。式(2)、(3) 中的阈值I_min、D_min和D_max根据系统的参数和断路器安装位置整定。

第四步，各级断路器Agent若检测到了短路故障，则与相邻上、 下级断路器Agent进行通信应答，交互各自短路故障检测的结果信 息，并根据选择性保护动作策略进行决策，输出动作指令，使对应 的断路器跳闸，从而实现船舶配电网络选择性保护。

各级断路器Agent选择性保护动作策略如下：

(1)末端断路器Agent若检测到短路故障则立即输出动作信号 使断路器跳闸，并在收到上级断路器Agent的询问信息后，将动作 结果反馈给上级断路器Agent，若末端断路器Agent未检测到短路电 流，则在收到上级断路器Agent的询问信息后，将故障判断结果反 馈给上级断路器Agent。末端断路器Agent选择性保护动作决策流程 如图4所示。图中n为检测周期的采样点数量。

(2)中间级断路器Agent若检测到短路故障，则向其下级各断 路器Agent发出询问请求；若下级断路器Agent返回来的询问结果 表明下级断路器Agent检测到短路故障，则开始计时，在计时到延 时动作时间后，判断短路电流故障是否仍存在，若仍存在则输出动 作信号使对应断路器跳闸动作，若短路电流故障排除，则不输出断 路器动作信号；若询问结果表明下级断路器Agent均未检测到短路 故障，则立即输出动作信号使对应断路器跳闸动作；

中间级断路器Agent在与其下级断路器Agent通信的同时，若收 到其上级断路器Agent的询问信息，将短路故障判断结果反馈给上 级断路器Agent。

中间级断路器Agent选择性保护动作决策流程如图5所示。

(3)顶端断路器Agent若检测到短路故障，则向其下级各断路 器Agent发出询问请求；若下级断路器Agent返回来的询问结果表 明下级断路器Agent检测到短路故障，则开始计时，在计时到延时 动作时间后，判断短路电流故障是否仍存在，若仍存在则输出动作 信号使对应断路器跳闸动作，若短路电流故障排除，则不输出断路 器动作信号；若询问结果表明下级断路器Agent均未检测到短路故 障，则立即输出动作信号使对应断路器跳闸动作。最顶端断路器 Agent选择性保护动作决策流程如图6所示。

以图3所示的典型船舶交流配电网络多Agent继电保护系统为 例，基于CAN总线设计了多Agent通信硬件系统，部分系统如图7 所示。如图3所示，短路故障分别设置在F1点(即由末端断路器 CB4保护的馈线上)和F2点(即中间级断路器CB2与末端断路器 CB4之间的馈线上)。F1点短路保护实验结果如图8所示。

图8(a)为A相短路电流波形，图8(b)为断路器Agent4输 出到断路器CB4的脱扣信号，图8(c)为中间级断路器Agent2通 信状态信号，在中间级断路器Agent2与下级各断路器Agent完成了 通信交互后，该信号由高电平变为低电平，图8(d)为断路器Agent2 输出到断路器CB2的脱扣信号。

由图8(a)和(b)可得，F1点短路初始时刻t₁至末端断路器 Agent4输出脱扣动作信号时刻t₂的时间间隔Δt₁＝t₂-t₁≈0.6ms。在Δt₁时间段内断路器Agent2和Agent4同时完成了电流检测和短路故障 判断，且断路器Agent4按照动作策略，直接输出了断路器脱扣动作 控制信号，触发断路器CB4跳闸。由图8(b)和(c)可得，Agent4 输出脱扣动作信号时刻t₂至中间级断路器Agent2完成与下级断路器 Agent通信时刻t₃的时间间隔Δt₂＝t₃-t₂≈1.5ms。通信结束后断路器 Agent2综合自身短路判断结果和接收到的断路器Agent4回复的短路 判断结果，按照保护动作策略，得出不动作的判断结果，因此，未 输出脱扣器动作控制信号，即图8(d)中未出现下跳沿。

F2点短路保护实验结果如图9所示。

图9(a)为A相短路电流波形，图9(b)为中间级断路器Agent2 通信状态信号，在中间级断路器Agent2与下级各断路器Agent完成 了通信交互后，该信号由高电平变为低电平，图9(c)为断路器Agent2 输出到断路器CB2的脱扣信号，图9(d)为断路器Agent4输出到 断路器CB4的脱扣信号。

由图9(a)和(b)可得，F2点短路初始时刻t₁至中间级断路 器Agent2完成与下级断路器Agent通信时刻t₂的间隔时间 Δt₁＝t₂-t₁≈0.6ms。在Δt₁时间段内断路器Agent2、Agent4、Agent5 同时完成了电流检测和短路故障判断，断路器Agent4及断路器 Agent5均未检测到短路故障并将判断结果回复给断路器Agent2。由 图9(b)和(c)可得，Agent2完成通信时刻t₂至中间级断路器Agent2 输出脱扣动作信号时刻t₃的间隔时间Δt₂＝t₃-t₂≈0.2ms。在Δt₂时间段 内中间级断路器Agent2将接收到的下级断路器Agent故障判断结果 与自身故障判断结果相结合，根据协同策略得出需要动作的判断， 输出脱扣动作控制信号，得到图9(c)中出现下跳沿。

实验结果表明，保护系统在约2ms之内完成了故障检测，通信 协同决策及脱扣器控制信号输出，验证了末端断路器与中间级断路 器之间线路短路故障时，基于多Agent通信的选择性保护动作策略 的正确性和有效性。

上述实例表明，根据本发明的步骤和Agent保护动作策略，各 级断路器可以快速、准确动作，隔离配电网络短路故障，兼顾了保 护的选择性和快速性，有效提高的船舶交流配电网络的保护性能。