基于模型诊断的电源快速切换在配电网的研究

乔 和 闫冬冬 康爱民 叶 青

1(辽宁工程技术大学电气与控制工程学院 辽宁 葫芦岛 125105)2(国网辽宁省电力有限公司阜新供电公司 辽宁 阜新 123000)

0 引 言

双电源快速切换装置(以下统称为“快切”)是在供电故障时能快速切换到备用电源供电，以达到供电可靠性和灵活性的目的。随着配电网中分布式电源DG(Distributed Generation)的增多，使得电网的结构发生变化。这不但对备用电源快速投切装置动作时间有影响，而且投切后产生母线的冲击有影响，进而对设备造成一定的安全风险。为了保证供电可靠性，电源快速切换装置越来越必要。

传统的电源切换的方法多是改善快切装置[1-2]。目前，快切装置已经在工厂、变电所、电厂等很多领域应用，但仍有很大的延时时间。文献[3]采用小波变换进行检测，但该方法存在一个周期的延时，测量速度较慢，无法检测相位的跳变。文献[4]提出感性负载下电源快速切换的检测方法，但是在大型负载中效果并不明显。文献[5]介绍了一种改进的dq变换，为单相αβ变换法。该方法原理与瞬时电压dq变换基本相似，检测时间并未有效改善。文献[6-7]对含有风电场的备自投进行了研究，提出在含有风电场电网电源快速切换的整定方法，但是仍然是传统的整定方式下,仍有很大延时时间。随着电源快切技术在配电网的应用，为了保证供电可靠性，快速切换装置的关键问题在于最短时间内检测出故障，并在允许合闸范围内实现快速切换[8]。

配电网中常用的智能诊断方法有：专家系统、人工神经网络、贝叶斯网络、模糊集理论、Petri网、信息融合技术和多智能体技术等[9]。采用模型诊断方法MBD(Model-based diagnosis)是在电源快切系统中预期的故障和时间动作中产生的差别推出系统模型的最小冲突集，即为系统的诊断结论[10]。当配电网中有故障时，由于分布式电源的存在会改变故障电流的分布，因电流闭锁干扰配电网的保护设备，对备用电源的正确投切产生干扰。文献[11-12]中提出用改进的二进制粒子群算法进行故障定位，但是最小碰集并不能保证最优化。

为了克服传统电源切换故障之后延时的问题，保证备用电源的在配电网中投切成功，本文采用模型诊断方法MBD直接采集电压电流等量来监控需要保护的部分。利用遗传算法改进二进制粒子群算法，给出贝叶斯解释，得出所需要测量的元件的故障概率，从而有效地实现故障检测，得出了一种更有优势的电源快速切换的检测方法。

1 含DG配电网的切换装置分析

1.1 含DG配电网的系统简化图

图 1 为含DG配电网的系统简化拓扑结构。传统电源快速切换是当检测到主电源系统发生故障时，快切装置将主电源快速切换至备用电源。

图1 含DG配电网快速切换系统拓扑图

但是大多数配电网含有分布式电源，主电源断电后，DG和负载之间形成短时回路，DG继续向用户供电，从而会对配电网中的潮流产生影响[13]，进而影响备用电源的切换时机。特别是当配电网中电机类用户占比重大时，工作电源断电之后母线残压会随着时间周期性衰减。如果残压衰减并未到合适的时机而进行合闸，备用电源的投入使得母线冲击电流过大或者电压过低而错过最佳合闸时机。

1.2 DG对配电网的影响

如图2所示，电抗XDG是与时间变化的变量，由主电源供电时流入负载的电流为IN，DG提供的电流为IDG，EM表示快速切换时母线残压，IDG为快切时流过DG和负载之间的电流，且存在IDG小于IN。

图2 含DG配电网的等效电路图

当母线残压与备用电源之间的矢量差的模ΔU越大，则在投切时产生的冲击电流Ish越大。当主电源系统故障后，等效电路中的阻抗减小，则对负载和含DG的配电网的冲击电压为：

(1)

对备用变压器T2 的冲击电压为：

(2)

Ush取1.1UN，则阻抗为：

(3)

(4)

式中：Ush为负载或备用电源冲击电压；UN为电动机的额定电压；ZT2为备用电源总阻抗；Zd为DG阻抗和与负载阻抗的并联阻抗之和。

为确保负荷中电机、变压器等安全，Ush应不大于最大耐压值3.5UN(UN为电动机的额定电压)，则：

(5)

(6)

当主电源故障断开后，DG与负载形成闭合回路，DG向配电网提供电流，降低了ΔU的衰减速率，进而分布式发电在电源快切时，有效降低了备用电源投切时母线上的冲击电压。故含DG的配电网进行电源切换时，可以改善并提高电源快速投切的成功率和可靠性。

1.3 母线残压变化规律

当电源切换时，由于负载中有电机类负载，主电源断电之后会向母线反馈电压，即母线残压。如图3所示，ABCD为母线残压轨迹，AB弧线残压几乎未衰减多少，此时在相角差内合闸称快速切换。BC段不允许合闸，CD段合闸被称为同期切换。本文采用的快速切换方式，在AB段内切换至备用电源。

图3 母线残压轨迹图

2 快速切换的关键问题

2.1 模型诊断

本文快速切换装置采用的是模型诊断，即用S表示配电网模型描述的一阶语句，C表示系统组件的所有集合，O表示系统观察的有限语句。CS表示配电网中的元件与S和O不一致则组成一个冲突集；MCS表示CS的最小冲突集。CSS表示冲突集的集合簇；HS是CSS的碰集，MHS是最小碰集。

因为只有当系统的CS(SD，COMPS，OBS)是一个MHS时，CS⊆COMPS才是系统的候选诊断。显然可以通过计算MCS的MHS来导出系统的诊断。

2.2 遗传算法改进二进制粒子群算法

二进制粒子群算法BPSO和遗传算法GA的固有特征在很多方面非常相似。BPSO比GA更快的收敛速度，而且每个粒子都能记忆性地追踪最佳位置，并调整其速度和位置。然而，随着迭代次数的增加，粒子收敛到单个点，这不能保证是局部最优的。相反，GA可以保证全局变量的最优化[14]。为了充分发挥GA和BPSO的优点，本文提出了一种BPSO-GA的混合算法。该方法将BPSO的标准速度和更新规则与GA的选择，交叉和突变的思想相结合。

为解决快切中实际的离散问题，粒子由0或1表示，这意味着“故障”或“非故障”。BPSO和传统算法的主要区别在于粒子的速度被定义为一个粒子的位将变为1的概率。根据定义，速度必须在0和1之间，如sig()函数公式所示：

(7)

粒子的速度和位置更新公式为：

(8)

惯性系数可以保持局部和全局变量搜索能力的平衡，而具有较大惯性重量的BPSO将具有更好的全局变量搜索能力。相反，较小的惯性系数可以提高BPSO的局部搜索能力。因此，通过式(9)获得线性递减惯性系数，可以提高早期过程中的全局搜索能力，以最快的速度找到最佳解的可能范围，并强制执行局部搜索能力在以后的过程中快速找到最佳解决方案的准确位置。

(9)

式中：wini、wend、Tmax分别是初始惯性系数、最终惯性系数和最大迭代次数。

2.3 算法步骤流程

图4为算法的流程图。通过这个步骤，可以确保全部的最终输出结果都是最小碰集。

图4 算法流程图

3 切换系统的贝叶斯诊断识别

本文通过含DG配电网电源快速切换系统的结构关系，搭建出6 kV仿真模型。根据贝叶斯[15]定理确定先验概率，对模型诊断分析得到的后验故障概率[16]表示为：

(10)

式中：Xi、Xd系统所有状态和可能状态。

贝叶斯理论只是对系统诊断之后的结果进行分析，以得到清晰直观的最小诊断，并且在不确定信息情况下得到诊断结果，降低诊断的复杂性[17]。在模型诊断之后，系统的诊断状态就变成后验故障概率，根据概率的分析就可以得出最佳的切换条件。用计算到的后验概率推出候选诊断的故障概率，从而得到要检测的故障元件的概率。

4 仿真结果

4.1 MBD诊断仿真验证

MBD诊断方法将检测到的电压电流量来判断配电网中的故障线路。表1为故障诊断结果，L1、L2、L3、L4分别表示电源、变压器、负载和DG两两之间的线路，根据是否故障进而判断是否可以进行快速切换至备用电源。

表1 诊断结果

本文在不切除DG实现双电源快速切换，假设主电源和备用电源初始的相角不同，仿真的主电源电压向量为5 930∠21.565 2°，备用电源电压向量为6 006∠25.844 2°，0.4 s时发生故障，假设主电源表示：

(11)

切换后，备用电源的电压空间矢量为:

(12)

式中:δ表示两电源电压相位差的大小。得到采用MBD检测算法后的相角差和母线残压特性曲线，如图5所示。

图5 母线残压和相位差

当图5可知0.4 s故障之后，根据图3的母线残压理论，采用MBD检测方法使电源切换的残压和相位差均在要求范围内，验证了MBD的有效性。

4.2 快切仿真结果

当直接切换时会发生备用电源和母线之间的冲击电流，产生的很大的冲击电流，是一个很危险的数值，如图6所示。

图6 直接切换冲击电流

当采用优化模型的电源快速切换时，备用电源与母线之间的冲击电流仿真结果如图7所示。由仿真结果可以看出，母线与备用电源之间的冲击电流由之前的2 800 A左右降低到352 A左右，减少了75%，对应图5的相角差接近0°，使得电压差幅值最小，残压与备用电源电压同相位。

图7 采用优化模型的冲击电流

4.3 MBD与传统切换对比

如图8所示，可以明显看出0.4 s时母线残压的衰减比传统的少到1/3，母线电压在设定范围内即可恢复到额定值，完成电源快速投切。

图8 传统快切与MBD母线残压

5 结 语

本文提出一种基于模型的电源快速切换方法。通过遗传算法改进二进制粒子群获得最小碰集，判断配电网中故障信息，改善了传统电源切换在故障后检测而带来是延时问题，并且具有较好的实时检测和故障预警功能。MBD故障诊断方法在含DG配电网中的应用不仅使得快速切换过程有更加充分时间，而且切换过程产生的冲击电流更小。用MATLAB软件进行仿真分析，仿真证明MBD诊断方法在含DG配电网的备用电源快速投切方式能够有效解决传统电源切换过程产生的问题。避免在含DG配电网故障时电压低而投切失败问题，有效提高电源快速投切的成功率，对于含DG配电网的备用电源快速投切具有一定的指导意义。