基于萤火虫算法的特高压直流输电线路绝缘配合*

周 亮， 王 勇

(1.国网上海市电力公司经济技术研究院，上海 200002；上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240；2.国网新疆电力有限公司昌吉供电公司，新疆 昌吉 831100)

0 引言

近年来，我国电力产业飞速发展，以西北地区电网为主导的现状，已无法满足数倍增长的用电量和输电容量[1].我国电网布置和运行相对复杂，研究特高压输电技术，工程的落实需要克服重重困难.由于我国特殊陆地环境，要求制造设备的技术能力必须不断提高.实际运行的数据显示，电力系统出现故障多数是由于输电线路和变电站电气设备绝缘体短路或击穿所导致[2].因此，特高压电网的安全运行，关键在于设备的绝缘体水平高低.设备制造成本的控制、系统运行的稳定性均需要设备绝缘水平的合理控制[3].输电线路电压等级越来越高，增加特高压直流输电线路在绝缘部分的投资十分重要.因此，该领域研究者针对特高压直流输电线路绝缘配合进行了很多研究，并取得了一定成果.

王少华等[4]提出500 kV XLPE海底电缆线路的暂态电压及绝缘配合方法.该方法通过建立舟山混联电线工程仿真模型，计算断路器在舟山混联电线工程合闸过程中的电能损耗，通过观察断路器在实际应用过程中的重击穿现象及雷击入侵处的电缆绝缘情况，分析电路出现短路时刻和故障电流大小，通过研究电缆中间部分的金属保护装置与铠甲装置之间的连接是否存在问题，确定了电缆接地体阻抗对保护层感应电压的影响程度，完成了电缆线路的绝缘配合.该方法可以提升电缆的绝缘性能，但优化过程中存在能耗较高的问题.陈崇征等[5]提出交流特高压半波长输电线路绝缘配合方法.通过计算半波输电线路沿线的稳态电压，在研究线路绝缘配置方式时，采用爬电比距法，确定工频电压下线路的空隙距离，通过对50%放电电压值进行运算，最终选择出最佳的空隙距离，研究成果能够在技术上指导特高压半波长交流输电工程，在实际线路绝缘配合的绝缘裕度较低的问题.

在国外的研究中， Mahmood F等[6]提出了一种基于风险的绝缘配合方法，采用该方法对中压架空线路的绝缘水平进行研究.用正态概率分布模拟了线路绝缘的闪络特性.采用Agrawal的耦合模型计算雷电感应过电压峰值.并借助蒙特卡罗模拟方法，考虑雷击电流峰值、雷击回击速度、接触网与雷击点距离的概率分布，确定雷击过电压峰值的概率分布，确定中压架空线路的绝缘程度.该方法将两个避雷器的间距减小到200 m以下，提升了中压架空线路的绝缘程度，但该方法针对雷电密度较高的地区，绝缘的配合效果需要进一步地完善.

基于上述方法中存在的问题，本文将萤火虫算法应用到了特高压直流输电线路绝缘配合中，从而提高特高压直流输电线路的绝缘水平.与传统方法相比，所提方法提升了特高压直流输电线路绝缘配合的绝缘裕度，且降低了操作过程中的能耗.

1 特高压直流输电线路空气间隙确定

特高压直流输电线路绝缘配合中，线路间的空气间隙是影响输电线路绝缘配合的重要因素.因此，本文首先确定特高压直流输电线路空气间隙.

特高压直流输电线路的空气间隙主要指杆塔与地线距离、导线与塔杆距离、导线与地线距离.导线与地线的距离是指在导线受风力影响情况下，导线最低点下最高建筑物与导线间的安全距离[7-8].当导线受到不可控因素影响时，高压直流输电线路的工作电压的最小间隙，即为导线与地线之间的空气间隙.当导线受到雷击等影响时，最低点引起的空气间隙不作为参考标准.确定特高压直流输电线路的空气间隙，主要是确定导线与地线及塔杆之间的空气间隙.

在确定特高压直流输电线路的空气间隙时需要考虑塔杆的档距和塔杆的结构.塔杆档距对特高压直流输电线路的空气间隙影响较大[9].塔杆档距增加时，塔杆空气间隙在特高压直流输电线路的冲击操作下，导致放电电压下降.苏联的相关研究者经过多次实验结果验证[10]：塔杆的档距与特高压直流输电线路的空气间隙的影响关系为：

Us0(ω)=Us0(1)(1.03-0.03ω)，

(1)

式中：Us0(ω)为宽度在ωm时，特高压直流输电塔杆的放电电压；Us0(1)为宽度在1 m时，特高压直流输电塔杆的放电电压；ω为输电塔身的宽度.

特高压直流输电线路的空气间隙不仅受风向的影响，还受塔杆的结构因素影响[11].特高压直流输电线路的塔杆结构包括3种，分别为猫头塔杆结构、酒杯塔杆结构、双回塔杆结构.采用冲击试验方式测试3种特高压直流输电线路的塔杆结构，确定风力严重影响酒杯塔杆结构和猫头塔杆结构的导线空气间隙.

2 特高压直流输电线路绝缘配合实现

2.1 特高压直流输电线路绝缘子型式

在特高压直流输电线路绝缘配合过程中，选择不同的绝缘子型式会对输电线路的绝缘水平造成一定影响.因此，需要分析绝缘子各方面性能[6]，选择合适的绝缘子型式.

(1) 绝缘子预期寿命

在特高压直流输电线路中较为常用的绝缘子主要包括玻璃材质绝缘子、复合材质绝缘子以及陶瓷材质绝缘子，3种类型绝缘子的预期寿命对比情况如表1所示：

表1 三种材质绝缘子的预期寿命对比情况

在3种材质的绝缘子组成中，无机材料是玻璃材质绝缘子和陶瓷材质绝缘子的主要组成成分，在使用过程中可以延长绝缘子的使用寿命，而有机材料是复合材质绝缘子的主要组成成分，在使用寿命方面远不如其他两种材质的绝缘子，使用过程中老化问题严重.

(2) 绝缘子的失效率和检出率分析

3种类型绝缘子的失效率和检出率对比情况如表2所示：

表2 绝缘子失效率和检出率对比情况

玻璃材质绝缘子的自爆肉眼可以直接识别，其维护工作量较小，陶瓷材质绝缘子和复合材质绝缘子具有检出率较低问题，维护的费用和工作量较大.

2.2 特高压直流输电线路绝缘子参数分析

在特高压直流输电线路绝缘配合中，常用绝缘子几何参数如表3所示.

表3 绝缘子几何参数

陶瓷材质绝缘子的耐污闪性能比较好，可大量应用到输电线路工程中；玻璃材质绝缘子具有良好电气性能，容易检测，但耐污型的双伞玻璃材质绝缘子和三伞玻璃材质绝缘子仍然处于研究阶段；复合材质绝缘子具有较好的憎水性且质量轻.针对绝缘子的型式影响输电线路的绝缘水平，对比分析了3种绝缘子的各方面性能，根据不同类型的绝缘子结构，给出绝缘子的几何参数，完成合适的绝缘子型式选择.

2.3 萤火虫算法的特高压直流输电线路的绝缘配合

特高压直流线路绝缘配合是在变压器绝缘配合的基础上，对其他设备绝缘等级的确定.在工频统一标准电压下，高压直流输电线路绝缘设备要能承受较长时间的高频电压冲击，才能确保设备的可靠性和稳定性.本文利用萤火虫算法可以准确推算特高压直流输电线路绝缘子在遭受过电压与雷电冲击下的耐受值，变电站可根据所得数值降低电压冲击坡度，保护设备.

特高压直流输电线路工频电压作用下电气设备绝缘配合的3条原则：(1)电气设备外绝缘应考虑设备所在地区周边环境状况；(2)电力设备应该在生产过程中经过多次工频特高电压耐受试验，保证其可靠性与稳定性；(3)电力设备应该对运行特高压电压有一定的承受能力，并且能在特高压状态下正常运行.在本文的研究中，采用萤火虫算法计算特高压直流输电线路绝缘在环境改变下的耐受值.

萤火虫算法是一种以萤火虫个体为对象，模拟一定空间范围内不同点并对指定点搜索[12].该方法通过其自身趋光能力寻找最优方案.但该方法易陷入局部最优解的困局，本文采用萤火虫算法实现特高压直流输电线路绝缘配合优化.

首先，采用萤火虫算法更新萤光值，每一个荧光值的大小对应萤火虫分解的荧光素，该荧光素影响搜索空间中的绝缘配合的适应性.当萤火虫的号召力更强时，萤火虫的个体均在绝缘配合中携带一个荧光素，此时，荧光值为式(2)：

U(x)=(1-q)ui(v-1)ϑ[(bi(v+1))]，

(2)

式中：U(x)为萤火虫个体荧光度；q为挥发系数；ϑ为增强系数.

萤火虫在搜索过程中，易受到荧光度值较高的个体吸引，该吸引的作用感知的范围较广，将其应用到绝缘配合中，可以提升绝缘配合效果.将萤火虫个体感知特高压直流输电线路绝缘程度，及萤火虫的每个个体视为一个集合，得到式(3)：

Hi(t)={ai(t)

(3)

式中，ai(t)、bi(t)分别为不同适应度大小的荧光因子.

根据上述萤火虫荧光值的控制，特高压直流输电线路绝缘配合中，需要设置配合规则.

设萤火虫个体A向亮度更高的对象B前进，此时其配合的规则为式(4)：

(4)

式中：RA、RB分别为个体A和个体B所在位置；η为吸引程度；μ为步长.

在电气设备在工频电压作用下的耐受值计算中，遵循改进后萤火虫算法规则，确定其最优耐受值为：

Uw≥kcksUrp，

(5)

式中：Urp为工频过电压代表值，设Urp为最大工频过电压，则变电站为1.3 p.u.；kc为安全绝缘系数；ks为配合绝缘因数.

在变压器套等的电瓷材质外部绝缘中，通过所在地区所处环境的爬电间距，对有效耐受电压进行修正.

假设断路器内绝缘和断路器端口间外绝缘的工频有效耐受电压值为Uw，在持续特高压运行系统影响下，其耐受值满足以下公式(6)：

(6)

式中：Uw为断路器内绝缘固定耐受电压值，取值为1 200 kV；Um为特高压系统运行的最高电压值.

根据避雷器抗冲击保护等级，应用萤火虫算法确定直流输电线路的绝缘等级，并在其内外绝缘相对抗冲击保护等级之间采用如下关系式进行确定，即式(7)：

Urw.l≥1.15Upx,

(7)

式中：Upx为过电压保护水平，通常取值为1 456 V.通过计算可以得到Urw.l的值为1 674 V，特高压直流输电线路纵绝缘的操作冲击耐压应该满足式(8)：

(8)

在上述分析基础上，通过确定不同电压作用下电气设备绝缘配合状态，构建输电线路绝缘配合的优化目标函数，完成特高压直流输电线路的绝缘配合优化.

设置特高压直流输电线路绝缘配合值参数为Si，特高压直流输电线路绝缘操作冲击额定耐受电压为Ui，构建目标优化的适应度函数，确定参数的适应度，即式(9)：

(9)

式中，n为特高压直流输电线路的参数适应度迭代次数.

根据特高压直流输电线路的绝缘配合的适应度，将上述输电线路绝缘配合主要参数进行优化，得到输电线路绝缘配合的优化目标函数，即式(10)：

(10)

根据特高压直流输电线路绝缘操作冲击额定耐受电压值的国家标准，不论在工频电压下还是操作过电压下，计算得到的输电线路内外绝缘相对于操作冲击耐受电压没有较大的电压差距.基于特高压直流输电线路绝缘配合的基本原则，采用萤火虫算法，确定直流输电线路的绝缘水平，实现特高压直流输电线路的绝缘配合.

4 实验分析

4.1 实验方案

为验证所提方法的有效性，设计一次实验.实验选择某地±800 kV特高压直流输电线路为研究对象，在该线路中设计V型盘形绝缘子串绝缘子片数为38片，该结构的高度为200 m，此绝缘子钢角的安全系数保持在2.5 以下，绝缘子串的夹角为110°，风偏角度为62°，具体实验环境如图1 所示.

图1 实验环境Fig.1 Experimental environment

为保证实验数据的有效性，将获取的实验数据在Matlab 软件中处理，操作系统为Windows XP，运行内存为8 GB.实验对比本文方法、文献[4]方法以及文献[5]方法，以绝缘裕度和电能消耗为实验指标，验证所提方法的有效性.

4.2 实验结果

实验分析了本文方法、文献[4]方法以及文献[5]方法，在特高压直流输电线路绝缘配合优化方法的绝缘裕度，实验结果如图2所示.

图2 特高压直流输电线路绝缘裕度测试结果：(a)本文方法；(b)文献[5]特高压直流输电线路绝缘配合优化方法；(c)文献[4]特高压直流输电线路绝缘配合优化方法Fig.2 Insulation margin test results of UHVDC transmission line：(a) The method proposed in this paper；(b) Reference [5] insulation coordination optimization method of UHVDC transmission line；(c) Reference [4] insulation coordination optimization method of UHVDC transmission line

从图2的结果可以看出，与其他两种绝缘配合方法相比，采用本文方法得到的绝缘裕度相对其他两种方法较高,这是由于本文设计的方法在应用过程中,先根据输电线路的绝缘特点,选择合适绝缘子型式,使输电线路的绝缘水平在一定程度上得到提高，而其他两种方法在绝缘裕度方面，还需要对其进行改善.

为进一步验证所提方法的可行性，实验分析了3种特高压直流输电线路绝缘配合优化方法的电能消耗，实验结果如图3 所示.

图3 特高压直流输电线路绝缘配合的电能消耗结果Fig.3 Power consumption results of insulation coordination of UHVDC transmission line

从图3可以看出，3种方法的绝缘配合电能消耗均随着特高压直流输电线路的增加而增加.其中，本文方法在进行特高压直流输电线路绝缘配合时电能消耗最小，文献[4]方法在实验测试过程中消耗电能最多，文献[5]方法消耗的电能次之.这是由于所提方法在进行绝缘配合时，通过优化目标函数将其中影响参数进行优化，减少了直流输电线路绝缘配合的重复次数，进而降低了所提方法在配合过程中的电能消耗.相较之下所提方法的能耗更低，保证了输电线路在绝缘配合方面的有效性.

5 结束语

针对特高压直流输电线路绝缘配合中存在的不足，本文提出应用萤火虫算法优化绝缘配合，根据特高压直流输电线路的特点，选择合适绝缘子型式，并通过确定其气隙实现特高压直流输电线路的绝缘配合.实验结果显示，该绝缘配合优化方法能够在一定程度上提高特高压直流输电线路的绝缘水平，具有一定可行性.