基于PSO算法构建环状母线电网故障自愈系统

2022-04-23赵祎晨唐登月

智能建筑电气技术 2022年1期

赵祎晨，唐登月

(中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

随着社会的发展，电力基本已经普及到全国各地，电网技术的应用也越来越广泛。电网又名电力网，包括变电、输电以及配用电三大部分。电网的主要职责就是保证广大的用户能够用电安全、用电清洁、用电便宜。目前，电网可分为5个等级，1kV以下为低压；1～10kV为中压；35～220kV为高压；330～750kV为超高压；1 000kV以上为特高压[1]。目前，电网系统的运行电压等级不断提高，电网规模也不断扩大，全国已经形成了东北电网、华北电网、华中电网、华东电网、西北电网以及南方电网相互交错的大型区域电网，并基本形成了完整的长距离输电电网网架。

智能电网也被称为电网2.0，通过采用更为先进的传感技术、测量技术以及更加快速的控制方法和决策系统，能够实现更高效、安全、经济、环保。2016年杨旭英等人针对智能电网中需要相应机理进行建模分析，从技术性、经济型和可靠性三方面分析了智能电网的需求响应机理[2]。智能电网能够有效的抵御攻击，提供满足用户需求的电能质量，并且能够保证电网的高效运行。目前，智能电网能够实现自愈，激励以及保护用户的功能[3]。2017年，王娟娟等人提出了基于多智能体混合调度的电网自愈体系，通过在自愈过程中加入故障链和安全树确保了自愈过程中电网能够及时修复故障并减少后续故障的发生[4]。智能电网最大的优势就是能够实现电网自愈。电网自愈是电网进行稳定调节的一种重要方法。自愈系统能够在电网运行过程中及时的发现、诊断和消除故障[5]。双母线运行系统优点是携带变电站数量较多、供电可靠、调度灵活、扩建方便、便于设计；缺点是增加了一组母线，每一回路增加一组母线隔离开关，不仅操作更加复杂，也增加了投资和占地面积。2011年，沈重威等人分析了在10kV单母线环形接线方式下备自投装置的运行方式以及装置的最优配置方案[6]。为了减少投资，环状母线可以携带数量较多的变电站，大幅增加可靠性且不需要建造多余的母线。环状母线与单母线相比是在其基础上建造了另外一条母线，两条母线之间通过母联连接[7]。正常运行时，两条母线相互独立工作，互不影响；两条母线某一条母线发生故障时，另一条母线可以通过母联实现对另一条母线的供电。如果两条条母线下都有故障发生，由于两条母线下所携带的变电站较多，有必要对下属变电站划分优先级，以实现整个自愈系统的效益最大化。

多目标PSO算法可以同时计算多个目标的最有解集，可以更好地评价自愈系统的可靠性和优势[8-9]。本文首先根据电网自愈系统功能及自愈评价指标建立了电网故障自愈目标函数，然后利用多目标PSO算法构建了一套环状母线电网故障自愈系统，并在次基础上进行了模型验证。

1 电网故障自愈函数的构建

通常情况下，电网自愈系统中的自愈负荷量、分断开关操作代价、电能质量要求及馈线容量裕度都是电网自愈系统目标函数中应包含的内容[10-12]。为了更快恢复供电，电能质量要求及馈线容量裕度暂不考虑。自愈负荷量和分断开关操作代价可以作为自愈系统中的主要目标进行优化，但是这种算法并没有考虑到太多的社会效益，为了增大自愈系统带来的社会效益，本文定义了社会效益系数并对各个子站进行了恢复优先级评级，并将自愈负荷量、分断开关操作代价和社会效益作为自愈系统中的主要目标进行优化，以实现多目标的共同优化。

1.1 目标函数计算

本文选择自愈负荷量、分断开关操作代价两项作为基本目标函数，再根据子站中用户的社会效益，建立故障自愈目标函数，如式(1)所示：

(1)

式中，λ1为一级负载社会效益系数，λ2为二级负载社会效益系数；λ3为开关操作系数。Y1、Y2为一级、二级用户负载个数，用户总数为Yz=Y1+Y2。P1为一级用户负载的功率，P2为二级用户负载的功率；m表示负载的供电状态，为1时表示负载处于供电状态，为0时表示负载处于失电状态；n为故障自愈过程中的开关操作次数。其中λ1、λ2、λ3的定义如式(2)所示：

λ2=1

(2)

λ3=λ2

式中，P1 min为一级用户负荷最小容量，P2 max为二级用户负荷最大容量。可以发现，一级用户的影响因数要大于二级用户影响因数，二级用户的影响因数要大于开关操作代价影响因数。因此，在电网自愈过程中有限恢复一级用户供电，再恢复二级用户供电，可大大提高自愈系统的社会效益。

为了防止支路过载，自愈系统必须对自愈负荷量进行严格的限制，必须保证系统辐射状运行且开关操作次数不能太多。所以本文设置了三条约束条件：(1)容量约束，即自愈系统运行时自愈负荷量恢复不得引起支路过载；(2)结构约束，即自愈系统必须保证系统辐射状运行；(3)操作约束，即开关操作次数不能太多。

1.2 PSO算法基本原理

PSO算法的基本原理是每个粒子在可行解空间中运动，通过速度和位置的不断更新迭代得到全局最优解[13-14]。首先，需要设置最大迭代次数、目标函数的自变量个数以及粒子的最大速度、位置信息为整个搜索空间，在速度区间和搜索空间上随机初始化速度和位置，设置粒子群规模为M，每个粒子随机初始化一个初始速度V。速度和位置的更新方程如式(3)-(4)所示：

(3)

(4)

PSO算法的基本工作原理可以分为2个步骤：首先，对公式内各个参数进行初始化，包括探索空间的上下限、学习因子、算法最大迭代次数和精度、粒子速度范围、初始粒子的速度和位置等。其次，对每一个粒子根据适用度函数进行计算，得到每一个的个体极值和整体的全局极值，再根据公式(3)和公式(4)不断更新个体极值和全局极值。计算迭代次数是否达到了预先设定的最大次数或者收敛精度是否到达了要求，如果两项中有一项没有达到要求则重新运行第二步，如果两项均达到了要求则迭代终止，得出最优解。

2 环状母线电网故障自愈系统构建

图1所示为环状母线自愈系统的结构图。本文采用两条220kV母线分别带3个110kV变电站为例，两条母线之间用母联连接，两条母线互为备用形成环状结构，实现环状供电。

图1 环状母线电网故障自愈结构图

110kV配电网中典型的链式结构串联供电模式，图中两侧为220kV电源站A和B，中间为3个110kV变电站C、D、E。220kV电源站A、B的110kV侧配置有母线保护和备自投装置；110kV站C、D、E的110kV侧配置有母线保护装置，10kV侧配置有备自投装置，串供回路内线路配置有光纤纵差保护装置。

正常运行方式下，串内包含两个串供回路: A1->C1->C2->D1->D2->E1->E2->B1和B2-> E5->E4->D5->D4-> C5-> C4->A2。两个串供回路均是任一开关断开作为开环点，其他开关均在合位运行，电源站A供站C，电源站B供站D、站E。串供回路内部发生故障时，应及时准确确定故障位置，执行故障隔离方案，合上串供回路开环点开关，由另一侧电源恢复对失电站的供电。以C2开关为开环点为例(图2)，对自愈系统进行详细解释。

图2 C2开关为开环点的自愈模型

上述自愈系统可以分为以下几步：(1)故障定位并确定除故障位置外其余线路运行正常；(2)结合多目标PSO算法生成电网自愈模型；(3)根据自愈模型实施解决方案；(4)解除故障；(5)检查电网运行情况并评价自愈模型。

根据已建立的电网自愈目标函数结合PSO算法，可以得到电网控制自愈算法的工作原理(图3)如下[15]：(1)初始化参数，确定种群大小、惯性权重、最大迭代次数、学习因子等各个参数；(2)电网系统中各负荷和断路器组成粒子群算法中的粒子群，各负荷的供电状态和断路器开关状态即为粒子群中各粒子的位置，待确定粒子速度和位置的初始区间，可通过随机法生成粒子的初始速度和位置；(3)根据电网自愈系统中实际的参数，根据式(2)计算出各个参数；(4)根据式(3)、式(4)不断更新粒子的速度和位置；(5)根据式(1)计算新粒子速度和位置下目标函数的适应度值；(6)判断迭代次数是否已经大于最大迭代次数，如果大于则输出最优位置，如果小于则返回步骤(4)继续迭代。

图3 基于PSO算法的电网控制自愈算法的流程框架图

3 电网自愈控制算法的仿真模型

为了保证供电可靠性，本文仿真模型中两条母线备用线路，大大提高重要负载的可靠性。并且，采取闭环设计，根据用户负载的重要程度将负载分成重要负载和普通负载。在本文设计的电网自愈系统中，重要负载都设有备用线路，普通负载都是直接从母线上取电。图4所示为含有备用线路的配电系统。

图4 环状母线小型电网配电系统

图4中，M1、M2为1母和2母；ML为母联开关；L1～L8为用户子站；K为断路器。A1、B1、A2、B2为电源站。为方便验证，本文对各个元件参数进行了设计(表1)。

元件参数表1

4 电网自愈控制算法的仿真结果分析

本文设置种群数量为60，最大迭代次数为50。按照式(3)、式(4)对粒子进行速度和位置的更新，学习因子为2，惯性权重为1。根据表1，可以算出λ1=1.06，λ2=1，λ3=1。通过进行多次故障模拟，选择其中次数最多的自愈方案为本文最佳方案。其中L1由A1供电，L2、L3、L4由B1供电；L5、L6由A2供电，L7、L8由B2供电。本文模拟的故障主要有以下几类。

(1)非电源站故障

此时，故障点可能存在与K1～K11(K1’～K11’)之间，本文模拟K4点为开环点，K5点故障，本文利用自愈控制算法仿真50次，有48次结果为断开K5闭合K4(图5)。