基于PSO算法構(gòu)建環(huán)狀母線電網(wǎng)故障自愈系統(tǒng)

趙祎晨， 唐登月

(中國建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

隨著社會的發(fā)展，電力基本已經(jīng)普及到全國各地，電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。電網(wǎng)又名電力網(wǎng)，包括變電、輸電以及配用電三大部分。電網(wǎng)的主要職責(zé)就是保證廣大的用戶能夠用電安全、用電清潔、用電便宜。目前，電網(wǎng)可分為5個等級，1kV以下為低壓；1～10kV為中壓；35～220kV為高壓；330～750kV為超高壓；1 000kV以上為特高壓[1]。目前，電網(wǎng)系統(tǒng)的運行電壓等級不斷提高，電網(wǎng)規(guī)模也不斷擴大，全國已經(jīng)形成了東北電網(wǎng)、華北電網(wǎng)、華中電網(wǎng)、華東電網(wǎng)、西北電網(wǎng)以及南方電網(wǎng)相互交錯的大型區(qū)域電網(wǎng)，并基本形成了完整的長距離輸電電網(wǎng)網(wǎng)架。

智能電網(wǎng)也被稱為電網(wǎng)2.0，通過采用更為先進的傳感技術(shù)、測量技術(shù)以及更加快速的控制方法和決策系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高效、安全、經(jīng)濟、環(huán)保。2016年楊旭英等人針對智能電網(wǎng)中需要相應(yīng)機理進行建模分析，從技術(shù)性、經(jīng)濟型和可靠性三方面分析了智能電網(wǎng)的需求響應(yīng)機理[2]。智能電網(wǎng)能夠有效的抵御攻擊，提供滿足用戶需求的電能質(zhì)量，并且能夠保證電網(wǎng)的高效運行。目前，智能電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)自愈，激勵以及保護用戶的功能[3]。2017年，王娟娟等人提出了基于多智能體混合調(diào)度的電網(wǎng)自愈體系，通過在自愈過程中加入故障鏈和安全樹確保了自愈過程中電網(wǎng)能夠及時修復(fù)故障并減少后續(xù)故障的發(fā)生[4]。智能電網(wǎng)最大的優(yōu)勢就是能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)自愈。電網(wǎng)自愈是電網(wǎng)進行穩(wěn)定調(diào)節(jié)的一種重要方法。自愈系統(tǒng)能夠在電網(wǎng)運行過程中及時的發(fā)現(xiàn)、診斷和消除故障[5]。雙母線運行系統(tǒng)優(yōu)點是攜帶變電站數(shù)量較多、供電可靠、調(diào)度靈活、擴建方便、便于設(shè)計；缺點是增加了一組母線，每一回路增加一組母線隔離開關(guān)，不僅操作更加復(fù)雜，也增加了投資和占地面積。2011年，沈重威等人分析了在10kV單母線環(huán)形接線方式下備自投裝置的運行方式以及裝置的最優(yōu)配置方案[6]。為了減少投資，環(huán)狀母線可以攜帶數(shù)量較多的變電站，大幅增加可靠性且不需要建造多余的母線。環(huán)狀母線與單母線相比是在其基礎(chǔ)上建造了另外一條母線，兩條母線之間通過母聯(lián)連接[7]。正常運行時，兩條母線相互獨立工作，互不影響；兩條母線某一條母線發(fā)生故障時，另一條母線可以通過母聯(lián)實現(xiàn)對另一條母線的供電。如果兩條條母線下都有故障發(fā)生，由于兩條母線下所攜帶的變電站較多，有必要對下屬變電站劃分優(yōu)先級，以實現(xiàn)整個自愈系統(tǒng)的效益最大化。

多目標(biāo)PSO算法可以同時計算多個目標(biāo)的最有解集，可以更好地評價自愈系統(tǒng)的可靠性和優(yōu)勢[8-9]。本文首先根據(jù)電網(wǎng)自愈系統(tǒng)功能及自愈評價指標(biāo)建立了電網(wǎng)故障自愈目標(biāo)函數(shù)，然后利用多目標(biāo)PSO算法構(gòu)建了一套環(huán)狀母線電網(wǎng)故障自愈系統(tǒng)，并在次基礎(chǔ)上進行了模型驗證。

1 電網(wǎng)故障自愈函數(shù)的構(gòu)建

通常情況下，電網(wǎng)自愈系統(tǒng)中的自愈負荷量、分斷開關(guān)操作代價、電能質(zhì)量要求及饋線容量裕度都是電網(wǎng)自愈系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)中應(yīng)包含的內(nèi)容[10-12]。為了更快恢復(fù)供電，電能質(zhì)量要求及饋線容量裕度暫不考慮。自愈負荷量和分斷開關(guān)操作代價可以作為自愈系統(tǒng)中的主要目標(biāo)進行優(yōu)化，但是這種算法并沒有考慮到太多的社會效益，為了增大自愈系統(tǒng)帶來的社會效益，本文定義了社會效益系數(shù)并對各個子站進行了恢復(fù)優(yōu)先級評級，并將自愈負荷量、分斷開關(guān)操作代價和社會效益作為自愈系統(tǒng)中的主要目標(biāo)進行優(yōu)化，以實現(xiàn)多目標(biāo)的共同優(yōu)化。

1.1 目標(biāo)函數(shù)計算

本文選擇自愈負荷量、分斷開關(guān)操作代價兩項作為基本目標(biāo)函數(shù)，再根據(jù)子站中用戶的社會效益，建立故障自愈目標(biāo)函數(shù)，如式(1)所示：

(1)

式中，λ1為一級負載社會效益系數(shù)，λ2為二級負載社會效益系數(shù)；λ3為開關(guān)操作系數(shù)。Y1、Y2為一級、二級用戶負載個數(shù)，用戶總數(shù)為Yz=Y1+Y2。P1為一級用戶負載的功率，P2為二級用戶負載的功率；m表示負載的供電狀態(tài)，為1時表示負載處于供電狀態(tài)，為0時表示負載處于失電狀態(tài)；n為故障自愈過程中的開關(guān)操作次數(shù)。其中λ1、λ2、λ3的定義如式(2)所示：

λ2=1

(2)

λ3=λ2

式中，P1 min為一級用戶負荷最小容量，P2 max為二級用戶負荷最大容量。可以發(fā)現(xiàn)，一級用戶的影響因數(shù)要大于二級用戶影響因數(shù)，二級用戶的影響因數(shù)要大于開關(guān)操作代價影響因數(shù)。因此，在電網(wǎng)自愈過程中有限恢復(fù)一級用戶供電，再恢復(fù)二級用戶供電，可大大提高自愈系統(tǒng)的社會效益。

為了防止支路過載，自愈系統(tǒng)必須對自愈負荷量進行嚴格的限制，必須保證系統(tǒng)輻射狀運行且開關(guān)操作次數(shù)不能太多。所以本文設(shè)置了三條約束條件：(1)容量約束，即自愈系統(tǒng)運行時自愈負荷量恢復(fù)不得引起支路過載；(2)結(jié)構(gòu)約束，即自愈系統(tǒng)必須保證系統(tǒng)輻射狀運行；(3)操作約束，即開關(guān)操作次數(shù)不能太多。

1.2 PSO算法基本原理

PSO算法的基本原理是每個粒子在可行解空間中運動，通過速度和位置的不斷更新迭代得到全局最優(yōu)解[13-14]。首先，需要設(shè)置最大迭代次數(shù)、目標(biāo)函數(shù)的自變量個數(shù)以及粒子的最大速度、位置信息為整個搜索空間，在速度區(qū)間和搜索空間上隨機初始化速度和位置，設(shè)置粒子群規(guī)模為M，每個粒子隨機初始化一個初始速度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為2個步驟：首先，對公式內(nèi)各個參數(shù)進行初始化，包括探索空間的上下限、學(xué)習(xí)因子、算法最大迭代次數(shù)和精度、粒子速度范圍、初始粒子的速度和位置等。其次，對每一個粒子根據(jù)適用度函數(shù)進行計算，得到每一個的個體極值和整體的全局極值，再根據(jù)公式(3)和公式(4)不斷更新個體極值和全局極值。計算迭代次數(shù)是否達到了預(yù)先設(shè)定的最大次數(shù)或者收斂精度是否到達了要求，如果兩項中有一項沒有達到要求則重新運行第二步，如果兩項均達到了要求則迭代終止，得出最優(yōu)解。

2 環(huán)狀母線電網(wǎng)故障自愈系統(tǒng)構(gòu)建

圖1所示為環(huán)狀母線自愈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。本文采用兩條220kV母線分別帶3個110kV變電站為例，兩條母線之間用母聯(lián)連接，兩條母線互為備用形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)環(huán)狀供電。

圖1 環(huán)狀母線電網(wǎng)故障自愈結(jié)構(gòu)圖

110kV配電網(wǎng)中典型的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)串聯(lián)供電模式，圖中兩側(cè)為220kV電源站A和B，中間為3個110kV變電站C、D、E。220kV電源站A、B的110kV側(cè)配置有母線保護和備自投裝置；110kV站C、D、E的110kV側(cè)配置有母線保護裝置，10kV側(cè)配置有備自投裝置，串供回路內(nèi)線路配置有光纖縱差保護裝置。

正常運行方式下，串內(nèi)包含兩個串供回路: A1->C1->C2->D1->D2->E1->E2->B1和B2-> E5->E4->D5->D4-> C5-> C4->A2。兩個串供回路均是任一開關(guān)斷開作為開環(huán)點，其他開關(guān)均在合位運行，電源站A供站C，電源站B供站D、站E。串供回路內(nèi)部發(fā)生故障時，應(yīng)及時準(zhǔn)確確定故障位置，執(zhí)行故障隔離方案，合上串供回路開環(huán)點開關(guān)，由另一側(cè)電源恢復(fù)對失電站的供電。以C2開關(guān)為開環(huán)點為例(圖2)，對自愈系統(tǒng)進行詳細解釋。

圖2 C2開關(guān)為開環(huán)點的自愈模型

上述自愈系統(tǒng)可以分為以下幾步：(1)故障定位并確定除故障位置外其余線路運行正常；(2)結(jié)合多目標(biāo)PSO算法生成電網(wǎng)自愈模型；(3)根據(jù)自愈模型實施解決方案；(4)解除故障；(5)檢查電網(wǎng)運行情況并評價自愈模型。

根據(jù)已建立的電網(wǎng)自愈目標(biāo)函數(shù)結(jié)合PSO算法，可以得到電網(wǎng)控制自愈算法的工作原理(圖3)如下[15]：(1)初始化參數(shù)，確定種群大小、慣性權(quán)重、最大迭代次數(shù)、學(xué)習(xí)因子等各個參數(shù)；(2)電網(wǎng)系統(tǒng)中各負荷和斷路器組成粒子群算法中的粒子群，各負荷的供電狀態(tài)和斷路器開關(guān)狀態(tài)即為粒子群中各粒子的位置，待確定粒子速度和位置的初始區(qū)間，可通過隨機法生成粒子的初始速度和位置；(3)根據(jù)電網(wǎng)自愈系統(tǒng)中實際的參數(shù)，根據(jù)式(2)計算出各個參數(shù)；(4)根據(jù)式(3)、式(4)不斷更新粒子的速度和位置；(5)根據(jù)式(1)計算新粒子速度和位置下目標(biāo)函數(shù)的適應(yīng)度值；(6)判斷迭代次數(shù)是否已經(jīng)大于最大迭代次數(shù)，如果大于則輸出最優(yōu)位置，如果小于則返回步驟(4)繼續(xù)迭代。

圖3 基于PSO算法的電網(wǎng)控制自愈算法的流程框架圖

3 電網(wǎng)自愈控制算法的仿真模型

為了保證供電可靠性，本文仿真模型中兩條母線備用線路，大大提高重要負載的可靠性。并且，采取閉環(huán)設(shè)計，根據(jù)用戶負載的重要程度將負載分成重要負載和普通負載。在本文設(shè)計的電網(wǎng)自愈系統(tǒng)中，重要負載都設(shè)有備用線路，普通負載都是直接從母線上取電。圖4所示為含有備用線路的配電系統(tǒng)。

圖4 環(huán)狀母線小型電網(wǎng)配電系統(tǒng)

圖4中，M1、M2為1母和2母；ML為母聯(lián)開關(guān)；L1～L8為用戶子站；K為斷路器。A1、B1、A2、B2為電源站。為方便驗證，本文對各個元件參數(shù)進行了設(shè)計(表1)。

元件參數(shù) 表1

4 電網(wǎng)自愈控制算法的仿真結(jié)果分析

本文設(shè)置種群數(shù)量為60，最大迭代次數(shù)為50。按照式(3)、式(4)對粒子進行速度和位置的更新，學(xué)習(xí)因子為2，慣性權(quán)重為1。根據(jù)表1，可以算出λ1=1.06，λ2=1，λ3=1。通過進行多次故障模擬，選擇其中次數(shù)最多的自愈方案為本文最佳方案。其中L1由A1供電，L2、L3、L4由B1供電；L5、L6由A2供電，L7、L8由B2供電。本文模擬的故障主要有以下幾類。

(1)非電源站故障

此時，故障點可能存在與K1～K11(K1’～K11’)之間，本文模擬K4點為開環(huán)點，K5點故障，本文利用自愈控制算法仿真50次，有48次結(jié)果為斷開K5閉合K4(圖5)。

圖5 非電源故障模擬數(shù)據(jù)

(2)電源站故障

當(dāng)電源站A1故障，本文利用自愈控制算法仿真50次，經(jīng)過仿真得到45次結(jié)果為斷開K1并放電，閉合K4，L2停運。仿真結(jié)果(圖6)符合實際要求的情況，在最大負荷情況下恢復(fù)了電網(wǎng)的運行。

圖6 電源故障模擬數(shù)據(jù)

(3)母線故障

模擬M1故障，此時L1～L4停電，本文利用自愈控制算法仿真50次，經(jīng)過仿真得到41次結(jié)果為閉合ML，L2、L4和L7停運(圖7)。

圖7 母線故障模擬數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語