基于自適應粒子群的配電網繼電保護定值多目標優化方法

翟穎超

（國網平頂山供電公司，河南 平頂山 467001）

0 引 言

繼電保護系統的性能主要是確保系統中傳輸線路的通道容量和配電網系統安全可靠運行。傳統繼電保護通過基本算法計算出整合值，實際運作中數值保持相同。當配電網系統發生運行故障時，繼電保護系統的靈敏程度就會隨之降低，甚至會觸發拒動保護，極大減少了配電網線路的傳輸容量，降低了電網運行的穩定性?，F階段根據電網運行狀態減少運行成本，擺脫對通信系統的依靠，在傳統方法的基礎上利用粒子群優化算法得到電網電流保護的最小整體動作時間和整定值，降低了保護的拒動概率，提高了對單個傳感器出現干擾等采樣異常情況和網絡極端攻擊的免疫能力。下面對此次提出的基于自適應粒子群的配電網繼電保護定值多目標優化方法進行詳細分析和實驗[1]。

1 配電網繼電保護

1.1 設計保護動作判據

基于同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）通信環網可以進行傳感器信息采樣，達成縱聯保護的實施多樣性，但是如果對其復制簡單信息則有可能發生無法提升性能的情況，時效性會導致信息交互的環節下降，延時性導致信息流通不暢，數據傳輸異常和傳輸時長增加，從而使得配電網的繼電保護傳輸中的距離增加，傳輸效率降低[2]。通過搭建保護環境進行運行及保護判別，選取命名傳感器為A1、A2、A3、A4。將這些傳感器編制成組，并需要對應設定好的縱聯保護判據，針對重要線路{A1,A2}、{A1,A4}、{A3,A2}、{A3,A4}進行單元式保護，對涉及{A1,A4}、{A3,A2}2組保護判據，對4組實行縱聯保護判據。

式中：∑Eset為整合門檻。當線路出現故障時，綜合指令權重若大于設置數值，則保護動作可靠，反之則為不可靠[3]。

1.2 配置保護采樣信息完整傳輸的聯動裝置

自適應繼電保護在電流速斷保護中占據主要保障地位，保護不受時間限制，同時也具有可選擇性，在實際繼電保護范圍內可操作。這種狀態下能夠保證自適應繼電保護的電流速度滿足最基本的要求，達到需要的保護功能，將電網的保護系統進行調整，發生故障時對具體情況進行說明分析，保持相互之間的設定和安全性。配電網繼電評價函數為

式中：S(Fa)是評價函數的隨機值，保護程度越高則數值越?。籜為粒子總數；Ik為第k個粒子中的電流數據；表示粒子中的評價函數的預估值。通過對2種傳感器相聯合的保護裝置配置，控制信號之間相互整合，設置合適的動作門檻來實現保護指令的配合。設置單套保護指令邏輯配合方案，就地保護在檢查合格之后發送動作信號，來避免網絡攻擊，線路在傳輸中發生故障保護均可以可靠識別。

聯動裝置獲得的保護信號具有完整的阻止數據異樣能力，動作可靠。若識別出的判斷信號為1，則可由公式推算出在發生故障時的第40 ms時退出。若判斷信號為0，則在周圍元器件發生故障時，保護電路不發生操作。單側傳感器也是同樣道理，若判斷信號為1，在收到連續不間斷脈沖信號攻擊時，保護電流開始運作。假如保護判斷信號在故障啟動后40 ms內達到退出，則閉鎖保護雙重來回，來防止沖擊信號，保護可靠不發生拒動指令。在這期間線路傳輸遇到故障的同時，信號會變成1，能保護可靠動作信號發生[4]。

在電網運行過程中，隨系統產生的負荷波動情況進行調節，當主保護故障時后備將繼續按照主保護指令完成穩定運行。聯合裝置能夠將各個系統中的保護的自適應性和原則進行調整，有效提高保護采樣信息的完整傳輸。

1.3 應用自適應粒子群算法優化指令參數

標準粒子群算法的主要控制參數有普通權重和學習指令，在學習指令中選擇固定值，普通權重引用線性代數設計簡單、算法更新數據速度慢、精度準確度低。在自適應基數權重的重組上，平衡了算法整體和具體點之間的性能，提高了算法精算的準確度[5]。運用算法更新過程中，計算自適應粒子群中最大的對角線距離為

式中：X(a)為最大對角線距離；pi(t)、pk(t)為粒子。設定粒子之間電流保護動作時間為m(t)，計算粒子在保護時間m(t)上的集合為

式中：投影集合為r(t)。將集合粒子按照具體規定分別分成相同的分量，收集記錄每個粒子的投影個數為

式中：bx(t)為投影粒子的個數。在采用更新適應學習指令的變化中搜索到最優解為

式中：d、Dmax為學習指令更新次數和最大更新次數；h1,st、h1,fn分別為學習指令的最初設定和最后設定。經過計算得到粒子集合數據，優化指令參數。

2 實驗測試

2.1 保護距離動作測試

使用傳感器1和傳感器2進行區內故障點檢測，設置線路參數為順應電阻0.123 Ω，順應電感1.245 mH，順應電容3.21 μF。設置電線長度L1=20 km，L2=60 km。設置相似度比較算法的門檻值為B1點距離Fset=1.02。同時設定線路P上區內故障點X1，設定線路P1上區外故障點X2，距離標準線Q為5 km，設定位于標準線Q上的故障點為X3。檢測接地故障時保護傳感器1電流跨越門檻如圖1所示。

圖1 傳感器1電流基波幅值波形

圖2 傳感器2電流基波幅值波形

針對上述情況，各縱聯合保護組合綜合指令權重距離動作量如圖3所示。

圖3 各縱聯合保護距離動作

測試發現，對比傳感器1和2的到達門檻值時間后，繼電工作時遇到故障時，各縱聯合保護的距離在故障后3.3 ms都通過門檻值，保護綜合指令權重大于門檻值，則判斷保護信號為1，并不斷向兩側發送判斷信號。

2.2 實驗結果分析

實驗中斷路器的斷路電流數據顯示，狀態是閉合狀態，繼電處于并行狀態。當遇到網側故障或者其他問題，固定控制單元開始工作。針對斷路器問題，繼電器將提供獨立模式，負荷電流和及時電流等電流問題發生保護，需要重新對電流信號進行數據分配。起始電流在并行狀態運行工作時，在繼電器的電流整合系數的獨立模式下，選取數據不一的設定值，采用迭代更新方式改進粒子更新過程，將電流保護整體動作時間最小作為目標，排查各個斷路器的正常運行效果。選取配電網線路遇到故障時故障點保護動作反應進行實驗，設置應用自適應粒子群算法的路段為實驗路段，其他5組應用傳統算法的路段為對照路段，具體實驗參數如表1所示。

表1 故障路段保護動作反應效果

由表1可知，遇到故障時，對照路段4顯示判斷信號為0，說明保護動作未開啟，無法獲取電流保護動作時間的數值。當判斷信號為1時，故障點保護動作開啟，繼電設備顯示保護信號，實驗路段和對照路段1、2、3、5均可以獲取電流保護動作時間的數值。在同樣的測試環境下，比較通過門檻的距離可以發現，使用自適應粒子群算法的實驗路段通過門檻的速度最快，電流保護整體動作時間最短，數值小于10 ms。而運用傳統算法的故障路段在相同的環境下，電流保護動作時間長，幾乎都在10 ms以上，有的甚至臨近12 ms，可見傳統方法在遇到故障時通過門檻值的速度慢，啟動保護動作反應時間長。綜合測試結果，驗證了文中研究的方法的有效性，完成了電網繼電保護整體動作時間最短，實現了對繼電保護整定值多目標優化。

3 結 論

從自適應粒子群算法入手，探究了配電網維點保護定值多目標優化方法，結合分布式自適應控制器與計算機系統，根據繼電保護系統整合計算原則計算出各繼電保護值，并發出整定值指令，通過數據通道更新達到優化，為今后的電網保護提供了相應完善的幫助。但方法中還存在一些不足之處，例如演算流程尚未明確和簡化，實驗提出的工作機制需要人工干預計算，分析數據不完善，存在一些約束粒子群早熟方面的問題。今后應持續完善算法，通過建立電網繼電保護整合優化，合理選擇粒子的起始數據，再結合根據實際問題分析，實現對配電網的多目標保護。