基于改進花授粉算法的配網繼電保護整定優化方法

廖清陽,陳 曉,王 軍,陳懷藺,彭川齊

(貴州電網有限責任公司貴安供電局,貴州 貴安 550003)

隨著配電網的發展,繼電保護工作在維護配電網安全運行方面發揮了關鍵的作用[1]。高質量的配電網繼電保護整定方案可以自動、迅速且有選擇性地將故障元件從配電網中切除[2]。而在配電網實際運行過程中,獲取符合全部相鄰保護關系的定值較為困難,難以反映設備的非正常運行狀態[3]。因此,配電網繼電保護整定優化成為了相關領域的重點研究方向。

許多相關學者對配電網繼電保護整定優化方法展開研究,如以動作時間最小為目標函數,搭建數學模型,通過和聲搜索算法對數學模型求解,優化配電網繼電保護整定[4]。基于電網繼電保護整定優化的原理,對繼電保護整定進行分析,建立繼電保護的數學模型,選取目標函數,參考配電網繼電保護的約束條件,運用粒子群算法進行求解,完成配電網繼電保護整定的優化[5]。通過保護靈敏性、選擇性及速度性約束要求和保護動作特征,搭建配電網繼電保護整定優化模型,并利用灰狼算法求解該模型[6]。

花授粉算法是一種具有整體收斂的優化算法,以植物授粉為生物依托,從花授粉的目的最優繁殖和適者生存。該算法參數較少,具有較好的整體尋優效果[7-8]。因此,為實現繼電保護快速整定、確保配電網的穩定運行,本文提出一種基于改進離散花授粉算法的配電網繼電保護整定優化方法,以期能夠減少繼電保護整定的動作時間。

1 優化方法設計

1.1 配電網繼電保護整定方法

為避免配電網線路跳閘引發電網停電故障,降低配電網供電效果,提出依據時限速斷保護的實際安裝位置結合配電網負荷性質差異的進行配電網劃分的三級整定方法,不但適應于3個及以上開關的整定計算,避免一層次一開關導致的時限斷速保護失效問題,還能夠增加保障時限內繼電保護動作的可操作性和可選擇性。

1.1.1電流時限斷速保護

為避免開啟變壓器時受到勵磁涌流沖擊,整定計算需結合速斷保護實際情況,以故障發生時避免故障沖擊的短路電流最大為原則,公式為:

Idz=KkId·max=KkIj(Zxt·max+Zxl)-1

(1)

式中:Idz表示一次電流速斷值;Kk描述可靠系數值,Kk∈[1.2-1.3];Zxl、Zxt·max分別表示兩級開關間的正序阻抗、負荷最大條件下的正序阻抗;Ij、Id·max分別表示線路基準電流、變壓器側短路電流極值。

時限速斷保護區間的規定:即配電網運行最大化及最小化保護時,保護線路長度需分別達到整體線路的二分之一以上、本級線路的五分之一以上[9]。

差動保護轉變成主動保護的原則是線路尾端有且只有一臺變壓器,此時線路的繼電保護整定由主保護完成:

Idx=KkId·max

(2)

此時,Kk∈[1.3-1.4]。當線路末尾變壓器數量為一臺時,主保護區間等同于瞬時電流速斷保護區間,此時繼電保護整定為該線路的瞬時電流速斷保護:

Idx=KkId

(3)

此時,Kk=1.1,Id用于描述速斷保護數值。

1.1.2過流保護

過流保護以避免本級開關負荷電流整定極大值沖擊且不破壞本級開關所在線路的靈敏度為前提進行整定:

Idx=Kf-1KkKzqdIfh·max

(4)

式中:Ifh·max用于描述本級負荷電力極大值;Kf、Kzqd分別用于描述返回參數、電動機自啟動參數,Kk∈[1.15～1.25]。

過流保護過程中需符合靈敏度要求,具體如表1所示。

表1 靈敏度要求Tab.1 Sensitivity requirements

1.2 配電網繼電保護整定優化數字模型

為獲取使配電網保護性能最優的整定結果,對現有配電網繼電保護整定方法進行合理的優化處理。配電網繼電保護整定優化屬于多目標、多變量及多約束的整體優化問題[10],在對配電網繼電保護時,需要滿足4個條件,分別為選擇性、靈敏性、可靠性及速動性,以配電網繼電保護的條件為基礎,構建配電網繼電保護整定的適應度函數模型[11]:

(5)

式中:n表示配電網繼電保護整定的適應度值;S、M表示定時限繼電保護數量及其延時段數量;tl(m)表示繼電保護動作時間;dint·y、dload·y分別表示不符合極差約束的保護附加時間、不符合潮流約束的保護附加時間;dsen·y、dsei·y分別表示不符合靈敏性約束保護附加時間、不符合選擇性約束保護附加時間。

1.3 改進離散花授粉算法的配電網繼電保護整定優化

由于配電網繼電保護整定的適應度函數模型的所有解都是離散的,為此,針對花授粉算法難以求解具有離散解特點的適應度函數模型弊端,提出離散花授粉算法并對該算法的花朵、整體及局部授粉等多方面重新定義,并引入差分進化策略,獲取改進離散花授粉算法,采用改進離散花授粉算法尋求配電網繼電保護整定的適應度函數模型最佳解,獲取滿足極差、潮流、靈敏性、選擇性約束條件且整定時間最少的繼電保護整定優化方案。

1.3.1引入差分進化的改進離散花授粉算法

為改善離散授粉算法在配電網繼電保護整定的離散優化效果,將差分進化策略加入離散授粉算法,加快收斂速度,變異和選擇的策略的迭代周期為10次。

變異操作。求解適應度函數通過完成迭代10次的種群獲取,將適應度按順序排序,把排序完成的序列分成2部分,將2部分種群進行雜交:

(6)

選擇操作。變異后的向量個體出現不可行解,則修改不可行解,修改表達式為:

(7)

1.3.2配電網繼電保護整定優化實現

改進離散花授粉算法的配電網繼電保護整定優化步驟。

步驟1:原始化繼電保護整定優化的參數含有種群個數、轉換概率q及最大迭代次數;

步驟2:隨機生成原始化繼電保護整定優化問題的解,對配電網繼電保護優化的所有解的適應度函數值進行求解,且獲取原始種群當前最佳解g*;

步驟3:分別用a和c統計迭代次數及臨時迭代次數,如c<10,開始步驟4;如出現臨時迭代次數等于10次時,求解獲取配電網繼電保護約束條件的自適應度函數,且將其排序,按照式(6)、式(7)生成新的種群,開始步驟4;若臨時迭代次數大于10次時,令臨時迭代次數不小于1,進行步驟4;

步驟5:求解新解的自適度函數值,與前最佳解比較,如新的解好,可用新的解替換當前最佳解。反之,保留當前最佳解;

步驟6:當a>N時,或新解符合當前配電網繼電保護優化精度要求,輸出最佳解;若不符合,則返回步驟3。

本文基于配電網繼電保護整定值優化問題,將差分進化策略加入離散花授粉算法優化配電網繼電保護整定的運行時間,縮短運算時間,改善配電網繼電保護離散優化問題。通過適應于求解離散化配電網繼電保護整定問題的改進離散花授粉算法,求解配電網繼電保護整定的適應度函數模型,完成配電網繼電保護整定優化。

2 實驗與分析

以某地區配電網為實驗對象,該配電網占地面積為260畝,裝機容量為40 MW,發電用戶4 896個,年發電量在2 380萬kW·h,安全電壓為36 V,供電范圍為20 km。該配電網的電力系統網絡圖,如圖1所示。用本文方法測試改進離散花授粉算法的配電網繼電保護整定優化的有效性。

圖1 電力系統網絡圖

為驗證本文方法優化后保護動作時間和配合關系,實驗選取該配電網線路L2、L4、L7及L8,當其末端發生故障時,采用本文方法優化L2、L4、L7及L8的繼電保護整定值,L2、L4、L7及L8處的整定配合曲線如圖2所示。

圖2 保護動作時間配合關系

由圖2可知,用本文方法優化L2、L4、L7及L8繼電保護整定值,保證各負荷保護之間的選擇性,電力系統的電流差值隨著動作時間的增加而減少,動作時間越短,線路電流差值越小,配電網運行越安全。實驗結果表明,配電網繼電保護整定值優化的動作時間越短,配電網電流變化越小,其優化效果越強。

實驗設置最大迭代次數和種群規模分別為90及800,推算圖2電力系統網絡中對保護1～12進行定值優化,推算結果如表2所示。

表2 本文方法繼電保護整定優化結果Tab.2 The optimization results of relay protection setting in this article’s method

由表2可知,本文方法整體動作時間合計為5.4 ms,優化結果均符合靈敏性、潮流約束、極差約束及選擇性。結果表明,本文方法優化后的繼電保護整定時間短,整定時間為0.4～0.7 ms,減少迭代次數,可快速獲取最佳解。

倍增圖2中16個配電網繼電保護的信息,獲取32、48、64和80個保護的優化問題,對繼電保護信息擴充的問題用本文方法開展尋優,尋優結果如圖3所示。

圖3 本文方法尋優結果

由圖3可知,隨著保護優化問題的數量的增加,收斂速度逐漸降低,在32和48個保護優化問題時,迭代次數分別為5、10次時,其適應度分別為8、10及6、8.6;在64個保護優化問題時,迭代次數分別為5、10次時,其適應度為4.0、4.8。在迭代次數為10時,用本文方法均可找到最佳解。結果表明,本文方法在大型復雜電網的定值方面,求解速度快,具有先進的特性。

在電力系統中,針對于13到16號繼電器進行運行狀態監測,用本文方法優化電網繼電保護整定,優化結果如圖4所示。

圖4 13號繼電保護優化

由圖4可知,電力系統的13號繼電器在運行時,發生故障,導致配電網電壓在4 s時出現異常,在異常時,用本文方法對13號繼電保護整定進行優化,優化后,配電網在6 s時運行狀態與原運行狀態相同,配電網電壓保持在-4～4 kV,恢復穩定運行。本文方法優化13號繼電保護定值的時間為2 s,耗費時間較短,可較快恢復配電網安全運行狀態。結果表明,本文方法在較短時間獲取整定結果,是由于本文方法優化求值過程簡單,在復雜的電網中,計算速度快,可迅速給出配定網繼電保護結果,不需人工參與,避免人為因素的整定漏洞問題。

3 結語

研究改進離散花粉算法的配電網繼電保護整定優化方法,在構建適應度函數模型后,采用約束區間編碼,將配電網繼電保護問題轉化為離散的整體優化問題。在配電網繼電保護過程中,基于花授粉算法的特點,對算法概念進行重新定義,引入差分進化策略提高收斂速度,改善局部最優問題。

實驗結果表明,本文方法可以快速推算出繼電保護的整定結果,求解速度快,適用于復雜的配電網,保證配電網的安全運行。