邱玉濤 ,肖先勇 ,熊 茜 ,趙 恒 ,李 忠
(1.四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院,四川 成都 610065;2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司資陽(yáng)供電公司,四川 資陽(yáng) 641300)
電壓暫降是系統(tǒng)正常運(yùn)行中不可避免的電能質(zhì)量事件[1-3],對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估是采取有效措施的前提[4-9],實(shí)際中不可能也沒(méi)必要對(duì)所有母線(xiàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此,研究電網(wǎng)中電壓暫降監(jiān)測(cè)裝置的優(yōu)化配置是準(zhǔn)確把握全網(wǎng)暫降水平的重要課題[10-18],具有重要理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
國(guó)內(nèi)外對(duì)暫降監(jiān)測(cè)裝置的優(yōu)化配置問(wèn)題開(kāi)展了大量研究,主要?dú)w納為3種方法:圖論法、故障定位法、暫降可觀(guān)測(cè)區(qū)域MRA(Monitor Reach Area)法。文獻(xiàn)[11]考慮電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),基于圖論進(jìn)行監(jiān)測(cè)裝置配置,但僅適用于輻射型配網(wǎng),未考慮暫降傳播特性。文獻(xiàn)[12]基于故障定位思想構(gòu)造可觀(guān)測(cè)矩陣,能對(duì)全網(wǎng)故障點(diǎn)唯一準(zhǔn)確定位,但監(jiān)測(cè)裝置安裝數(shù)量多,優(yōu)化時(shí)間長(zhǎng),對(duì)IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)仿真,優(yōu)化配置時(shí)間至少需3 d,實(shí)用性不強(qiáng)。目前,國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣的是MRA法,該方法以監(jiān)測(cè)裝置數(shù)量最少為目標(biāo),以全網(wǎng)暫降可觀(guān)為約束,適用于任意電網(wǎng)拓?fù)浜凸收项?lèi)型,實(shí)用性較強(qiáng)。文獻(xiàn)[13]提出了MRA原理,并以此構(gòu)造暫降可觀(guān)測(cè)矩陣,用0-1規(guī)劃法求解,但僅考慮了母線(xiàn)故障和三相接地故障;文獻(xiàn)[14-16]提出改進(jìn)可觀(guān)測(cè)矩陣法,減少監(jiān)測(cè)盲區(qū),其中文獻(xiàn)[15-16]考慮了全網(wǎng)任意地點(diǎn)和故障類(lèi)型引起暫降的可能性,所得暫降觀(guān)測(cè)方程更準(zhǔn)確、完備;文獻(xiàn)[17]、[18]分別提出基于遺傳算法、禁忌搜索算法的觀(guān)測(cè)方程求解方法。這些方法在不同程度上提高了監(jiān)測(cè)裝置配置的全局最優(yōu)性,但均依賴(lài)于暫降可觀(guān)測(cè)矩陣,觀(guān)測(cè)方程維數(shù)高、計(jì)算量大,推廣應(yīng)用困難。因此,降低觀(guān)測(cè)方程維數(shù)、減少優(yōu)化配置時(shí)間,是急需解決的問(wèn)題。
本文在MRA法的基礎(chǔ)上,引入臨界阻抗和等效阻抗的概念,以此判定故障是否導(dǎo)致母線(xiàn)暫降;同時(shí),考慮到電網(wǎng)內(nèi)暫降傳播特性,提出一種廣度優(yōu)先-條件搜索算法,形成暫降母線(xiàn)集,減少搜索母線(xiàn)數(shù);然后通過(guò)合并導(dǎo)致相同暫降特征的故障點(diǎn),構(gòu)造全網(wǎng)暫降可觀(guān)測(cè)矩陣。本文方法有效減少了計(jì)算量,降低了觀(guān)測(cè)方程的維數(shù),減少了優(yōu)化配置時(shí)間。通過(guò)對(duì)IEEE 30、118和300節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的仿真,驗(yàn)證了本文方法的正確性和適用性。結(jié)果證明,與MRA法相比,本文方法在保證配置結(jié)果正確的前提下,明顯減少了暫降監(jiān)測(cè)裝置優(yōu)化配置時(shí)間。
電網(wǎng)暫降MRA定義為:當(dāng)電網(wǎng)內(nèi)故障引起電壓暫降時(shí),監(jiān)測(cè)點(diǎn)能觀(guān)測(cè)到的引起該暫降的故障點(diǎn)所在區(qū)域?;贛RA法的監(jiān)測(cè)裝置配置原理為:構(gòu)造全網(wǎng)暫降可觀(guān)測(cè)矩陣,建立觀(guān)測(cè)方程,通過(guò)優(yōu)化求解該方程確定監(jiān)測(cè)方案。
設(shè)n為全網(wǎng)母線(xiàn)數(shù),p為總故障數(shù),任意故障類(lèi)型下的全網(wǎng)暫降可觀(guān)測(cè)矩陣Mw為:
其中,w 為故障類(lèi)型,取 0、1、2、3,分別表示三相接地、單相接地、兩相相間和兩相接地故障;Mw為n×p階0-1二值矩陣。元素取值為:
其中,i=1,2,…,n;j=1,2,…,p;Uth為監(jiān)測(cè)裝置設(shè)定的暫降閾值;Uij為j點(diǎn)故障時(shí)母線(xiàn)i的剩余電壓值。
Mw的物理意義為:第i行元素表示母線(xiàn)i的MRA范圍,取值為1表示故障點(diǎn)在MRA內(nèi),取值為0表示在MRA外;第j列元素表示j點(diǎn)故障引起的電壓暫降可被觀(guān)測(cè)的母線(xiàn),取值為1表示暫降可被觀(guān)測(cè),取值為0表示不能觀(guān)測(cè)。
基于MRA法的暫降監(jiān)測(cè)裝置優(yōu)化配置方法,需對(duì)所有故障點(diǎn)、母線(xiàn)和可能設(shè)置的暫降閾值進(jìn)行全面分析,方法復(fù)雜、繁瑣。尤其在構(gòu)造可觀(guān)測(cè)矩陣Mw時(shí),對(duì)每個(gè)故障點(diǎn)遍歷所有母線(xiàn),每一次遍歷均需做多次計(jì)算,尤其是必須進(jìn)行短路計(jì)算,其計(jì)算量很大[19]。當(dāng)電網(wǎng)越來(lái)越復(fù)雜時(shí),至少存在三方面問(wèn)題:母線(xiàn)數(shù)增多,計(jì)算時(shí)間線(xiàn)性增長(zhǎng);對(duì)于任意故障點(diǎn),用短路計(jì)算求各母線(xiàn)剩余電壓均需使用母線(xiàn)與故障點(diǎn)的互阻抗和故障點(diǎn)自阻抗,計(jì)算量大;為避免監(jiān)測(cè)盲區(qū),可觀(guān)測(cè)矩陣Mw的列數(shù)多,建立的觀(guān)測(cè)方程多,導(dǎo)致約束條件多,優(yōu)化時(shí)間長(zhǎng)。
以降低可觀(guān)測(cè)矩陣維數(shù)、減少計(jì)算量為目標(biāo),結(jié)合MRA法存在的問(wèn)題,可采取以下措施:
a.引入臨界阻抗和等效阻抗的概念,作為判定母線(xiàn)是否暫降的條件,對(duì)于給定故障點(diǎn),用故障點(diǎn)的自阻抗確定臨界阻抗,除兩相接地故障外,計(jì)算母線(xiàn)等效阻抗僅用母線(xiàn)與故障點(diǎn)的互阻抗,減少每次判定暫降的計(jì)算量;
b.從故障點(diǎn)所在線(xiàn)路兩端母線(xiàn)出發(fā),基于廣度優(yōu)先搜索法,僅搜索Mw中故障點(diǎn)所在列元素值為1的母線(xiàn),并形成對(duì)應(yīng)故障點(diǎn)的暫降母線(xiàn)集,其余母線(xiàn)對(duì)應(yīng)元素值取0,減少每次被搜索的母線(xiàn)數(shù);
c.合并導(dǎo)致相同暫降特征的故障點(diǎn),降低可觀(guān)測(cè)矩陣維數(shù),減少監(jiān)測(cè)裝置優(yōu)化配置時(shí)間。
為減少可觀(guān)測(cè)矩陣構(gòu)造時(shí)間,引入臨界阻抗和等效阻抗的概念。以等效阻抗大于或等于臨界阻抗作為判定母線(xiàn)暫降的條件,并確定可觀(guān)測(cè)矩陣的元素取值。針對(duì)不同故障類(lèi)型,給出相應(yīng)的臨界阻抗與等效阻抗的計(jì)算公式。
計(jì)算模型如圖1所示。設(shè)m為待求母線(xiàn),母線(xiàn)i、j之間的線(xiàn)路i-j故障,f為故障點(diǎn),k為點(diǎn)f到母線(xiàn)i的歸一化距離,確定方法如式(3)所示。k取值從 0到 1表示 f從 i到 j。
圖1 電力系統(tǒng)短路計(jì)算模型Fig.1 Short-circuit calculation model of power system
其中,Lif為母線(xiàn)i到故障點(diǎn)f的距離;Lij為線(xiàn)路i-j的長(zhǎng)度。
可見(jiàn),Zmf與 k、Zmi和 Zmj有關(guān),當(dāng)故障位置和電網(wǎng)拓?fù)浯_定時(shí),Zmf僅與待求母線(xiàn)有關(guān);Zff與 k、zij、Zii、Zjj和Zij有關(guān),當(dāng)故障位置和電網(wǎng)拓?fù)浯_定時(shí),Zff確定。
為簡(jiǎn)化計(jì)算,設(shè)各母線(xiàn)暫降前電壓為1 p.u.(也可取實(shí)際值[20]),忽略故障阻抗影響,旋轉(zhuǎn)因子 α=ej120°,當(dāng)點(diǎn)f三相接地短路時(shí),母線(xiàn)m的剩余電壓Um為:
其中,abs(·)表示取有效值。
可見(jiàn),Um取決于Zmf、Zff。當(dāng)故障位置和電網(wǎng)拓?fù)浯_定時(shí),Zff為定值,m與f的等效阻抗Zeq就是其互阻抗的模值:
其中,mod(·)表示取模值。
設(shè)暫降閾值為Uth,由式(6)可得臨界阻抗Zcrit:
如果發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障,可用對(duì)稱(chēng)分量法進(jìn)行分析,取幅值最小一相的電壓作為等效剩余電壓。
通過(guò)等效剩余電壓和暫降閾值可得不同故障類(lèi)型對(duì)應(yīng)的臨界阻抗Zcrit和等效阻抗Zeq,如式(9)—(14)所示。
a.單相接地故障。
b.兩相相間故障。
c.兩相接地故障。
比較Zeq和Zcrit可判定母線(xiàn)是否暫降,見(jiàn)式(15):
式(15)對(duì)應(yīng)于式(2),但無(wú)需進(jìn)行短路計(jì)算,僅用阻抗大小進(jìn)行判定。
由式(7)、(9)、(11)和(13)可知,發(fā)生兩相接地故障,求Zeq時(shí)需用Zmf和Zff,其他類(lèi)型故障僅需用到Zmf;而MRA法對(duì)所有故障類(lèi)型進(jìn)行短路計(jì)算時(shí),均需用到Zmf和Zff。表1給出了構(gòu)造Mw中某列元素時(shí)使用阻抗的次數(shù)。假設(shè)全網(wǎng)n條母線(xiàn),給定故障引起暫降的母線(xiàn) n1條,顯然,n1≤n。
表1 構(gòu)造Mw某列元素的比較Table 1 Comparison of Mwcolumn elements between two methods
可見(jiàn),MRA法對(duì)任意故障類(lèi)型構(gòu)造Mw矩陣的每一列均需計(jì)算2n次;本文方法,兩相接地故障計(jì)算2n1次,其余3類(lèi)故障僅計(jì)算n1+1次,計(jì)算量明顯減少。
全網(wǎng)任意地點(diǎn)故障均可能引起母線(xiàn)電壓降低,但并非所有母線(xiàn)均發(fā)生可觀(guān)測(cè)暫降。引起可觀(guān)測(cè)暫降的故障僅在MRA范圍內(nèi)。監(jiān)測(cè)裝置設(shè)定的暫降閾值越小,MRA越小。因此,當(dāng)暫降閾值和電網(wǎng)拓?fù)浯_定時(shí),給定故障點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)生可觀(guān)測(cè)暫降的母線(xiàn)確定,這些母線(xiàn)可構(gòu)成一個(gè)集合,定義為暫降母線(xiàn)集。優(yōu)化配置監(jiān)測(cè)裝置時(shí),僅需對(duì)暫降母線(xiàn)集進(jìn)行搜索,其余母線(xiàn)不用搜索,就可大量減少計(jì)算量。從故障引起暫降的角度看,電網(wǎng)是一有向圖。因此,提出一種廣度優(yōu)先-條件搜索法進(jìn)行監(jiān)測(cè)裝置優(yōu)化配置。從故障點(diǎn)所在線(xiàn)路兩端母線(xiàn)出發(fā),逐層搜索暫降母線(xiàn),形成暫降母線(xiàn)集。以圖2給出的IEEE 9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例,設(shè)母線(xiàn)7、8間線(xiàn)路7-8發(fā)生三相接地故障,f為故障點(diǎn),故障歸一化距離k=0.5 p.u.,暫降閾值Uth=0.8 p.u.。算法步驟如下:
a.由式(8)計(jì)算給定故障點(diǎn)f的臨界阻抗Zcrit;
b.由式(7)計(jì)算故障線(xiàn)路首端母線(xiàn)7與故障點(diǎn)f的等效阻抗Zeq,由式(15)判定母線(xiàn)7是否發(fā)生可觀(guān)測(cè)暫降,若發(fā)生則從母線(xiàn)7開(kāi)始搜索下一層母線(xiàn),否則停止搜索;
c.用廣度優(yōu)先搜索法逐層搜索與母線(xiàn)7有可達(dá)路徑的母線(xiàn),為保證每條母線(xiàn)僅被訪(fǎng)問(wèn)一次,可采用哈希表進(jìn)行判重[21];
d.每搜索一條母線(xiàn)均用式(15)進(jìn)行判定,若未發(fā)生可觀(guān)測(cè)暫降,則對(duì)該母線(xiàn)剪枝,否則繼續(xù)搜索;
e.若故障線(xiàn)路末端母線(xiàn)8已被搜索,全部搜索過(guò)程結(jié)束,否則從母線(xiàn)8開(kāi)始再次搜索,重復(fù)步驟b—d;
f.由搜索所得母線(xiàn)構(gòu)造暫降母線(xiàn)集。
圖2 IEEE 9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)Fig.2 IEEE 9-bus system
對(duì)任意類(lèi)型故障,各線(xiàn)路等間距取e個(gè)故障點(diǎn),全網(wǎng)共設(shè)置p個(gè)故障點(diǎn)。用上述方法確定p個(gè)故障點(diǎn)的暫降母線(xiàn)集。若同一線(xiàn)路上相鄰2個(gè)及以上故障點(diǎn)的暫降母線(xiàn)集相同,說(shuō)明這些故障點(diǎn)導(dǎo)致相同的暫降特征,則合并這些故障點(diǎn),得全網(wǎng)q個(gè)故障點(diǎn)(q≤p)及其暫降母線(xiàn)集,Mw中故障點(diǎn)所在列的元素如果包含于暫降母線(xiàn)集,元素取值為1,否則為0。這樣,Mw變?yōu)閚×q階0-1二值矩陣,針對(duì)所有故障類(lèi)型的全網(wǎng)暫降可觀(guān)測(cè)矩陣M為:
其中,M0、M1、M2、M3分別為三相接地、單相接地、兩相相間和兩相接地故障對(duì)應(yīng)的暫降可觀(guān)測(cè)矩陣,列數(shù)分別為 q1、q2、q3和 q4。
設(shè)全網(wǎng)n條母線(xiàn),配置監(jiān)測(cè)裝置的決策向量為:
X的元素取值為:
其中,i=1,2,…,n。
以監(jiān)測(cè)裝置安裝數(shù)量最少為目標(biāo),構(gòu)造優(yōu)化配置的目標(biāo)函數(shù):
以任意位置的任意類(lèi)型故障引起的暫降至少能被1臺(tái)裝置監(jiān)測(cè)為約束條件,構(gòu)造觀(guān)測(cè)方程為:
其中,j=1,2,…,q1+q2+q3+q4。
由式(19)、(20)構(gòu)成的優(yōu)化問(wèn)題,可用 0-1 規(guī)劃法求解。優(yōu)化配置流程如圖3所示。
圖3 全網(wǎng)電壓暫降監(jiān)測(cè)裝置優(yōu)化配置流程圖Fig.3 Flowchart of optimal system-wide voltage sag monitor placement
為驗(yàn)證本文方法的正確性和適用性,在相同仿真條件下,用本文方法分別對(duì)IEEE 30、118和300節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,并與文獻(xiàn)[15-16]方法相比較。
仿真用計(jì)算機(jī)的配置參數(shù):Intel(R)Core(TM)2 Duo CPU E7500@2.93GHz,2GB 內(nèi)存;采用 Microsoft Windows XP Professional操作系統(tǒng);仿真軟件采用MATLAB 2008a版本。
對(duì)文獻(xiàn)[16]給出的IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)(IEEE 30 RTS)進(jìn)行仿真。系統(tǒng)共30條母線(xiàn)、37條線(xiàn)路,各線(xiàn)路等間距取20個(gè)故障點(diǎn)??紤]母線(xiàn)和線(xiàn)路發(fā)生任意類(lèi)型故障,得所有故障點(diǎn)的暫降母線(xiàn)集,合并導(dǎo)致相同暫降特征的故障點(diǎn),形成全網(wǎng)暫降可觀(guān)測(cè)矩陣。
暫降閾值分別取 0.9 p.u.、0.8 p.u.和 0.7 p.u.,得任意類(lèi)型故障的監(jiān)測(cè)裝置優(yōu)化配置結(jié)果,與文獻(xiàn)[15-16]方法所得結(jié)果比較,如表2所示。
表2 不同暫降閾值監(jiān)測(cè)裝置優(yōu)化配置結(jié)果Table 2 Results of optimal sag monitor placement for different sag thresholds
可見(jiàn),不同暫降閾值下,本文方法所得結(jié)果與文獻(xiàn)[15-16]方法一致,證明本文方法正確。
暫降閾值分別取 0.9 p.u.、0.8 p.u.和 0.7 p.u.時(shí),本文方法的配置總時(shí)間分別為3.31 s、2.76s和2.48s,而文獻(xiàn)[15-16]方法的時(shí)間分別為 10.53 s、10.86 s和11.22 s。本文方法所用時(shí)間至少減少了68.6%。
對(duì)文獻(xiàn)[15]給出的IEEE118節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)(IEEE118 RTS)進(jìn)行仿真。系統(tǒng)共有118條母線(xiàn)、170條線(xiàn)路。各線(xiàn)路等間距取20個(gè)故障點(diǎn),暫降閾值分別取0.9 p.u.、0.8 p.u.和 0.7 p.u.,本文方法和文獻(xiàn)[15-16]均采用0-1規(guī)劃法求解式(19)和(20),可觀(guān)測(cè)矩陣構(gòu)造時(shí)間tc、可觀(guān)測(cè)矩陣列數(shù)q、0-1規(guī)劃法優(yōu)化時(shí)間to和監(jiān)測(cè)裝置優(yōu)化配置總時(shí)間tt如表3所示。
表3 不同暫降閾值計(jì)算時(shí)間Table 3 Calculation time for different sag thresholds
對(duì)文獻(xiàn)[22]給出的IEEE300節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)(IEEE 300 RTS)進(jìn)行仿真。系統(tǒng)共300條母線(xiàn)、411條線(xiàn)路。暫降監(jiān)測(cè)裝置優(yōu)化配置時(shí)間如表4所示。
表4 不同暫降閾值計(jì)算時(shí)間Table 4 Calculation time for different sag thresholds
暫降閾值分別取0.9 p.u.、0.8 p.u.和0.7 p.u.時(shí),對(duì)IEEE 118節(jié)點(diǎn)和300節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,并與文獻(xiàn)[15-16]方法比較。圖4和圖5分別為可觀(guān)測(cè)矩陣構(gòu)造時(shí)間和監(jiān)測(cè)裝置優(yōu)化配置總時(shí)間減少的百分比。
圖4 可觀(guān)測(cè)矩陣構(gòu)造時(shí)間減少的百分比Fig.4 Percentages of time consumption reduction for observability matrix construction
圖5 暫降監(jiān)測(cè)裝置配置時(shí)間減少的百分比Fig.5 Percentages of time consumption reduction for sag monitor placement
監(jiān)測(cè)裝置優(yōu)化配置總時(shí)間主要取決于可觀(guān)測(cè)矩陣構(gòu)造時(shí)間和暫降觀(guān)測(cè)方程求解時(shí)間。由表3和表4可知,可觀(guān)測(cè)矩陣構(gòu)造時(shí)間是0-1規(guī)劃優(yōu)化時(shí)間的8倍左右,即優(yōu)化配置時(shí)間主要取決于可觀(guān)測(cè)矩陣構(gòu)造時(shí)間。文獻(xiàn)[17]、[18]分別用遺傳算法和禁忌搜索算法求解暫降觀(guān)測(cè)方程,未改進(jìn)可觀(guān)測(cè)矩陣的構(gòu)造方式,監(jiān)測(cè)裝置配置時(shí)間變化不明顯。本文改進(jìn)了可觀(guān)測(cè)矩陣的構(gòu)造方式,降低了可觀(guān)測(cè)矩陣的維數(shù),明顯減少了監(jiān)測(cè)裝置配置時(shí)間。
對(duì)于不同暫降閾值,文獻(xiàn)[15-16]方法的配置時(shí)間基本不變,而本文方法隨著閾值降低,所需時(shí)間越來(lái)越少。這是因?yàn)殚撝翟降停收宵c(diǎn)所觸發(fā)的暫降母線(xiàn)數(shù)就越少,廣度優(yōu)先-條件搜索形成的暫降母線(xiàn)集中母線(xiàn)數(shù)減少,因而可觀(guān)測(cè)矩陣構(gòu)造時(shí)間相應(yīng)減少。
由圖4、圖5可知,IEEE 118節(jié)點(diǎn)和300節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的仿真結(jié)果均證明了本文方法的有效性,且電網(wǎng)規(guī)模越大,優(yōu)勢(shì)越明顯。
a.基于廣度優(yōu)先-條件搜索算法的暫降監(jiān)測(cè)裝置優(yōu)化配置方法正確,可有效降低可觀(guān)測(cè)矩陣的維數(shù)和減少優(yōu)化配置時(shí)間;
b.用臨界阻抗和等效阻抗判定暫降母線(xiàn),并搜索暫降母線(xiàn)集,避免了遍歷全網(wǎng)所有母線(xiàn)進(jìn)行短路計(jì)算,有效減少了計(jì)算量;
c.合并導(dǎo)致相同暫降特征的故障點(diǎn),降低了暫降可觀(guān)測(cè)矩陣的維數(shù),減少了優(yōu)化配置時(shí)間;
d.電網(wǎng)規(guī)模越大,本文方法對(duì)優(yōu)化配置時(shí)間的改進(jìn)效果越明顯,有一定工程應(yīng)用價(jià)值。
本文方法有效降低了可觀(guān)測(cè)矩陣維數(shù),避免了不必要的計(jì)算,減少了監(jiān)測(cè)裝置優(yōu)化配置時(shí)間。如何將該方法應(yīng)用于實(shí)際,是下一步研究的課題。