王家林　詹金林

摘 要：針對(duì)艦船電力系統(tǒng)的特點(diǎn)和在潮流方程求解中存在的問(wèn)題，借鑒在陸地電力系統(tǒng)中配置相應(yīng)的PMU將使潮流方程直接可解的思想，實(shí)現(xiàn)采用遺傳和粒子群優(yōu)化算法的基于潮流可解最優(yōu)PMU配置方案算法。并對(duì)其在艦船電力系統(tǒng)中的有效性和適用性進(jìn)行了比較，可為艦船電力系統(tǒng)配置PMU提供參考。

關(guān)鍵詞：艦船電力系統(tǒng)；PMU最優(yōu)配置；遺傳算法；粒子群優(yōu)化算法

中圖分類號(hào)：TP163 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：According to the characteristic of the shipboard power systems and the problem in the load flow computing，by using the ideology of the method of placing synchronized phasor measurement units in power network to realize analytical solution of power flow node by node， the arithmetic of Genetic Algorithm and Particle Swarm Optimization based on proper placement of PMU were realized. The validity and applicability of these two arithmetics in the shipboard power systems were compared； it also offers the reference for the proper placement of PMU in shipboard power systems.

Key words：shipboard power systems；optimal PMU placement；genetic algorithm；particle swarm optimization

1 引 言

隨著艦載高能武器的發(fā)展以及對(duì)艦船作戰(zhàn)能力、操縱性穩(wěn)蔽性等要求的進(jìn)一步提高，西方國(guó)家在艦船全電力推進(jìn)基礎(chǔ)上提出一種將日常供電系統(tǒng)、重要負(fù)載供電系統(tǒng)與推進(jìn)供電系統(tǒng)一體化的動(dòng)力平臺(tái)——艦船綜合電力系統(tǒng)（IPS）。綜合電力系統(tǒng)將艦船發(fā)電、供電、推進(jìn)和艦載設(shè)備用電集成在一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)內(nèi)，相應(yīng)地，采用綜合電力系統(tǒng)的大中型艦船對(duì)電力系統(tǒng)的監(jiān)控和管理提出了更高更復(fù)雜的要求[1-2]。同步相量測(cè)量是應(yīng)復(fù)雜電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控的需要而興起的一項(xiàng)技術(shù)——同步相量測(cè)量裝置（Phasor Measurement Unit， PMU）可以在安裝地點(diǎn)對(duì)電力系統(tǒng)相應(yīng)的各種參數(shù)進(jìn)行同步的采集和實(shí)時(shí)的計(jì)算，并根據(jù)不同的電力系統(tǒng)監(jiān)控模式，將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)需求節(jié)點(diǎn)。而現(xiàn)有的陸用SPM技術(shù)其電磁兼容性，穩(wěn)定性，抗干擾及安全性方面均不能適應(yīng)大型艦艇電力系統(tǒng)環(huán)境的特殊要求，在研制出適用于艦船綜合電力系統(tǒng)的PMU裝置的基礎(chǔ)上，結(jié)合艦船綜合電力系統(tǒng)潮流計(jì)算方法研究現(xiàn)狀，尋找以最少PMU 臺(tái)數(shù)及最佳安裝位置實(shí)現(xiàn)潮流可解配置方案將具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。文獻(xiàn)[3]構(gòu)造了PMU配置的評(píng)價(jià)函數(shù)，并采用遺傳算法對(duì)PMU配置方案進(jìn)行優(yōu)化；文獻(xiàn)[4]提出了計(jì)及PMU支路電流相量的潮流方程直接可解法，并采用粒子群優(yōu)化算法解決了PMU 的最優(yōu)配置問(wèn)題。本文針對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)[3][4]中采用遺傳和粒子群優(yōu)化算法的基于潮流可解的最優(yōu)PMU配置方案算法，并對(duì)其有效性和適用性進(jìn)行了比較。2 考慮潮流方程直接可解的陸用PMU最優(yōu)配置方案研究概況

陸用PMU利用GPS系統(tǒng)提供的高精度授時(shí)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的同步采集，如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)都安裝PMU，則可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但是，由于經(jīng)濟(jì)上的原因，目前乃至相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，不可能在系統(tǒng)的所有節(jié)點(diǎn)均裝設(shè)PMU。故此，PMU優(yōu)化配置問(wèn)題受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。PMU優(yōu)化配置方法主要有考慮系統(tǒng)可觀測(cè)性、基于改進(jìn)狀態(tài)估計(jì)準(zhǔn)確性、考慮系統(tǒng)同調(diào)性、考慮潮流方程直接可解等方面的不同方法，主要闡述考慮潮流方程直接可解的PMU配置的原理和方法，其他方法不再贅述。

3 艦船綜合電力系統(tǒng)特點(diǎn)與潮流計(jì)算方法

由于艦船綜合電力系統(tǒng)為有限慣性系統(tǒng)， 電站、配電和用電環(huán)節(jié)之間存在強(qiáng)耦合。電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主配電板下層方向配電網(wǎng)絡(luò)呈輻射狀，且具有弱網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)X/R較小，電纜長(zhǎng)度短等固有特性，它與典型陸用電力系統(tǒng)存在較大的差異，如大功率脈沖負(fù)載、負(fù)載變化顯著、非線性成分增加、傳輸電纜較短、元件暫態(tài)過(guò)程的時(shí)間跨度大等[6]。

潮流計(jì)算用以分析艦船電力系統(tǒng)在某一時(shí)間斷面，系統(tǒng)各狀態(tài)變量值與系統(tǒng)內(nèi)的功率分布情況，其計(jì)算結(jié)果為系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、保護(hù)與重構(gòu)等提供初始條件和判別依據(jù)。同樣，潮流分析在艦船能量管理模塊中對(duì)系統(tǒng)在線狀態(tài)計(jì)算、系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)估等具有重要的意義。常規(guī)潮流計(jì)算方法如牛頓-拉夫遜法和快速解耦等方法不收斂。但艦船電力系統(tǒng)與陸用電力系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)類似，因此，可借鑒陸用配電網(wǎng)潮流計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行艦船電力系統(tǒng)潮流分析?？刹捎玫姆椒ㄓ校夯赝?前推算法、Zbus法、回路阻抗法、改進(jìn)牛頓法等。其回推-前推算法對(duì)于純輻射型網(wǎng)絡(luò)或弱環(huán)網(wǎng)絡(luò)編程簡(jiǎn)單，求解速度快，但處理網(wǎng)孔能力較差，隨著網(wǎng)孔數(shù)量的增加，算法收斂性變差，Zbus法處理PV節(jié)點(diǎn)的能力較弱， 求解時(shí)間較長(zhǎng)， 算法效率低；回路阻抗法雖然處理網(wǎng)孔能力較強(qiáng)， 但處理PV 節(jié)點(diǎn)的能力依然較弱；改進(jìn)牛頓法仍然對(duì)初值的選取敏感。

針對(duì)潮流計(jì)算方法的不足，根據(jù)艦船電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在部分節(jié)點(diǎn)上配置PMU，測(cè)出這些節(jié)點(diǎn)的電壓相量，使得潮流方程組可以直接、快速、高精度求解是非常有意義的。

4 基于潮流可解的不同結(jié)構(gòu)電力網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)PMU配置方案算法實(shí)現(xiàn)與比較

目前，傳統(tǒng)的艦船電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為輻射網(wǎng)結(jié)構(gòu)，隨著艦船綜合電力系統(tǒng)的提出，對(duì)帶狀網(wǎng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式也展開(kāi)了大量的研究，以最大限度保證供電連續(xù)性和可靠性。本節(jié)基于這兩種典型的艦船綜合電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)[3][4]中采用遺傳和粒子群優(yōu)化算法的基于潮流可解的最優(yōu)PMU配置方案算法，并對(duì)其有效性和優(yōu)越性進(jìn)行了比較。

4.1 輻射狀電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)PMU配置方案算法實(shí)現(xiàn)

由表1可以看出，遺傳算法和粒子群優(yōu)化算法求解得到的最佳PMU數(shù)量是一致的，但粒子群算法求解得到的配置方案較遺傳算法多.由于艦船空間和其他設(shè)備等的影響，PMU裝配地點(diǎn)受到限制，較多的配置方案將更有助于基于潮流可解的PMU配置的實(shí)現(xiàn).

4.2 帶狀電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)PMU配置方案算法實(shí)現(xiàn)

如圖2所示為38節(jié)點(diǎn)帶狀電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置了3個(gè)電站， 文獻(xiàn)[7]指出：由于艦船電力系統(tǒng)存在強(qiáng)耦合關(guān)系，加之各類電壓調(diào)節(jié)器的作用，各發(fā)電機(jī)之間連接線路很短，因此認(rèn)為各電源母線電壓保持在同一水平，發(fā)電機(jī)間連接線上的電流可忽略，由此，多電源問(wèn)題可以等效為單電源問(wèn)題，則圖2可等效為圖3。該系統(tǒng)中1號(hào)母線為系統(tǒng)平衡節(jié)點(diǎn)，2號(hào)和3號(hào)母線為PV節(jié)點(diǎn)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)于遺傳算法參數(shù)，本文選擇遺傳種群規(guī)模為50，交叉概率為0.5，變異概率為0.1，最大迭代次數(shù)為1000。對(duì)于粒子群優(yōu)化算法參數(shù)，本文選擇C1=1.0、C2= 2.0、W=0.9，粒子群大小為50，迭代次數(shù)為1000。

由表3可以看出，粒子群優(yōu)化算法較遺傳算法求解得到的需配置的PMU數(shù)量少，從這個(gè)角度上講，就本算例來(lái)說(shuō)，粒子群優(yōu)化算法較遺傳算法更優(yōu)。

5 總 結(jié)

本文針對(duì)艦船電力系統(tǒng)的特點(diǎn)和在潮流方程求解中存在的問(wèn)題，借鑒在陸地電力系統(tǒng)中配置相應(yīng)的PMU將使潮流方程直接可解的思想，實(shí)現(xiàn)了采用遺傳和粒子群優(yōu)化算法的基于潮流可解最優(yōu)PMU配置方案算法。并對(duì)其在艦船電力系統(tǒng)中的有效性和適用性進(jìn)行了比較，就本文算例來(lái)說(shuō)，粒子群優(yōu)化算法較遺傳算法得到少的需配置的PMU數(shù)量和較多的配置方案?？蔀榕灤娏ο到y(tǒng)配置PMU提供參考。

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