喬 和 閆冬冬 康愛民 葉 青

1(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院 遼寧 葫蘆島 125105)2(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司阜新供電公司 遼寧 阜新 123000)

0 引 言

雙電源快速切換裝置(以下統(tǒng)稱為“快切”)是在供電故障時能快速切換到備用電源供電，以達(dá)到供電可靠性和靈活性的目的。隨著配電網(wǎng)中分布式電源DG(Distributed Generation)的增多，使得電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。這不但對備用電源快速投切裝置動作時間有影響，而且投切后產(chǎn)生母線的沖擊有影響，進(jìn)而對設(shè)備造成一定的安全風(fēng)險。為了保證供電可靠性，電源快速切換裝置越來越必要。

傳統(tǒng)的電源切換的方法多是改善快切裝置[1-2]。目前，快切裝置已經(jīng)在工廠、變電所、電廠等很多領(lǐng)域應(yīng)用，但仍有很大的延時時間。文獻(xiàn)[3]采用小波變換進(jìn)行檢測，但該方法存在一個周期的延時，測量速度較慢，無法檢測相位的跳變。文獻(xiàn)[4]提出感性負(fù)載下電源快速切換的檢測方法，但是在大型負(fù)載中效果并不明顯。文獻(xiàn)[5]介紹了一種改進(jìn)的dq變換，為單相αβ變換法。該方法原理與瞬時電壓dq變換基本相似，檢測時間并未有效改善。文獻(xiàn)[6-7]對含有風(fēng)電場的備自投進(jìn)行了研究，提出在含有風(fēng)電場電網(wǎng)電源快速切換的整定方法，但是仍然是傳統(tǒng)的整定方式下,仍有很大延時時間。隨著電源快切技術(shù)在配電網(wǎng)的應(yīng)用，為了保證供電可靠性，快速切換裝置的關(guān)鍵問題在于最短時間內(nèi)檢測出故障，并在允許合閘范圍內(nèi)實現(xiàn)快速切換[8]。

配電網(wǎng)中常用的智能診斷方法有：專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、模糊集理論、Petri網(wǎng)、信息融合技術(shù)和多智能體技術(shù)等[9]。采用模型診斷方法MBD(Model-based diagnosis)是在電源快切系統(tǒng)中預(yù)期的故障和時間動作中產(chǎn)生的差別推出系統(tǒng)模型的最小沖突集，即為系統(tǒng)的診斷結(jié)論[10]。當(dāng)配電網(wǎng)中有故障時，由于分布式電源的存在會改變故障電流的分布，因電流閉鎖干擾配電網(wǎng)的保護(hù)設(shè)備，對備用電源的正確投切產(chǎn)生干擾。文獻(xiàn)[11-12]中提出用改進(jìn)的二進(jìn)制粒子群算法進(jìn)行故障定位，但是最小碰集并不能保證最優(yōu)化。

為了克服傳統(tǒng)電源切換故障之后延時的問題，保證備用電源的在配電網(wǎng)中投切成功，本文采用模型診斷方法MBD直接采集電壓電流等量來監(jiān)控需要保護(hù)的部分。利用遺傳算法改進(jìn)二進(jìn)制粒子群算法，給出貝葉斯解釋，得出所需要測量的元件的故障概率，從而有效地實現(xiàn)故障檢測，得出了一種更有優(yōu)勢的電源快速切換的檢測方法。

1 含DG配電網(wǎng)的切換裝置分析

1.1 含DG配電網(wǎng)的系統(tǒng)簡化圖

圖 1 為含DG配電網(wǎng)的系統(tǒng)簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)電源快速切換是當(dāng)檢測到主電源系統(tǒng)發(fā)生故障時，快切裝置將主電源快速切換至備用電源。

圖1 含DG配電網(wǎng)快速切換系統(tǒng)拓?fù)鋱D

但是大多數(shù)配電網(wǎng)含有分布式電源，主電源斷電后，DG和負(fù)載之間形成短時回路，DG繼續(xù)向用戶供電，從而會對配電網(wǎng)中的潮流產(chǎn)生影響[13]，進(jìn)而影響備用電源的切換時機(jī)。特別是當(dāng)配電網(wǎng)中電機(jī)類用戶占比重大時，工作電源斷電之后母線殘壓會隨著時間周期性衰減。如果殘壓衰減并未到合適的時機(jī)而進(jìn)行合閘，備用電源的投入使得母線沖擊電流過大或者電壓過低而錯過最佳合閘時機(jī)。

1.2 DG對配電網(wǎng)的影響

如圖2所示，電抗XDG是與時間變化的變量，由主電源供電時流入負(fù)載的電流為IN，DG提供的電流為IDG，EM表示快速切換時母線殘壓，IDG為快切時流過DG和負(fù)載之間的電流，且存在IDG小于IN。

圖2 含DG配電網(wǎng)的等效電路圖

當(dāng)母線殘壓與備用電源之間的矢量差的模ΔU越大，則在投切時產(chǎn)生的沖擊電流Ish越大。當(dāng)主電源系統(tǒng)故障后，等效電路中的阻抗減小，則對負(fù)載和含DG的配電網(wǎng)的沖擊電壓為：

(1)

對備用變壓器T2 的沖擊電壓為：

(2)

Ush取1.1UN，則阻抗為：

(3)

(4)

式中：Ush為負(fù)載或備用電源沖擊電壓；UN為電動機(jī)的額定電壓；ZT2為備用電源總阻抗；Zd為DG阻抗和與負(fù)載阻抗的并聯(lián)阻抗之和。

為確保負(fù)荷中電機(jī)、變壓器等安全，Ush應(yīng)不大于最大耐壓值3.5UN(UN為電動機(jī)的額定電壓)，則：

(5)

(6)

當(dāng)主電源故障斷開后，DG與負(fù)載形成閉合回路，DG向配電網(wǎng)提供電流，降低了ΔU的衰減速率，進(jìn)而分布式發(fā)電在電源快切時，有效降低了備用電源投切時母線上的沖擊電壓。故含DG的配電網(wǎng)進(jìn)行電源切換時，可以改善并提高電源快速投切的成功率和可靠性。

1.3 母線殘壓變化規(guī)律

當(dāng)電源切換時，由于負(fù)載中有電機(jī)類負(fù)載，主電源斷電之后會向母線反饋電壓，即母線殘壓。如圖3所示，ABCD為母線殘壓軌跡，AB弧線殘壓幾乎未衰減多少，此時在相角差內(nèi)合閘稱快速切換。BC段不允許合閘，CD段合閘被稱為同期切換。本文采用的快速切換方式，在AB段內(nèi)切換至備用電源。

圖3 母線殘壓軌跡圖

2 快速切換的關(guān)鍵問題

2.1 模型診斷

本文快速切換裝置采用的是模型診斷，即用S表示配電網(wǎng)模型描述的一階語句，C表示系統(tǒng)組件的所有集合，O表示系統(tǒng)觀察的有限語句。CS表示配電網(wǎng)中的元件與S和O不一致則組成一個沖突集；MCS表示CS的最小沖突集。CSS表示沖突集的集合簇；HS是CSS的碰集，MHS是最小碰集。

因為只有當(dāng)系統(tǒng)的CS(SD，COMPS，OBS)是一個MHS時，CS?COMPS才是系統(tǒng)的候選診斷。顯然可以通過計算MCS的MHS來導(dǎo)出系統(tǒng)的診斷。

2.2 遺傳算法改進(jìn)二進(jìn)制粒子群算法

二進(jìn)制粒子群算法BPSO和遺傳算法GA的固有特征在很多方面非常相似。BPSO比GA更快的收斂速度，而且每個粒子都能記憶性地追蹤最佳位置，并調(diào)整其速度和位置。然而，隨著迭代次數(shù)的增加，粒子收斂到單個點(diǎn)，這不能保證是局部最優(yōu)的。相反，GA可以保證全局變量的最優(yōu)化[14]。為了充分發(fā)揮GA和BPSO的優(yōu)點(diǎn)，本文提出了一種BPSO-GA的混合算法。該方法將BPSO的標(biāo)準(zhǔn)速度和更新規(guī)則與GA的選擇，交叉和突變的思想相結(jié)合。

為解決快切中實際的離散問題，粒子由0或1表示，這意味著“故障”或“非故障”。BPSO和傳統(tǒng)算法的主要區(qū)別在于粒子的速度被定義為一個粒子的位將變?yōu)?的概率。根據(jù)定義，速度必須在0和1之間，如sig()函數(shù)公式所示：

(7)

粒子的速度和位置更新公式為：

(8)

慣性系數(shù)可以保持局部和全局變量搜索能力的平衡，而具有較大慣性重量的BPSO將具有更好的全局變量搜索能力。相反，較小的慣性系數(shù)可以提高BPSO的局部搜索能力。因此，通過式(9)獲得線性遞減慣性系數(shù)，可以提高早期過程中的全局搜索能力，以最快的速度找到最佳解的可能范圍，并強(qiáng)制執(zhí)行局部搜索能力在以后的過程中快速找到最佳解決方案的準(zhǔn)確位置。

(9)

式中：wini、wend、Tmax分別是初始慣性系數(shù)、最終慣性系數(shù)和最大迭代次數(shù)。

2.3 算法步驟流程

圖4為算法的流程圖。通過這個步驟，可以確保全部的最終輸出結(jié)果都是最小碰集。

圖4 算法流程圖

3 切換系統(tǒng)的貝葉斯診斷識別

本文通過含DG配電網(wǎng)電源快速切換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系，搭建出6 kV仿真模型。根據(jù)貝葉斯[15]定理確定先驗概率，對模型診斷分析得到的后驗故障概率[16]表示為：

(10)

式中：Xi、Xd系統(tǒng)所有狀態(tài)和可能狀態(tài)。

貝葉斯理論只是對系統(tǒng)診斷之后的結(jié)果進(jìn)行分析，以得到清晰直觀的最小診斷，并且在不確定信息情況下得到診斷結(jié)果，降低診斷的復(fù)雜性[17]。在模型診斷之后，系統(tǒng)的診斷狀態(tài)就變成后驗故障概率，根據(jù)概率的分析就可以得出最佳的切換條件。用計算到的后驗概率推出候選診斷的故障概率，從而得到要檢測的故障元件的概率。

4 仿真結(jié)果

4.1 MBD診斷仿真驗證

MBD診斷方法將檢測到的電壓電流量來判斷配電網(wǎng)中的故障線路。表1為故障診斷結(jié)果，L1、L2、L3、L4分別表示電源、變壓器、負(fù)載和DG兩兩之間的線路，根據(jù)是否故障進(jìn)而判斷是否可以進(jìn)行快速切換至備用電源。

表1 診斷結(jié)果

本文在不切除DG實現(xiàn)雙電源快速切換，假設(shè)主電源和備用電源初始的相角不同，仿真的主電源電壓向量為5 930∠21.565 2°，備用電源電壓向量為6 006∠25.844 2°，0.4 s時發(fā)生故障，假設(shè)主電源表示：

(11)

切換后，備用電源的電壓空間矢量為:

(12)

式中:δ表示兩電源電壓相位差的大小。得到采用MBD檢測算法后的相角差和母線殘壓特性曲線，如圖5所示。

圖5 母線殘壓和相位差

當(dāng)圖5可知0.4 s故障之后，根據(jù)圖3的母線殘壓理論，采用MBD檢測方法使電源切換的殘壓和相位差均在要求范圍內(nèi)，驗證了MBD的有效性。

4.2 快切仿真結(jié)果

當(dāng)直接切換時會發(fā)生備用電源和母線之間的沖擊電流，產(chǎn)生的很大的沖擊電流，是一個很危險的數(shù)值，如圖6所示。

圖6 直接切換沖擊電流

當(dāng)采用優(yōu)化模型的電源快速切換時，備用電源與母線之間的沖擊電流仿真結(jié)果如圖7所示。由仿真結(jié)果可以看出，母線與備用電源之間的沖擊電流由之前的2 800 A左右降低到352 A左右，減少了75%，對應(yīng)圖5的相角差接近0°，使得電壓差幅值最小，殘壓與備用電源電壓同相位。

圖7 采用優(yōu)化模型的沖擊電流

4.3 MBD與傳統(tǒng)切換對比

如圖8所示，可以明顯看出0.4 s時母線殘壓的衰減比傳統(tǒng)的少到1/3，母線電壓在設(shè)定范圍內(nèi)即可恢復(fù)到額定值，完成電源快速投切。

圖8 傳統(tǒng)快切與MBD母線殘壓

5 結(jié) 語

本文提出一種基于模型的電源快速切換方法。通過遺傳算法改進(jìn)二進(jìn)制粒子群獲得最小碰集，判斷配電網(wǎng)中故障信息，改善了傳統(tǒng)電源切換在故障后檢測而帶來是延時問題，并且具有較好的實時檢測和故障預(yù)警功能。MBD故障診斷方法在含DG配電網(wǎng)中的應(yīng)用不僅使得快速切換過程有更加充分時間，而且切換過程產(chǎn)生的沖擊電流更小。用MATLAB軟件進(jìn)行仿真分析，仿真證明MBD診斷方法在含DG配電網(wǎng)的備用電源快速投切方式能夠有效解決傳統(tǒng)電源切換過程產(chǎn)生的問題。避免在含DG配電網(wǎng)故障時電壓低而投切失敗問題，有效提高電源快速投切的成功率，對于含DG配電網(wǎng)的備用電源快速投切具有一定的指導(dǎo)意義。