付慧敏，張 健，袁 斐，徐 瓊，何之倬

（國網(wǎng)上海青浦供電公司，上海 201700）

高壓直流電適合大功率、遠(yuǎn)距離傳輸，在我國電力傳送工程中起著重要作用，尤其在大區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)方面取得廣泛應(yīng)用[1]。由于新型電子器件的發(fā)展，傳統(tǒng)電網(wǎng)逐漸向新型互聯(lián)電網(wǎng)形式轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)斷電的自動(dòng)控制。然而，高壓用戶自動(dòng)斷電系統(tǒng)消耗大量無功功率，導(dǎo)致用戶用電不穩(wěn)定[2]。電壓穩(wěn)定性決定了用戶的用電情況，在用電高峰期，將會出現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓下降情況，導(dǎo)致用電系統(tǒng)不穩(wěn)定[3]。目前，針對高壓用戶用電穩(wěn)定控制研究，使用了短路容量與電流轉(zhuǎn)換額定功率之比大小來控制電壓，該系統(tǒng)雖然研究原理簡單，但忽略無功功率參數(shù)，導(dǎo)致系統(tǒng)在電壓臨界點(diǎn)處無法控制用戶電壓，出現(xiàn)自動(dòng)斷電情況[4-6]。

針對上述問題，提出基于改進(jìn)遺傳算法的高壓用戶自動(dòng)斷電控制系統(tǒng)，有效解決系統(tǒng)存在的上述問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于改進(jìn)遺傳算法的高壓用戶自動(dòng)斷電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 高壓用戶自動(dòng)斷電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

磁保持繼電器是一種自動(dòng)開關(guān)，其與控制器結(jié)合為系統(tǒng)提供永久磁力[7-8]。當(dāng)繼電器觸點(diǎn)需要開關(guān)狀態(tài)時(shí)，只需使用電壓激勵(lì)線圈瞬間就能完成開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。通常接觸點(diǎn)處于連接狀態(tài)時(shí)不需要通電就可維持繼電器工作狀態(tài)[9-10]。

無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與接收器均可以接收控制器發(fā)出無線數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻率、電流信號，能夠在地面實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的供電情況[11]。

1.1 磁保持繼電器

磁保持繼電器可分為單相和三相兩種相態(tài)，繼電器開閉狀態(tài)依賴永久磁鋼，其開關(guān)狀態(tài)是靠一定寬度脈沖信號觸發(fā)實(shí)現(xiàn)電路自動(dòng)連接與切斷[12]。磁保持繼電器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

當(dāng)繼電器觸點(diǎn)需要開關(guān)狀態(tài)時(shí)，只需正反直流脈沖電壓激勵(lì)線圈，就能瞬間完成開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換[13]。繼電器是能夠反映電壓、電流、頻率、阻抗的感應(yīng)機(jī)構(gòu)，被控電路是用于實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)[14]。

1.2 轉(zhuǎn)換器

轉(zhuǎn)換器是將信號轉(zhuǎn)換為另一種信號的裝置，在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，可以擴(kuò)大裝置使用范圍，能夠使自動(dòng)控制系統(tǒng)具有更多的靈活性。Type-C 型號轉(zhuǎn)換器如圖3 所示。

圖2 磁保持繼電器

圖3 Type-C型號轉(zhuǎn)換器

使用Type-C 轉(zhuǎn)USB3.0 轉(zhuǎn)接頭配置OTG 數(shù)據(jù)線，具有200 M/s 高速傳輸功能，外殼耐磨耐用，散熱速率快[15]。畫面不卡頓，操作不延遲，轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部電路板，搭載10 nF 電容和5.1 kΩ下拉電阻，確保數(shù)據(jù)查看不卡頓，鍵盤操作不延遲[16]。

1.3 控制器

自動(dòng)斷電控制器安裝在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有電流、電壓出入口處，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 自動(dòng)斷電控制器

使用兩路紅外傳感器檢測進(jìn)入與離開的電流、電壓數(shù)值，通過數(shù)值大小來判斷是否開啟或關(guān)閉電源。如果有過高或過低電流、電壓進(jìn)入控制器時(shí)，先觸發(fā)傳感器A，再觸發(fā)傳感器B，自動(dòng)斷電控制器進(jìn)行計(jì)數(shù)“+”處理；如果電流、電壓離開控制器出現(xiàn)異常情況時(shí)，先觸發(fā)傳感器B，再觸發(fā)傳感器A，自動(dòng)斷電控制器開始進(jìn)行計(jì)數(shù)“-”處理。當(dāng)自動(dòng)斷電控制器計(jì)數(shù)值為0 時(shí)，該控制器為無電流、電壓通過狀態(tài)，此時(shí)將會自動(dòng)切斷電源，設(shè)備處于無電狀態(tài)。

2 基于改進(jìn)遺傳算法的軟件部分設(shè)計(jì)

遺傳算法是建立在自然遺傳機(jī)制上通過迭代獲取最優(yōu)解的搜索算法，具有快速尋優(yōu)能力。

設(shè)Pi為交叉概率、Pj為變異概率，這兩個(gè)概率是影響遺傳算法收斂性的關(guān)鍵因子。交叉概率越大，新個(gè)體產(chǎn)生的速度也就越快，然而，交叉概率過大將會破壞高適應(yīng)度新個(gè)體的產(chǎn)生。反之，交叉概率過小，則會減慢檢索速度；如果變異概率小，那么就不會產(chǎn)生新的個(gè)體，也就不具備局部最優(yōu)解能力，反之，如果變異概率大，那么遺傳算法就會成為隨機(jī)檢索算法。因此，使用改進(jìn)遺傳算法改善這兩種概率因子，提高算法適應(yīng)值。

在改進(jìn)遺傳算法中，Pi為交叉概率、Pj為變異概率，應(yīng)按照如下公式進(jìn)行調(diào)整。

1）交叉因子計(jì)算方式如式（1）、（2）所示：

其中，ηf(n)表示個(gè)體適應(yīng)值；ηa表示所有個(gè)體平均適應(yīng)值；ηmax表示最大適應(yīng)值；Pimax、Pimin分別表示最大、最小交叉概率。

2）變異因子計(jì)算方式如式（3）、（4）所示：

其中，Pjmax、Pjmin分別表示最大、最小變異概率。

從上一代中確定子代群體，并計(jì)算上一代個(gè)體適應(yīng)值后，選擇父代群體。得到父代群體后，將父代群體中相鄰個(gè)體交叉處理，并交換所有坐標(biāo)位置，獲取自適應(yīng)變異概率。在繁殖變異后，將每代控制成本以表格的形式記錄下來，迭代完成后獲取適應(yīng)度最大個(gè)體，即為系統(tǒng)低壓減載量?；诟倪M(jìn)遺傳算法優(yōu)化低壓減載量，避免電流、電壓過高出現(xiàn)自動(dòng)斷電現(xiàn)象，系統(tǒng)控制流程如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)控制流程

硬件結(jié)構(gòu)中使用磁保持繼電器，在實(shí)際應(yīng)用中，該設(shè)備將會由于電流過大而導(dǎo)致觸點(diǎn)改變，影響用戶用電。因此，在設(shè)計(jì)流程時(shí)，充分考慮無功功率參數(shù)，根據(jù)該設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，保持觸點(diǎn)不變。該控制流程的設(shè)計(jì)，避免了系統(tǒng)受到不確定性因素干擾而出現(xiàn)程序錯(cuò)亂現(xiàn)象發(fā)生。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

針對基于改進(jìn)遺傳算法的高壓用戶自動(dòng)斷電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備脈動(dòng)周期數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主控板參數(shù)如表1 所示。

設(shè)備脈動(dòng)周期數(shù)據(jù)最近1 次和3 次變化如圖6所示。

對設(shè)備脈動(dòng)周期數(shù)據(jù)最近1 次檢測可知，數(shù)據(jù)是呈周期性變化的；而對設(shè)備脈動(dòng)周期數(shù)據(jù)最近3次檢測可知，數(shù)據(jù)呈周期性變化頻率是最近1 次變化頻率的2 倍。在該情況下，對系統(tǒng)控制效果進(jìn)行對比分析。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備主控板參數(shù)

圖6 最近1次和3次設(shè)備脈動(dòng)周期數(shù)據(jù)變化

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對系統(tǒng)控制效果分析，可從兩個(gè)方面進(jìn)行研究，分別是電流干擾和電壓干擾，任何一種干擾都會對系統(tǒng)造成一定影響。分別使用基于短路容量與電流轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)與該文基于改進(jìn)遺傳算法系統(tǒng)，對抗干擾情況進(jìn)行對比分析，以此確定系統(tǒng)魯棒性。

3.2.1 電流干擾控制效果

電流指令穩(wěn)定地按照預(yù)期規(guī)定上升到1 pu 后，在1.2 s 電流指令出現(xiàn)恒定擾動(dòng)，擾動(dòng)到1.5 s 結(jié)束。兩種系統(tǒng)控制效果如圖7 所示。

由圖7 可知，基于短路容量與電流轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)受到恒定擾動(dòng)后，電流急速下降，在時(shí)間為1.2 s時(shí)，電流值瞬間跌到0.67 pu，在1.5 s 時(shí)恒定擾動(dòng)消失，由于該消失是瞬時(shí)的，導(dǎo)致電流出現(xiàn)過大情況，超出預(yù)期的電流值，但隨著時(shí)間流逝，電流逐漸恢復(fù)，但該過程會出現(xiàn)系統(tǒng)損壞現(xiàn)象。而基于改進(jìn)遺傳算法控制系統(tǒng)雖然受到恒定擾動(dòng)，但變化不大，基本在預(yù)期范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖7 兩種系統(tǒng)電流干擾控制效果

3.2.2 電壓干擾控制效果

在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間之后，在1.2 s 電壓指令出現(xiàn)恒定擾動(dòng)，擾動(dòng)到1.3 s 結(jié)束。兩種系統(tǒng)控制效果如圖8 所示。

圖8 兩種系統(tǒng)電壓干擾控制效果

由圖8 可知，電壓指令在1.2～1.3 s 時(shí)間內(nèi)，基于短路容量與電流轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)受到影響較大，出現(xiàn)最大值和最小值，分別為2.2 kV 和0.5 kV；而基于改進(jìn)遺傳算法控制系統(tǒng)基本不受影響。

通過上述分析可知，基于改進(jìn)遺傳算法的高壓用戶自動(dòng)斷電控制系統(tǒng)抵抗電流干擾和電壓干擾，具有良好控制效果。

4 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)電壓控制的系統(tǒng)容易受到不確定性干擾因素影響，導(dǎo)致控制效果較差的問題，提出基于改進(jìn)遺傳算法的高壓用戶自動(dòng)斷電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。綜合考慮系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，將改進(jìn)遺傳算法應(yīng)用到系統(tǒng)之中，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好控制效果，并且該系統(tǒng)的抗干擾能力較強(qiáng)。