趙祎晨， 唐登月

(中國建筑設計研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

隨著社會的發(fā)展，電力基本已經普及到全國各地，電網技術的應用也越來越廣泛。電網又名電力網，包括變電、輸電以及配用電三大部分。電網的主要職責就是保證廣大的用戶能夠用電安全、用電清潔、用電便宜。目前，電網可分為5個等級，1kV以下為低壓；1～10kV為中壓；35～220kV為高壓；330～750kV為超高壓；1 000kV以上為特高壓[1]。目前，電網系統(tǒng)的運行電壓等級不斷提高，電網規(guī)模也不斷擴大，全國已經形成了東北電網、華北電網、華中電網、華東電網、西北電網以及南方電網相互交錯的大型區(qū)域電網，并基本形成了完整的長距離輸電電網網架。

智能電網也被稱為電網2.0，通過采用更為先進的傳感技術、測量技術以及更加快速的控制方法和決策系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)更高效、安全、經濟、環(huán)保。2016年楊旭英等人針對智能電網中需要相應機理進行建模分析，從技術性、經濟型和可靠性三方面分析了智能電網的需求響應機理[2]。智能電網能夠有效的抵御攻擊，提供滿足用戶需求的電能質量，并且能夠保證電網的高效運行。目前，智能電網能夠實現(xiàn)自愈，激勵以及保護用戶的功能[3]。2017年，王娟娟等人提出了基于多智能體混合調度的電網自愈體系，通過在自愈過程中加入故障鏈和安全樹確保了自愈過程中電網能夠及時修復故障并減少后續(xù)故障的發(fā)生[4]。智能電網最大的優(yōu)勢就是能夠實現(xiàn)電網自愈。電網自愈是電網進行穩(wěn)定調節(jié)的一種重要方法。自愈系統(tǒng)能夠在電網運行過程中及時的發(fā)現(xiàn)、診斷和消除故障[5]。雙母線運行系統(tǒng)優(yōu)點是攜帶變電站數(shù)量較多、供電可靠、調度靈活、擴建方便、便于設計；缺點是增加了一組母線，每一回路增加一組母線隔離開關，不僅操作更加復雜，也增加了投資和占地面積。2011年，沈重威等人分析了在10kV單母線環(huán)形接線方式下備自投裝置的運行方式以及裝置的最優(yōu)配置方案[6]。為了減少投資，環(huán)狀母線可以攜帶數(shù)量較多的變電站，大幅增加可靠性且不需要建造多余的母線。環(huán)狀母線與單母線相比是在其基礎上建造了另外一條母線，兩條母線之間通過母聯(lián)連接[7]。正常運行時，兩條母線相互獨立工作，互不影響；兩條母線某一條母線發(fā)生故障時，另一條母線可以通過母聯(lián)實現(xiàn)對另一條母線的供電。如果兩條條母線下都有故障發(fā)生，由于兩條母線下所攜帶的變電站較多，有必要對下屬變電站劃分優(yōu)先級，以實現(xiàn)整個自愈系統(tǒng)的效益最大化。

多目標PSO算法可以同時計算多個目標的最有解集，可以更好地評價自愈系統(tǒng)的可靠性和優(yōu)勢[8-9]。本文首先根據電網自愈系統(tǒng)功能及自愈評價指標建立了電網故障自愈目標函數(shù)，然后利用多目標PSO算法構建了一套環(huán)狀母線電網故障自愈系統(tǒng)，并在次基礎上進行了模型驗證。

1 電網故障自愈函數(shù)的構建

通常情況下，電網自愈系統(tǒng)中的自愈負荷量、分斷開關操作代價、電能質量要求及饋線容量裕度都是電網自愈系統(tǒng)目標函數(shù)中應包含的內容[10-12]。為了更快恢復供電，電能質量要求及饋線容量裕度暫不考慮。自愈負荷量和分斷開關操作代價可以作為自愈系統(tǒng)中的主要目標進行優(yōu)化，但是這種算法并沒有考慮到太多的社會效益，為了增大自愈系統(tǒng)帶來的社會效益，本文定義了社會效益系數(shù)并對各個子站進行了恢復優(yōu)先級評級，并將自愈負荷量、分斷開關操作代價和社會效益作為自愈系統(tǒng)中的主要目標進行優(yōu)化，以實現(xiàn)多目標的共同優(yōu)化。

1.1 目標函數(shù)計算

本文選擇自愈負荷量、分斷開關操作代價兩項作為基本目標函數(shù)，再根據子站中用戶的社會效益，建立故障自愈目標函數(shù)，如式(1)所示：

(1)

式中，λ1為一級負載社會效益系數(shù)，λ2為二級負載社會效益系數(shù)；λ3為開關操作系數(shù)。Y1、Y2為一級、二級用戶負載個數(shù)，用戶總數(shù)為Yz=Y1+Y2。P1為一級用戶負載的功率，P2為二級用戶負載的功率；m表示負載的供電狀態(tài)，為1時表示負載處于供電狀態(tài)，為0時表示負載處于失電狀態(tài)；n為故障自愈過程中的開關操作次數(shù)。其中λ1、λ2、λ3的定義如式(2)所示：

λ2=1

(2)

λ3=λ2

式中，P1 min為一級用戶負荷最小容量，P2 max為二級用戶負荷最大容量?？梢园l(fā)現(xiàn)，一級用戶的影響因數(shù)要大于二級用戶影響因數(shù)，二級用戶的影響因數(shù)要大于開關操作代價影響因數(shù)。因此，在電網自愈過程中有限恢復一級用戶供電，再恢復二級用戶供電，可大大提高自愈系統(tǒng)的社會效益。

為了防止支路過載，自愈系統(tǒng)必須對自愈負荷量進行嚴格的限制，必須保證系統(tǒng)輻射狀運行且開關操作次數(shù)不能太多。所以本文設置了三條約束條件：(1)容量約束，即自愈系統(tǒng)運行時自愈負荷量恢復不得引起支路過載；(2)結構約束，即自愈系統(tǒng)必須保證系統(tǒng)輻射狀運行；(3)操作約束，即開關操作次數(shù)不能太多。

1.2 PSO算法基本原理

PSO算法的基本原理是每個粒子在可行解空間中運動，通過速度和位置的不斷更新迭代得到全局最優(yōu)解[13-14]。首先，需要設置最大迭代次數(shù)、目標函數(shù)的自變量個數(shù)以及粒子的最大速度、位置信息為整個搜索空間，在速度區(qū)間和搜索空間上隨機初始化速度和位置，設置粒子群規(guī)模為M，每個粒子隨機初始化一個初始速度V。速度和位置的更新方程如式(3)-(4)所示：

(3)

(4)

PSO算法的基本工作原理可以分為2個步驟：首先，對公式內各個參數(shù)進行初始化，包括探索空間的上下限、學習因子、算法最大迭代次數(shù)和精度、粒子速度范圍、初始粒子的速度和位置等。其次，對每一個粒子根據適用度函數(shù)進行計算，得到每一個的個體極值和整體的全局極值，再根據公式(3)和公式(4)不斷更新個體極值和全局極值。計算迭代次數(shù)是否達到了預先設定的最大次數(shù)或者收斂精度是否到達了要求，如果兩項中有一項沒有達到要求則重新運行第二步，如果兩項均達到了要求則迭代終止，得出最優(yōu)解。

2 環(huán)狀母線電網故障自愈系統(tǒng)構建

圖1所示為環(huán)狀母線自愈系統(tǒng)的結構圖。本文采用兩條220kV母線分別帶3個110kV變電站為例，兩條母線之間用母聯(lián)連接，兩條母線互為備用形成環(huán)狀結構，實現(xiàn)環(huán)狀供電。

圖1 環(huán)狀母線電網故障自愈結構圖

110kV配電網中典型的鏈式結構串聯(lián)供電模式，圖中兩側為220kV電源站A和B，中間為3個110kV變電站C、D、E。220kV電源站A、B的110kV側配置有母線保護和備自投裝置；110kV站C、D、E的110kV側配置有母線保護裝置，10kV側配置有備自投裝置，串供回路內線路配置有光纖縱差保護裝置。

正常運行方式下，串內包含兩個串供回路: A1->C1->C2->D1->D2->E1->E2->B1和B2-> E5->E4->D5->D4-> C5-> C4->A2。兩個串供回路均是任一開關斷開作為開環(huán)點，其他開關均在合位運行，電源站A供站C，電源站B供站D、站E。串供回路內部發(fā)生故障時，應及時準確確定故障位置，執(zhí)行故障隔離方案，合上串供回路開環(huán)點開關，由另一側電源恢復對失電站的供電。以C2開關為開環(huán)點為例(圖2)，對自愈系統(tǒng)進行詳細解釋。

圖2 C2開關為開環(huán)點的自愈模型

上述自愈系統(tǒng)可以分為以下幾步：(1)故障定位并確定除故障位置外其余線路運行正常；(2)結合多目標PSO算法生成電網自愈模型；(3)根據自愈模型實施解決方案；(4)解除故障；(5)檢查電網運行情況并評價自愈模型。

根據已建立的電網自愈目標函數(shù)結合PSO算法，可以得到電網控制自愈算法的工作原理(圖3)如下[15]：(1)初始化參數(shù)，確定種群大小、慣性權重、最大迭代次數(shù)、學習因子等各個參數(shù)；(2)電網系統(tǒng)中各負荷和斷路器組成粒子群算法中的粒子群，各負荷的供電狀態(tài)和斷路器開關狀態(tài)即為粒子群中各粒子的位置，待確定粒子速度和位置的初始區(qū)間，可通過隨機法生成粒子的初始速度和位置；(3)根據電網自愈系統(tǒng)中實際的參數(shù)，根據式(2)計算出各個參數(shù)；(4)根據式(3)、式(4)不斷更新粒子的速度和位置；(5)根據式(1)計算新粒子速度和位置下目標函數(shù)的適應度值；(6)判斷迭代次數(shù)是否已經大于最大迭代次數(shù)，如果大于則輸出最優(yōu)位置，如果小于則返回步驟(4)繼續(xù)迭代。

圖3 基于PSO算法的電網控制自愈算法的流程框架圖

3 電網自愈控制算法的仿真模型

為了保證供電可靠性，本文仿真模型中兩條母線備用線路，大大提高重要負載的可靠性。并且，采取閉環(huán)設計，根據用戶負載的重要程度將負載分成重要負載和普通負載。在本文設計的電網自愈系統(tǒng)中，重要負載都設有備用線路，普通負載都是直接從母線上取電。圖4所示為含有備用線路的配電系統(tǒng)。

圖4 環(huán)狀母線小型電網配電系統(tǒng)

圖4中，M1、M2為1母和2母；ML為母聯(lián)開關；L1～L8為用戶子站；K為斷路器。A1、B1、A2、B2為電源站。為方便驗證，本文對各個元件參數(shù)進行了設計(表1)。

元件參數(shù) 表1

4 電網自愈控制算法的仿真結果分析

本文設置種群數(shù)量為60，最大迭代次數(shù)為50。按照式(3)、式(4)對粒子進行速度和位置的更新，學習因子為2，慣性權重為1。根據表1，可以算出λ1=1.06，λ2=1，λ3=1。通過進行多次故障模擬，選擇其中次數(shù)最多的自愈方案為本文最佳方案。其中L1由A1供電，L2、L3、L4由B1供電；L5、L6由A2供電，L7、L8由B2供電。本文模擬的故障主要有以下幾類。

(1)非電源站故障

此時，故障點可能存在與K1～K11(K1’～K11’)之間，本文模擬K4點為開環(huán)點，K5點故障，本文利用自愈控制算法仿真50次，有48次結果為斷開K5閉合K4(圖5)。

圖5 非電源故障模擬數(shù)據

(2)電源站故障

當電源站A1故障，本文利用自愈控制算法仿真50次，經過仿真得到45次結果為斷開K1并放電，閉合K4，L2停運。仿真結果(圖6)符合實際要求的情況，在最大負荷情況下恢復了電網的運行。

圖6 電源故障模擬數(shù)據

(3)母線故障

模擬M1故障，此時L1～L4停電，本文利用自愈控制算法仿真50次，經過仿真得到41次結果為閉合ML，L2、L4和L7停運(圖7)。

圖7 母線故障模擬數(shù)據

5 結束語