丁佳鈺，聶進(jìn)培，趙湘文，許興元，謝子亮

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州增城供電局，廣東廣州 511300）

粒子種群算法是建立在群體智能理論基礎(chǔ)上的隨機(jī)演化處理方法，通過模擬應(yīng)用行為的方式，探索問題解空間，從而使數(shù)據(jù)信息個體能夠更好適應(yīng)外界存儲環(huán)境。該算法不需像其他理論模型一般，確定與數(shù)據(jù)個體相對應(yīng)的遺傳應(yīng)用關(guān)系，可建立信息參量與搜索空間可行解之間的表達(dá)映射條件，一方面使得數(shù)據(jù)信息在搜索空間中能夠具備更快的運(yùn)行速度，另一方面也可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)參量的快速檢索[1-2]。在配電網(wǎng)環(huán)境中，粒子種群算法的目標(biāo)函數(shù)可直接用來衡量電流、電壓等電量指標(biāo)的傳輸適應(yīng)度。

對于中壓配電網(wǎng)而言，隨著電信號傳輸量的增大，一部分信號區(qū)域中的選相電量會出現(xiàn)明顯的突變情況，從而使得電網(wǎng)環(huán)境的應(yīng)用穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響。三相四線制系統(tǒng)是一種常見的中壓配電網(wǎng)保護(hù)模式，可在電量孤島運(yùn)行時，通過分布式控制的方式，確定電量故障節(jié)點所在之處，再聯(lián)合該節(jié)點兩端的逆變電壓極值，計算過電壓參量的平均數(shù)值水平[3]。然而該系統(tǒng)對于電壓突變行為的抑制作用較為片面，很難針對選相電量節(jié)點處的突變特征進(jìn)行集中消除，為解決此問題，引入粒子種群算法，設(shè)計一種新型的中壓配電網(wǎng)過電壓保護(hù)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 環(huán)網(wǎng)柜搭建

環(huán)網(wǎng)柜是一種高壓型開關(guān)設(shè)備，主要安裝于鋼板金屬柜等配網(wǎng)元件內(nèi)部，大多以拼裝間隔式環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)存在，一方面為其他旁系電路提供傳輸電量，另一方面也可在熔斷器結(jié)構(gòu)的作用下，對配網(wǎng)環(huán)境中的傳輸電壓進(jìn)行調(diào)試[4]。在實際應(yīng)用過程中，環(huán)網(wǎng)柜的連接要求整個配電網(wǎng)必須保持環(huán)形配置形式，具體來說就是以單向供電設(shè)備作為初級電壓配送節(jié)點、以多向供電設(shè)備作為高級電壓配送節(jié)點，連接上述兩類節(jié)點組織，從而在整個中壓配電網(wǎng)環(huán)境中，形成一個完整的電壓閉環(huán)，并聯(lián)合各個支路干線，完成對中壓開關(guān)設(shè)備的電量匹配。

針對環(huán)網(wǎng)柜來說，中壓配電網(wǎng)需要在每一條配電支路中都配置一臺開關(guān)柜主機(jī)，并將其與支路母線相連，當(dāng)線網(wǎng)環(huán)境的復(fù)雜水平達(dá)到一定程度后，環(huán)形干線內(nèi)的每一臺開關(guān)柜都可被看作一個獨(dú)立的環(huán)網(wǎng)柜結(jié)構(gòu)。一般情況下，與環(huán)網(wǎng)柜匹配的額定電流水平相對較高，且由于配網(wǎng)開關(guān)的存在，高壓電量可在斷路器結(jié)構(gòu)中暫時存儲，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對高電壓行為的有效控制，也可較好地抑制電量熔斷行為的出現(xiàn)[5-6]。常規(guī)情況下，環(huán)網(wǎng)柜負(fù)責(zé)切割短路電壓，并可將整個配電網(wǎng)環(huán)境中的電壓值水平控制在一定數(shù)值區(qū)間內(nèi)。

1.2 10 kV旁路作業(yè)支系

旁路作業(yè)支系是中壓配電網(wǎng)的關(guān)鍵組成結(jié)構(gòu)，因其負(fù)載了大量的環(huán)網(wǎng)柜結(jié)構(gòu)，故其兩端的電壓水平應(yīng)與10 kV輸入端的電壓數(shù)值相等。在中壓配電網(wǎng)中，10 kV 旁路作業(yè)支系負(fù)責(zé)將高壓電量轉(zhuǎn)換為相對較低的電壓傳輸量，且在實施轉(zhuǎn)換指令時，高壓流量、中壓流量應(yīng)保持同步傳輸狀態(tài)[7-8]。對于傳輸電壓而言，由于環(huán)網(wǎng)柜的存在，所有電壓量傳輸方向只能由配電主機(jī)方指向底層支路方。在10 kV 傳輸高壓作用下，旁路作業(yè)支系中的所有電量裝置都只能保持同步接入狀態(tài)，既實現(xiàn)了配電壓量的及時轉(zhuǎn)換，也避免了過電壓行為對中壓配電網(wǎng)造成的抑制性影響。

1.3 接入口布局

為了便于中壓配電線纜的快速插接，將中壓插接頭接入口設(shè)置在配電柜體正面，邊緣機(jī)構(gòu)室與電纜室呈現(xiàn)一字排開狀態(tài)，為防止關(guān)聯(lián)接口之間產(chǎn)生互鎖影響，上級中壓應(yīng)急電源快速接口與下級配電環(huán)網(wǎng)電纜頭接口之間應(yīng)保留至少150 mm 的距離，接入口布局形式如圖1 所示。

圖1 接入口布局形式

在配電網(wǎng)環(huán)境中，由于10 kV 旁路作業(yè)支系的存在，中壓插接頭作用位置可隨電壓突變量的增大而改變，一般來說，具備突變能力的電壓節(jié)點數(shù)量越多，中壓插接頭的接入位置也就越靠近環(huán)網(wǎng)電柜中部[9]。環(huán)網(wǎng)電纜接頭主要負(fù)責(zé)疏導(dǎo)環(huán)網(wǎng)柜中積存的突變電壓參量，但由于執(zhí)行狀態(tài)的特殊性，只有在配網(wǎng)電壓超過中壓數(shù)值標(biāo)度水平后，該接口元件才會呈現(xiàn)出理想化的連接狀態(tài)[10]。

2 基于粒子種群的中壓配電網(wǎng)保護(hù)策略

2.1 配電網(wǎng)孤島檢測

在中壓配電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生電壓突變時，過電壓行為會切斷環(huán)網(wǎng)柜與電控主機(jī)之間的連接關(guān)系，使得選相電量無法繼續(xù)傳輸，從而造成嚴(yán)重的電量分割局面。在粒子種群算法的認(rèn)知中，孤島現(xiàn)象在中壓配電網(wǎng)中是獨(dú)立存在的，且隨著電壓突變行為的不斷加重，累積在孤島中的電壓分量也會逐漸增加，并最終影響電網(wǎng)主機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行能力[11-12]。設(shè)q0代表配網(wǎng)孤島中點電荷的原始帶電量，χ代表粒子種群算法中的節(jié)點分簇項，λ代表點電荷放電系數(shù)，聯(lián)立上述物理量，可將孤島節(jié)點的單位供電時長表示為：

規(guī)定ε表示粒子種群中的基節(jié)點數(shù)量值，f表示配電信號的中壓賦值系數(shù)，表示配網(wǎng)電壓特征值，聯(lián)立式（1），可將中壓配電網(wǎng)的孤島檢測結(jié)果表示為：

在粒子種群算法影響下，中壓配電網(wǎng)環(huán)境中的孤島節(jié)點數(shù)量值越大，環(huán)網(wǎng)柜主機(jī)也就越能承擔(dān)過電壓行為的沖擊影響。

2.2 電壓突變量選相

當(dāng)中壓配電網(wǎng)過電壓保護(hù)系統(tǒng)感知到電壓突變行為后，環(huán)網(wǎng)柜會由“實連”進(jìn)入“虛連”狀態(tài)，此時與孤島節(jié)點相關(guān)的異常電量篩查行為，即被稱為電壓突變量選相。為突出過電壓保護(hù)行為的應(yīng)用合理性，首先應(yīng)按照粒子種群算法對孤島節(jié)點進(jìn)行初步區(qū)分，其次從中選取符合電壓選相標(biāo)準(zhǔn)的電量信號，將其作為計算過電壓行為強(qiáng)度的物理數(shù)值量，最后再次遵照粒子種群算法，完成對電壓突變量的選相處理[13-14]。設(shè)ymax代表過電壓行為的電量擊穿最大值，yˉ代表電量擊穿均值，δ代表初級選相系數(shù)，聯(lián)立上述物理量，可將單位時間內(nèi)的配電系數(shù)變化量Δi表示為：

若w代表環(huán)網(wǎng)柜“虛連”系數(shù)，s代表環(huán)網(wǎng)柜“實連”系數(shù)，聯(lián)立式（3），可將電壓突變量選相表達(dá)式定義為：

其中，ps表示“實連”情況下的過電壓行為權(quán)限，pw表示“虛連”情況下的過電壓行為權(quán)限。在中壓配電網(wǎng)過電壓保護(hù)系統(tǒng)中，為得到較為準(zhǔn)確的電壓突變量選相結(jié)果，應(yīng)在粒子種群算法作用下，對配電網(wǎng)孤島節(jié)點中存儲的過電壓行為量指標(biāo)進(jìn)行按需選取。

2.3 過電壓熔斷量

過電壓熔斷量是一個泛化應(yīng)用指標(biāo)，在中壓配電網(wǎng)環(huán)境中，受到電壓突變特性的影響，孤島節(jié)點中存儲的選相電量并不能保持完全穩(wěn)定的存在狀態(tài)，因此極易對過電壓行為的實時作用效果造成影響[15]。在此情況下，若將粒子種群算法看作外在影響條件，則可認(rèn)為環(huán)網(wǎng)柜主機(jī)所能承擔(dān)的壓差數(shù)值越大，過電壓行為的作用效果也就越明顯，即所得的過電壓熔斷量計算值越大[16]。設(shè)c代表粒子種群算法中一個隨機(jī)的粒子系數(shù)定義項，kc代表粒子系數(shù)為c時的過電壓行為傳輸向量，k0代表過電壓行為傳輸向量的初始值，kn代表過電壓行為傳輸向量的最終數(shù)值，n代表過電壓傳輸過程中的電量遍歷系數(shù)，β代表選相電壓突變系數(shù)，聯(lián)立式（4），可將過電壓行為的傳輸能力定義為：

D1、D2為中壓配電網(wǎng)中兩個隨機(jī)選取的過電壓行為指標(biāo)，m1、m2分別為與之相關(guān)的電壓熔斷保護(hù)系數(shù)，則聯(lián)立式（5），可將過電壓熔斷量計算公式定義為：

在實際應(yīng)用過程中，采用粒子種群算法的過電壓保護(hù)行為需同時面對環(huán)網(wǎng)柜、旁路作業(yè)支系等多個硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)，因此為保證系統(tǒng)主機(jī)的作用有效性，應(yīng)注意過電壓熔斷量、電壓突變量等系數(shù)指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性影響關(guān)系。

3 實例分析

在圖2 所示的中壓配網(wǎng)電路中，選取A、B、C、D、E、F 六個節(jié)點，其中，AD 為1 號電壓通路、BE 為2 號電壓通路、CF 為3 號電壓通路，規(guī)定配電主機(jī)直接支配的電量通路為0 號電壓通路。

圖2 中壓配網(wǎng)電路

電量突變是常見的電信號異常行為，極易對配電網(wǎng)穩(wěn)定性造成不利影響[17-20]，通常表現(xiàn)為電壓數(shù)值的突然上升或下降。表1 記錄了非異常情況下，四個電量通路中的實時電壓數(shù)值。

表1 非突變電壓數(shù)值

圖3 反映了各通路中傳輸電壓數(shù)值的具體變化情況。

分析圖3可知，1號通路與3號通路中的電壓變化情況始終保持一致。在整個實驗過程中，粒子種群保護(hù)系統(tǒng)、三相四制保護(hù)系統(tǒng)突變電壓的存在周期相同，均存在于第30～40 min 的實驗時間內(nèi)。從極限值角度來看，粒子種群保護(hù)系統(tǒng)的突變電壓最大值379 V存在于0號通路中，與實際電壓最大值380 V的數(shù)值出入不大，最小值348 V 存在于2號通路中，與實際電壓最小值340 V 的差值水平也相對較??；三相四制保護(hù)系統(tǒng)的突變電壓最大值390 V存在于0號通路中，與實際電壓最大值380 V 間的物理差值為10 V，最小值302 V 存在于1 號與3 號通路中，與實際電壓最小值350 V 間的物理差值為48 V，整個實驗過程中傳輸電壓的突變情況始終比粒子種群保護(hù)系統(tǒng)更為明顯。

圖3 傳輸電壓數(shù)值

綜上可認(rèn)為：基于粒子種群的中壓配電網(wǎng)過電壓保護(hù)系統(tǒng)可有效緩和不同傳輸通路中的電壓突變行為，在消除電量突變對于配電網(wǎng)穩(wěn)定性的負(fù)面影響方面，具有一定的促進(jìn)作用。

4 結(jié)束語

中壓配電網(wǎng)過電壓保護(hù)系統(tǒng)以抑制電壓突變特性為目的，在環(huán)網(wǎng)柜、旁路作業(yè)支系等多個硬件應(yīng)用結(jié)構(gòu)的作用下，通過對配電網(wǎng)孤島檢測值的深入分析，確定電壓突變量選相條件的實用性，再借助過電壓熔斷量指標(biāo)，確定粒子種群算法的作用下價值。從宏觀角度來看，主傳輸通路、支系傳輸通路中電壓數(shù)值的突變行為都得到有效抑制，有助于消除突變位置處選相電量對中壓配電網(wǎng)造成的不利影響。