基于螢火蟲(chóng)算法的特高壓直流輸電線路絕緣配合*

周 亮， 王 勇

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，上海 200002；上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司昌吉供電公司，新疆 昌吉 831100)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)電力產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，以西北地區(qū)電網(wǎng)為主導(dǎo)的現(xiàn)狀，已無(wú)法滿足數(shù)倍增長(zhǎng)的用電量和輸電容量[1].我國(guó)電網(wǎng)布置和運(yùn)行相對(duì)復(fù)雜，研究特高壓輸電技術(shù)，工程的落實(shí)需要克服重重困難.由于我國(guó)特殊陸地環(huán)境，要求制造設(shè)備的技術(shù)能力必須不斷提高.實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)顯示，電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障多數(shù)是由于輸電線路和變電站電氣設(shè)備絕緣體短路或擊穿所導(dǎo)致[2].因此，特高壓電網(wǎng)的安全運(yùn)行，關(guān)鍵在于設(shè)備的絕緣體水平高低.設(shè)備制造成本的控制、系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性均需要設(shè)備絕緣水平的合理控制[3].輸電線路電壓等級(jí)越來(lái)越高，增加特高壓直流輸電線路在絕緣部分的投資十分重要.因此，該領(lǐng)域研究者針對(duì)特高壓直流輸電線路絕緣配合進(jìn)行了很多研究，并取得了一定成果.

王少華等[4]提出500 kV XLPE海底電纜線路的暫態(tài)電壓及絕緣配合方法.該方法通過(guò)建立舟山混聯(lián)電線工程仿真模型，計(jì)算斷路器在舟山混聯(lián)電線工程合閘過(guò)程中的電能損耗，通過(guò)觀察斷路器在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的重?fù)舸┈F(xiàn)象及雷擊入侵處的電纜絕緣情況，分析電路出現(xiàn)短路時(shí)刻和故障電流大小，通過(guò)研究電纜中間部分的金屬保護(hù)裝置與鎧甲裝置之間的連接是否存在問(wèn)題，確定了電纜接地體阻抗對(duì)保護(hù)層感應(yīng)電壓的影響程度，完成了電纜線路的絕緣配合.該方法可以提升電纜的絕緣性能，但優(yōu)化過(guò)程中存在能耗較高的問(wèn)題.陳崇征等[5]提出交流特高壓半波長(zhǎng)輸電線路絕緣配合方法.通過(guò)計(jì)算半波輸電線路沿線的穩(wěn)態(tài)電壓，在研究線路絕緣配置方式時(shí)，采用爬電比距法，確定工頻電壓下線路的空隙距離，通過(guò)對(duì)50%放電電壓值進(jìn)行運(yùn)算，最終選擇出最佳的空隙距離，研究成果能夠在技術(shù)上指導(dǎo)特高壓半波長(zhǎng)交流輸電工程，在實(shí)際線路絕緣配合的絕緣裕度較低的問(wèn)題.

在國(guó)外的研究中， Mahmood F等[6]提出了一種基于風(fēng)險(xiǎn)的絕緣配合方法，采用該方法對(duì)中壓架空線路的絕緣水平進(jìn)行研究.用正態(tài)概率分布模擬了線路絕緣的閃絡(luò)特性.采用Agrawal的耦合模型計(jì)算雷電感應(yīng)過(guò)電壓峰值.并借助蒙特卡羅模擬方法，考慮雷擊電流峰值、雷擊回?fù)羲俣?、接觸網(wǎng)與雷擊點(diǎn)距離的概率分布，確定雷擊過(guò)電壓峰值的概率分布，確定中壓架空線路的絕緣程度.該方法將兩個(gè)避雷器的間距減小到200 m以下，提升了中壓架空線路的絕緣程度，但該方法針對(duì)雷電密度較高的地區(qū)，絕緣的配合效果需要進(jìn)一步地完善.

基于上述方法中存在的問(wèn)題，本文將螢火蟲(chóng)算法應(yīng)用到了特高壓直流輸電線路絕緣配合中，從而提高特高壓直流輸電線路的絕緣水平.與傳統(tǒng)方法相比，所提方法提升了特高壓直流輸電線路絕緣配合的絕緣裕度，且降低了操作過(guò)程中的能耗.

1 特高壓直流輸電線路空氣間隙確定

特高壓直流輸電線路絕緣配合中，線路間的空氣間隙是影響輸電線路絕緣配合的重要因素.因此，本文首先確定特高壓直流輸電線路空氣間隙.

特高壓直流輸電線路的空氣間隙主要指桿塔與地線距離、導(dǎo)線與塔桿距離、導(dǎo)線與地線距離.導(dǎo)線與地線的距離是指在導(dǎo)線受風(fēng)力影響情況下，導(dǎo)線最低點(diǎn)下最高建筑物與導(dǎo)線間的安全距離[7-8].當(dāng)導(dǎo)線受到不可控因素影響時(shí)，高壓直流輸電線路的工作電壓的最小間隙，即為導(dǎo)線與地線之間的空氣間隙.當(dāng)導(dǎo)線受到雷擊等影響時(shí)，最低點(diǎn)引起的空氣間隙不作為參考標(biāo)準(zhǔn).確定特高壓直流輸電線路的空氣間隙，主要是確定導(dǎo)線與地線及塔桿之間的空氣間隙.

在確定特高壓直流輸電線路的空氣間隙時(shí)需要考慮塔桿的檔距和塔桿的結(jié)構(gòu).塔桿檔距對(duì)特高壓直流輸電線路的空氣間隙影響較大[9].塔桿檔距增加時(shí)，塔桿空氣間隙在特高壓直流輸電線路的沖擊操作下，導(dǎo)致放電電壓下降.蘇聯(lián)的相關(guān)研究者經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證[10]：塔桿的檔距與特高壓直流輸電線路的空氣間隙的影響關(guān)系為：

Us0(ω)=Us0(1)(1.03-0.03ω)，

(1)

式中：Us0(ω)為寬度在ωm時(shí)，特高壓直流輸電塔桿的放電電壓；Us0(1)為寬度在1 m時(shí)，特高壓直流輸電塔桿的放電電壓；ω為輸電塔身的寬度.

特高壓直流輸電線路的空氣間隙不僅受風(fēng)向的影響，還受塔桿的結(jié)構(gòu)因素影響[11].特高壓直流輸電線路的塔桿結(jié)構(gòu)包括3種，分別為貓頭塔桿結(jié)構(gòu)、酒杯塔桿結(jié)構(gòu)、雙回塔桿結(jié)構(gòu).采用沖擊試驗(yàn)方式測(cè)試3種特高壓直流輸電線路的塔桿結(jié)構(gòu)，確定風(fēng)力嚴(yán)重影響酒杯塔桿結(jié)構(gòu)和貓頭塔桿結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線空氣間隙.

2 特高壓直流輸電線路絕緣配合實(shí)現(xiàn)

2.1 特高壓直流輸電線路絕緣子型式

在特高壓直流輸電線路絕緣配合過(guò)程中，選擇不同的絕緣子型式會(huì)對(duì)輸電線路的絕緣水平造成一定影響.因此，需要分析絕緣子各方面性能[6]，選擇合適的絕緣子型式.

(1) 絕緣子預(yù)期壽命

在特高壓直流輸電線路中較為常用的絕緣子主要包括玻璃材質(zhì)絕緣子、復(fù)合材質(zhì)絕緣子以及陶瓷材質(zhì)絕緣子，3種類(lèi)型絕緣子的預(yù)期壽命對(duì)比情況如表1所示：

表1 三種材質(zhì)絕緣子的預(yù)期壽命對(duì)比情況

在3種材質(zhì)的絕緣子組成中，無(wú)機(jī)材料是玻璃材質(zhì)絕緣子和陶瓷材質(zhì)絕緣子的主要組成成分，在使用過(guò)程中可以延長(zhǎng)絕緣子的使用壽命，而有機(jī)材料是復(fù)合材質(zhì)絕緣子的主要組成成分，在使用壽命方面遠(yuǎn)不如其他兩種材質(zhì)的絕緣子，使用過(guò)程中老化問(wèn)題嚴(yán)重.

(2) 絕緣子的失效率和檢出率分析

3種類(lèi)型絕緣子的失效率和檢出率對(duì)比情況如表2所示：

表2 絕緣子失效率和檢出率對(duì)比情況

玻璃材質(zhì)絕緣子的自爆肉眼可以直接識(shí)別，其維護(hù)工作量較小，陶瓷材質(zhì)絕緣子和復(fù)合材質(zhì)絕緣子具有檢出率較低問(wèn)題，維護(hù)的費(fèi)用和工作量較大.

2.2 特高壓直流輸電線路絕緣子參數(shù)分析

在特高壓直流輸電線路絕緣配合中，常用絕緣子幾何參數(shù)如表3所示.

表3 絕緣子幾何參數(shù)

陶瓷材質(zhì)絕緣子的耐污閃性能比較好，可大量應(yīng)用到輸電線路工程中；玻璃材質(zhì)絕緣子具有良好電氣性能，容易檢測(cè)，但耐污型的雙傘玻璃材質(zhì)絕緣子和三傘玻璃材質(zhì)絕緣子仍然處于研究階段；復(fù)合材質(zhì)絕緣子具有較好的憎水性且質(zhì)量輕.針對(duì)絕緣子的型式影響輸電線路的絕緣水平，對(duì)比分析了3種絕緣子的各方面性能，根據(jù)不同類(lèi)型的絕緣子結(jié)構(gòu)，給出絕緣子的幾何參數(shù)，完成合適的絕緣子型式選擇.

2.3 螢火蟲(chóng)算法的特高壓直流輸電線路的絕緣配合

特高壓直流線路絕緣配合是在變壓器絕緣配合的基礎(chǔ)上，對(duì)其他設(shè)備絕緣等級(jí)的確定.在工頻統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)電壓下，高壓直流輸電線路絕緣設(shè)備要能承受較長(zhǎng)時(shí)間的高頻電壓沖擊，才能確保設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性.本文利用螢火蟲(chóng)算法可以準(zhǔn)確推算特高壓直流輸電線路絕緣子在遭受過(guò)電壓與雷電沖擊下的耐受值，變電站可根據(jù)所得數(shù)值降低電壓沖擊坡度，保護(hù)設(shè)備.

特高壓直流輸電線路工頻電壓作用下電氣設(shè)備絕緣配合的3條原則：(1)電氣設(shè)備外絕緣應(yīng)考慮設(shè)備所在地區(qū)周邊環(huán)境狀況；(2)電力設(shè)備應(yīng)該在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)多次工頻特高電壓耐受試驗(yàn)，保證其可靠性與穩(wěn)定性；(3)電力設(shè)備應(yīng)該對(duì)運(yùn)行特高壓電壓有一定的承受能力，并且能在特高壓狀態(tài)下正常運(yùn)行.在本文的研究中，采用螢火蟲(chóng)算法計(jì)算特高壓直流輸電線路絕緣在環(huán)境改變下的耐受值.

螢火蟲(chóng)算法是一種以螢火蟲(chóng)個(gè)體為對(duì)象，模擬一定空間范圍內(nèi)不同點(diǎn)并對(duì)指定點(diǎn)搜索[12].該方法通過(guò)其自身趨光能力尋找最優(yōu)方案.但該方法易陷入局部最優(yōu)解的困局，本文采用螢火蟲(chóng)算法實(shí)現(xiàn)特高壓直流輸電線路絕緣配合優(yōu)化.

首先，采用螢火蟲(chóng)算法更新螢光值，每一個(gè)熒光值的大小對(duì)應(yīng)螢火蟲(chóng)分解的熒光素，該熒光素影響搜索空間中的絕緣配合的適應(yīng)性.當(dāng)螢火蟲(chóng)的號(hào)召力更強(qiáng)時(shí)，螢火蟲(chóng)的個(gè)體均在絕緣配合中攜帶一個(gè)熒光素，此時(shí)，熒光值為式(2)：

U(x)=(1-q)ui(v-1)?[(bi(v+1))]，

(2)

式中：U(x)為螢火蟲(chóng)個(gè)體熒光度；q為揮發(fā)系數(shù)；?為增強(qiáng)系數(shù).

螢火蟲(chóng)在搜索過(guò)程中，易受到熒光度值較高的個(gè)體吸引，該吸引的作用感知的范圍較廣，將其應(yīng)用到絕緣配合中，可以提升絕緣配合效果.將螢火蟲(chóng)個(gè)體感知特高壓直流輸電線路絕緣程度，及螢火蟲(chóng)的每個(gè)個(gè)體視為一個(gè)集合，得到式(3)：

Hi(t)={ai(t)

(3)

式中，ai(t)、bi(t)分別為不同適應(yīng)度大小的熒光因子.

根據(jù)上述螢火蟲(chóng)熒光值的控制，特高壓直流輸電線路絕緣配合中，需要設(shè)置配合規(guī)則.

設(shè)螢火蟲(chóng)個(gè)體A向亮度更高的對(duì)象B前進(jìn)，此時(shí)其配合的規(guī)則為式(4)：

(4)

式中：RA、RB分別為個(gè)體A和個(gè)體B所在位置；η為吸引程度；μ為步長(zhǎng).

在電氣設(shè)備在工頻電壓作用下的耐受值計(jì)算中，遵循改進(jìn)后螢火蟲(chóng)算法規(guī)則，確定其最優(yōu)耐受值為：

Uw≥kcksUrp，

(5)

式中：Urp為工頻過(guò)電壓代表值，設(shè)Urp為最大工頻過(guò)電壓，則變電站為1.3 p.u.；kc為安全絕緣系數(shù)；ks為配合絕緣因數(shù).

在變壓器套等的電瓷材質(zhì)外部絕緣中，通過(guò)所在地區(qū)所處環(huán)境的爬電間距，對(duì)有效耐受電壓進(jìn)行修正.

假設(shè)斷路器內(nèi)絕緣和斷路器端口間外絕緣的工頻有效耐受電壓值為Uw，在持續(xù)特高壓運(yùn)行系統(tǒng)影響下，其耐受值滿足以下公式(6)：

(6)

式中：Uw為斷路器內(nèi)絕緣固定耐受電壓值，取值為1 200 kV；Um為特高壓系統(tǒng)運(yùn)行的最高電壓值.

根據(jù)避雷器抗沖擊保護(hù)等級(jí)，應(yīng)用螢火蟲(chóng)算法確定直流輸電線路的絕緣等級(jí)，并在其內(nèi)外絕緣相對(duì)抗沖擊保護(hù)等級(jí)之間采用如下關(guān)系式進(jìn)行確定，即式(7)：

Urw.l≥1.15Upx,

(7)

式中：Upx為過(guò)電壓保護(hù)水平，通常取值為1 456 V.通過(guò)計(jì)算可以得到Urw.l的值為1 674 V，特高壓直流輸電線路縱絕緣的操作沖擊耐壓應(yīng)該滿足式(8)：

(8)

在上述分析基礎(chǔ)上，通過(guò)確定不同電壓作用下電氣設(shè)備絕緣配合狀態(tài)，構(gòu)建輸電線路絕緣配合的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，完成特高壓直流輸電線路的絕緣配合優(yōu)化.

設(shè)置特高壓直流輸電線路絕緣配合值參數(shù)為Si，特高壓直流輸電線路絕緣操作沖擊額定耐受電壓為Ui，構(gòu)建目標(biāo)優(yōu)化的適應(yīng)度函數(shù)，確定參數(shù)的適應(yīng)度，即式(9)：

(9)

式中，n為特高壓直流輸電線路的參數(shù)適應(yīng)度迭代次數(shù).

根據(jù)特高壓直流輸電線路的絕緣配合的適應(yīng)度，將上述輸電線路絕緣配合主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到輸電線路絕緣配合的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，即式(10)：

(10)

根據(jù)特高壓直流輸電線路絕緣操作沖擊額定耐受電壓值的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，不論在工頻電壓下還是操作過(guò)電壓下，計(jì)算得到的輸電線路內(nèi)外絕緣相對(duì)于操作沖擊耐受電壓沒(méi)有較大的電壓差距.基于特高壓直流輸電線路絕緣配合的基本原則，采用螢火蟲(chóng)算法，確定直流輸電線路的絕緣水平，實(shí)現(xiàn)特高壓直流輸電線路的絕緣配合.

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)方案

為驗(yàn)證所提方法的有效性，設(shè)計(jì)一次實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)選擇某地±800 kV特高壓直流輸電線路為研究對(duì)象，在該線路中設(shè)計(jì)V型盤(pán)形絕緣子串絕緣子片數(shù)為38片，該結(jié)構(gòu)的高度為200 m，此絕緣子鋼角的安全系數(shù)保持在2.5 以下，絕緣子串的夾角為110°，風(fēng)偏角度為62°，具體實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖1 所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境Fig.1 Experimental environment

為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，將獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在Matlab 軟件中處理，操作系統(tǒng)為Windows XP，運(yùn)行內(nèi)存為8 GB.實(shí)驗(yàn)對(duì)比本文方法、文獻(xiàn)[4]方法以及文獻(xiàn)[5]方法，以絕緣裕度和電能消耗為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，驗(yàn)證所提方法的有效性.

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)分析了本文方法、文獻(xiàn)[4]方法以及文獻(xiàn)[5]方法，在特高壓直流輸電線路絕緣配合優(yōu)化方法的絕緣裕度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

圖2 特高壓直流輸電線路絕緣裕度測(cè)試結(jié)果：(a)本文方法；(b)文獻(xiàn)[5]特高壓直流輸電線路絕緣配合優(yōu)化方法；(c)文獻(xiàn)[4]特高壓直流輸電線路絕緣配合優(yōu)化方法Fig.2 Insulation margin test results of UHVDC transmission line：(a) The method proposed in this paper；(b) Reference [5] insulation coordination optimization method of UHVDC transmission line；(c) Reference [4] insulation coordination optimization method of UHVDC transmission line

從圖2的結(jié)果可以看出，與其他兩種絕緣配合方法相比，采用本文方法得到的絕緣裕度相對(duì)其他兩種方法較高,這是由于本文設(shè)計(jì)的方法在應(yīng)用過(guò)程中,先根據(jù)輸電線路的絕緣特點(diǎn),選擇合適絕緣子型式,使輸電線路的絕緣水平在一定程度上得到提高，而其他兩種方法在絕緣裕度方面，還需要對(duì)其進(jìn)行改善.

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的可行性，實(shí)驗(yàn)分析了3種特高壓直流輸電線路絕緣配合優(yōu)化方法的電能消耗，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示.

圖3 特高壓直流輸電線路絕緣配合的電能消耗結(jié)果Fig.3 Power consumption results of insulation coordination of UHVDC transmission line

從圖3可以看出，3種方法的絕緣配合電能消耗均隨著特高壓直流輸電線路的增加而增加.其中，本文方法在進(jìn)行特高壓直流輸電線路絕緣配合時(shí)電能消耗最小，文獻(xiàn)[4]方法在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中消耗電能最多，文獻(xiàn)[5]方法消耗的電能次之.這是由于所提方法在進(jìn)行絕緣配合時(shí)，通過(guò)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)將其中影響參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，減少了直流輸電線路絕緣配合的重復(fù)次數(shù)，進(jìn)而降低了所提方法在配合過(guò)程中的電能消耗.相較之下所提方法的能耗更低，保證了輸電線路在絕緣配合方面的有效性.

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)特高壓直流輸電線路絕緣配合中存在的不足，本文提出應(yīng)用螢火蟲(chóng)算法優(yōu)化絕緣配合，根據(jù)特高壓直流輸電線路的特點(diǎn)，選擇合適絕緣子型式，并通過(guò)確定其氣隙實(shí)現(xiàn)特高壓直流輸電線路的絕緣配合.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該絕緣配合優(yōu)化方法能夠在一定程度上提高特高壓直流輸電線路的絕緣水平，具有一定可行性.