基于改進(jìn)PSO的智能變電站五防閉鎖系統(tǒng)優(yōu)化控制＊

劉士李,劉 軍,朱曉虎,趙迎迎,劉 浩

(1．國網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230071；2．國網(wǎng)安徽省電力有限公司，安徽 合肥 230071；3．安徽華電工程咨詢設(shè)計(jì)有限公司，安徽 合肥 230071）

1 引言

供電需求不斷上升，電力系統(tǒng)里各種變電操作也逐漸變得頻繁，而一旦操作失誤就可能出現(xiàn)變電設(shè)備的損壞，嚴(yán)重的甚至?xí)o操作人員的人身安全，帶來較大的隱患。為了有效的提升變電操作的安全性，就需要進(jìn)行有效的閉鎖操作。目前較為常用的就是五防閉鎖系統(tǒng)，五防閉鎖系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌N類的變電站進(jìn)行防誤閉鎖操作，同時(shí)在運(yùn)維檢修人員對閉鎖操作進(jìn)行檢測確認(rèn)后，能夠?qū)⒉僮鬟^程傳輸至主機(jī)內(nèi)。通過采集變電站裝置情況信息，就能夠把變電站實(shí)時(shí)信息傳輸?shù)诫娔X中加以控制，能夠通過各級電網(wǎng)調(diào)控值班人員對操作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一處理，防止錯(cuò)誤的設(shè)備使用，但是五防閉鎖系統(tǒng)還存在一些問題，例如：如果變電站充放電的電量過大，就會導(dǎo)致五防閉鎖系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速增加，有可能縮短五防閉鎖系統(tǒng)的使用壽命與性能下滑，同時(shí)，如果電量的浮動較大，就會使五防閉鎖系統(tǒng)的運(yùn)作出現(xiàn)延遲，這就導(dǎo)致無法精確的實(shí)時(shí)傳輸信息[1]。

近年來已有學(xué)者對智能變電站五防閉鎖系統(tǒng)優(yōu)化控制做出了研究。高旭等人提出基于連通狀態(tài)矩陣的智能變電站安措校核方法，應(yīng)用變電站配置描述文件構(gòu)建智能變電站二次設(shè)備的靜態(tài)拓?fù)淠Ｐ?，通過設(shè)備狀態(tài)設(shè)計(jì)變電站安措校核方法[2]。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)變電站二次設(shè)備安全校驗(yàn)，但無法實(shí)現(xiàn)五防閉鎖系統(tǒng)控制。王同文等人提出基于Redis 技術(shù)的智能站二次設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過Redis 技術(shù)讀取內(nèi)存，獲取信息交互情況，對運(yùn)維系統(tǒng)模型進(jìn)行初始化配置，實(shí)現(xiàn)智能站二次設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)海量信息交互處理，但對五防閉鎖系統(tǒng)的優(yōu)化控制仍有待提升。

針對上述問題，提出了一種基于改進(jìn)PSO 的智能變電站五防閉鎖系統(tǒng)優(yōu)化控制，通過改進(jìn)的PSO 算法對發(fā)電站進(jìn)行優(yōu)化，使其能夠與優(yōu)化后的五防閉鎖系統(tǒng)產(chǎn)生較強(qiáng)關(guān)聯(lián)，最后依靠優(yōu)化控制五防閉鎖系統(tǒng)的反饋能量來調(diào)解其整體的運(yùn)行速度，繼而實(shí)現(xiàn)五防閉鎖系統(tǒng)的優(yōu)化控制。

2 改進(jìn)PSO 下智能變電站五防閉鎖系統(tǒng)優(yōu)化控制

2.1 變電站無功優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

在已經(jīng)擬定的電力系統(tǒng)有功潮流調(diào)離下，以優(yōu)化變電站電力流量為目標(biāo)，設(shè)定無功優(yōu)化模型，無功優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型能夠表示成：

其中，f(x1，x2)代表變電站系統(tǒng)的有損消耗，g(x1，x2)代表潮流公式：x1=，UG與QC分別即無功補(bǔ)償設(shè)備與發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)電壓無功出力形成的矢量，TB即可調(diào)變壓器的變比形成的矢量x1∈R(N)，N代表控制變量的總量，x1max與x1min分別代表x1的上下限值，x2=[UL，θG]T代表電壓無功出力與負(fù)荷節(jié)點(diǎn)發(fā)電機(jī)形成的矢量，其也能夠描述成狀態(tài)變量。

依靠外電法構(gòu)建輔助函數(shù)，使用罰函數(shù)算法將狀態(tài)變量融入目標(biāo)函數(shù)中：

其中，λ1與λ2代表罰因子[4]，△Uj即電壓越限偏差，△QG即無功出力偏差，α 和β 分別表示無功越限節(jié)點(diǎn)與電壓的集合。

2.2 改進(jìn)MPSO算法及自適應(yīng)的慣性系數(shù)

在一個(gè)N維的解搜空間內(nèi)，PSO 可以表示為一群隨機(jī)粒子，其能夠被描述成粒子群，其中第i種粒子能夠描述成一種N維的向量：Xi=(xi1，xi2，…，xiN)，i=1，2，…，m，代表第i種粒子在N維搜索空間里的坐標(biāo)為Xi，就是所有粒子的坐標(biāo)都可以被描述成搜索空間內(nèi)的一種潛在解。粒子i的適應(yīng)度值即通過優(yōu)化函數(shù)[5]評定的，將Xi融入目標(biāo)函數(shù)里就可以得到適應(yīng)度值，憑借該值的尺寸就可以評測Xi的優(yōu)劣狀況。每一種粒子還具有一定的速度，憑借速度值來評測其飛行的尺寸與方向，其中第i個(gè)粒子的飛行效率可以被表示為vi=(vi1，vi2，…，viN)，每個(gè)速度矢量在第一時(shí)間內(nèi)也是在一定范圍里隨機(jī)出現(xiàn)的。

設(shè)定第i種粒子搜索得到的最優(yōu)坐標(biāo)為Xpi=(xpi1，xpi2，…，xpiN)，該坐標(biāo)的適應(yīng)度值表示成Pbesti，即粒子群目前為止搜索獲得的最優(yōu)坐標(biāo)是Xg=(xg1，xg2，…，xgN)，該坐標(biāo)的適應(yīng)度值是gbest，PSO使用以下公式對離子進(jìn)行處理：

式中，i=1，2，…，m，d=1，2，…，N，k代表迭代次數(shù)，加速因子與c1和c2慣性因子w代表非負(fù)常數(shù)，rand()代表[0，1]之間存在的隨機(jī)數(shù)，離子速度vmax，vmax代表最大飛行速度[5]。

算法停止迭代的條件即：選取最大的粒子群搜索得到的最優(yōu)坐標(biāo)的適應(yīng)值，該適應(yīng)值需要滿足最小的適應(yīng)度閾值，以此完成迭代。PSO算法的操作模式非常簡單，并且其收斂效果也是非?？斓摹５窃摲椒ㄒ泊嬖谝韵聨追N問題：

(1)粒子都是憑借自身經(jīng)驗(yàn)[6]與搜索粒子朝著最優(yōu)解的方向飛行，在慣性因子的影響下，粒子可能會丟失對最優(yōu)解的精準(zhǔn)搜索能力，這就導(dǎo)致搜索的精準(zhǔn)度降低。

(2)每一種粒子都會向著最優(yōu)解飛行，在飛行時(shí)越接近最優(yōu)粒子，其飛行的速度就會越來越慢，所以粒子群的趨向是相同的，因?yàn)橼呄蛳嗤?，所以該方法只便于收斂局部的最?yōu)解。

有研究表明，慣性因子w對算法的優(yōu)化能力有著較大的影響[7-9]。如果w值過高就可以提升算法的收斂速度，而w較小時(shí)就會提升算法的收斂精度。憑借式(5)對w進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，即隨著迭代次數(shù)的增加，逐步縮減w值。

其中，σ代表正系數(shù)，以調(diào)節(jié)w的變化效率，kmax代表迭代次數(shù)的閾值，w0代表w(k)的上限，k即迭代次數(shù)。

2.3 基于MPSO的變電站系統(tǒng)無功優(yōu)化

MPSO 算法求解無功優(yōu)化問題，可以依靠以下步驟進(jìn)行：

(1)輸入原始數(shù)據(jù)，獲得系統(tǒng)支路信息與節(jié)點(diǎn)信息，進(jìn)而控制變量的取值范圍與總量，這樣就能夠獲得最大迭代次數(shù)kmax與粒子群的群體規(guī)模m等參數(shù)；

(2)在迭代次數(shù)達(dá)到k=0時(shí)，使用隨機(jī)發(fā)生器在可行域內(nèi)隨機(jī)標(biāo)注m個(gè)粒子的坐標(biāo)Xi，同時(shí)在一定范圍內(nèi)隨機(jī)設(shè)定粒子的初始速度vi，同時(shí)擬定所有原始粒子個(gè)體的最優(yōu)解Pbesti與全局最優(yōu)解，Gbest代表一足夠大的值；

(3)估算所有粒子的適應(yīng)度值，就是所有粒子Xi憑借潮流運(yùn)算與式(2)運(yùn)算獲得的F(Xi)值；

(4)對比各微粒的適應(yīng)度值F(Xi)與目前個(gè)體最優(yōu)解Pbesti，如果某種微粒的適應(yīng)度值F(Xi)并沒有超過Pbesti，那么Pbesti=F(Xi)，Xpi=Xi；

(5)將每一種微粒F(Xi)內(nèi)的最小值描述成Fmin，如果Fmin＜Gbest，即本代群體最優(yōu)解沒有超過上代群體的最優(yōu)解，那么Gbest=Fmin，反之Gbest不變；

(6)所有粒子通過式(3)對飛行速度進(jìn)行更新，然后憑借式(4)對目前坐標(biāo)進(jìn)行更新，同時(shí)檢測新坐標(biāo)是否出現(xiàn)越限變量點(diǎn)的情況，如果有，那么越限變量就會被轉(zhuǎn)換成變量約束的上限值或下限值。

(7)對所有粒子進(jìn)行變異處理。

(8)完成條件：評測k是否已經(jīng)到達(dá)最大的迭代次數(shù)kmax，如果是，則輸出估算結(jié)果，反之k=k+1轉(zhuǎn)(3)。

2.4 含五防閉鎖的變電站系統(tǒng)充放電功率指令值

五放閉鎖系統(tǒng)主要是通過裝機(jī)容量為Prated的變電廠、與基于MPSO 的中央控制區(qū)組成。其額定容量為CB的五防閉鎖通過雙向變流器與升壓變壓器鏈接母線。經(jīng)過電功率PW與五防閉鎖系統(tǒng)實(shí)際的輸出功率PB合成總功率為PO的變電處理數(shù)值，再經(jīng)由升壓變壓器接入變電站。五防閉鎖的中央控制器經(jīng)過實(shí)時(shí)檢測電功率PW，綜合功率波動平抑指數(shù)與荷電情況，向變電站系統(tǒng)的雙向變流器下達(dá)充放電功率指令值PB-cmd。

2.5 控制模型

通過以往的研究能夠得知，在五防閉鎖系統(tǒng)嚴(yán)格響應(yīng)充放電功率指令值時(shí)，可得五防閉鎖系統(tǒng)的瞬時(shí)功率為：

其中，PO(k)為k時(shí)刻的五防閉鎖系統(tǒng)的瞬時(shí)總功率，PW(k)為k時(shí)刻的五防閉鎖系統(tǒng)的實(shí)時(shí)檢測功率，PB(k)為k時(shí)刻的五防閉鎖系統(tǒng)實(shí)際的輸出功率，五防閉鎖系統(tǒng)在目前時(shí)刻存儲的能量是：

其中，EB(0)代表五防閉鎖系統(tǒng)的起始能量，△t的取值是1s。

分別取PO(k)與EB(k)來描述狀態(tài)變量，x1(k)與x2(k)，Pw(k)代表外部擾動變量r(k)，PB(k)代表控制輸入量u(k)，那么平抑波動控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型如下所示：

其中，y(k)代表過程輸出矩陣。

目標(biāo)函數(shù)如下所示：

即控制時(shí)域里使用的五防閉鎖出力最小。

模型的約束條件：

(1)功率波動平抑約束：

其中k=0，1，…，M-1。

合成輸出功率需要同時(shí)滿足1min 與30min 這兩種時(shí)間尺度下的功率波動平抑標(biāo)準(zhǔn)。

(2)輸出功率約束

(3)五防閉鎖功率約束

其中，Pch(k)與Pdh(k)分別代表五防閉鎖目前時(shí)刻k的最大可充電功率與最大可放電功率，△T代表充放電的時(shí)間，PB，max代表五防閉鎖的最大輸出功率，其取決于變流器容量與五防閉鎖的交換功率，Smax與Smin分別代表五防閉鎖系統(tǒng)荷電情況的上限值與下限值。

(4)五防閉鎖容量約束

2.6 五防閉鎖系統(tǒng)優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)

2.6.1 約束調(diào)整與軟化

在含有五防閉鎖功率或容量缺額時(shí)，合成輸出功率就無法被抑制在一定的范圍里，不滿足兩種時(shí)間尺度下的功率波動平抑標(biāo)準(zhǔn)，程序不收斂。此時(shí)需要使用約束軟化策略，松弛約束從而重新回歸至可行性狀態(tài)。為抑制過分超限在原目標(biāo)函數(shù)內(nèi)添加平方懲罰項(xiàng)，其能夠通過下式進(jìn)行描述：

其中，ρ代表懲罰系數(shù)，ε代表松弛向量，這兩種數(shù)值，只在約束不可行時(shí)才不為零，其也作為優(yōu)化變量。

約束條件調(diào)整成：

2.6.2 五防閉鎖系統(tǒng)的能量反饋優(yōu)化控制

五防閉鎖系統(tǒng)快速提供充放電功率可能會導(dǎo)致過充或過放。過充會嚴(yán)重影響五防閉鎖系統(tǒng)的使用周期，過放則會導(dǎo)致五防閉鎖系統(tǒng)的輸出功率受到限制，所以，本文通過優(yōu)化控制能量反饋來實(shí)現(xiàn)對五防閉鎖系統(tǒng)的優(yōu)化控制，憑借前一時(shí)刻的荷電情況S(t-1)，在功率波動平抑區(qū)間里對平滑輸出目標(biāo)值PO-exp(t)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，盡量讓儲能系統(tǒng)的荷電情況處于安全的范圍里。

主動式能量反饋優(yōu)化控制能夠分成以下步驟。

步驟1：使Smin-alert=30%，Smax-alert=70%，如圖1所示，其能夠分成以下三種情況對PO-exp(t)進(jìn)行調(diào)整。

圖1 五防閉鎖系統(tǒng)荷電狀態(tài)反饋優(yōu)化控制規(guī)則

(1)S(t-1)＜Smin-alert，縮減PO-exp(t)能夠使五防閉鎖系統(tǒng)在充電時(shí)多充電，放電時(shí)少放電。

(2)S(t-1)＞Smax-alert，提升PO-exp(t)能夠使五防閉鎖系統(tǒng)在充電時(shí)少充電，放電時(shí)多放電。

(3)Smin-alert≤S(t-1)≤Smax-alert，此時(shí)荷電情況位于安全范圍里，五防閉鎖系統(tǒng)嚴(yán)格響應(yīng)充放電功率指令值PB-cmd(k)。

步驟2：擬定五防閉鎖系統(tǒng)響應(yīng)通過步驟1運(yùn)算獲得的充放電功率指令值，那么能夠運(yùn)算t時(shí)刻的荷電狀態(tài)值S(t)。使Smin-alert=2%，Smax-alert=80%，同時(shí)把S(t-1)轉(zhuǎn)換成S(t)，迭代操作步驟1。

步驟3：五防閉鎖系統(tǒng)響應(yīng)步驟2獲得的五防閉鎖系統(tǒng)充放電功率指令值，如果輸出功率是PB(t)，那么最終五防閉鎖系統(tǒng)的合成輸出功率如式(20)所示：

考慮到長期運(yùn)行的情況，使用上述方法能夠充分的利用儲能，從而延長五防閉鎖系統(tǒng)的使用壽命，提升系統(tǒng)對電能的響應(yīng)速度。

3 實(shí)驗(yàn)證明

五防閉鎖系統(tǒng)的參數(shù)擬定如下：電機(jī)極對數(shù)為2，額定電壓為530V，額定功率為500kW，額定轉(zhuǎn)速為3600r/min，轉(zhuǎn)動慣量為205kg．m2，最大儲能量14．6MJ，電機(jī)直軸電感為0．268mH，交軸電感為0．913mH。直流母線電壓為750V。

因?yàn)槲宸篱]鎖系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣性較大，實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長，并且對計(jì)算機(jī)內(nèi)存要有較高，不易觀測出整體過程，因此，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)大幅縮減系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣性，對優(yōu)化控制后五防閉鎖系統(tǒng)的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2～4所示。

通過圖2～4 能夠看出，五防閉鎖系統(tǒng)內(nèi)的相電流基本不會出現(xiàn)變動，五防閉鎖系統(tǒng)以恒轉(zhuǎn)矩的形式進(jìn)行加速，輸入功率會不斷提升，這就說明，通過本文方法進(jìn)行優(yōu)化控制后，會提升五防閉鎖系統(tǒng)的運(yùn)行速度，而在五防閉鎖系統(tǒng)轉(zhuǎn)讀達(dá)到最小工作轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)會迅速通過恒轉(zhuǎn)矩變換到恒功率的形式運(yùn)行，并且隨著轉(zhuǎn)速的提升，系統(tǒng)的相電流會逐漸變小，使得五防閉鎖系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同情況，且不會因?yàn)檗D(zhuǎn)速的突然提升導(dǎo)致變電站系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的問題。

圖2 五防閉鎖系統(tǒng)充電過程內(nèi)電機(jī)相電流

圖3 五防閉鎖系統(tǒng)充電過程內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖4 五防閉鎖系統(tǒng)充電過程內(nèi)電磁轉(zhuǎn)矩

4 結(jié)束語

為了使五防閉鎖系統(tǒng)能夠更為安全高效地處理變電站的充放電過程，提出基于改進(jìn)PSO 的智能變電站五防閉鎖系統(tǒng)優(yōu)化控制。雖然本文方法解決了五防閉鎖系統(tǒng)的壽命周期短與適應(yīng)度的問題，但其還存在一些問題，即變電站系統(tǒng)內(nèi)存在較多種類的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)量過大或數(shù)據(jù)庫內(nèi)存在冗余數(shù)據(jù)，就會導(dǎo)致優(yōu)化后的五防閉鎖系統(tǒng)出現(xiàn)傳輸信息錯(cuò)誤的問題。因此下一步需要研究的課題即：在五防閉鎖系統(tǒng)內(nèi)添加數(shù)據(jù)挖掘，通過數(shù)據(jù)挖掘剔除冗余數(shù)據(jù)。使五防閉鎖系統(tǒng)能夠更精確的完成信息的傳輸。