基于自適應(yīng)粒子群的配電網(wǎng)繼電保護(hù)定值多目標(biāo)優(yōu)化方法

翟穎超

（國(guó)網(wǎng)平頂山供電公司，河南 平頂山 467001）

0 引 言

繼電保護(hù)系統(tǒng)的性能主要是確保系統(tǒng)中傳輸線路的通道容量和配電網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。傳統(tǒng)繼電保護(hù)通過基本算法計(jì)算出整合值，實(shí)際運(yùn)作中數(shù)值保持相同。當(dāng)配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生運(yùn)行故障時(shí)，繼電保護(hù)系統(tǒng)的靈敏程度就會(huì)隨之降低，甚至?xí)|發(fā)拒動(dòng)保護(hù)，極大減少了配電網(wǎng)線路的傳輸容量，降低了電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。現(xiàn)階段根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)減少運(yùn)行成本，擺脫對(duì)通信系統(tǒng)的依靠，在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上利用粒子群優(yōu)化算法得到電網(wǎng)電流保護(hù)的最小整體動(dòng)作時(shí)間和整定值，降低了保護(hù)的拒動(dòng)概率，提高了對(duì)單個(gè)傳感器出現(xiàn)干擾等采樣異常情況和網(wǎng)絡(luò)極端攻擊的免疫能力。下面對(duì)此次提出的基于自適應(yīng)粒子群的配電網(wǎng)繼電保護(hù)定值多目標(biāo)優(yōu)化方法進(jìn)行詳細(xì)分析和實(shí)驗(yàn)[1]。

1 配電網(wǎng)繼電保護(hù)

1.1 設(shè)計(jì)保護(hù)動(dòng)作判據(jù)

基于同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）通信環(huán)網(wǎng)可以進(jìn)行傳感器信息采樣，達(dá)成縱聯(lián)保護(hù)的實(shí)施多樣性，但是如果對(duì)其復(fù)制簡(jiǎn)單信息則有可能發(fā)生無法提升性能的情況，時(shí)效性會(huì)導(dǎo)致信息交互的環(huán)節(jié)下降，延時(shí)性導(dǎo)致信息流通不暢，數(shù)據(jù)傳輸異常和傳輸時(shí)長(zhǎng)增加，從而使得配電網(wǎng)的繼電保護(hù)傳輸中的距離增加，傳輸效率降低[2]。通過搭建保護(hù)環(huán)境進(jìn)行運(yùn)行及保護(hù)判別，選取命名傳感器為A1、A2、A3、A4。將這些傳感器編制成組，并需要對(duì)應(yīng)設(shè)定好的縱聯(lián)保護(hù)判據(jù)，針對(duì)重要線路{A1,A2}、{A1,A4}、{A3,A2}、{A3,A4}進(jìn)行單元式保護(hù)，對(duì)涉及{A1,A4}、{A3,A2}2組保護(hù)判據(jù)，對(duì)4組實(shí)行縱聯(lián)保護(hù)判據(jù)。

式中：∑Eset為整合門檻。當(dāng)線路出現(xiàn)故障時(shí)，綜合指令權(quán)重若大于設(shè)置數(shù)值，則保護(hù)動(dòng)作可靠，反之則為不可靠[3]。

1.2 配置保護(hù)采樣信息完整傳輸?shù)穆?lián)動(dòng)裝置

自適應(yīng)繼電保護(hù)在電流速斷保護(hù)中占據(jù)主要保障地位，保護(hù)不受時(shí)間限制，同時(shí)也具有可選擇性，在實(shí)際繼電保護(hù)范圍內(nèi)可操作。這種狀態(tài)下能夠保證自適應(yīng)繼電保護(hù)的電流速度滿足最基本的要求，達(dá)到需要的保護(hù)功能，將電網(wǎng)的保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，發(fā)生故障時(shí)對(duì)具體情況進(jìn)行說明分析，保持相互之間的設(shè)定和安全性。配電網(wǎng)繼電評(píng)價(jià)函數(shù)為

式中：S(Fa)是評(píng)價(jià)函數(shù)的隨機(jī)值，保護(hù)程度越高則數(shù)值越小；X為粒子總數(shù)；Ik為第k個(gè)粒子中的電流數(shù)據(jù)；表示粒子中的評(píng)價(jià)函數(shù)的預(yù)估值。通過對(duì)2種傳感器相聯(lián)合的保護(hù)裝置配置，控制信號(hào)之間相互整合，設(shè)置合適的動(dòng)作門檻來實(shí)現(xiàn)保護(hù)指令的配合。設(shè)置單套保護(hù)指令邏輯配合方案，就地保護(hù)在檢查合格之后發(fā)送動(dòng)作信號(hào)，來避免網(wǎng)絡(luò)攻擊，線路在傳輸中發(fā)生故障保護(hù)均可以可靠識(shí)別。

聯(lián)動(dòng)裝置獲得的保護(hù)信號(hào)具有完整的阻止數(shù)據(jù)異樣能力，動(dòng)作可靠。若識(shí)別出的判斷信號(hào)為1，則可由公式推算出在發(fā)生故障時(shí)的第40 ms時(shí)退出。若判斷信號(hào)為0，則在周圍元器件發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)電路不發(fā)生操作。單側(cè)傳感器也是同樣道理，若判斷信號(hào)為1，在收到連續(xù)不間斷脈沖信號(hào)攻擊時(shí)，保護(hù)電流開始運(yùn)作。假如保護(hù)判斷信號(hào)在故障啟動(dòng)后40 ms內(nèi)達(dá)到退出，則閉鎖保護(hù)雙重來回，來防止沖擊信號(hào)，保護(hù)可靠不發(fā)生拒動(dòng)指令。在這期間線路傳輸遇到故障的同時(shí)，信號(hào)會(huì)變成1，能保護(hù)可靠動(dòng)作信號(hào)發(fā)生[4]。

在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，隨系統(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)荷波動(dòng)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)主保護(hù)故障時(shí)后備將繼續(xù)按照主保護(hù)指令完成穩(wěn)定運(yùn)行。聯(lián)合裝置能夠?qū)⒏鱾€(gè)系統(tǒng)中的保護(hù)的自適應(yīng)性和原則進(jìn)行調(diào)整，有效提高保護(hù)采樣信息的完整傳輸。

1.3 應(yīng)用自適應(yīng)粒子群算法優(yōu)化指令參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法的主要控制參數(shù)有普通權(quán)重和學(xué)習(xí)指令，在學(xué)習(xí)指令中選擇固定值，普通權(quán)重引用線性代數(shù)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、算法更新數(shù)據(jù)速度慢、精度準(zhǔn)確度低。在自適應(yīng)基數(shù)權(quán)重的重組上，平衡了算法整體和具體點(diǎn)之間的性能，提高了算法精算的準(zhǔn)確度[5]。運(yùn)用算法更新過程中，計(jì)算自適應(yīng)粒子群中最大的對(duì)角線距離為

式中：X(a)為最大對(duì)角線距離；pi(t)、pk(t)為粒子。設(shè)定粒子之間電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為m(t)，計(jì)算粒子在保護(hù)時(shí)間m(t)上的集合為

式中：投影集合為r(t)。將集合粒子按照具體規(guī)定分別分成相同的分量，收集記錄每個(gè)粒子的投影個(gè)數(shù)為

式中：bx(t)為投影粒子的個(gè)數(shù)。在采用更新適應(yīng)學(xué)習(xí)指令的變化中搜索到最優(yōu)解為

式中：d、Dmax為學(xué)習(xí)指令更新次數(shù)和最大更新次數(shù)；h1,st、h1,fn分別為學(xué)習(xí)指令的最初設(shè)定和最后設(shè)定。經(jīng)過計(jì)算得到粒子集合數(shù)據(jù)，優(yōu)化指令參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 保護(hù)距離動(dòng)作測(cè)試

使用傳感器1和傳感器2進(jìn)行區(qū)內(nèi)故障點(diǎn)檢測(cè)，設(shè)置線路參數(shù)為順應(yīng)電阻0.123 Ω，順應(yīng)電感1.245 mH，順應(yīng)電容3.21 μF。設(shè)置電線長(zhǎng)度L1=20 km，L2=60 km。設(shè)置相似度比較算法的門檻值為B1點(diǎn)距離Fset=1.02。同時(shí)設(shè)定線路P上區(qū)內(nèi)故障點(diǎn)X1，設(shè)定線路P1上區(qū)外故障點(diǎn)X2，距離標(biāo)準(zhǔn)線Q為5 km，設(shè)定位于標(biāo)準(zhǔn)線Q上的故障點(diǎn)為X3。檢測(cè)接地故障時(shí)保護(hù)傳感器1電流跨越門檻如圖1所示。

圖1 傳感器1電流基波幅值波形

圖2 傳感器2電流基波幅值波形

針對(duì)上述情況，各縱聯(lián)合保護(hù)組合綜合指令權(quán)重距離動(dòng)作量如圖3所示。

圖3 各縱聯(lián)合保護(hù)距離動(dòng)作

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，對(duì)比傳感器1和2的到達(dá)門檻值時(shí)間后，繼電工作時(shí)遇到故障時(shí)，各縱聯(lián)合保護(hù)的距離在故障后3.3 ms都通過門檻值，保護(hù)綜合指令權(quán)重大于門檻值，則判斷保護(hù)信號(hào)為1，并不斷向兩側(cè)發(fā)送判斷信號(hào)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中斷路器的斷路電流數(shù)據(jù)顯示，狀態(tài)是閉合狀態(tài)，繼電處于并行狀態(tài)。當(dāng)遇到網(wǎng)側(cè)故障或者其他問題，固定控制單元開始工作。針對(duì)斷路器問題，繼電器將提供獨(dú)立模式，負(fù)荷電流和及時(shí)電流等電流問題發(fā)生保護(hù)，需要重新對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分配。起始電流在并行狀態(tài)運(yùn)行工作時(shí)，在繼電器的電流整合系數(shù)的獨(dú)立模式下，選取數(shù)據(jù)不一的設(shè)定值，采用迭代更新方式改進(jìn)粒子更新過程，將電流保護(hù)整體動(dòng)作時(shí)間最小作為目標(biāo)，排查各個(gè)斷路器的正常運(yùn)行效果。選取配電網(wǎng)線路遇到故障時(shí)故障點(diǎn)保護(hù)動(dòng)作反應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)置應(yīng)用自適應(yīng)粒子群算法的路段為實(shí)驗(yàn)路段，其他5組應(yīng)用傳統(tǒng)算法的路段為對(duì)照路段，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 故障路段保護(hù)動(dòng)作反應(yīng)效果

由表1可知，遇到故障時(shí)，對(duì)照路段4顯示判斷信號(hào)為0，說明保護(hù)動(dòng)作未開啟，無法獲取電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的數(shù)值。當(dāng)判斷信號(hào)為1時(shí)，故障點(diǎn)保護(hù)動(dòng)作開啟，繼電設(shè)備顯示保護(hù)信號(hào)，實(shí)驗(yàn)路段和對(duì)照路段1、2、3、5均可以獲取電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的數(shù)值。在同樣的測(cè)試環(huán)境下，比較通過門檻的距離可以發(fā)現(xiàn)，使用自適應(yīng)粒子群算法的實(shí)驗(yàn)路段通過門檻的速度最快，電流保護(hù)整體動(dòng)作時(shí)間最短，數(shù)值小于10 ms。而運(yùn)用傳統(tǒng)算法的故障路段在相同的環(huán)境下，電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，幾乎都在10 ms以上，有的甚至臨近12 ms，可見傳統(tǒng)方法在遇到故障時(shí)通過門檻值的速度慢，啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。綜合測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了文中研究的方法的有效性，完成了電網(wǎng)繼電保護(hù)整體動(dòng)作時(shí)間最短，實(shí)現(xiàn)了對(duì)繼電保護(hù)整定值多目標(biāo)優(yōu)化。

3 結(jié) 論

從自適應(yīng)粒子群算法入手，探究了配電網(wǎng)維點(diǎn)保護(hù)定值多目標(biāo)優(yōu)化方法，結(jié)合分布式自適應(yīng)控制器與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，根據(jù)繼電保護(hù)系統(tǒng)整合計(jì)算原則計(jì)算出各繼電保護(hù)值，并發(fā)出整定值指令，通過數(shù)據(jù)通道更新達(dá)到優(yōu)化，為今后的電網(wǎng)保護(hù)提供了相應(yīng)完善的幫助。但方法中還存在一些不足之處，例如演算流程尚未明確和簡(jiǎn)化，實(shí)驗(yàn)提出的工作機(jī)制需要人工干預(yù)計(jì)算，分析數(shù)據(jù)不完善，存在一些約束粒子群早熟方面的問題。今后應(yīng)持續(xù)完善算法，通過建立電網(wǎng)繼電保護(hù)整合優(yōu)化，合理選擇粒子的起始數(shù)據(jù)，再結(jié)合根據(jù)實(shí)際問題分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的多目標(biāo)保護(hù)。