基于改進(jìn)GSO算法的變電站蓄電池組監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法

安穎坤

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司恩施供電公司，湖北 恩施 445000）

0 引 言

隨著通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，各種新型的在線監(jiān)測方法隨之產(chǎn)生。蓄電池在線監(jiān)測作為一種新型的檢測技術(shù)，正逐漸被應(yīng)用于電力系統(tǒng)，可以更好地幫助人們集中了解無人值班變電站的蓄電池工作狀況[1-3]。為了保證變電站中蓄電池組的正常有效運行，需要在一定的周期內(nèi)實現(xiàn)對其各項性能的綜合檢驗和監(jiān)測。目前，變電站蓄電池組檢驗與監(jiān)測的主要手段包括逐個測試單節(jié)電池電壓與內(nèi)阻、核容性放電試驗等[4]。但是，現(xiàn)有方法在實際應(yīng)用中存在運行成本高、不利于及時發(fā)現(xiàn)蓄電池組異常情況等問題。為促進(jìn)變電站蓄電池組運行安全性和可靠性的提升，本文將開展基于改進(jìn)螢火蟲群優(yōu)化（Glowworm Swarm Optimization，GSO）算法的變電站蓄電池組監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法設(shè)計研究。

1 變電站蓄電池組監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗計算

在對變電站蓄電池組監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化前，需要明確變電站蓄電池組監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中各個監(jiān)測節(jié)點上的具體能耗情況。針對監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)送節(jié)點，其能耗可以表示為

式中：ETx(b,d)為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送節(jié)點的能耗；b為發(fā)送節(jié)點在傳輸時的數(shù)據(jù)總量；d為發(fā)送節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)時的距離；εfs為自由空間信道中監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的功率放大系數(shù)；εmp為多徑衰減信道中監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)運行功率放大系數(shù)；Eelec為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)發(fā)送節(jié)點發(fā)送或接收單位比特數(shù)據(jù)時的耗能。在監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送節(jié)點運行過程中，設(shè)置一個數(shù)據(jù)傳輸距離閾值d0，根據(jù)d0與d之間的關(guān)系，確定計算發(fā)送節(jié)點能耗的公式[5]。對于監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中接收節(jié)點的能耗，計算公式為

式中：ERx(b)為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中接收節(jié)點的能耗。從式（2）可以看出，接收節(jié)點的能耗不會受到數(shù)據(jù)傳送距離的影響[6]。在對變電站蓄電池組進(jìn)行監(jiān)測時，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點需要對相應(yīng)傳感器節(jié)點采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和融合。這一過程也會產(chǎn)生一定的能耗，用公式表示為

式中：EDA(b)為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點篩選、融合數(shù)據(jù)的過程中產(chǎn)生的能耗；Efuse為完成對每個單位數(shù)據(jù)融合時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的電路損耗量。根據(jù)上述論述內(nèi)容，確定變電站蓄電池組監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的能耗。

2 蓄電池組監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)與約束條件設(shè)計

在變電站蓄電池組監(jiān)測過程中，選擇網(wǎng)絡(luò)運行消耗能量最小為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計蓄電池組監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)[7]。在變電站蓄電池組監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中包含3種不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別為單跳網(wǎng)絡(luò)、雙跳網(wǎng)絡(luò)以及三跳網(wǎng)絡(luò)。不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的能耗不同，主要受到監(jiān)測范圍、感知半徑等參數(shù)的影響[8]。因此，需要針對不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分別確定其各自的最小消耗量，其中單跳網(wǎng)絡(luò)的最小能耗計算公式為

式中：minETol1為單跳網(wǎng)絡(luò)的最小能耗；ETol-in1為單跳網(wǎng)絡(luò)發(fā)送節(jié)點能耗；ETol-CH1為單跳網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點能耗。

雙跳網(wǎng)絡(luò)的最小能耗計算公式為

式中：minETol2為雙跳網(wǎng)絡(luò)的最小能耗；ETol-in2為雙跳網(wǎng)絡(luò)第2個發(fā)送節(jié)點的能耗；ETol-CH2為雙跳網(wǎng)絡(luò)第2個接收節(jié)點的能耗。

三跳網(wǎng)絡(luò)的最小能耗計算公式為

式中：minETol3為三跳網(wǎng)絡(luò)的最小能耗；ETol-in3為三跳網(wǎng)絡(luò)第3個發(fā)送節(jié)點的能耗；ETol-CH3為三跳網(wǎng)絡(luò)第3個接收節(jié)點的能耗。

在整個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，存在著上述3種類型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的節(jié)點簇分別為單跳節(jié)點簇、雙跳節(jié)點簇以及三跳節(jié)點簇[9]。假設(shè)3種類型節(jié)點簇的數(shù)目分別為N1、N2和N3，則能夠進(jìn)一步求解出監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中總能耗的最小目標(biāo)函數(shù)，即蓄電池組監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

為確保優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的合理性，需要結(jié)合變電站蓄電池組監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)實際運行條件及需要，設(shè)置相應(yīng)的優(yōu)化約束條件。表1中記錄了不同指標(biāo)的約束條件及對應(yīng)的上限和下限。

表1 不同指標(biāo)的約束條件及對應(yīng)的上限和下限

除表1中約束條件以外，對于監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的每個簇節(jié)點而言，其數(shù)量最少為2，因此還需要設(shè)置以下約束條件

式中：ρ為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點的分布密度；α為傳感器分布扇形圓心角；r為扇形半徑；d為到Sink節(jié)點的距離。根據(jù)上述論述，完成對優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)各個約束條件的設(shè)置。

3 基于改進(jìn)GSO算法的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

在明確監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化目標(biāo)后，結(jié)合改進(jìn)GSO算法，對監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。改進(jìn)GSO算法是一種隨機(jī)優(yōu)化求解算法，主要包括3個組成部分，分別為發(fā)現(xiàn)者P、搜索者S以及游蕩者R[10]。在尋優(yōu)的過程中，假設(shè)某一成員為i，其在第k次迭代的過程中搜索角度可以用φik表示，搜索方向可以用Dik表示。通過搜索角度的笛卡爾變換，可以進(jìn)一步推導(dǎo)出搜索方向。若搜索區(qū)域圍成的結(jié)構(gòu)為三維立體結(jié)構(gòu)，則可以確定發(fā)現(xiàn)者P的搜索區(qū)域如圖1所示。

圖1 發(fā)現(xiàn)者P的搜索區(qū)域

圖1中：θ為最大搜索角度；Lmax為最大搜索步長。對于圖1中的發(fā)現(xiàn)者P，其在搜索區(qū)域內(nèi)進(jìn)行更新的公式為

式中：X為更新位置；Xpk為發(fā)現(xiàn)者P在第k次迭代過程中的所在位置；r1為服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)；為發(fā)現(xiàn)者P的搜索方向；φk為在第k次迭代時的搜索角度。根據(jù)式（9）對搜索區(qū)域進(jìn)行更新，直到發(fā)現(xiàn)者P找到最優(yōu)解為止，完成迭代，并利用最后一次搜索結(jié)果確定監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4 對比實驗

為了進(jìn)一步驗證該方法的實際應(yīng)用可行性及有效性，選擇將應(yīng)用本文優(yōu)化方法后的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)作為實驗組，將利用本文優(yōu)化方法優(yōu)化前的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)作為對照組。選用一組52節(jié)48 V 500 Ah型號蓄電池組作為此次實驗的研究對象。該蓄電池組的額定容量為500 Ah，運行電壓為48 V，轉(zhuǎn)化效率為0.99，外形尺寸為997 mm×670 mm×380 mm。選擇利用2種監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測到的相關(guān)參數(shù)，對變電站蓄電池組剩余電量進(jìn)行測定。蓄電池組剩余電量可以表示為

式中：SSoC為蓄電池組剩余電量占相同條件下額定容量的百分比；Qc為通過監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測到的蓄電池組的剩余容量；QI為恒定電流放電過程中通過監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測到的蓄電池容量。分別利用優(yōu)化前后的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對相同時刻的變電站蓄電池組剩余電量的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，并利用式（10）計算得出蓄電池組剩余電量占相同條件下額定容量的百分比。SSoC的取值范圍為0～1，當(dāng)取值為0時，說明此時蓄電池組已經(jīng)完全放電；當(dāng)取值為1時，說明此時蓄電池組處于完全充電狀態(tài)。將2組監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)得到的結(jié)果與該變電站蓄電池組在對應(yīng)時刻的實際剩余電量和充放電狀態(tài)進(jìn)行對比，得到如表2所示的實驗結(jié)果。

表2 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化前后監(jiān)測效果對比表

結(jié)合表2中記錄的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化前后的監(jiān)測結(jié)果可以看出，實驗組的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)獲取到的監(jiān)測數(shù)據(jù)SSoC結(jié)果更接近實際，差值最大不超過0.01；而對照組的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)獲取到的監(jiān)測數(shù)據(jù)SSoC結(jié)果與實際相差較大，差值超過了0.20。因此，通過實驗可以證明，應(yīng)用提出的優(yōu)化方法對監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測可以有效提高對變電站蓄電池組的監(jiān)測精度，即優(yōu)化方法具備應(yīng)用可行性和有效性。

分別針對優(yōu)化前后監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的單跳網(wǎng)絡(luò)、雙跳網(wǎng)絡(luò)以及三跳網(wǎng)絡(luò)運行能耗進(jìn)行記錄，并結(jié)合相關(guān)公式得到監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)整體能耗。為方便比較，記錄得到的數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

表3 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化前后運行能耗對比

對表3中實驗數(shù)據(jù)分析得出，實驗組利用優(yōu)化方法優(yōu)化后的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)在運行過程中的整體運行能耗僅為3.73×10-4J，而未應(yīng)用優(yōu)化方法優(yōu)化的對照組監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的整體運行能耗達(dá)到了8.03×10-4J。由此可以清晰看出，提出的優(yōu)化方法在應(yīng)用后可以有效降低變電站蓄電池組監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的運行能耗，促進(jìn)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)整體運行性能的提升。

5 結(jié) 論

基于改進(jìn)GSO算法，設(shè)計了一種全新的針對變電站蓄電池組監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方法，并通過對比實驗的方式驗證了該優(yōu)化方法的應(yīng)用可行性。利用提出的優(yōu)化方法對監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測，可以在極大程度上提高監(jiān)測精度，確保監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)始終保持較低的能耗運行，提升網(wǎng)絡(luò)的運行性能。