基于遺傳算法的配網降損優化方案研究

舒征宇+俞翰+丁紅聲+周建華

摘 要：本文提出了一種停電事故處理情況下快速恢復供電的方法。該方法在停電事故發生時按照網絡介數較高的元件逐級恢復，可有效避免斷路器拒動情況下的停電時間延長問題，縮短了停電時間保障了電網的穩定運行。

關鍵詞：斷路器拒動幾率;快速恢復供電;黑啟動

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.224

0 引言

目前，由于變電站自動化建設進程的加快以及人力資源成本的上漲，我國電網中35kV、110kV及部分220kV變電站均已采用無人值守模式，這在節省人力與物力支出的同時也改變了電網運行與調度的工作模式。因此目前在面臨事故處理時大多采用遠方遙控操作完成，然而若在操作過程中斷路器拒動則會延誤延長送電時間，甚至要暫停送點對拒動斷路器進行檢查和維修。所以在事故處理過程中需要選擇一條可以穩定操作的輸電路徑恢復送電，同時還需要考慮到恢復送電過程中斷路器操作次數總和、操作過程中斷路器拒動后的重新路由以及輸電路徑中涉及的線路及變壓器的負荷狀態等因素。而人為的選擇恢復送電路徑難以在短時間內進行全方面的考慮。為此本文提出一種計及斷路器拒動幾率的恢復供電方法，為電網出現事故后的快速恢復供電提供輔助決策的參考，縮短對停電區域的復電時間、維護電網的安全穩定運行。

1 建立電力系統的復雜網絡模型

地區電網的大部分變電站都采取無人值守的運維模式，因此在故障發生時，為快速恢復地區電網的供電則依賴于自動裝置的正確動作以及斷路器正確響應遠方遙控操作。反之，若電網中的自動裝置不能正確動作，或者斷路器遙控拒動則會造成長時間的停電，不利于電網的穩定運行。

鑒于以上原因，要在事故發生后快速恢復供電則需要盡量采用可靠性高的斷路器來進行遙控操作。為此本文首先通過斷路器的額定參數與歷史運行情況評估得出斷路器的可靠系數，并以此為依據為電力網絡的復雜網絡模型賦予權重。其具體步驟為：

步驟1：建立系統的基本拓撲模型，將電力系統中的母線與輸電線路抽象成網絡模型中的節點與邊。采取以下化簡標準：將母線作為節點，雙繞組變壓器等效為一條邊，三繞組變壓器等效為變壓器三端母線的星型連接。將節點進行合并，對于同一變電站內同一電壓等級的母線上節點進行合并。通過以上步驟的化簡，可以得到一張節點數為n，邊的條數為m的簡單圖，可用n×n的矩陣表示：

（1）

（2）

式中G0為電力系統的將電力網絡抽象得到的簡單圖，eij為節點到節點的邊。該矩陣描述了電力網絡基本的拓撲結構。

步驟2：統計斷路器的額定開斷次數N、額定開斷電流Ie、已開斷次數以及每次開斷的電流大小。

步驟3：根據以上統計數據斷路器的開斷次數與開斷電流的關系，計算出斷路器目前存在的磨損，其計算公式如下式（3）所示：

（3）

其中Si為斷路器第i次開斷的磨損（由第i次開斷的電流和廠商提供的參數得到）。N為該斷路器的額定開斷次數，M為開斷額定電流時的磨損。

步驟4：統計斷路器前五年的歷史故障率，并取出五年中該斷路器故障率的最大值與最小值。

步驟5：根據斷路器的歷史故障率與斷路器磨損狀態計算其潛在失效幾率，其具體計算公式如下式（4）所示：

（4）

步驟6：以斷路器失效幾率為大小作為權重為網絡模型G中的邊賦予權重。電力網絡的模型則更新為：

（5）

（6）

（7）

其中為線路的可靠系數，、分別為線路兩側開關的失效幾率。

綜上所述，采用以上步驟所建立的網絡模型，不僅反映了常規恢復送電過程中斷路器的操作次數，同時也計入了斷路器的健康狀態和拒動幾率。在該網絡模型中的最短路徑即為操作次數和可靠系數最高的路徑。

2 失壓區域快速恢復供電路徑的多目標優化及求解

為快速恢復失壓區域的供電，則要盡可能少的進行遙控操作、遠方遙控的開關盡量可靠、二次故障后可以便捷的重新路由以及恢復供電后電網中的線路和變壓器的負載率盡量均勻。因此可以建立快速恢復供電路徑的多目標優化模型，如下所示：

（8）

上式中M與I分別代表事故后的主網與失壓孤島區域，D為在賦權網絡模型中連接主網與孤島的路徑長度，其計算公式如式（9）：

（9）

其值越小則表示涉及到的操作次數越少、操作的斷路器可靠系數越高。為恢復供電路徑中線路或變壓器的電氣介數。

需要說明的是，介數是復雜網絡理論中關于網絡中心測量的一種重要參數，其大小為網絡中任意兩點之間最短路徑經過該節點或該邊的次數。本文中定義的電氣介數為以主網中任意點為起點，以孤島中任意點為終點形成的最短路徑經過該變壓器或該輸電線路的次數。因此介數越高的元件其選擇性越高，優先連通電氣介數交高的元件將有利于主網與孤島之間的連通。在恢復送點的過程中如果出現斷路器拒動那么重新路由輸電路徑將變得更加容易，可以在類似斷路器拒動的二次事故發生時便捷的找到替代供電路徑，有效縮短停電時間。

根據以上多目標優化模型，本文采取蟻群算法進行求解，其計算公式如下：

（10）

（11）

（12）

式（10）表示螞蟻在時刻從節點向節點移動的的幾率，為與節點相鄰的可移動節點集合，、分別為時刻支路上的信息素和啟發因子，本文設定支路上的初始信息素、啟發算子，、為信息素與啟發算子的權重系數，取值0.5。式（11）表示支路上的信息素隨時間衰減的關系，為衰減系數，取值0.7，式（12）為全局信息素的更新公式，其中為第次歷遍中螞蟻經過路徑的目標函數值。采用上式（10）～（12）進行反復迭代，直至路徑收斂。這樣求取的路徑不僅具有操作少、路徑中斷路器可靠性高等優點，同樣由于選擇的路徑中所有的元件具有較高的介數，因此在恢復過程中如果出現斷路器拒動等二次故障時，該路徑具有較高的選擇性可以便捷的進行重新路由。

從上述方法可以發現，本文提出的一種計及斷路器拒動幾率的恢復供電方法，結合斷路器的歷史運行數據給出了計及斷路器拒動幾率的復雜網絡模型。同時該方法考慮到在恢復供電過程中斷路器拒動的幾率以及恢復供電后的負荷分布，以建立的網絡模型為基礎進行了多目標優化求解，并給出了基于蟻群算法的求解方法。該方法可以在電網發生事故時快速尋優恢復供電路徑，所求得路徑具有操作少、可靠性高、二次故障后重新路由便捷等優點，為電網事故后的快速恢復供電提供了理論依據和決策依據。

3 結論

本文提出一種計及斷路器拒動幾率的恢復供電方法，為電網出現事故后的快速恢復供電提供輔助決策的參考，縮短對停電區域的復電時間、維護電網的安全穩定運行。目前該方法已應用于宜昌供電公司的停電事故處理中，已獲得良好效果。

參考文獻：

[1]麻秀范，張粒子.基于十進制編碼的配網重構遺傳算法[J].電工技術學報，2004，19（10）：65-69.endprint