基于模型診斷的電源快速切換在配電網(wǎng)的研究

喬 和 閆冬冬 康愛民 葉 青

1(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院 遼寧 葫蘆島 125105)2(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司阜新供電公司 遼寧 阜新 123000)

0 引 言

雙電源快速切換裝置(以下統(tǒng)稱為“快切”)是在供電故障時(shí)能快速切換到備用電源供電，以達(dá)到供電可靠性和靈活性的目的。隨著配電網(wǎng)中分布式電源DG(Distributed Generation)的增多，使得電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。這不但對(duì)備用電源快速投切裝置動(dòng)作時(shí)間有影響，而且投切后產(chǎn)生母線的沖擊有影響，進(jìn)而對(duì)設(shè)備造成一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了保證供電可靠性，電源快速切換裝置越來越必要。

傳統(tǒng)的電源切換的方法多是改善快切裝置[1-2]。目前，快切裝置已經(jīng)在工廠、變電所、電廠等很多領(lǐng)域應(yīng)用，但仍有很大的延時(shí)時(shí)間。文獻(xiàn)[3]采用小波變換進(jìn)行檢測(cè)，但該方法存在一個(gè)周期的延時(shí)，測(cè)量速度較慢，無法檢測(cè)相位的跳變。文獻(xiàn)[4]提出感性負(fù)載下電源快速切換的檢測(cè)方法，但是在大型負(fù)載中效果并不明顯。文獻(xiàn)[5]介紹了一種改進(jìn)的dq變換，為單相αβ變換法。該方法原理與瞬時(shí)電壓dq變換基本相似，檢測(cè)時(shí)間并未有效改善。文獻(xiàn)[6-7]對(duì)含有風(fēng)電場(chǎng)的備自投進(jìn)行了研究，提出在含有風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)電源快速切換的整定方法，但是仍然是傳統(tǒng)的整定方式下,仍有很大延時(shí)時(shí)間。隨著電源快切技術(shù)在配電網(wǎng)的應(yīng)用，為了保證供電可靠性，快速切換裝置的關(guān)鍵問題在于最短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出故障，并在允許合閘范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速切換[8]。

配電網(wǎng)中常用的智能診斷方法有：專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、模糊集理論、Petri網(wǎng)、信息融合技術(shù)和多智能體技術(shù)等[9]。采用模型診斷方法MBD(Model-based diagnosis)是在電源快切系統(tǒng)中預(yù)期的故障和時(shí)間動(dòng)作中產(chǎn)生的差別推出系統(tǒng)模型的最小沖突集，即為系統(tǒng)的診斷結(jié)論[10]。當(dāng)配電網(wǎng)中有故障時(shí)，由于分布式電源的存在會(huì)改變故障電流的分布，因電流閉鎖干擾配電網(wǎng)的保護(hù)設(shè)備，對(duì)備用電源的正確投切產(chǎn)生干擾。文獻(xiàn)[11-12]中提出用改進(jìn)的二進(jìn)制粒子群算法進(jìn)行故障定位，但是最小碰集并不能保證最優(yōu)化。

為了克服傳統(tǒng)電源切換故障之后延時(shí)的問題，保證備用電源的在配電網(wǎng)中投切成功，本文采用模型診斷方法MBD直接采集電壓電流等量來監(jiān)控需要保護(hù)的部分。利用遺傳算法改進(jìn)二進(jìn)制粒子群算法，給出貝葉斯解釋，得出所需要測(cè)量的元件的故障概率，從而有效地實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)，得出了一種更有優(yōu)勢(shì)的電源快速切換的檢測(cè)方法。

1 含DG配電網(wǎng)的切換裝置分析

1.1 含DG配電網(wǎng)的系統(tǒng)簡化圖

圖 1 為含DG配電網(wǎng)的系統(tǒng)簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)電源快速切換是當(dāng)檢測(cè)到主電源系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，快切裝置將主電源快速切換至備用電源。

圖1 含DG配電網(wǎng)快速切換系統(tǒng)拓?fù)鋱D

但是大多數(shù)配電網(wǎng)含有分布式電源，主電源斷電后，DG和負(fù)載之間形成短時(shí)回路，DG繼續(xù)向用戶供電，從而會(huì)對(duì)配電網(wǎng)中的潮流產(chǎn)生影響[13]，進(jìn)而影響備用電源的切換時(shí)機(jī)。特別是當(dāng)配電網(wǎng)中電機(jī)類用戶占比重大時(shí)，工作電源斷電之后母線殘壓會(huì)隨著時(shí)間周期性衰減。如果殘壓衰減并未到合適的時(shí)機(jī)而進(jìn)行合閘，備用電源的投入使得母線沖擊電流過大或者電壓過低而錯(cuò)過最佳合閘時(shí)機(jī)。

1.2 DG對(duì)配電網(wǎng)的影響

如圖2所示，電抗XDG是與時(shí)間變化的變量，由主電源供電時(shí)流入負(fù)載的電流為IN，DG提供的電流為IDG，EM表示快速切換時(shí)母線殘壓，IDG為快切時(shí)流過DG和負(fù)載之間的電流，且存在IDG小于IN。

圖2 含DG配電網(wǎng)的等效電路圖

當(dāng)母線殘壓與備用電源之間的矢量差的模ΔU越大，則在投切時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流Ish越大。當(dāng)主電源系統(tǒng)故障后，等效電路中的阻抗減小，則對(duì)負(fù)載和含DG的配電網(wǎng)的沖擊電壓為：

(1)

對(duì)備用變壓器T2 的沖擊電壓為：

(2)

Ush取1.1UN，則阻抗為：

(3)

(4)

式中：Ush為負(fù)載或備用電源沖擊電壓；UN為電動(dòng)機(jī)的額定電壓；ZT2為備用電源總阻抗；Zd為DG阻抗和與負(fù)載阻抗的并聯(lián)阻抗之和。

為確保負(fù)荷中電機(jī)、變壓器等安全，Ush應(yīng)不大于最大耐壓值3.5UN(UN為電動(dòng)機(jī)的額定電壓)，則：

(5)

(6)

當(dāng)主電源故障斷開后，DG與負(fù)載形成閉合回路，DG向配電網(wǎng)提供電流，降低了ΔU的衰減速率，進(jìn)而分布式發(fā)電在電源快切時(shí)，有效降低了備用電源投切時(shí)母線上的沖擊電壓。故含DG的配電網(wǎng)進(jìn)行電源切換時(shí)，可以改善并提高電源快速投切的成功率和可靠性。

1.3 母線殘壓變化規(guī)律

當(dāng)電源切換時(shí)，由于負(fù)載中有電機(jī)類負(fù)載，主電源斷電之后會(huì)向母線反饋電壓，即母線殘壓。如圖3所示，ABCD為母線殘壓軌跡，AB弧線殘壓幾乎未衰減多少，此時(shí)在相角差內(nèi)合閘稱快速切換。BC段不允許合閘，CD段合閘被稱為同期切換。本文采用的快速切換方式，在AB段內(nèi)切換至備用電源。

圖3 母線殘壓軌跡圖

2 快速切換的關(guān)鍵問題

2.1 模型診斷

本文快速切換裝置采用的是模型診斷，即用S表示配電網(wǎng)模型描述的一階語句，C表示系統(tǒng)組件的所有集合，O表示系統(tǒng)觀察的有限語句。CS表示配電網(wǎng)中的元件與S和O不一致則組成一個(gè)沖突集；MCS表示CS的最小沖突集。CSS表示沖突集的集合簇；HS是CSS的碰集，MHS是最小碰集。

因?yàn)橹挥挟?dāng)系統(tǒng)的CS(SD，COMPS，OBS)是一個(gè)MHS時(shí)，CS?COMPS才是系統(tǒng)的候選診斷。顯然可以通過計(jì)算MCS的MHS來導(dǎo)出系統(tǒng)的診斷。

2.2 遺傳算法改進(jìn)二進(jìn)制粒子群算法

二進(jìn)制粒子群算法BPSO和遺傳算法GA的固有特征在很多方面非常相似。BPSO比GA更快的收斂速度，而且每個(gè)粒子都能記憶性地追蹤最佳位置，并調(diào)整其速度和位置。然而，隨著迭代次數(shù)的增加，粒子收斂到單個(gè)點(diǎn)，這不能保證是局部最優(yōu)的。相反，GA可以保證全局變量的最優(yōu)化[14]。為了充分發(fā)揮GA和BPSO的優(yōu)點(diǎn)，本文提出了一種BPSO-GA的混合算法。該方法將BPSO的標(biāo)準(zhǔn)速度和更新規(guī)則與GA的選擇，交叉和突變的思想相結(jié)合。

為解決快切中實(shí)際的離散問題，粒子由0或1表示，這意味著“故障”或“非故障”。BPSO和傳統(tǒng)算法的主要區(qū)別在于粒子的速度被定義為一個(gè)粒子的位將變?yōu)?的概率。根據(jù)定義，速度必須在0和1之間，如sig()函數(shù)公式所示：

(7)

粒子的速度和位置更新公式為：

(8)

慣性系數(shù)可以保持局部和全局變量搜索能力的平衡，而具有較大慣性重量的BPSO將具有更好的全局變量搜索能力。相反，較小的慣性系數(shù)可以提高BPSO的局部搜索能力。因此，通過式(9)獲得線性遞減慣性系數(shù)，可以提高早期過程中的全局搜索能力，以最快的速度找到最佳解的可能范圍，并強(qiáng)制執(zhí)行局部搜索能力在以后的過程中快速找到最佳解決方案的準(zhǔn)確位置。

(9)

式中：wini、wend、Tmax分別是初始慣性系數(shù)、最終慣性系數(shù)和最大迭代次數(shù)。

2.3 算法步驟流程

圖4為算法的流程圖。通過這個(gè)步驟，可以確保全部的最終輸出結(jié)果都是最小碰集。

圖4 算法流程圖

3 切換系統(tǒng)的貝葉斯診斷識(shí)別

本文通過含DG配電網(wǎng)電源快速切換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系，搭建出6 kV仿真模型。根據(jù)貝葉斯[15]定理確定先驗(yàn)概率，對(duì)模型診斷分析得到的后驗(yàn)故障概率[16]表示為：

(10)

式中：Xi、Xd系統(tǒng)所有狀態(tài)和可能狀態(tài)。

貝葉斯理論只是對(duì)系統(tǒng)診斷之后的結(jié)果進(jìn)行分析，以得到清晰直觀的最小診斷，并且在不確定信息情況下得到診斷結(jié)果，降低診斷的復(fù)雜性[17]。在模型診斷之后，系統(tǒng)的診斷狀態(tài)就變成后驗(yàn)故障概率，根據(jù)概率的分析就可以得出最佳的切換條件。用計(jì)算到的后驗(yàn)概率推出候選診斷的故障概率，從而得到要檢測(cè)的故障元件的概率。

4 仿真結(jié)果

4.1 MBD診斷仿真驗(yàn)證

MBD診斷方法將檢測(cè)到的電壓電流量來判斷配電網(wǎng)中的故障線路。表1為故障診斷結(jié)果，L1、L2、L3、L4分別表示電源、變壓器、負(fù)載和DG兩兩之間的線路，根據(jù)是否故障進(jìn)而判斷是否可以進(jìn)行快速切換至備用電源。

表1 診斷結(jié)果

本文在不切除DG實(shí)現(xiàn)雙電源快速切換，假設(shè)主電源和備用電源初始的相角不同，仿真的主電源電壓向量為5 930∠21.565 2°，備用電源電壓向量為6 006∠25.844 2°，0.4 s時(shí)發(fā)生故障，假設(shè)主電源表示：

(11)

切換后，備用電源的電壓空間矢量為:

(12)

式中:δ表示兩電源電壓相位差的大小。得到采用MBD檢測(cè)算法后的相角差和母線殘壓特性曲線，如圖5所示。

圖5 母線殘壓和相位差

當(dāng)圖5可知0.4 s故障之后，根據(jù)圖3的母線殘壓理論，采用MBD檢測(cè)方法使電源切換的殘壓和相位差均在要求范圍內(nèi)，驗(yàn)證了MBD的有效性。

4.2 快切仿真結(jié)果

當(dāng)直接切換時(shí)會(huì)發(fā)生備用電源和母線之間的沖擊電流，產(chǎn)生的很大的沖擊電流，是一個(gè)很危險(xiǎn)的數(shù)值，如圖6所示。

圖6 直接切換沖擊電流

當(dāng)采用優(yōu)化模型的電源快速切換時(shí)，備用電源與母線之間的沖擊電流仿真結(jié)果如圖7所示。由仿真結(jié)果可以看出，母線與備用電源之間的沖擊電流由之前的2 800 A左右降低到352 A左右，減少了75%，對(duì)應(yīng)圖5的相角差接近0°，使得電壓差幅值最小，殘壓與備用電源電壓同相位。

圖7 采用優(yōu)化模型的沖擊電流

4.3 MBD與傳統(tǒng)切換對(duì)比

如圖8所示，可以明顯看出0.4 s時(shí)母線殘壓的衰減比傳統(tǒng)的少到1/3，母線電壓在設(shè)定范圍內(nèi)即可恢復(fù)到額定值，完成電源快速投切。

圖8 傳統(tǒng)快切與MBD母線殘壓

5 結(jié) 語

本文提出一種基于模型的電源快速切換方法。通過遺傳算法改進(jìn)二進(jìn)制粒子群獲得最小碰集，判斷配電網(wǎng)中故障信息，改善了傳統(tǒng)電源切換在故障后檢測(cè)而帶來是延時(shí)問題，并且具有較好的實(shí)時(shí)檢測(cè)和故障預(yù)警功能。MBD故障診斷方法在含DG配電網(wǎng)中的應(yīng)用不僅使得快速切換過程有更加充分時(shí)間，而且切換過程產(chǎn)生的沖擊電流更小。用MATLAB軟件進(jìn)行仿真分析，仿真證明MBD診斷方法在含DG配電網(wǎng)的備用電源快速投切方式能夠有效解決傳統(tǒng)電源切換過程產(chǎn)生的問題。避免在含DG配電網(wǎng)故障時(shí)電壓低而投切失敗問題，有效提高電源快速投切的成功率，對(duì)于含DG配電網(wǎng)的備用電源快速投切具有一定的指導(dǎo)意義。