基于改進遺傳算法的高壓用戶自動斷電控制系統設計

付慧敏，張 健，袁 斐，徐 瓊，何之倬

（國網上海青浦供電公司，上海 201700）

高壓直流電適合大功率、遠距離傳輸，在我國電力傳送工程中起著重要作用，尤其在大區域電網互聯方面取得廣泛應用[1]。由于新型電子器件的發展，傳統電網逐漸向新型互聯電網形式轉變，實現電網斷電的自動控制。然而，高壓用戶自動斷電系統消耗大量無功功率，導致用戶用電不穩定[2]。電壓穩定性決定了用戶的用電情況，在用電高峰期，將會出現系統節點電壓下降情況，導致用電系統不穩定[3]。目前，針對高壓用戶用電穩定控制研究，使用了短路容量與電流轉換額定功率之比大小來控制電壓，該系統雖然研究原理簡單，但忽略無功功率參數，導致系統在電壓臨界點處無法控制用戶電壓，出現自動斷電情況[4-6]。

針對上述問題，提出基于改進遺傳算法的高壓用戶自動斷電控制系統，有效解決系統存在的上述問題。

1 系統結構設計

基于改進遺傳算法的高壓用戶自動斷電控制系統結構如圖1 所示。

圖1 高壓用戶自動斷電控制系統結構

磁保持繼電器是一種自動開關，其與控制器結合為系統提供永久磁力[7-8]。當繼電器觸點需要開關狀態時，只需使用電壓激勵線圈瞬間就能完成開關狀態轉換。通常接觸點處于連接狀態時不需要通電就可維持繼電器工作狀態[9-10]。

無線數據轉換器與接收器均可以接收控制器發出無線數據，并將該數據轉換為頻率、電流信號，能夠在地面實時監控設備的供電情況[11]。

1.1 磁保持繼電器

磁保持繼電器可分為單相和三相兩種相態，繼電器開閉狀態依賴永久磁鋼，其開關狀態是靠一定寬度脈沖信號觸發實現電路自動連接與切斷[12]。磁保持繼電器結構如圖2 所示。

當繼電器觸點需要開關狀態時，只需正反直流脈沖電壓激勵線圈，就能瞬間完成開關狀態轉換[13]。繼電器是能夠反映電壓、電流、頻率、阻抗的感應機構，被控電路是用于實現開關控制的執行機構[14]。

1.2 轉換器

轉換器是將信號轉換為另一種信號的裝置，在自動化控制系統中，可以擴大裝置使用范圍，能夠使自動控制系統具有更多的靈活性。Type-C 型號轉換器如圖3 所示。

圖2 磁保持繼電器

圖3 Type-C型號轉換器

使用Type-C 轉USB3.0 轉接頭配置OTG 數據線，具有200 M/s 高速傳輸功能，外殼耐磨耐用，散熱速率快[15]。畫面不卡頓，操作不延遲，轉接頭內部電路板，搭載10 nF 電容和5.1 kΩ下拉電阻，確保數據查看不卡頓，鍵盤操作不延遲[16]。

1.3 控制器

自動斷電控制器安裝在系統結構有電流、電壓出入口處，其結構如圖4 所示。

圖4 自動斷電控制器

使用兩路紅外傳感器檢測進入與離開的電流、電壓數值，通過數值大小來判斷是否開啟或關閉電源。如果有過高或過低電流、電壓進入控制器時，先觸發傳感器A，再觸發傳感器B，自動斷電控制器進行計數“+”處理；如果電流、電壓離開控制器出現異常情況時，先觸發傳感器B，再觸發傳感器A，自動斷電控制器開始進行計數“-”處理。當自動斷電控制器計數值為0 時，該控制器為無電流、電壓通過狀態，此時將會自動切斷電源，設備處于無電狀態。

2 基于改進遺傳算法的軟件部分設計

遺傳算法是建立在自然遺傳機制上通過迭代獲取最優解的搜索算法，具有快速尋優能力。

設Pi為交叉概率、Pj為變異概率，這兩個概率是影響遺傳算法收斂性的關鍵因子。交叉概率越大，新個體產生的速度也就越快，然而，交叉概率過大將會破壞高適應度新個體的產生。反之，交叉概率過小，則會減慢檢索速度；如果變異概率小，那么就不會產生新的個體，也就不具備局部最優解能力，反之，如果變異概率大，那么遺傳算法就會成為隨機檢索算法。因此，使用改進遺傳算法改善這兩種概率因子，提高算法適應值。

在改進遺傳算法中，Pi為交叉概率、Pj為變異概率，應按照如下公式進行調整。

1）交叉因子計算方式如式（1）、（2）所示：

其中，ηf(n)表示個體適應值；ηa表示所有個體平均適應值；ηmax表示最大適應值；Pimax、Pimin分別表示最大、最小交叉概率。

2）變異因子計算方式如式（3）、（4）所示：

其中，Pjmax、Pjmin分別表示最大、最小變異概率。

從上一代中確定子代群體，并計算上一代個體適應值后，選擇父代群體。得到父代群體后，將父代群體中相鄰個體交叉處理，并交換所有坐標位置，獲取自適應變異概率。在繁殖變異后，將每代控制成本以表格的形式記錄下來，迭代完成后獲取適應度最大個體，即為系統低壓減載量。基于改進遺傳算法優化低壓減載量，避免電流、電壓過高出現自動斷電現象，系統控制流程如圖5 所示。

圖5 系統控制流程

硬件結構中使用磁保持繼電器，在實際應用中，該設備將會由于電流過大而導致觸點改變，影響用戶用電。因此，在設計流程時，充分考慮無功功率參數，根據該設備實際運行情況，保持觸點不變。該控制流程的設計，避免了系統受到不確定性因素干擾而出現程序錯亂現象發生。

3 仿真實驗

針對基于改進遺傳算法的高壓用戶自動斷電控制系統設計的合理性，進行仿真實驗分析。

3.1 實驗設備脈動周期數據

實驗設備主控板參數如表1 所示。

設備脈動周期數據最近1 次和3 次變化如圖6所示。

對設備脈動周期數據最近1 次檢測可知，數據是呈周期性變化的；而對設備脈動周期數據最近3次檢測可知，數據呈周期性變化頻率是最近1 次變化頻率的2 倍。在該情況下，對系統控制效果進行對比分析。

表1 實驗設備主控板參數

圖6 最近1次和3次設備脈動周期數據變化

3.2 實驗結果與分析

對系統控制效果分析，可從兩個方面進行研究，分別是電流干擾和電壓干擾，任何一種干擾都會對系統造成一定影響。分別使用基于短路容量與電流轉換控制系統與該文基于改進遺傳算法系統，對抗干擾情況進行對比分析，以此確定系統魯棒性。

3.2.1 電流干擾控制效果

電流指令穩定地按照預期規定上升到1 pu 后，在1.2 s 電流指令出現恒定擾動，擾動到1.5 s 結束。兩種系統控制效果如圖7 所示。

由圖7 可知，基于短路容量與電流轉換控制系統受到恒定擾動后，電流急速下降，在時間為1.2 s時，電流值瞬間跌到0.67 pu，在1.5 s 時恒定擾動消失，由于該消失是瞬時的，導致電流出現過大情況，超出預期的電流值，但隨著時間流逝，電流逐漸恢復，但該過程會出現系統損壞現象。而基于改進遺傳算法控制系統雖然受到恒定擾動，但變化不大，基本在預期范圍內波動。

圖7 兩種系統電流干擾控制效果

3.2.2 電壓干擾控制效果

在系統穩定運行一段時間之后，在1.2 s 電壓指令出現恒定擾動，擾動到1.3 s 結束。兩種系統控制效果如圖8 所示。

圖8 兩種系統電壓干擾控制效果

由圖8 可知，電壓指令在1.2～1.3 s 時間內，基于短路容量與電流轉換控制系統受到影響較大，出現最大值和最小值，分別為2.2 kV 和0.5 kV；而基于改進遺傳算法控制系統基本不受影響。

通過上述分析可知，基于改進遺傳算法的高壓用戶自動斷電控制系統抵抗電流干擾和電壓干擾，具有良好控制效果。

4 結束語

針對傳統電壓控制的系統容易受到不確定性干擾因素影響，導致控制效果較差的問題，提出基于改進遺傳算法的高壓用戶自動斷電控制系統設計。綜合考慮系統動態性能，將改進遺傳算法應用到系統之中，仿真實驗結果表明，該系統具有良好控制效果，并且該系統的抗干擾能力較強。