基于粒子種群的中壓配電網過電壓保護系統

丁佳鈺，聶進培，趙湘文，許興元，謝子亮

（廣東電網有限責任公司廣州增城供電局，廣東廣州 511300）

粒子種群算法是建立在群體智能理論基礎上的隨機演化處理方法，通過模擬應用行為的方式，探索問題解空間，從而使數據信息個體能夠更好適應外界存儲環境。該算法不需像其他理論模型一般，確定與數據個體相對應的遺傳應用關系，可建立信息參量與搜索空間可行解之間的表達映射條件，一方面使得數據信息在搜索空間中能夠具備更快的運行速度，另一方面也可實現對數據參量的快速檢索[1-2]。在配電網環境中，粒子種群算法的目標函數可直接用來衡量電流、電壓等電量指標的傳輸適應度。

對于中壓配電網而言，隨著電信號傳輸量的增大，一部分信號區域中的選相電量會出現明顯的突變情況，從而使得電網環境的應用穩定性受到嚴重影響。三相四線制系統是一種常見的中壓配電網保護模式，可在電量孤島運行時，通過分布式控制的方式，確定電量故障節點所在之處，再聯合該節點兩端的逆變電壓極值，計算過電壓參量的平均數值水平[3]。然而該系統對于電壓突變行為的抑制作用較為片面，很難針對選相電量節點處的突變特征進行集中消除，為解決此問題，引入粒子種群算法，設計一種新型的中壓配電網過電壓保護系統。

1 系統硬件設計

1.1 環網柜搭建

環網柜是一種高壓型開關設備，主要安裝于鋼板金屬柜等配網元件內部，大多以拼裝間隔式環網結構存在，一方面為其他旁系電路提供傳輸電量，另一方面也可在熔斷器結構的作用下，對配網環境中的傳輸電壓進行調試[4]。在實際應用過程中，環網柜的連接要求整個配電網必須保持環形配置形式，具體來說就是以單向供電設備作為初級電壓配送節點、以多向供電設備作為高級電壓配送節點，連接上述兩類節點組織，從而在整個中壓配電網環境中，形成一個完整的電壓閉環，并聯合各個支路干線，完成對中壓開關設備的電量匹配。

針對環網柜來說，中壓配電網需要在每一條配電支路中都配置一臺開關柜主機，并將其與支路母線相連，當線網環境的復雜水平達到一定程度后，環形干線內的每一臺開關柜都可被看作一個獨立的環網柜結構。一般情況下，與環網柜匹配的額定電流水平相對較高，且由于配網開關的存在，高壓電量可在斷路器結構中暫時存儲，不但能夠實現對高電壓行為的有效控制，也可較好地抑制電量熔斷行為的出現[5-6]。常規情況下，環網柜負責切割短路電壓，并可將整個配電網環境中的電壓值水平控制在一定數值區間內。

1.2 10 kV旁路作業支系

旁路作業支系是中壓配電網的關鍵組成結構，因其負載了大量的環網柜結構，故其兩端的電壓水平應與10 kV輸入端的電壓數值相等。在中壓配電網中，10 kV 旁路作業支系負責將高壓電量轉換為相對較低的電壓傳輸量，且在實施轉換指令時，高壓流量、中壓流量應保持同步傳輸狀態[7-8]。對于傳輸電壓而言，由于環網柜的存在，所有電壓量傳輸方向只能由配電主機方指向底層支路方。在10 kV 傳輸高壓作用下，旁路作業支系中的所有電量裝置都只能保持同步接入狀態，既實現了配電壓量的及時轉換，也避免了過電壓行為對中壓配電網造成的抑制性影響。

1.3 接入口布局

為了便于中壓配電線纜的快速插接，將中壓插接頭接入口設置在配電柜體正面，邊緣機構室與電纜室呈現一字排開狀態，為防止關聯接口之間產生互鎖影響，上級中壓應急電源快速接口與下級配電環網電纜頭接口之間應保留至少150 mm 的距離，接入口布局形式如圖1 所示。

圖1 接入口布局形式

在配電網環境中，由于10 kV 旁路作業支系的存在，中壓插接頭作用位置可隨電壓突變量的增大而改變，一般來說，具備突變能力的電壓節點數量越多，中壓插接頭的接入位置也就越靠近環網電柜中部[9]。環網電纜接頭主要負責疏導環網柜中積存的突變電壓參量，但由于執行狀態的特殊性，只有在配網電壓超過中壓數值標度水平后，該接口元件才會呈現出理想化的連接狀態[10]。

2 基于粒子種群的中壓配電網保護策略

2.1 配電網孤島檢測

在中壓配電網內部發生電壓突變時，過電壓行為會切斷環網柜與電控主機之間的連接關系，使得選相電量無法繼續傳輸，從而造成嚴重的電量分割局面。在粒子種群算法的認知中，孤島現象在中壓配電網中是獨立存在的，且隨著電壓突變行為的不斷加重，累積在孤島中的電壓分量也會逐漸增加，并最終影響電網主機的穩定運行能力[11-12]。設q0代表配網孤島中點電荷的原始帶電量，χ代表粒子種群算法中的節點分簇項，λ代表點電荷放電系數，聯立上述物理量，可將孤島節點的單位供電時長表示為：

規定ε表示粒子種群中的基節點數量值，f表示配電信號的中壓賦值系數，表示配網電壓特征值，聯立式（1），可將中壓配電網的孤島檢測結果表示為：

在粒子種群算法影響下，中壓配電網環境中的孤島節點數量值越大，環網柜主機也就越能承擔過電壓行為的沖擊影響。

2.2 電壓突變量選相

當中壓配電網過電壓保護系統感知到電壓突變行為后，環網柜會由“實連”進入“虛連”狀態，此時與孤島節點相關的異常電量篩查行為，即被稱為電壓突變量選相。為突出過電壓保護行為的應用合理性，首先應按照粒子種群算法對孤島節點進行初步區分，其次從中選取符合電壓選相標準的電量信號，將其作為計算過電壓行為強度的物理數值量，最后再次遵照粒子種群算法，完成對電壓突變量的選相處理[13-14]。設ymax代表過電壓行為的電量擊穿最大值，yˉ代表電量擊穿均值，δ代表初級選相系數，聯立上述物理量，可將單位時間內的配電系數變化量Δi表示為：

若w代表環網柜“虛連”系數，s代表環網柜“實連”系數，聯立式（3），可將電壓突變量選相表達式定義為：

其中，ps表示“實連”情況下的過電壓行為權限，pw表示“虛連”情況下的過電壓行為權限。在中壓配電網過電壓保護系統中，為得到較為準確的電壓突變量選相結果，應在粒子種群算法作用下，對配電網孤島節點中存儲的過電壓行為量指標進行按需選取。

2.3 過電壓熔斷量

過電壓熔斷量是一個泛化應用指標，在中壓配電網環境中，受到電壓突變特性的影響，孤島節點中存儲的選相電量并不能保持完全穩定的存在狀態，因此極易對過電壓行為的實時作用效果造成影響[15]。在此情況下，若將粒子種群算法看作外在影響條件，則可認為環網柜主機所能承擔的壓差數值越大，過電壓行為的作用效果也就越明顯，即所得的過電壓熔斷量計算值越大[16]。設c代表粒子種群算法中一個隨機的粒子系數定義項，kc代表粒子系數為c時的過電壓行為傳輸向量，k0代表過電壓行為傳輸向量的初始值，kn代表過電壓行為傳輸向量的最終數值，n代表過電壓傳輸過程中的電量遍歷系數，β代表選相電壓突變系數，聯立式（4），可將過電壓行為的傳輸能力定義為：

D1、D2為中壓配電網中兩個隨機選取的過電壓行為指標，m1、m2分別為與之相關的電壓熔斷保護系數，則聯立式（5），可將過電壓熔斷量計算公式定義為：

在實際應用過程中，采用粒子種群算法的過電壓保護行為需同時面對環網柜、旁路作業支系等多個硬件設備結構，因此為保證系統主機的作用有效性，應注意過電壓熔斷量、電壓突變量等系數指標間的關聯性影響關系。

3 實例分析

在圖2 所示的中壓配網電路中，選取A、B、C、D、E、F 六個節點，其中，AD 為1 號電壓通路、BE 為2 號電壓通路、CF 為3 號電壓通路，規定配電主機直接支配的電量通路為0 號電壓通路。

圖2 中壓配網電路

電量突變是常見的電信號異常行為，極易對配電網穩定性造成不利影響[17-20]，通常表現為電壓數值的突然上升或下降。表1 記錄了非異常情況下，四個電量通路中的實時電壓數值。

表1 非突變電壓數值

圖3 反映了各通路中傳輸電壓數值的具體變化情況。

分析圖3可知，1號通路與3號通路中的電壓變化情況始終保持一致。在整個實驗過程中，粒子種群保護系統、三相四制保護系統突變電壓的存在周期相同，均存在于第30～40 min 的實驗時間內。從極限值角度來看，粒子種群保護系統的突變電壓最大值379 V存在于0號通路中，與實際電壓最大值380 V的數值出入不大，最小值348 V 存在于2號通路中，與實際電壓最小值340 V 的差值水平也相對較?。蝗嗨闹票Ｗo系統的突變電壓最大值390 V存在于0號通路中，與實際電壓最大值380 V 間的物理差值為10 V，最小值302 V 存在于1 號與3 號通路中，與實際電壓最小值350 V 間的物理差值為48 V，整個實驗過程中傳輸電壓的突變情況始終比粒子種群保護系統更為明顯。

圖3 傳輸電壓數值

綜上可認為：基于粒子種群的中壓配電網過電壓保護系統可有效緩和不同傳輸通路中的電壓突變行為，在消除電量突變對于配電網穩定性的負面影響方面，具有一定的促進作用。

4 結束語

中壓配電網過電壓保護系統以抑制電壓突變特性為目的，在環網柜、旁路作業支系等多個硬件應用結構的作用下，通過對配電網孤島檢測值的深入分析，確定電壓突變量選相條件的實用性，再借助過電壓熔斷量指標，確定粒子種群算法的作用下價值。從宏觀角度來看，主傳輸通路、支系傳輸通路中電壓數值的突變行為都得到有效抑制，有助于消除突變位置處選相電量對中壓配電網造成的不利影響。