基于改进花授粉算法的配网继电保护整定优化方法

廖清阳,陈 晓,王 军,陈怀蔺,彭川齐

(贵州电网有限责任公司贵安供电局,贵州 贵安 550003)

随着配电网的发展,继电保护工作在维护配电网安全运行方面发挥了关键的作用[1]。高质量的配电网继电保护整定方案可以自动、迅速且有选择性地将故障元件从配电网中切除[2]。而在配电网实际运行过程中,获取符合全部相邻保护关系的定值较为困难,难以反映设备的非正常运行状态[3]。因此,配电网继电保护整定优化成为了相关领域的重点研究方向。

许多相关学者对配电网继电保护整定优化方法展开研究,如以动作时间最小为目标函数,搭建数学模型,通过和声搜索算法对数学模型求解,优化配电网继电保护整定[4]。基于电网继电保护整定优化的原理,对继电保护整定进行分析,建立继电保护的数学模型,选取目标函数,参考配电网继电保护的约束条件,运用粒子群算法进行求解,完成配电网继电保护整定的优化[5]。通过保护灵敏性、选择性及速度性约束要求和保护动作特征,搭建配电网继电保护整定优化模型,并利用灰狼算法求解该模型[6]。

花授粉算法是一种具有整体收敛的优化算法,以植物授粉为生物依托,从花授粉的目的最优繁殖和适者生存。该算法参数较少,具有较好的整体寻优效果[7-8]。因此,为实现继电保护快速整定、确保配电网的稳定运行,本文提出一种基于改进离散花授粉算法的配电网继电保护整定优化方法,以期能够减少继电保护整定的动作时间。

1 优化方法设计

1.1 配电网继电保护整定方法

为避免配电网线路跳闸引发电网停电故障,降低配电网供电效果,提出依据时限速断保护的实际安装位置结合配电网负荷性质差异的进行配电网划分的三级整定方法,不但适应于3个及以上开关的整定计算,避免一层次一开关导致的时限断速保护失效问题,还能够增加保障时限内继电保护动作的可操作性和可选择性。

1.1.1电流时限断速保护

为避免开启变压器时受到励磁涌流冲击,整定计算需结合速断保护实际情况,以故障发生时避免故障冲击的短路电流最大为原则,公式为:

Idz=KkId·max=KkIj(Zxt·max+Zxl)-1

(1)

式中:Idz表示一次电流速断值;Kk描述可靠系数值,Kk∈[1.2-1.3];Zxl、Zxt·max分别表示两级开关间的正序阻抗、负荷最大条件下的正序阻抗;Ij、Id·max分别表示线路基准电流、变压器侧短路电流极值。

时限速断保护区间的规定:即配电网运行最大化及最小化保护时,保护线路长度需分别达到整体线路的二分之一以上、本级线路的五分之一以上[9]。

差动保护转变成主动保护的原则是线路尾端有且只有一台变压器,此时线路的继电保护整定由主保护完成:

Idx=KkId·max

(2)

此时,Kk∈[1.3-1.4]。当线路末尾变压器数量为一台时,主保护区间等同于瞬时电流速断保护区间,此时继电保护整定为该线路的瞬时电流速断保护:

Idx=KkId

(3)

此时,Kk=1.1,Id用于描述速断保护数值。

1.1.2过流保护

过流保护以避免本级开关负荷电流整定极大值冲击且不破坏本级开关所在线路的灵敏度为前提进行整定:

Idx=Kf-1KkKzqdIfh·max

(4)

式中:Ifh·max用于描述本级负荷电力极大值;Kf、Kzqd分别用于描述返回参数、电动机自启动参数,Kk∈[1.15～1.25]。

过流保护过程中需符合灵敏度要求,具体如表1所示。

表1 灵敏度要求Tab.1 Sensitivity requirements

1.2 配电网继电保护整定优化数字模型

为获取使配电网保护性能最优的整定结果,对现有配电网继电保护整定方法进行合理的优化处理。配电网继电保护整定优化属于多目标、多变量及多约束的整体优化问题[10],在对配电网继电保护时,需要满足4个条件,分别为选择性、灵敏性、可靠性及速动性,以配电网继电保护的条件为基础,构建配电网继电保护整定的适应度函数模型[11]:

(5)

式中:n表示配电网继电保护整定的适应度值;S、M表示定时限继电保护数量及其延时段数量;tl(m)表示继电保护动作时间;dint·y、dload·y分别表示不符合极差约束的保护附加时间、不符合潮流约束的保护附加时间;dsen·y、dsei·y分别表示不符合灵敏性约束保护附加时间、不符合选择性约束保护附加时间。

1.3 改进离散花授粉算法的配电网继电保护整定优化

由于配电网继电保护整定的适应度函数模型的所有解都是离散的,为此,针对花授粉算法难以求解具有离散解特点的适应度函数模型弊端,提出离散花授粉算法并对该算法的花朵、整体及局部授粉等多方面重新定义,并引入差分进化策略,获取改进离散花授粉算法,采用改进离散花授粉算法寻求配电网继电保护整定的适应度函数模型最佳解,获取满足极差、潮流、灵敏性、选择性约束条件且整定时间最少的继电保护整定优化方案。

1.3.1引入差分进化的改进离散花授粉算法

为改善离散授粉算法在配电网继电保护整定的离散优化效果,将差分进化策略加入离散授粉算法,加快收敛速度,变异和选择的策略的迭代周期为10次。

变异操作。求解适应度函数通过完成迭代10次的种群获取,将适应度按顺序排序,把排序完成的序列分成2部分,将2部分种群进行杂交:

(6)

选择操作。变异后的向量个体出现不可行解,则修改不可行解,修改表达式为:

(7)

1.3.2配电网继电保护整定优化实现

改进离散花授粉算法的配电网继电保护整定优化步骤。

步骤1:原始化继电保护整定优化的参数含有种群个数、转换概率q及最大迭代次数;

步骤2:随机生成原始化继电保护整定优化问题的解,对配电网继电保护优化的所有解的适应度函数值进行求解,且获取原始种群当前最佳解g*;

步骤3:分别用a和c统计迭代次数及临时迭代次数,如c<10,开始步骤4;如出现临时迭代次数等于10次时,求解获取配电网继电保护约束条件的自适应度函数,且将其排序,按照式(6)、式(7)生成新的种群,开始步骤4;若临时迭代次数大于10次时,令临时迭代次数不小于1,进行步骤4;

步骤5:求解新解的自适度函数值,与前最佳解比较,如新的解好,可用新的解替换当前最佳解。反之,保留当前最佳解;

步骤6:当a>N时,或新解符合当前配电网继电保护优化精度要求,输出最佳解;若不符合,则返回步骤3。

本文基于配电网继电保护整定值优化问题,将差分进化策略加入离散花授粉算法优化配电网继电保护整定的运行时间,缩短运算时间,改善配电网继电保护离散优化问题。通过适应于求解离散化配电网继电保护整定问题的改进离散花授粉算法,求解配电网继电保护整定的适应度函数模型,完成配电网继电保护整定优化。

2 实验与分析

以某地区配电网为实验对象,该配电网占地面积为260亩,装机容量为40 MW,发电用户4 896个,年发电量在2 380万kW·h,安全电压为36 V,供电范围为20 km。该配电网的电力系统网络图,如图1所示。用本文方法测试改进离散花授粉算法的配电网继电保护整定优化的有效性。

图1 电力系统网络图

为验证本文方法优化后保护动作时间和配合关系,实验选取该配电网线路L2、L4、L7及L8,当其末端发生故障时,采用本文方法优化L2、L4、L7及L8的继电保护整定值,L2、L4、L7及L8处的整定配合曲线如图2所示。

图2 保护动作时间配合关系

由图2可知,用本文方法优化L2、L4、L7及L8继电保护整定值,保证各负荷保护之间的选择性,电力系统的电流差值随着动作时间的增加而减少,动作时间越短,线路电流差值越小,配电网运行越安全。实验结果表明,配电网继电保护整定值优化的动作时间越短,配电网电流变化越小,其优化效果越强。

实验设置最大迭代次数和种群规模分别为90及800,推算图2电力系统网络中对保护1～12进行定值优化,推算结果如表2所示。

表2 本文方法继电保护整定优化结果Tab.2 The optimization results of relay protection setting in this article’s method

由表2可知,本文方法整体动作时间合计为5.4 ms,优化结果均符合灵敏性、潮流约束、极差约束及选择性。结果表明,本文方法优化后的继电保护整定时间短,整定时间为0.4～0.7 ms,减少迭代次数,可快速获取最佳解。

倍增图2中16个配电网继电保护的信息,获取32、48、64和80个保护的优化问题,对继电保护信息扩充的问题用本文方法开展寻优,寻优结果如图3所示。

图3 本文方法寻优结果

由图3可知,随着保护优化问题的数量的增加,收敛速度逐渐降低,在32和48个保护优化问题时,迭代次数分别为5、10次时,其适应度分别为8、10及6、8.6;在64个保护优化问题时,迭代次数分别为5、10次时,其适应度为4.0、4.8。在迭代次数为10时,用本文方法均可找到最佳解。结果表明,本文方法在大型复杂电网的定值方面,求解速度快,具有先进的特性。

在电力系统中,针对于13到16号继电器进行运行状态监测,用本文方法优化电网继电保护整定,优化结果如图4所示。

图4 13号继电保护优化

由图4可知,电力系统的13号继电器在运行时,发生故障,导致配电网电压在4 s时出现异常,在异常时,用本文方法对13号继电保护整定进行优化,优化后,配电网在6 s时运行状态与原运行状态相同,配电网电压保持在-4～4 kV,恢复稳定运行。本文方法优化13号继电保护定值的时间为2 s,耗费时间较短,可较快恢复配电网安全运行状态。结果表明,本文方法在较短时间获取整定结果,是由于本文方法优化求值过程简单,在复杂的电网中,计算速度快,可迅速给出配定网继电保护结果,不需人工参与,避免人为因素的整定漏洞问题。

3 结语

研究改进离散花粉算法的配电网继电保护整定优化方法,在构建适应度函数模型后,采用约束区间编码,将配电网继电保护问题转化为离散的整体优化问题。在配电网继电保护过程中,基于花授粉算法的特点,对算法概念进行重新定义,引入差分进化策略提高收敛速度,改善局部最优问题。

实验结果表明,本文方法可以快速推算出继电保护的整定结果,求解速度快,适用于复杂的配电网,保证配电网的安全运行。