基于粒子种群的中压配电网过电压保护系统

丁佳钰，聂进培，赵湘文，许兴元，谢子亮

（广东电网有限责任公司广州增城供电局，广东广州 511300）

粒子种群算法是建立在群体智能理论基础上的随机演化处理方法，通过模拟应用行为的方式，探索问题解空间，从而使数据信息个体能够更好适应外界存储环境。该算法不需像其他理论模型一般，确定与数据个体相对应的遗传应用关系，可建立信息参量与搜索空间可行解之间的表达映射条件，一方面使得数据信息在搜索空间中能够具备更快的运行速度，另一方面也可实现对数据参量的快速检索[1-2]。在配电网环境中，粒子种群算法的目标函数可直接用来衡量电流、电压等电量指标的传输适应度。

对于中压配电网而言，随着电信号传输量的增大，一部分信号区域中的选相电量会出现明显的突变情况，从而使得电网环境的应用稳定性受到严重影响。三相四线制系统是一种常见的中压配电网保护模式，可在电量孤岛运行时，通过分布式控制的方式，确定电量故障节点所在之处，再联合该节点两端的逆变电压极值，计算过电压参量的平均数值水平[3]。然而该系统对于电压突变行为的抑制作用较为片面，很难针对选相电量节点处的突变特征进行集中消除，为解决此问题，引入粒子种群算法，设计一种新型的中压配电网过电压保护系统。

1 系统硬件设计

1.1 环网柜搭建

环网柜是一种高压型开关设备，主要安装于钢板金属柜等配网元件内部，大多以拼装间隔式环网结构存在，一方面为其他旁系电路提供传输电量，另一方面也可在熔断器结构的作用下，对配网环境中的传输电压进行调试[4]。在实际应用过程中，环网柜的连接要求整个配电网必须保持环形配置形式，具体来说就是以单向供电设备作为初级电压配送节点、以多向供电设备作为高级电压配送节点，连接上述两类节点组织，从而在整个中压配电网环境中，形成一个完整的电压闭环，并联合各个支路干线，完成对中压开关设备的电量匹配。

针对环网柜来说，中压配电网需要在每一条配电支路中都配置一台开关柜主机，并将其与支路母线相连，当线网环境的复杂水平达到一定程度后，环形干线内的每一台开关柜都可被看作一个独立的环网柜结构。一般情况下，与环网柜匹配的额定电流水平相对较高，且由于配网开关的存在，高压电量可在断路器结构中暂时存储，不但能够实现对高电压行为的有效控制，也可较好地抑制电量熔断行为的出现[5-6]。常规情况下，环网柜负责切割短路电压，并可将整个配电网环境中的电压值水平控制在一定数值区间内。

1.2 10 kV旁路作业支系

旁路作业支系是中压配电网的关键组成结构，因其负载了大量的环网柜结构，故其两端的电压水平应与10 kV输入端的电压数值相等。在中压配电网中，10 kV 旁路作业支系负责将高压电量转换为相对较低的电压传输量，且在实施转换指令时，高压流量、中压流量应保持同步传输状态[7-8]。对于传输电压而言，由于环网柜的存在，所有电压量传输方向只能由配电主机方指向底层支路方。在10 kV 传输高压作用下，旁路作业支系中的所有电量装置都只能保持同步接入状态，既实现了配电压量的及时转换，也避免了过电压行为对中压配电网造成的抑制性影响。

1.3 接入口布局

为了便于中压配电线缆的快速插接，将中压插接头接入口设置在配电柜体正面，边缘机构室与电缆室呈现一字排开状态，为防止关联接口之间产生互锁影响，上级中压应急电源快速接口与下级配电环网电缆头接口之间应保留至少150 mm 的距离，接入口布局形式如图1 所示。

图1 接入口布局形式

在配电网环境中，由于10 kV 旁路作业支系的存在，中压插接头作用位置可随电压突变量的增大而改变，一般来说，具备突变能力的电压节点数量越多，中压插接头的接入位置也就越靠近环网电柜中部[9]。环网电缆接头主要负责疏导环网柜中积存的突变电压参量，但由于执行状态的特殊性，只有在配网电压超过中压数值标度水平后，该接口元件才会呈现出理想化的连接状态[10]。

2 基于粒子种群的中压配电网保护策略

2.1 配电网孤岛检测

在中压配电网内部发生电压突变时，过电压行为会切断环网柜与电控主机之间的连接关系，使得选相电量无法继续传输，从而造成严重的电量分割局面。在粒子种群算法的认知中，孤岛现象在中压配电网中是独立存在的，且随着电压突变行为的不断加重，累积在孤岛中的电压分量也会逐渐增加，并最终影响电网主机的稳定运行能力[11-12]。设q0代表配网孤岛中点电荷的原始带电量，χ代表粒子种群算法中的节点分簇项，λ代表点电荷放电系数，联立上述物理量，可将孤岛节点的单位供电时长表示为：

规定ε表示粒子种群中的基节点数量值，f表示配电信号的中压赋值系数，表示配网电压特征值，联立式（1），可将中压配电网的孤岛检测结果表示为：

在粒子种群算法影响下，中压配电网环境中的孤岛节点数量值越大，环网柜主机也就越能承担过电压行为的冲击影响。

2.2 电压突变量选相

当中压配电网过电压保护系统感知到电压突变行为后，环网柜会由“实连”进入“虚连”状态，此时与孤岛节点相关的异常电量筛查行为，即被称为电压突变量选相。为突出过电压保护行为的应用合理性，首先应按照粒子种群算法对孤岛节点进行初步区分，其次从中选取符合电压选相标准的电量信号，将其作为计算过电压行为强度的物理数值量，最后再次遵照粒子种群算法，完成对电压突变量的选相处理[13-14]。设ymax代表过电压行为的电量击穿最大值，yˉ代表电量击穿均值，δ代表初级选相系数，联立上述物理量，可将单位时间内的配电系数变化量Δi表示为：

若w代表环网柜“虚连”系数，s代表环网柜“实连”系数，联立式（3），可将电压突变量选相表达式定义为：

其中，ps表示“实连”情况下的过电压行为权限，pw表示“虚连”情况下的过电压行为权限。在中压配电网过电压保护系统中，为得到较为准确的电压突变量选相结果，应在粒子种群算法作用下，对配电网孤岛节点中存储的过电压行为量指标进行按需选取。

2.3 过电压熔断量

过电压熔断量是一个泛化应用指标，在中压配电网环境中，受到电压突变特性的影响，孤岛节点中存储的选相电量并不能保持完全稳定的存在状态，因此极易对过电压行为的实时作用效果造成影响[15]。在此情况下，若将粒子种群算法看作外在影响条件，则可认为环网柜主机所能承担的压差数值越大，过电压行为的作用效果也就越明显，即所得的过电压熔断量计算值越大[16]。设c代表粒子种群算法中一个随机的粒子系数定义项，kc代表粒子系数为c时的过电压行为传输向量，k0代表过电压行为传输向量的初始值，kn代表过电压行为传输向量的最终数值，n代表过电压传输过程中的电量遍历系数，β代表选相电压突变系数，联立式（4），可将过电压行为的传输能力定义为：

D1、D2为中压配电网中两个随机选取的过电压行为指标，m1、m2分别为与之相关的电压熔断保护系数，则联立式（5），可将过电压熔断量计算公式定义为：

在实际应用过程中，采用粒子种群算法的过电压保护行为需同时面对环网柜、旁路作业支系等多个硬件设备结构，因此为保证系统主机的作用有效性，应注意过电压熔断量、电压突变量等系数指标间的关联性影响关系。

3 实例分析

在图2 所示的中压配网电路中，选取A、B、C、D、E、F 六个节点，其中，AD 为1 号电压通路、BE 为2 号电压通路、CF 为3 号电压通路，规定配电主机直接支配的电量通路为0 号电压通路。

图2 中压配网电路

电量突变是常见的电信号异常行为，极易对配电网稳定性造成不利影响[17-20]，通常表现为电压数值的突然上升或下降。表1 记录了非异常情况下，四个电量通路中的实时电压数值。

表1 非突变电压数值

图3 反映了各通路中传输电压数值的具体变化情况。

分析图3可知，1号通路与3号通路中的电压变化情况始终保持一致。在整个实验过程中，粒子种群保护系统、三相四制保护系统突变电压的存在周期相同，均存在于第30～40 min 的实验时间内。从极限值角度来看，粒子种群保护系统的突变电压最大值379 V存在于0号通路中，与实际电压最大值380 V的数值出入不大，最小值348 V 存在于2号通路中，与实际电压最小值340 V 的差值水平也相对较小；三相四制保护系统的突变电压最大值390 V存在于0号通路中，与实际电压最大值380 V 间的物理差值为10 V，最小值302 V 存在于1 号与3 号通路中，与实际电压最小值350 V 间的物理差值为48 V，整个实验过程中传输电压的突变情况始终比粒子种群保护系统更为明显。

图3 传输电压数值

综上可认为：基于粒子种群的中压配电网过电压保护系统可有效缓和不同传输通路中的电压突变行为，在消除电量突变对于配电网稳定性的负面影响方面，具有一定的促进作用。

4 结束语

中压配电网过电压保护系统以抑制电压突变特性为目的，在环网柜、旁路作业支系等多个硬件应用结构的作用下，通过对配电网孤岛检测值的深入分析，确定电压突变量选相条件的实用性，再借助过电压熔断量指标，确定粒子种群算法的作用下价值。从宏观角度来看，主传输通路、支系传输通路中电压数值的突变行为都得到有效抑制，有助于消除突变位置处选相电量对中压配电网造成的不利影响。