習(xí) 莉，梁慶光

(南寧供電局電力調(diào)度控制中心，廣西 南寧 530000)

0 引言

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)對于電力系統(tǒng)配電的連續(xù)安全運(yùn)行非常重要。電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型已逐漸從放射狀、環(huán)狀向多回路系統(tǒng)發(fā)展。多回路非常適用于分布式發(fā)電(distributed generation,DG) 集成的系統(tǒng)。DG是小型發(fā)電機(jī)與二次能源的組合，以分散的方式部署，如光伏發(fā)電、風(fēng)力渦輪機(jī)和微型水電[1]。DG在發(fā)達(dá)國家得到廣泛應(yīng)用，因為通過使用可再生能源，可以減少使用電能的成本。然而，DG也是配電系統(tǒng)的外部干擾源，發(fā)生故障時，保護(hù)繼電器將切斷受到干擾的通道，從而導(dǎo)致停電。由于外部干擾導(dǎo)致的停電無法避免，所以需要通過良好快速的繼電器整定將干擾降低到最小。徑向和單回路電力系統(tǒng)上的繼電器保護(hù)整定值設(shè)置可以手動完成，然而，多回路系統(tǒng)更為復(fù)雜，因此需要復(fù)雜的計算。保護(hù)繼電器的設(shè)置越好，保護(hù)繼電器抗干擾的速度越快，保護(hù)繼電器的工作速度越快，電力系統(tǒng)配電的連續(xù)性和可靠性就越高。

為了快速獲得多回路配電網(wǎng)繼電保護(hù)整定最佳設(shè)置，提出了使用FA來優(yōu)化繼電器保護(hù)整定設(shè)置。

1 多回路繼電保護(hù)整定

1.1 多回路系統(tǒng)

如圖1所示，多回路系統(tǒng)是徑向和環(huán)路的組合。在多回路系統(tǒng)中，負(fù)載點(diǎn)有許多線路可供選擇，如果一條線路中斷，可以立即替換到另一條線路。因此，電網(wǎng)的運(yùn)行連續(xù)性得到了保證。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是一條線路上的干擾不會干擾連續(xù)性運(yùn)行[2-4]，既能保證配電的連續(xù)性，又能滿足最佳負(fù)載要求。然而，除了優(yōu)點(diǎn)外，多回路配電系統(tǒng)還存在一些缺點(diǎn)，如建設(shè)成本較高或昂貴、保護(hù)設(shè)置更為困難等。

圖1 多回路系統(tǒng)(CB：斷路器)

1.2 繼電保護(hù)整定設(shè)置

設(shè)置過電流時允許的限制是，當(dāng)負(fù)載處于最大狀態(tài)時，過電流繼電保護(hù)不工作。因此，繼電器上的電流設(shè)置必須大于最大負(fù)載電流。繼電器有若干抽頭，用來調(diào)整感應(yīng)元件與電磁元件的動作電流，過電流繼電器動作電流由抽頭選擇決定?？赏ㄟ^式(1)選擇抽頭值[5-8]，即

(1)

Iset為動作電流，限值為1.05In

設(shè)置時間刻度盤來確定繼電器工作時間。每個逆特性曲線的時間刻度盤計算式為[9-10]

(2)

td為運(yùn)行時間；TDS為時間刻度盤設(shè)置；Iscmax為最大短路電流值；α、k為返回系數(shù)，反向繼電器特性曲線時間刻度盤系數(shù)如表1所示。

表1 反向繼電器特性曲線時間刻度盤系數(shù)

2 FA算法

2.1 FA

FA是一種基于螢火蟲社會行為的自然啟發(fā)而提出的新算法[11-13]，F(xiàn)A使用時假設(shè)以下理想條件[14-15]：所有的螢火蟲都是中性的，無論性別如何，都會被其他螢火蟲所吸引；感興趣的級別與亮度級別成比例，對于2個閃爍的螢火蟲，具有較低亮度級別的螢火蟲將移動到具有較高亮度級別的螢火蟲。

a.螢火蟲的吸引力。

亮度級別較低的螢火蟲將移動到亮度級別較高的螢火蟲。從數(shù)學(xué)上來說，相對吸引度為[5]

β(r)=β0e-γ·r2≥1

(3)

β0為r=0時的吸引力，同時螢火蟲的運(yùn)動也被更亮的螢火蟲所吸引[16-18]；γ為介質(zhì)對光的吸收系數(shù)。

b.距離。

文獻(xiàn)[12]中給出了2個螢火蟲之間的距離rij，即

(4)

xik、xik為D維空間內(nèi)第k維下螢火蟲的空間坐標(biāo)，i、j∈{1，2，m}，是隨機(jī)選擇的，j必須與i不同；m為螢火蟲的數(shù)量。通常，β0∈[0,1]，γ∈[0,10][13]。

c.運(yùn)動。

當(dāng)螢火蟲i被更亮的螢火蟲j吸引時，螢火蟲i的移動距離為[13]

(5)

2.2 FA目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)是算法所尋找的值。這種情況下的目標(biāo)函數(shù)是找出繼電器最短運(yùn)行時間的總數(shù)，即

Obj=min(∑td)

(6)

螢火蟲參數(shù)的取值決定了算法的速度和精度，根據(jù)文獻(xiàn)[12]找到最佳值做試錯參考值，即γ=1、α=0.2、βmin=0.1、βmax=1。

除了上述參數(shù)外，迭代和種群數(shù)量也會影響正在運(yùn)行的FA速度。選擇螢火蟲的迭代次數(shù)為500次，種群數(shù)量為1 000。

3 模擬計算結(jié)果及分析

繼電器整定模擬計算流程如圖2所示，具體分為以下8個步驟：

圖2 繼電器整定模擬計算流程

a.使用ETAP軟件設(shè)計多回路系統(tǒng)。

b.模擬每個預(yù)定點(diǎn)的短路故障，收集每個負(fù)載和變壓器的最大短路電流Iscmax和滿載電流數(shù)據(jù)Ifla。

c.使用MATLAB軟件編碼并運(yùn)行FA，以獲得多回路系統(tǒng)上每個保護(hù)繼電器的TDS和Ipickup值。

d.使用Excel軟件進(jìn)行手動計算TDS和Ipickup值。

e.在ETAP軟件中，在多回路系統(tǒng)上的每個繼電器上輸入來自運(yùn)行FA和手動計算結(jié)果的TDS和Ipickup值。

f.使用ETAP軟件進(jìn)行干擾模擬，以確定繼電器整定是否正確。

g.在模擬結(jié)果上記錄每個繼電器的運(yùn)行時間和總運(yùn)行時間。

h.將每個繼電器記錄的總運(yùn)行時間的手動計算結(jié)果和運(yùn)行Firefly的結(jié)果進(jìn)行比較。

3.1 Ifla和Iscmax模擬結(jié)果數(shù)據(jù)

通過圖2流程進(jìn)行計算，結(jié)果如表2和表3所示。

表2是運(yùn)行FA后的Ifla數(shù)據(jù)和14個繼電器短路電流的仿真結(jié)果。Ifla取自電纜的最大安培數(shù)，最大Isc為每個繼電器檢測到的電流。

表2 運(yùn)行FA計算結(jié)果

表3顯示了手動和FA計算的圖1中14個繼電器的TDS和Ipickup值結(jié)果。手動計算過程借助Excel軟件完成，因為手動計算需要更多的時間，所以手動計算的迭代長度有限，只執(zhí)行8次迭代。

表3 TDS和Ipickup的手動計算結(jié)果和Firefly計算結(jié)果對比

3.2 操作時間值的比較

將TDS和Ipickup值的手動和Firefly計算結(jié)果運(yùn)行算法分別輸入ETAP軟件中的每個繼電器中。在每個位置執(zhí)行故障測試，直到得到每個繼電器的工作時間。之后，記錄繼電器運(yùn)行時間，并將手動計算結(jié)果與運(yùn)行FA的結(jié)果的運(yùn)行時間td進(jìn)行比較，結(jié)果如表4所示。

表4 手動Firefly計算的繼電器td結(jié)果對比

表4(續(xù))

從表4中可以看出，與手動計算相比，使用FA的計算結(jié)果的繼電器總工作時間快了0.622 s。

4 結(jié)束語

為了在多回路配電系統(tǒng)上獲得繼電器保護(hù)定值，提出了使用FA來優(yōu)化計算繼電器保護(hù)定值，使用ETAP軟件設(shè)計多回路系統(tǒng)，通過FA和手動計算2種方法獲得多回路系統(tǒng)上每個保護(hù)繼電器的TDS和Ipickup值，并在ETAP軟件中的多回路系統(tǒng)上的每個繼電器上分別輸入2種方法的TDS和Ipickup值計算結(jié)果；再使用ETAP軟件進(jìn)行干擾模擬，以確定繼電器整定是否正確；在模擬結(jié)果上記錄每個繼電器的運(yùn)行時間和總運(yùn)行時間，將總運(yùn)行時間的手動計算結(jié)果和運(yùn)行Firefly的結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明，使用FA的繼電器運(yùn)行時間更快，14個繼電器的總運(yùn)行時間為3.717 s，與手動計算的4.339 s相比，快了0.622 s。因此，F(xiàn)A是一種適合于多回路系統(tǒng)繼電保護(hù)整定的方法。