PMU最優(yōu)配置及其在艦船電力系統(tǒng)中應用研究

王家林　詹金林

摘 要：針對艦船電力系統(tǒng)的特點和在潮流方程求解中存在的問題，借鑒在陸地電力系統(tǒng)中配置相應的PMU將使潮流方程直接可解的思想，實現(xiàn)采用遺傳和粒子群優(yōu)化算法的基于潮流可解最優(yōu)PMU配置方案算法。并對其在艦船電力系統(tǒng)中的有效性和適用性進行了比較，可為艦船電力系統(tǒng)配置PMU提供參考。

關鍵詞：艦船電力系統(tǒng)；PMU最優(yōu)配置；遺傳算法；粒子群優(yōu)化算法

中圖分類號：TP163 文獻標識碼：A

Abstract：According to the characteristic of the shipboard power systems and the problem in the load flow computing，by using the ideology of the method of placing synchronized phasor measurement units in power network to realize analytical solution of power flow node by node， the arithmetic of Genetic Algorithm and Particle Swarm Optimization based on proper placement of PMU were realized. The validity and applicability of these two arithmetics in the shipboard power systems were compared； it also offers the reference for the proper placement of PMU in shipboard power systems.

Key words：shipboard power systems；optimal PMU placement；genetic algorithm；particle swarm optimization

1 引 言

隨著艦載高能武器的發(fā)展以及對艦船作戰(zhàn)能力、操縱性穩(wěn)蔽性等要求的進一步提高，西方國家在艦船全電力推進基礎上提出一種將日常供電系統(tǒng)、重要負載供電系統(tǒng)與推進供電系統(tǒng)一體化的動力平臺——艦船綜合電力系統(tǒng)（IPS）。綜合電力系統(tǒng)將艦船發(fā)電、供電、推進和艦載設備用電集成在一個統(tǒng)一的系統(tǒng)內，相應地，采用綜合電力系統(tǒng)的大中型艦船對電力系統(tǒng)的監(jiān)控和管理提出了更高更復雜的要求[1-2]。同步相量測量是應復雜電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)控的需要而興起的一項技術——同步相量測量裝置（Phasor Measurement Unit， PMU）可以在安裝地點對電力系統(tǒng)相應的各種參數(shù)進行同步的采集和實時的計算，并根據(jù)不同的電力系統(tǒng)監(jiān)控模式，將檢測數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控網絡中數(shù)據(jù)需求節(jié)點。而現(xiàn)有的陸用SPM技術其電磁兼容性，穩(wěn)定性，抗干擾及安全性方面均不能適應大型艦艇電力系統(tǒng)環(huán)境的特殊要求，在研制出適用于艦船綜合電力系統(tǒng)的PMU裝置的基礎上，結合艦船綜合電力系統(tǒng)潮流計算方法研究現(xiàn)狀，尋找以最少PMU 臺數(shù)及最佳安裝位置實現(xiàn)潮流可解配置方案將具有較大的現(xiàn)實意義。文獻[3]構造了PMU配置的評價函數(shù)，并采用遺傳算法對PMU配置方案進行優(yōu)化；文獻[4]提出了計及PMU支路電流相量的潮流方程直接可解法，并采用粒子群優(yōu)化算法解決了PMU 的最優(yōu)配置問題。本文針對艦船綜合電力系統(tǒng)網絡的特點，實現(xiàn)文獻[3][4]中采用遺傳和粒子群優(yōu)化算法的基于潮流可解的最優(yōu)PMU配置方案算法，并對其有效性和適用性進行了比較。2 考慮潮流方程直接可解的陸用PMU最優(yōu)配置方案研究概況

陸用PMU利用GPS系統(tǒng)提供的高精度授時信號，實現(xiàn)了對電力系統(tǒng)各個節(jié)點數(shù)據(jù)的同步采集，如果每個節(jié)點都安裝PMU，則可以對整個系統(tǒng)進行

實時監(jiān)測。但是，由于經濟上的原因，目前乃至相當長一段時間內，不可能在系統(tǒng)的所有節(jié)點均裝設PMU。故此，PMU優(yōu)化配置問題受到了國內外學者的廣泛關注。PMU優(yōu)化配置方法主要有考慮系統(tǒng)可觀測性、基于改進狀態(tài)估計準確性、考慮系統(tǒng)同調性、考慮潮流方程直接可解等方面的不同方法，主要闡述考慮潮流方程直接可解的PMU配置的原理和方法，其他方法不再贅述。

3 艦船綜合電力系統(tǒng)特點與潮流計算方法

由于艦船綜合電力系統(tǒng)為有限慣性系統(tǒng)， 電站、配電和用電環(huán)節(jié)之間存在強耦合。電力系統(tǒng)網絡主配電板下層方向配電網絡呈輻射狀，且具有弱網狀結構。系統(tǒng)X/R較小，電纜長度短等固有特性，它與典型陸用電力系統(tǒng)存在較大的差異，如大功率脈沖負載、負載變化顯著、非線性成分增加、傳輸電纜較短、元件暫態(tài)過程的時間跨度大等[6]。

潮流計算用以分析艦船電力系統(tǒng)在某一時間斷面，系統(tǒng)各狀態(tài)變量值與系統(tǒng)內的功率分布情況，其計算結果為系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、保護與重構等提供初始條件和判別依據(jù)。同樣，潮流分析在艦船能量管理模塊中對系統(tǒng)在線狀態(tài)計算、系統(tǒng)狀態(tài)預估等具有重要的意義。常規(guī)潮流計算方法如牛頓-拉夫遜法和快速解耦等方法不收斂。但艦船電力系統(tǒng)與陸用電力系統(tǒng)配電網絡類似，因此，可借鑒陸用配電網潮流計算方法來進行艦船電力系統(tǒng)潮流分析。可采用的方法有：回推-前推算法、Zbus法、回路阻抗法、改進牛頓法等。其回推-前推算法對于純輻射型網絡或弱環(huán)網絡編程簡單，求解速度快，但處理網孔能力較差，隨著網孔數(shù)量的增加，算法收斂性變差，Zbus法處理PV節(jié)點的能力較弱， 求解時間較長， 算法效率低；回路阻抗法雖然處理網孔能力較強， 但處理PV 節(jié)點的能力依然較弱；改進牛頓法仍然對初值的選取敏感。

針對潮流計算方法的不足，根據(jù)艦船電力系統(tǒng)網絡結構在部分節(jié)點上配置PMU，測出這些節(jié)點的電壓相量，使得潮流方程組可以直接、快速、高精度求解是非常有意義的。

4 基于潮流可解的不同結構電力網絡最優(yōu)PMU配置方案算法實現(xiàn)與比較

目前，傳統(tǒng)的艦船電力系統(tǒng)的網絡結構為輻射網結構，隨著艦船綜合電力系統(tǒng)的提出，對帶狀網電網結構形式也展開了大量的研究，以最大限度保證供電連續(xù)性和可靠性。本節(jié)基于這兩種典型的艦船綜合電力系統(tǒng)網絡，實現(xiàn)文獻[3][4]中采用遺傳和粒子群優(yōu)化算法的基于潮流可解的最優(yōu)PMU配置方案算法，并對其有效性和優(yōu)越性進行了比較。

4.1 輻射狀電力系統(tǒng)網絡最優(yōu)PMU配置方案算法實現(xiàn)

由表1可以看出，遺傳算法和粒子群優(yōu)化算法求解得到的最佳PMU數(shù)量是一致的，但粒子群算法求解得到的配置方案較遺傳算法多.由于艦船空間和其他設備等的影響，PMU裝配地點受到限制，較多的配置方案將更有助于基于潮流可解的PMU配置的實現(xiàn).

4.2 帶狀電力系統(tǒng)網絡最優(yōu)PMU配置方案算法實現(xiàn)

如圖2所示為38節(jié)點帶狀電力系統(tǒng)網絡配置了3個電站， 文獻[7]指出：由于艦船電力系統(tǒng)存在強耦合關系，加之各類電壓調節(jié)器的作用，各發(fā)電機之間連接線路很短，因此認為各電源母線電壓保持在同一水平，發(fā)電機間連接線上的電流可忽略，由此，多電源問題可以等效為單電源問題，則圖2可等效為圖3。該系統(tǒng)中1號母線為系統(tǒng)平衡節(jié)點，2號和3號母線為PV節(jié)點。根據(jù)網絡結構，對于遺傳算法參數(shù)，本文選擇遺傳種群規(guī)模為50，交叉概率為0.5，變異概率為0.1，最大迭代次數(shù)為1000。對于粒子群優(yōu)化算法參數(shù)，本文選擇C1=1.0、C2= 2.0、W=0.9，粒子群大小為50，迭代次數(shù)為1000。

由表3可以看出，粒子群優(yōu)化算法較遺傳算法求解得到的需配置的PMU數(shù)量少，從這個角度上講，就本算例來說，粒子群優(yōu)化算法較遺傳算法更優(yōu)。

5 總 結

本文針對艦船電力系統(tǒng)的特點和在潮流方程求解中存在的問題，借鑒在陸地電力系統(tǒng)中配置相應的PMU將使潮流方程直接可解的思想，實現(xiàn)了采用遺傳和粒子群優(yōu)化算法的基于潮流可解最優(yōu)PMU配置方案算法。并對其在艦船電力系統(tǒng)中的有效性和適用性進行了比較，就本文算例來說，粒子群優(yōu)化算法較遺傳算法得到少的需配置的PMU數(shù)量和較多的配置方案?？蔀榕灤娏ο到y(tǒng)配置PMU提供參考。

參考文獻

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