基于遺傳算法的配電網(wǎng)故障定位和隔離

趙彩霞

【摘 要】配電網(wǎng)發(fā)生故障后，尤其是隨著微網(wǎng)滲透率的不斷增大，為快速準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)故障恢復(fù)，提出了啟發(fā)式算法與遺傳算法相結(jié)合的配電網(wǎng)故障恢復(fù)算法。首先，利用啟發(fā)式算法生成故障恢復(fù)的候選方案集；然后，考慮故障恢復(fù)的目標(biāo)和約束條件，采用遺傳算法對(duì)變量進(jìn)行編碼、交叉、變異尋求最優(yōu)解，得出最優(yōu)恢復(fù)方案。算例結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

【關(guān)鍵詞】配電網(wǎng)；故障恢復(fù)；微網(wǎng)；啟發(fā)式；遺傳算法

1配電網(wǎng)故障恢復(fù)原則

所謂配電網(wǎng)故障恢復(fù)，就是在配電網(wǎng)發(fā)生故障后，在確保系統(tǒng)安全運(yùn)行的條件下，通過負(fù)荷轉(zhuǎn)移和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，將故障區(qū)域下游的非故障斷電負(fù)荷快速恢復(fù)供電。

配電網(wǎng)的故障恢復(fù)一般步驟分為：故障定位、故障隔離、負(fù)荷轉(zhuǎn)移和供電恢復(fù)以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)。本文所研究的配電網(wǎng)故障恢復(fù)是在假設(shè)配電網(wǎng)發(fā)生故障后，故障的定位和故障的隔離已經(jīng)完成的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，所以只考慮負(fù)荷轉(zhuǎn)移和恢復(fù)供電。

故障恢復(fù)重構(gòu)需要遵循的原則大體包括：

1）有效性：能夠恢復(fù)對(duì)盡可能多的失電負(fù)荷的供電，且給出的恢復(fù)方案具有簡(jiǎn)單可行性。

2）快速性：能快速得出供電恢復(fù)方案，縮短供電恢復(fù)的時(shí)間。

3）可靠性：供電恢復(fù)方案的實(shí)施，不會(huì)造成系統(tǒng)安全越限。

4）經(jīng)濟(jì)性：在保證上述三個(gè)原則的基礎(chǔ)上，以開關(guān)操作次數(shù)最小，網(wǎng)絡(luò)損耗最小等為目標(biāo)優(yōu)化選擇最佳重構(gòu)方案。

由此，我們可以看出配電網(wǎng)故障恢復(fù)屬于一個(gè)多目標(biāo)、多約束、非線性的組合優(yōu)化問題。

2含微網(wǎng)的配電網(wǎng)故障恢復(fù)優(yōu)化模型

在配電網(wǎng)大面積斷電的緊急狀態(tài)下，運(yùn)行人員主要關(guān)心的是快速將盡量多的斷電負(fù)荷恢復(fù)供電，而經(jīng)濟(jì)運(yùn)行并不重要，因此在供電恢復(fù)中，本文考慮供電恢復(fù)的目標(biāo)函數(shù)為甩負(fù)荷最少（或恢復(fù)最多負(fù)荷）和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗最小。

3算法實(shí)現(xiàn)

3.1 優(yōu)化算法的選擇

上文中提到配電網(wǎng)故障恢復(fù)問題是典型的多目標(biāo)多約束優(yōu)化問題。國(guó)內(nèi)外很多研究學(xué)者對(duì)此作了大量的研究，從研究的類別來看，配網(wǎng)故障恢復(fù)策略大致可以分為三種：數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，啟發(fā)式搜索方法，以及人工智能方法。目前用來求解該問題的算法尤以啟發(fā)式算法和人工智能算法為主。啟發(fā)式算法求解速度很快，但往往不能收斂到全局最優(yōu)解；現(xiàn)代智能算法全局尋優(yōu)能力較強(qiáng)，但在處理多目標(biāo)優(yōu)化問題時(shí)因常需要利用權(quán)系數(shù)將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)換成單目標(biāo)，使得最優(yōu)解較大地受到權(quán)系數(shù)的影響；同時(shí)，所得到的最優(yōu)解只是各目標(biāo)協(xié)調(diào)利益關(guān)系，在達(dá)成妥協(xié)、誤解的基礎(chǔ)上進(jìn)行決策，不能提供充分的信息供調(diào)度員參考[2、3]。

現(xiàn)在混合算法正成為解決配電網(wǎng)故障恢復(fù)問題的發(fā)展趨勢(shì)。因此，本文將采用啟發(fā)式算法與遺傳算法相結(jié)合的辦法進(jìn)行優(yōu)化，既提高了故障恢復(fù)的速度，又能找到最優(yōu)解。

3.2 故障恢復(fù)的步驟

本文算法分為2個(gè)階段：

1）采用啟發(fā)式規(guī)則生成初始可行方案，并在此基礎(chǔ)上生成候選方案集；

步驟如下：

①統(tǒng)計(jì)全部失電區(qū)域，計(jì)算失電區(qū)域總負(fù)荷，判斷失電區(qū)域內(nèi)是否有微網(wǎng)；

②計(jì)算微網(wǎng)可以外送的功率以及各饋線的負(fù)荷裕量，搜索相應(yīng)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)和分段開關(guān)；

③如果微網(wǎng)可以滿足失電負(fù)荷的供電需求，則不考慮切換聯(lián)絡(luò)開關(guān)和分段開關(guān)，直接通過微網(wǎng)恢復(fù)供電，否則將剩余負(fù)荷轉(zhuǎn)移到相鄰饋線上；

④若仍不能恢復(fù)全部失電負(fù)荷，則考慮切除部分負(fù)荷，重新回到步驟②進(jìn)行搜索，直到生成一個(gè)初始可行方案為止；

⑤以初始可行方案為基礎(chǔ)，生成故障恢復(fù)候選方案集。

2）利用遺傳算法得到尋找最優(yōu)解。

①進(jìn)行交叉和變異操作，產(chǎn)生后代種群。

②進(jìn)行輻射狀校驗(yàn)，去除環(huán)網(wǎng)。

③根據(jù)種群中的解，確定未恢復(fù)區(qū)域。

④若未恢復(fù)區(qū)域中包含有具備孤島運(yùn)行能力的微網(wǎng)，優(yōu)先通過孤島運(yùn)行恢復(fù)負(fù)荷，修改相應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)。

⑤根據(jù)③和④的結(jié)果，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)，校驗(yàn)約束條件。

⑥進(jìn)行選擇操作，產(chǎn)生新的種群。

⑧若滿足終止條件，則輸出最優(yōu)解；否則，返回①。

4算例分析

本文算例采用 IEEE 的典型三饋線系統(tǒng)，為了在研究中考慮到微網(wǎng)的影響，節(jié)點(diǎn) 6、節(jié)點(diǎn) 10、節(jié)點(diǎn) 12 和節(jié)點(diǎn) 15 接入微網(wǎng)。故障點(diǎn)設(shè)在支路 16 上，從而造成了節(jié)點(diǎn) 8、9、10、11、12和 17 停電，與之相連的聯(lián)絡(luò)支路為 15、21 和 28。

假設(shè)系統(tǒng)支路 16 上發(fā)生永久性故障，故障隔離后造成的非故障停電區(qū)域包括節(jié)點(diǎn) 8、9、10、11、12 和 17。通過計(jì)算得出停電總負(fù)荷等于 16.1+j4.2MVA。

情況1：若節(jié)點(diǎn)10 和節(jié)點(diǎn) 12 處的微網(wǎng)一定時(shí)間內(nèi)最大輸出功率分別為 8.0+j4.0MVA 和12.0+j5.0MVA。此時(shí)，非故障停電區(qū)域內(nèi)的所有微網(wǎng)的最大外送的功率之和大于所有停電負(fù)荷的功率之和，則優(yōu)先考慮由微網(wǎng)恢復(fù)供電。

5總結(jié)

利用啟發(fā)式算法能夠快速得到初始可行方案，并在此基礎(chǔ)上生成候選方案集，為尋找最優(yōu)恢復(fù)方案縮小了搜索空間。再利用遺傳算法進(jìn)行編碼、交叉、變異尋找最優(yōu)解，大大縮短了對(duì)于含微網(wǎng)的復(fù)雜配電網(wǎng)的優(yōu)化時(shí)間，提高了優(yōu)化效率，并保證了恢復(fù)方案的最優(yōu)。本文算法能有效實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)目標(biāo)，算法的結(jié)果可為快速作出最優(yōu)恢復(fù)決策提供科學(xué)、直觀的參考。隨著微網(wǎng)在配電網(wǎng)中滲透率的不斷提高，對(duì)微網(wǎng)在恢復(fù)方案中起到的積極作用以及影響為下一步待研究的重點(diǎn)。

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（作者單位：國(guó)網(wǎng)山西省電力公司檢修公司）