基于遗传算法的串联电容补偿装置不平衡电流优化方法
【专利摘要】基于遗传算法的串联电容补偿装置不平衡电流优化方法，包括以下步骤：(1)根据串联电容补偿装置中电容器组的安装情况构建母本染色体；(2)根据实际需要，设置交叉和变异的约束条件、精英序列个数T、变异概率Pm、最大循环次数K以及适应度阈值F；(3)建立反映电容器组中不平衡电流大小的适应度函数公式，根据适应度函数公式计算染色体的适应度；(4)通过自交叉、变异和选择步骤不断对染色体进行优化；(5)根据最优子代染色体给出电容器组中电容器单元的调整方案。本发明通过采用遗传算法，快速找到有效降低电容器组不平衡电流的调整方案，提高了调整控制的确定性，缩短了串联电容补偿装置故障处理时间，提高了工作效率。
【专利说明】基于遗传算法的串联电容补偿装置不平衡电流优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力工程【技术领域】，具体涉及基于遗传算法的串联电容补偿装置不平 衡电流优化方法。
【背景技术】
[0002] 随着电力系统的发展，输电距离和输送容量在不断增加，虽然可W使水、火等动力 资源得到充分合理的利用，但是也导致系统稳定性问题变得日益突出。由于环境保护的制 约、大规模电网的互联、电力市场竞争的激烈等原因，电力系统的运行条件越来越接近各种 安全稳定极限。稳定性的破坏可能危及整个电力系统，造成严重后果，因此对系统稳定性的 要求在不断提高。与此同时，串联补偿技术作为一种提高交流输电系统稳定极限的经济有 效的措施，越来越广泛的应用到超高压、特高压远距离输电工程中。
[0003] 采用串联电容补偿装置不仅能够补偿交流输电线路的电气距离（即线路电抗）， 同时可W抑制线路的感性无功对系统电压降及功角差的影响，从而增强线路的输电能力， 提高电力系统的稳定性，改善系统运行电压与无功功率平衡条件，并减少线路建设投资，节 省输电走廊，减少对环境的电磁污染，使线路的资源得到充分利用。
[0004] 南方电网超高压南宁分公司所管辖的500kV玉林串补站位于玉林市城北镇西 岸村，500kV玉林变电站的东侧，在玉林市城区的西北面离城区约9km，东距寒山水库约 2. 5km，西距玉林至南宁公路约4. 7km。总占地约36亩。500kV玉林串补站是南方电网西电 东送网络完善工程中的一个重要串补站，能够进一步提高电网输送能力，提高电网的综合 利用效率、安全稳定水平和供电可靠性，降低电网单位输电能力投资，降低输电损耗，从而 优化南方电网的技术经济指标。设备规模为在500kV玉林至茂名双线（141km)上加装两套 FSC装置，其中，串补度为42%，容量为2 X 286Mvar。FSC额定容抗为16. 55欧/相，额定电 流为2400A/化MOV容量为75MJ/相。FSC装置及相关保护控制系统为德国西口子公司成 套产品。玉茂I线FSC于2010年02月02日投入正式运行，玉茂II线FSC于2010年03 月19日投入正式运行。
[0005] 运行期间曾发生两起因不平衡电流过大的事件。事件发生具体情况如下：
[0006] (1)玉茂II线串补发生过不平衡电流故障。2011年04月29, 500kV玉茂II线串 补两套不平衡保护均动作出口，永久旁路。高压班仔细观察电流波形、频率，幅值等，通过 对比分析，可初步判断，引发永久旁路的不平衡电流不寻常。首先其频率很高且不固定，达 基波的5?10倍；在出现故障电流时刻至跳间时刻，波形出现多次间断；此外，波形发生崎 变，与正弦波差异明显。高压试验班推断，故障原因可能有两种；1)检测不平衡电流的CT及 二次电回路存在异常干扰。2)电容器组可能有放电现象。因为，不平衡波形与电弧波形有 相似之处。若其放电电流频率高，电流出现间断（对应电压塌陷期）。
[0007] 0) 2012年4月2日下午14时47分02砂，500kV玉茂I线发生线路C相单相瞬 时性接地故障，故障发生后llms( W下时间均W故障发生时刻为0点），玉茂I线串补保护 MOV高电流动作，同时触发间隙，56. 6ms玉茂I线串补C相开关合上，608ms玉茂I线串补 c相开关分开（重投成功，开始出现电容不平衡电流，但波形间隔较大，不满足动作条件）， 1068ms线路带上负荷电流（玉林、茂名站线路边开关重合间成功，出现大量电容不平衡电 流，波形间隔小，密度大），1483. 7ms玉茂I线串补电容不平衡保护动作出口（根据定值推 算，1. 4s应该为玉林、茂名站线路中开关重合间时间，但无实际录波证明），1520. 2ms玉茂I 线串补H相永久旁路。之后串补平台转接地，运行人员上平台检查未发现异常，16时32分 向总调申请送电，下午18时47分，玉茂I线串补投入，C相电容器组不平衡电流为0. 07? 0. 12A，不平衡电流百分数（不平衡电流/低定值旁路阀值）为18%?31 % (线路电流： 260?430A)，较故障前有所增长。
[0008] 当发生串补装置不平衡电流增大的情况下，如何调整串补装置电容器单元的位置 从而降低不平衡电流成为当前需要亟待解决的问题，西口子工程师也未能有效解决该问 题。国内学者主要研究超高压输电线路加装串补装置后所引发的系统问题如过电压、潜供 电流、断路器暂态恢复电压（TRV)及次同步谐振（SSR)等。目前，尚未发现国外有针对调整 电容单元控制串补不平衡电流的研究。由于电容器铅牌额定值、现场试验值与实际值存在 误差，通过调整各臂的电容量控制不平衡电流也只是理论上的方法，实际中工作中，基本无 法应用；另外，对臂上的哪些电容进行调整，尚未有专业论文发表。电容器的正确调整方法 是研究难点，串联补偿系统故障修复或检修时间紧迫情况下，优化系统的计算时间过长不 具备工程意义。针对工程需求的特殊性，在满足系统不平衡电流条件下，对系统电容器位置 进行优化调整时要尽量减少改变原有系统中电容器装置位置，且要便于检修工作的开展。
[0009] 不平衡电流是串联电容补偿装置的重要运行参数。如果不平衡率过大，会直接影 响串联电容补偿装置的正常运行；由于抬高了原始不平衡率，在异常运行时，可能直接导致 串联电容补偿装置误旁路。所W，控制串联电容补偿装置正常运行时的不平衡电流显得十 分重要。由于电容器铅牌额定值与实际值存在误差，而现场测量值受各种干扰的影响，也无 法得到电容器的实际容量；此外，工程投产时，虽然已把不平衡电流调到较小的量值，但其 电容器的序列结构也不一定合理。所W，在更换了某节电容器后，不平衡电流的控制成为一 个复杂的问题。另外，调度也不允许多次试投，进一步加了大电容器调整的困难。
[0010] 不平衡电流调整还缺乏现场实用的理论指导和经验，检修时也没有成熟的试验方 法和试验仪器检验串联电容补偿装置的不平衡电流。串联电容补偿装置的不平衡电流的调 整方法还处于试投的原始级阶段。基于电容器的铭牌值或实测值，通过计算各桥臂的电容 量的平衡度来控制不平衡电流，并不能反应串联电容补偿装置真实的运行情况。因此，对不 平衡电流的控制方法及不平衡电流的试验设备进行研究，不仅可掲示影响不平衡电流的关 键因素，而且对串联电容补偿装置的检修、试验都有重要的技术价值和广阔的应用前景。
[0011] 串联电容补偿装置中的电容器组在实际运行中存在着可接受的不平衡电流，但 是，由于某电容单元内部的故障或外部环境的变化等原因，电容器组的不平衡电流开始增 力口，不平衡度的增加又进一步恶化电容器、电容单元之间的耐压值，导致进一步加剧电容器 的不平衡度，恶化电容器组的运行工况。因此，当不平衡度接近报警值，需要考虑对电容进 行测量、调整或更换，并重新调试。但传统的方法，有较大的盲目性，并且调整时间长，工作 量大，效果不理想。
[0012] 串联电容补偿装置不平衡电流优化问题属于非线性离散组合排列问题，通常的线 性（单纯形法、整数线性规划）、非线性（牛顿法、投影梯度法）、内点法均未能对该问题实 现有效求解。面对串联补偿装置拥有132个电容器装置，存在132 !个系统状态，出现组合 爆炸。系统状态数远远超过计算机的计算能力，传统方法很难找到系统不平衡电流最小的 系统状态。
【发明内容】
[0013] 本发明针对串联电容补偿装置不平衡电流的优化调整控制中的盲目性问题，提供 一种基于遗传算法的串联电容补偿装置不平衡电流优化方法。
[0014] 为了实现上述目的，本发明采用了 W下技术方案：
[0015] 基于遗传算法的串联电容补偿装置不平衡电流优化方法，所述串联电容补偿装置 中的电容器组采用对称H型接线，电容器单元对称的接在H臂的4个臂上，分别为A臂、B 臂、C臂和D臂，每个H臂由nXm个电容器单元串并联而成，n个电容器单元串联成一个小 组，又由m个小组并联组成一个H臂，在H型的桥接线上装有不平衡电流互感器，包括W下 步骤：
[001引 （1)染色体构建；
[0017] 对电容器组中的电容器单元进行顺序编号，A臂的电容器单元编号顺序如下表 所示，B臂、C臂和D臂编号方法与A臂相同；按编号顺序，将电容器组中的电容器单元的 电容量储存于一维数组中，一维数组形式为C = [Ca_i_i, Ca_i_2,…，…，CA_j_2,… ,Ca-j-di, --?, Ca-d-i,〔4-0-2, --?,〔4-0-111, Cg_l_2, --?, --?, Cg-j-i, Cb_j_2, --?, Cg-j-m, --?, Cg_n-1, Cg_n-2, --? ,CB-n-m, Cc-l-l, Cc_i_2, --?, Cc_i_m, --?, Cc_j_2, --?, Cc_j_m, --?, Cc_n-i, Cc_n-2, --?, Cc_n-m, Cd-1-1, Cd-1-2, --' ，Cd-I-iii，…，Cn-j-l,〔。十2,…，〔。十111，…，Cn-n-l，〔。-1抽…，CD-n-m]，式中，〔A-j-i 表不 A 臂束 i 串联小组 第j个电容器单元的电容量，该一维数组即为染色体；
[0018] 根据需要优化的串联电容补偿装置电容器组中的电容器单元初始排列方式作为 母本，记录下对应编号下电容器单元的电容量，构建母本染色体；
[0019] (2)设置交叉和变异的约束条件、精英序列个数T、变异概率Pm、最大循环次数K W 及适应度阔值F ;
[0020] 所述的交叉和变异的约束条件是指根据实际情况，确定电容器组中的电容器单元 中是否允许被调整，允许调整的电容器单元用数字1编码，不允许调整的电容器单元用数 字0编码，按步骤（1)所述的编号顺序将编码结果制成禁忌表；
[0021] 做自交叉
[0022] 所述的自交叉是指随机选取染色体中禁忌表编码为1的两个元素，并交换储存 位置，得到新的染色体；每次循环对每一个染色体进行Cl,X,，,次独立不重复的自交叉，得到 (万,,x,"个新染色体；
[002引 （4)变异
[0024] 利用rand函数为每一个新的染色体生成一个随机数，当生成的随机数小于变异 概率化时，对所述的新染色体进行二次自交叉，得到子代染色体；当生成的随机数大于变 异概率Pm时，保持染色体原有排序，即为子代染色体；
[0025] (5)计算适应度并选择
[0026] 将子代染色体的各元素代入适应度函数公式，计算每个子代染色体的适应度，并 根据适应度排名，选择适应度排名靠前的T个子代染色体作为精英序列，其余子代染色体 被淘汰而舍弃；所述的染色体适应度公式如下：
[0027]
【权利要求】
1.基于遗传算法的串联电容补偿装置不平衡电流优化方法，所述串联电容补偿装置中 的电容器组采用对称H型接线，电容器单元对称的接在H臂的4个臂上，分别为A臂、B臂、 C臂和D臂，每个H臂由nXm个电容器单元串并联而成，η个电容器单元串联成一个小组， 又由m个小组并联组成一个H臂，在H型的桥接线上装有不平衡电流互感器，其特征在于， 包括以下步骤： (1) 染色体构建； 对电容器组中的电容器单元进行顺序编号，A臂的电容器单元编号顺序如下表所示，B臂、C臂和D臂编号方法与A臂相同；按编号顺序，将电容器组中的电容器单元的电容量 储存于一维数组中，一维数组形式为C= [CA_H，CA+2,…，CA+m,…，CahCA_j_2,…，CA_j_m,… )Ca-π-Ι) ^α-π-2> ***) ^Α-η-ιιι) Cb-I-D ***) ^β-Ι-πι) ***) Cb-j-2) ***) Cb-j-iii) ***) ^β-η-2) ***) ^β-η- m, Cc-：1-1，卜2, , , Cc-j-i, Cc_j_2, , Cc_j_m，, Cc-n-i, Cc_n_2，, Cc_n_m, (^-卜丄，Qj-u, ·.. ，CD+m, ···,Cd-H,Cd十2, ···,CD_j_m，…，Cd-H,CD_n_2，…，CD_n_J,式中，Ca-H表示A臂第i第j个电容器单元的电容量，该一维数组即为染色体； 根据需要优化的串联电容补偿装置电容器组中的电容器单元初始排列方式作为母本， 记录下对应编号下电容器单元的电容量，构建母本染色体； (2) 设置交叉和变异的约束条件、精英序列个数T、变异概率Pm、最大循环次数K以及适 应度阈值F; 所述的交叉和变异的约束条件是指根据实际情况，确定电容器组中的电容器单元中是 否允许被调整，允许调整的电容器单元用数字1编码，不允许调整的电容器单元用数字〇编 码，按步骤（1)所述的编号顺序将编码结果制成禁忌表； (3) 自交叉 所述的自交叉是指随机选取染色体中禁忌表编码为1的两个元素，并交换储存位置， 得到新的染色体；每次循环对每一个染色体进行Cl,xm次独立不重复的自交叉，得到 个新染色体； (4) 变异 利用rand函数为每一个新的染色体生成一个随机数，当生成的随机数小于变异概率Pm时，对所述的新染色体进行二次自交叉，得到子代染色体；当生成的随机数大于变异概 率Pm时，保持染色体原有排序，即为子代染色体； (5) 计算适应度并选择 将子代染色体的各元素代入适应度函数公式，计算每个子代染色体的适应度，并根据 适应度排名，选择适应度排名靠前的T个子代染色体作为精英序列，其余子代染色体被淘 汰而舍弃；所述的染色体适应度公式如下：
所述的适应度即为串联电容补偿装置不平衡电流的大小，根据适应度函数公式求出的 值越小，则串联电容补偿装置的不平衡电流越小，适应度越高； ⑶判断 判断是否满足循环终止条件，若满足终止条件，则进入下一步骤，否则，返回步骤（4); 所述的循环终止条件为：循环达到了预先设定的最大循环次数K，或T个精英序列中出 现了适应度小于预先设定的适应度阈值F的子代染色体； (7) 循环结束，输出T个精英序列的染色体及其适应度。
2. 如权利要求1所述的不平衡电流优化方法，其特征在于，适应度阈值F= 1Χ1(Γ6Α。
3. 如权利要求1所述的不平衡电流优化方法，其特征在于，步骤（5)所述的二次自交叉 选取的两个元素与前一次自交叉选取的两个元素不相同，以避免还原为前一次自交叉前的 状态。
4. 如权利要求1所述的不平衡电流优化方法，其特征在于，还包括如下步骤： (8) 选择步骤（7)所述的T个精英序列中适应度最高的子代染色体作为串联电容补偿 装置不平衡电流的最终执行方案，将适应度最高的子代染色体与母本染色体相比较，找出 需要调整位置的电容器单元并调整其位置。
【文档编号】G06N3/12GK104466976SQ201410614136
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月4日 优先权日:2014年11月4日
【发明者】曾星宏, 陈碧云, 张耀山, 陈绍南, 罗赞琛, 钟宏乐, 陈 光, 叶波, 陆韦伟, 齐妙, 杨广源, 覃琦, 钟一心 申请人:中国南方电网有限责任公司超高压输电公司南宁局, 广西大学