一种基于超导限流器的合环转供电方法与流程

本发明涉及一种合环转供电方法，尤其是一种基于超导限流器的合环转供电方法。
背景技术：
：随着现代电力系统的迅猛发展，智能电网概念的提出，整个电力系统的发输配变用五大环节都开始朝着自动化的方向发展。在配网方面，考虑到短路电流等因素，目前我国国内中压配电网采用的是“闭环设计，开环运行”，在配电网设计的时候，各个负荷区域之间有备用线路，而在正常运行状态下，这些线路并不投运，因此，每一个负荷仅由一个电源供电，并不成环运行。当110kV主变需要定期停电检修时，该变电站所带的所有10k配电网区域将面临着大面积停电的问题，这严重地影响了配网供电的可靠性和运行灵活性，而采用合环转供电的方法是提高供电可靠性、避免大面积停电的重要措施。所谓合环转供电操作，指的是两个变电站的低压侧配电线路之间有备用线路，正常运行状态下该线路不投入电网中，而当某一个变电站需要停电检修，或者变电站所带的一段配电线路需要停电检修时，可以先合上备用线路的联络开关，再断开需要检修的线路。通过投入不同片区10kV中压配电网之间的联络线路，可以将辐射状的配电网暂时变为环网供电，合环运行后，单台主变退出电网停电检修将不会导致所带负荷失去供电，而是将这部分负荷转移到了其他变电站下。显然，通过合环转供电操作，可以避免大面积停电，大大的提高了配电网供电的可靠性。但是，合环转供电操作时仍然存在的许多风险。虽然备用线路相连接的两侧都是10kV馈线，但是由于两侧网络参数不对称，往往会产生电压幅值和相角上的差异，从而形成电压差。而备用线路本身的阻抗非常小，在直接闭合联络开关接入电网中时，有可能因为两侧的电压差而产生冲击电流。如果在没有应对措施的情况下随意进行合环操作，很可能会产生较大的冲击电流，影响到整个负荷区域配电网运行的稳定性，严重的时候甚至可能导致继电保护装置误动作，线路过负荷，电气设备损坏等后果。对于这个问题，在实际运行过程中，大部分的供电部门采用先将负荷退出运行，然后在转移负荷的方法。即先将待停电检修的110kV厂站退出电网，这时该变电站所带负荷都处于停电状态，然后再将主变与配电线路断开连接，最后再投入备用线路，将负荷转移到其他主变下。这样就不会存在冲击电流的问题，但是所带负荷会有短暂的停电过程，无法保证供电的连续稳定性，仍然会影响用户侧的生产生活。另一种方法是，通过有经验的调度员的操作，如改变电网的运行方式、切负荷倒负荷操作、改变变压器分接头、投切电容器组等，使得合环点两侧电压的幅值和相角接近一致，即最大可能的降低合环时备用线路两侧的电压差，这样就能将合环电流限制在一个可以接受的范围内。但是，并没有一套完善的方案或者操作章程来避免合环时过大的冲击电流的情况，比较多的研究只是针对特定的配电网结构进行分析，而配电网的结构是非常复杂多变的，因此这些研究得出的结论并不具有普适性。由于合环操作依赖调度员现场分析，属于经验判断型，因此仍然存在的较大的风险，而且这也无法迎合电网全网自动化的要求。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是现有的合环设计还凭借施工经验来判断，存在的较大的风险，而且这也无法迎合电网全网自动化的要求。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于超导限流器的合环转供电方法，包括如下步骤：步骤1，根据合环转供电路中实际采集的冲击电流计算超导限流器的限流效果归一化评价指标F1为：式中，I1为电路约束电流，选取合环点线路中的最大负荷电流，iM为实际的冲击电流；步骤2，根据合环转供电路中超导带材的使用长度计算超导限流器的成本归一化评价指标F2为：式中，lmax为根据具体情况设定的带材最大长度，l为合环转供电路中超导带材的实际使用带材长度；步骤3，根据限流效果归一化评价指标F1和成本归一化评价指标F2建立配电网合环超导限流器的配置决策模型为：F＝ωF1+(1-ω)F2式中，F1的取值范围为[0,1]，F2的取值范围也为[0,1]，ω为模型的权重因子，取值范围也为[0，1]；步骤4，假设在合环转供电路的各个负荷下网点之间安装带有开关量控制的超导限流器，建立一个限流遗传运算器，将实际使用带材长度l与开关量的乘积、超导限流器的并联电阻的阻值以及实际的冲击电流iM分别作为限流遗传运算器的三个输入量，将配置决策模型作为限流遗传运算器的适应度函数，将计算的适应度函数值作为限流遗传运算器的输出量；步骤5，利用限流遗传运算器运行遗传算法，当输出的适应度函数值收敛稳定时，导出当前遗传代数下的并联电阻的阻值、实际使用带材长度l以及各个安装位置处的开关量，开关量为1或0，分别表示该假设位置处是否安装超导限流器。采用限流效果归一化评价指标F1和成本归一化评价指标F2来建立配电网合环超导限流器的配置决策模型，将影响合环设计的主要因素进行综合，有效确保了合环设计的可靠性和准确性；采用限流遗传运算器运行遗传算法，将并联电阻的阻值、实际使用带材长度l以及实际的冲击电流iM作为限流遗传运算器的输入量进行自动化遗传迭代运算，以输出最佳的规划方案，使合环设计具备普适性，提高了电网全网自动化；采用权重因子ω能够根据电网的实际施工需要进行选取，进一步增强了合环设计的普适性。作为本发明的进一步限定方案，步骤5中，限流遗传运算器运行遗传算法的具体步骤为：步骤5.1，初始化，设置种群中个体数目以及最大遗传代数，由限流遗传运算器生成初始种群，种群中每一个个体代表一种超导限流器的规划方案，即每个个体均包括一组限流遗传运算器的输入量；步骤5.2，个体评价，根据步骤3中建立的配置决策模型对种群中每个个体对应的规划方案计算出一个适应度函数值，适应度函数值越大表示这个个体对应的规划方案越优秀，也更加能够在遗传进化中得以生存；步骤5.3，遗传变异，种群通过选择、交叉以及变异算子完成遗传变异过程，在完成一次遗传后判断是否达到最大遗传代数，若达到最大遗传代数，则进入步骤5.4，否则返回步骤5.2继续进行遗传变异；步骤5.4，终止计算，经过多代遗传变异后，种群中的个体会逐渐收敛稳定，适应度函数值达到最高值，称为最优解。采用遗传算法能够对各个迭代生成的规划方案进行优选处理，直到适应度函数值趋于收敛稳定，最终获得最优的规划方案，从而确保电网中的合环规划设计的优越性。作为本发明的进一步限定方案，步骤1中，实际的冲击电流iM为存储于电流矩阵中的最大电流值，电流矩阵用于存储采集的实际电流值。采用电流矩阵能够方便读取筛选出最大电流值。本发明的有益效果在于：(1)采用限流效果归一化评价指标F1和成本归一化评价指标F2来建立配电网合环超导限流器的配置决策模型，将影响合环设计的主要因素进行综合，有效确保了合环设计的可靠性和准确性；(2)采用限流遗传运算器运行遗传算法，将并联电阻的阻值、实际使用带材长度l以及实际的冲击电流iM作为限流遗传运算器的输入量进行自动化遗传迭代运算，以输出最佳的规划方案，使合环设计具备普适性，提高了电网全网自动化；(3)采用权重因子ω能够根据电网的实际施工需要进行选取，进一步增强了合环设计的普适性。附图说明图1为本发明的方法流程图；图2为本发明的限流遗传运算器输入输出结构示意图；图3为本发明的第一实施例的电网结构示意图；图4为本发明的第一实施例在Simulink中的模型结构图；图5为本发明的第一实施例的最优解追踪曲线；图6为本发明的第一实施例的超导限流器优化配置方案示意图；图7为本发明的第二实施例的电网结构示意图；图8为本发明的第二实施例在Simulink中的模型结构图；图9为本发明的第二实施例中A合环点的最优解追踪曲线；图10为本发明的第二实施例中B合环点的最优解追踪曲线；图11为本发明的第二实施例中C合环点的最优解追踪曲线；图12为本发明的第二实施例中三种合环方式最优解追踪图示；图13为本发明的第二实施例的超导限流器优化配置方案示意图；。具体实施方式如图1和2所示，本发明的基于超导限流器的合环转供电方法，包括如下步骤：步骤1，根据合环转供电路中实际采集的冲击电流计算超导限流器的限流效果归一化评价指标F1为：式中，I1为电路约束电流，选取合环点线路中的最大负荷电流，iM为实际的冲击电流，实际的冲击电流iM为存储于电流矩阵中的最大电流值，电流矩阵用于存储采集的实际电流值；步骤2，根据合环转供电路中超导带材的使用长度计算超导限流器的成本归一化评价指标F2为：式中，lmax为根据具体情况设定的带材最大长度，l为合环转供电路中超导带材的实际使用带材长度；步骤3，根据限流效果归一化评价指标F1和成本归一化评价指标F2建立配电网合环超导限流器的配置决策模型为：F＝ωF1+(1-ω)F2式中，F1的取值范围为[0,1]，F2的取值范围也为[0,1]，ω为模型的权重因子，取值范围也为[0，1]；步骤4，假设在合环转供电路的各个负荷下网点之间安装带有开关量控制的超导限流器，建立一个限流遗传运算器，将实际使用带材长度l与开关量的乘积、超导限流器的并联电阻的阻值以及实际的冲击电流iM分别作为限流遗传运算器的三个输入量，将配置决策模型作为限流遗传运算器的适应度函数，将计算的适应度函数值作为限流遗传运算器的输出量；步骤5，利用限流遗传运算器运行遗传算法，当输出的适应度函数值收敛稳定时，导出当前遗传代数下的并联电阻的阻值、实际使用带材长度l以及各个安装位置处的开关量，开关量为1或0，分别表示该假设位置处是否安装超导限流器，其中，限流遗传运算器运行遗传算法的具体步骤为：步骤5.1，初始化，设置种群中个体数目以及最大遗传代数，由限流遗传运算器生成初始种群，种群中每一个个体代表一种超导限流器的规划方案，即每个个体均包括一组限流遗传运算器的输入量；步骤5.2，个体评价，根据步骤3中建立的配置决策模型对种群中每个个体对应的规划方案计算出一个适应度函数值，适应度函数值越大表示这个个体对应的规划方案越优秀，也更加能够在遗传进化中得以生存；步骤5.3，遗传变异，种群通过选择、交叉以及变异算子完成遗传变异过程，在完成一次遗传后判断是否达到最大遗传代数，若达到最大遗传代数，则进入步骤5.4，否则返回步骤5.2继续进行遗传变异，其中，选择算子使得适应度高的个体容易被留下，适应度低的个体则容易被淘汰，交叉算子随机选择两个被选择的个体从一个点交叉基因段，这个操作可以丰富基因型，即规划方案的多样性，变异算子使得个体的基因型有较小概率发生变化，其作用也在于丰富基因型，使得理论上所有的规划方案都可能在种群中出现；步骤5.4，终止计算，经过多代遗传变异后，种群中的个体会逐渐收敛稳定，适应度函数值达到最高值，称为最优解。实施例1：如图3所示，针对不同110kV厂站低压侧10kV馈线合环算例。首先，架设搭建如图3所示的电网结构电路，两个不同片区的110kV主变T1和T2的低压侧10kV馈线之间本来并不连接，当合环点闭合时，两个片区将成环运行。10kV馈线之间有多处负荷下网，因此，整个网络中设置有A、B、C、D、E五处超导限流器规划地点。在Simulink下搭建的模型如图4所示，两个片区始端为220kV母线，经过220kV/110kV变压器、110kV线路、110kV/10kV变压器进入10kV中压配电网，两个区域的10kV馈线之间分为多段，均有负荷下网。图中ABCDE为限流器配置地点，接入基于Simulink的超导限流器模型。合环点为理想开关，通过阶跃信号控制闭环时间，产生暂态过程。限流遗传运算器的模型如图2所示，超导限流器的参数有三个，分别是：带材长度l、并联电阻R以及开关量k。输入信号是流经该限流器的电流值，即实际的冲击电流iM。并联电阻由In6口输入，采样电流由In2口输入，带材长度与开关量做乘积后从In5口输入。如果开关量为1，表示该限流器投入使用，乘积的结果就是带材长度，如果开关量为0，表示该限流器不投入使用，乘积后带材长度等效为0。通过这样的输入控制信号，可以很容易将遗传算法中，每个个体的参数通过对应端口输入给模型，并进行仿真计算。限流遗传运算器的输出量设置为适应度函数值，通过conn2口输出，电流的采样值自动保存在workspace中的电流矩阵中。结合限流器的决策模型配置模型函数，取电流矩阵中的最大值作为冲击电流的最大值，而成本则由带材长度和开关量共同决定，并由电流和成本共同构成适应度函数，以此进行遗传算法，解出限流器优化规划的最优解。这个规划过程中涉及五个限流器配置点，因此涉及15个参数，遗传算法中每个个体都是包含这15个数值的有序数列串，这15个数值分别表示A、B、C、D、E五个限流器配置点处的限流器的带材长度，并联电阻阻值和开关量。数值不同，根据所在数值对应的内容，可以计算出这个个体对应的规划方案的成本，电流和适应度函数值。其次，计算结果，由于超导限流器模型非线性程度非常大，多个限流器共同存在时仿真速度非常慢，因此本次遗传算法选用的个体数为15，遗传代数为40。从结果上来看，40代已经基本收敛了。具体数据表1和图5所示。表1为第一实施例的计算结果表1跟踪了遗传算法过求的40代解程中，每一代15个个体中最大的适应度函数值、最低成本和最小的合环电流。适应度函数值其实是成本和合环电流经过一个线性归一化处理后的加权值。所以，优化配置的目标是适应度函数值的最大化，可能最优解的成本和不是最低的，限流效果也不是最好的，但是加权值是最大的。从最优解追踪曲线可以看出来，从一开始的0.4左右慢慢提升，在第22代左右达到0.71并稳定在这附近，其收敛情况是非常不错的。最终得出的最优解如表2所示。表2为最后一代的个体数据l1l2l3l4l5R1R2R3R4R5k1k2k3k4k51122.035.219.617.336.11.14.95.04.22.71.00.01.01.00.0277.637.219.64.728.21.14.54.81.71.11.01.01.01.00.03122.025.918.47.134.51.04.53.92.81.11.00.00.01.01.04122.038.419.517.334.51.15.05.04.23.61.01.01.01.00.05122.338.415.54.728.21.24.95.04.22.71.01.01.00.00.06123.035.919.65.513.31.20.54.82.81.11.01.01.00.00.07123.235.918.817.334.51.15.05.04.23.61.01.01.00.00.08122.338.419.35.528.21.24.54.81.71.11.01.01.00.00.09122.035.919.617.3165.51.14.55.04.23.61.01.01.01.01.010120.637.618.26.317.31.05.05.04.23.61.01.01.00.00.011121.437.621.26.317.31.04.43.72.81.51.01.01.00.00.012120.137.620.66.317.31.25.04.94.23.61.01.01.00.00.013122.335.919.317.336.91.74.54.81.71.11.01.01.00.00.014121.435.419.117.336.91.34.54.81.71.01.01.01.01.00.015122.938.418.54.7171.81.24.95.00.82.71.01.01.00.00.0表2的内容是第40代中15个个体的参数情况。这里1、2、3对应的是中间的B、C、D限流器配置点，4、5分别代表A、E限流器配置点，例如l1表示的是配置点B对应限流器的带材长度。从表中可以很明显的看出最靠近合环点的三个限流器的参数已经收敛，l1、l2、l3分别收敛于122、37和20左右，R1、R2、R3分别收敛于1.2、4.9和4.8，开关量也均为1。而对于后面两个离合环点较远的限流器，由于其限流效果并不是很明显，而成本占据了主导地位，因此，开关量k4、k5均收敛为0，对应的带材长度和并联电阻，因为在不投运的情况下并不影响到目标函数值，所以没有出现收敛的情况。最后，获得结论，由遗传算法的结果可以得出的结论是：靠近合环点的B、C、D处需要加装超导限流器，其参数分别是l1＝122m,R1＝1.2Ω,l2＝37m,R2＝4.9Ω,l3＝20m,R3＝4.8Ω，离合环点较远的两处A、E不加装超导限流器。该方案下，总成本是811170元，限流后的最大电流是570A，超导限流器的配置图如图6所示。实施例2：多合环点复杂10kV配电网合环算例：首先，搭建电路，第一实施例提供了简单的10kV馈线合环的优化配置结果，但是实际的电网结构可能并不是简单的单馈线多分段的结构。因此算例二将结合实际中压配电网结构进行优化配置。由于网络的拓扑结构和参数是以数据的形式给出的，因此先要将其转别为图形化等值网络。简化示意图和基于Simulink的仿真电路分别如图7和图8所示。将所有负荷略去，保留10kV母线，馈线，母联断路器，合环点开关后的结构如图7所示。在该中压配电网中，共有三根10kV母线140、141和15096，并引出4条馈线，其中两条馈线来自同一10kV母线140。四条馈线分别独自分片供电，并且两两之间通过开关备用线路相连接，共三个合环点，并且每一个合环支路上均设置一个超导限流器配置点，一共也是三个配置位置。将该配网模型在Simulink下搭建起来，同时接入负荷，结果如图8所示。三个合环点分别是A、B、C，与算例一中相同，通过阶跃信号控制合闸，模拟暂态过程。与合环点相对应的，在D、E、F处分别设置超导限流器。其控制信号的输入量同实施例1，在此不多作赘述。其次，计算结果，由于有三个合环点，因此本实施例需要进行三次求解，即对应每个合环点的合环，都要进行一次仿真计算，并根据分别的最优解，选取最佳的合环方式以及超导限流器的配置方案。由于成环的模型仿真较慢，加上超导限流器非线性程度非常大，因此，本次遗传算法采用的个体数为30，遗传代数为20。在每个合环点的合环试验中，加入超导限流器之前，先进行直接合环，通过调整参数使合环冲击电流达到1000A。当加入限流器后，将限流后的最大冲击电流与1000A进行对照。数据的处理与实施例相同，在此仅给出每一种合环方式下的最优解跟踪曲线、最优解、以及最优目标函数值。合环点A合环时，最优解跟踪曲线如图9所示。适应度函数最大值为0.7192，此时最大合环电流为673A，成本为两台限流器的成本总和，共560650元。对应最优解如表3所示。表3为A点合环限流器配置最优解D限流器E限流器F限流器开关量110并联电阻(Ω)2.21.7—带材长度(m)140.235.3—合环点B合环时，最优解跟踪曲线如图10所示。适应度函数最大值为0.6928，此时最大合环电流为742A，成本为两台限流器的成本总和，共564500元对应最优解如表4所示。表4B点合环限流器配置最优解D限流器E限流器F限流器开关量110并联电阻(Ω)1.42.5—带材长度(m)52.8135.7—合环点C合环时，最优解跟踪曲线如图11所示。适应度函数最大值为0.5183，此时合环电流为752A，成本为三台限流器成本总和，共835560元对应最优解如表5所示。表5A点合环限流器配置最优解D限流器E限流器F限流器开关量111并联电阻(Ω)1.01.23.3带材长度(m)28.742.3174.2对比三处合环位置的最优解追踪曲线，如图12所示。最后，获得结论，由于本算法采用的目标函数是越大越优型，显然，A点合环的最优解对应的目标函数值大于B和C两种方案，因此，在该配电网的合环选址问题以及超导限流器的选址定容问题中，应该选取A点作为最佳合环地点，限流比为32.7％，同时超导限流器参数的配置如上表3所示，加装位于合环点A、B支路的限流器D、E，不加装位于C支路的限流器F，限流器D的参数配置是带材长度140.2米，并联电阻2.2Ω，限流器E的参数配置是带材长度35.3米，并联电阻1.7Ω。其优化配置图如图13所示。当前第1页1 2 3