CN105205548B - 一种3/2接线方式开关站开关电阻随机规划评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3/2接线方式开关站开关电阻随机规划评估方法。该方法以所有开关中阻值最大的开关可能取到的最大值为目标函数，相邻两条支路两端的电压差不超过设定值为约束条件,建立开关站开关电阻的最优规划模型。由于开关站存在数据传输丢包以及测量误差等现象，因此将最优规划模型改进为随机规划模型，即在一天当中大量开关电流工况条件下，相邻两条支路两端的电压差满足约束条件的概率大于某一定值即可。最后，采用粒子群算法求解随机规划模型。与最优规划模型相比，本方法采用了一天中大量的电流工况作为约束条件并且考虑了电流数据出现的随机错误，因此评估结果更为准确。
Description
技术领域
本发明属于电力系统分析技术领域，特别是一种3/2接线方式开关站开关电阻随机规划评估方法。
背景技术
在工程应用中，测量开关电阻的方法主要分为离线测量和在线测量两种。离线测量主要是对开关设备出厂时的电阻进行检测，常用的方法有直流电压降法、电解槽法、三次谐波电流法以及使用超导体量子器件测量，这些方法对硬件设备的要求比较高，要求测量设备有很高的精度，成本很大，最为重要的是离线测量需要将开关设备退出运行，不仅会影响开关站的正常运行，而且退出运行的开关设备阻值也与正常运行状态下的开关阻值不等。在线测量主要是利用红外传感器等装置测量开关设备周围的温度，根据温度判断开关设备是否出现故障，这种方法只能发现严重故障的开关，受环境温度的影响很大。
目前吴仁泽在《电工电气》发表的文章“一种3/2接线方式下的开关设备回路电阻评估方法研究”公开了一种通过条件数筛选方程组后求解3/2接线方式开关站开关设备阻值的方法。该方法需要从大量的电流数据中筛选工况，计算量巨大，而且建立方程的过程中没有考虑采用有效值代替瞬时值带来的误差，也没有考虑随机出现的错误电流数据和母线压降。
由上可知，现有技术当中尚无一种准确地评估3/2接线方式开关站开关设备阻值的方法。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种3/2接线方式开关站开关电阻随机规划评估方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种3/2接线方式开关站开关电阻随机规划评估方法，包括以下步骤：
步骤1、根据基尔霍夫电压定律构建3/2接线方式开关站的开关电阻最优规划模型；
步骤2、把开关电阻的最优规划模型转变成随机规划模型；
步骤3、采用粒子群算法求解随机规划模型，得到开关站开关电阻的阻值。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的方法能够在线评估3/2接线方式开关站开关电阻，利用CRIO平台采集电流，硬件投入小；2)与最优规划模型相比，本方法考虑了数据丢包以及测量误差，建立随机规划模型求解，更加接近真实值；3)使用本方法评估开关站开关电阻，能够及时发现阻值过大的开关设备，有助于维护人员提前做好准备检修和更换异常开关，有利于开关站的安全和稳定运行。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是3/2接线方式开关站线路图。
图2是CRIO平台结构图。
图3是西津渡开关站线路图。
图4是计算结果图。
具体实施方式
本发明的3/2接线方式开关站开关电阻随机规划评估方法是在CRIO平台上实现的,CRIO平台如图2所示，包括控制器层和应用层。
控制器层由以下部分组成：
1)管理控制模块：实现整个系统的运行与控制，实现对下层各个应用模块的配置与通讯；
2)数据存储模块：将采集板卡采集的模拟量及数字量信息进行处理并储存；
3)算法实现模块：实现随机规划功能，实现对开关电阻的在线评估功能。
4)结果展示模块：实现人机交互的功能，将计算结果展示出来。
应用层由以下部分组成：
1)时钟同步模块：实现多板卡、多路采集的时钟同步功能。保证采集数据的同步性。
2)驱动模块：实现对采集板卡的控制功能，采集数据的上传。是数据交互的通道。
3)采集模块：由模拟量采集及IEC61850采集两类采集板卡组成，实现多路模拟量与数字量的采集功能。
本发明的一种3/2接线方式开关站开关电阻随机规划评估方法，包括以下步骤：
步骤1、根据基尔霍夫电压定律构建3/2接线方式开关站的开关电阻最优规划模型；具体为：
步骤1-1、假设3/2接线方式开关站中，含有三个开关的支路有m条，含有两个开关的支路有n条，在某一时刻下流过各个开关的瞬时电流为：i1,i2…i3m+2n，各个开关的阻值为：R1,R2…R3m+2n，根据基尔霍夫电压定律建立开关站的开关电阻方程组：
式中，m、n均为正整数；
步骤1-2、由于瞬时电流i1,i2…i3m+2n之间存在相位差，因此将步骤1-1中开关站开关电阻方程组的瞬时电流i1,i2…i3m+2n替换成电流的有效值I1,I2…I3m+2n，得到开关站开关电阻的不等式方程组：
式中，αl表示支路l和支路l+1两端电压差的上限值，l＝1,2,…,m+n-1；
步骤1-3、根据开关站一天中测量的N组电流工况构建开关站开关电阻的不等式方程组：
上式中，表示开关站中在第j组电流工况下，支路l和支路l+1两端电压差的上限值，l＝1,2…m+n-1，j＝1,2…N，其公式为：
K为支路电压系数；K的取值优选为0.5。
步骤1-4、构建开关阻值的目标函数，该目标函数为：
max(||[R1,R2,…,R3m+2n]T||∞)
式中，|| ||∞是无穷范数，代表R1,R2,R3…R3m+2n中阻值最大的开关电阻，上标T表示转置；
步骤1-5、综合上述步骤，得到开关电阻最优规划模型：
max(||[R1,R2,…,R3m+2n]T||∞)
st:
步骤2、把开关电阻的最优规划模型转变成随机规划模型；具体为：
将步骤1-3中的开关站开关电阻的不等式方程组转变为概率约束方程：
Pr{f(R1,R2…R3m+2n)}≥β
式中，Pr{}是概率约束符号，表示满足开关站开关电阻的不等式约束的概率，β表示需要满足概率约束的最低值，优选为0.75，Pr{f(R1,R2…R3m+2n)}的公式如下：
式中，count代表满足开关站开关电阻的不等式方程组的工况数。综上，3/2接线方式开关站开关电阻的随机规划模型为：
max(||[R1,R2,…,R3m+2n]T||∞)
st:
步骤3、采用粒子群算法求解随机规划模型，得到开关站开关电阻的阻值。采用粒子群算法求解随机规划模型为：
步骤3-1、产生p个初始粒子，粒子个数p的取值优选为20，具体为：
(1)从一天的N组工况中任意选出t组工况，t的取值优选为5，不考虑相角差，母线电压以及测量误差的情况下，满足下式：
(2)选取R1作为基准电阻，即R1＝1，用最小二乘法拟合上式，得到无误差情况下的一组解：在这组解的基础上产生p个初始粒子：
式中，下标q代表1～p个粒子，rand是随机数，产生粒子时，都需要代入概率约束方程检验，如不满足条件则重新产生，直到有p个满足条件的粒子为止；
步骤3-2、计算每个粒子的适应度fitscoreq(q＝1,2,…,p)，采用每个粒子的最大分量作为该粒子的适应度，所用公式为：
步骤3-3、确定初始的全局最优粒子gbest和个体最优粒子pbestq,选取适应度最大的一个粒子作为全局最优粒子,选取初始粒子作为每个粒子的局部最优粒子，所用公式为：
式中，下标max代表适应度fitscore最大的那个粒子的下标；
步骤3-4、更新粒子的速度和位置，所用公式为：
式中，上标k代表迭代次数，从0开始，ω代表惯性权重，c1和c2是常数，rand是随机数。速度的初始值对上式中得到的每个都带入概率约束方程检验，如不满足条件则重新更新粒子的速度和位置，直到满足为止；惯性权重ω的取值优选为0.8，c1和c2的取值均为2。
步骤3-5、更新全局最优粒子gbest和个体最优粒子pbestq，计算步骤3-4新产生的p个粒子的适应度，选择适应度最大的粒子与gbest的适应度比较，若大于gbest，则用该粒子替换gbest，否则不替换；再将新产生的p个粒子分别与对应的pbestq的适应度比较，如果大于pbestq，则用该粒子替换pbestq，否则不替换；
步骤3-6、令k＝k+1，若k≤gen，则执行步骤3-4，否则，结束操作，此时的gbest值，就是开关电阻的值。迭代次数的上限值gen的取值优选为20。
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：
本发明公开了一种3/2接线方式开关站开关电阻随机规划评估方法，利用CRIO平台采集的电流数据，建立开关站开关电阻的最优规划模型。考虑开关站数据丢包以及测量误差，进而引入随机规划理论并采用粒子群算法求解随机规划模型。以采用3/2接线方式的西津渡开关站为例，具体实施步骤如下：
步骤1，建立西津渡开关站开关电阻的随机规划模型。西津渡开关站(见图3)中，含有三个开关的支路有1条，含有两个开关的支路有3条，各个开关的阻值为：R1,R2…R9,选取一天中流过各个开关的100组电流工况，开关阻值满足以下概率约束条件：
其中，的计算公式如下：
开关阻值的目标函数由下式确定：
max(||[R1,R2,…,R9]T||∞)
其随机规划模型为
max(||[R1,R2,…,R9]T||∞)
st:
步骤2，采用粒子群算法求解上述的随机规划模型。首先，从100组电流工况中任选5组电流工况，如表1所示：
表1：西津渡开关站电流信息表
| I1 | I2 | I3 | I4 | I5 | I6 | I7 | I8 | I9 | |
| 工况1 | 643.03 | 109.46 | -501.11 | 197.99 | -330.53 | -550.37 | 293.19 | -290.66 | 538.44 |
| 工况2 | 737.80 | 66.03 | -522.27 | 189.55 | -337.79 | -601.91 | 305.13 | -325.44 | 554.93 |
| 工况3 | 833.05 | -7.96 | -521.26 | 146.24 | -299.07 | -626.35 | 292.90 | -352.95 | 527.42 |
| 工况4 | 785.42 | 101.99 | -584.75 | 223.70 | -385.68 | -653.90 | 339.81 | -355.22 | 630.62 |
| 工况5 | 691.41 | 133.27 | -552.30 | 230.05 | -379.33 | -599.41 | 323.50 | -322.05 | 608.13 |
不考虑相角差，母线电压以及测量误差的情况下，这5组电流工况满足下式：
令R1＝1,采用最小二乘拟合法拟合上述方程组，结果如表2所示：
表2：最小二乘拟合结果
产生20个初始粒子，如表3所示：
表3:粒子群算法20个初始粒子
| 个体 | R1 | R2 | R3 | R4 | R5 | R6 | R7 | R8 | R9 |
| 1 | 1 | 2.50 | 1.70 | 4.00 | 2.20 | 1.80 | 3.60 | 2.00 | 1.20 |
| 2 | 1 | 2.01 | 1.57 | 4.42 | 2.25 | 1.77 | 3.60 | 1.81 | 1.65 |
| 3 | 1 | 2.07 | 1.32 | 4.48 | 2.20 | 1.32 | 3.15 | 1.64 | 1.59 |
| 4 | 1 | 2.33 | 1.54 | 4.32 | 2.23 | 1.82 | 3.87 | 1.62 | 1.33 |
| 5 | 1 | 2.72 | 1.33 | 3.95 | 2.21 | 1.83 | 3.96 | 2.18 | 1.51 |
| 6 | 1 | 2.94 | 1.68 | 4.04 | 1.92 | 1.40 | 3.16 | 2.32 | 1.47 |
| 7 | 1 | 2.58 | 1.28 | 4.16 | 1.75 | 1.86 | 3.81 | 1.99 | 1.32 |
| 8 | 1 | 2.29 | 1.28 | 4.08 | 1.85 | 1.37 | 3.68 | 1.79 | 1.06 |
| 9 | 1 | 2.65 | 1.48 | 4.02 | 1.95 | 1.60 | 3.75 | 2.39 | 1.56 |
| 10 | 1 | 2.66 | 1.75 | 3.75 | 1.74 | 1.53 | 3.46 | 2.13 | 1.69 |
| 11 | 1 | 2.35 | 1.47 | 3.79 | 1.89 | 1.32 | 3.55 | 1.74 | 1.57 |
| 12 | 1 | 2.77 | 1.70 | 4.41 | 1.76 | 1.74 | 3.67 | 2.07 | 1.52 |
| 13 | 1 | 2.23 | 1.38 | 3.67 | 1.85 | 1.50 | 4.06 | 1.52 | 1.67 |
| 14 | 1 | 2.90 | 1.70 | 4.27 | 1.76 | 1.56 | 3.75 | 1.63 | 1.34 |
| 15 | 1 | 2.98 | 2.18 | 3.75 | 2.32 | 2.03 | 3.60 | 2.35 | 0.89 |
| 16 | 1 | 2.69 | 1.40 | 4.46 | 2.41 | 1.47 | 3.54 | 2.13 | 1.63 |
| 17 | 1 | 2.47 | 1.29 | 4.33 | 2.39 | 1.57 | 4.07 | 1.68 | 1.00 |
| 18 | 1 | 2.13 | 1.64 | 4.05 | 2.10 | 1.70 | 3.85 | 2.02 | 1.19 |
| 19 | 1 | 2.95 | 1.36 | 4.47 | 2.30 | 1.54 | 3.17 | 1.80 | 1.51 |
| 20 | 1 | 2.08 | 1.55 | 3.63 | 1.86 | 1.36 | 3.80 | 1.59 | 1.32 |
由这20个初始粒子，按照前文所述方法，经过20次迭代更新后，20个粒子的值如表4所示：
表4:经过20次更新后的20个粒子
由上表可知，第17组粒子是gbest，因此也就是所求的开关阻值，开关阻值如表5所示，计算结果见图4.
表5：西津渡开关站开关阻值
| R1 | R2 | R3 | R4 | R5 | R6 | R7 | R8 | R9 | |
| 阻值 | 1 | 2.60 | 1.16 | 9.14 | 1.75 | 1.65 | 3.94 | 2.59 | 2.45 |
由上可知，本发明的方法能够有效地计算3/2接线方式开关站开关电阻，实现开关电阻在线评估功能。
Claims (7)
1.一种3/2接线方式开关站开关电阻随机规划评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据基尔霍夫电压定律构建3/2接线方式开关站的开关电阻最优规划模型；具体为：
步骤1-1、假设3/2接线方式开关站中，含有三个开关的支路有m条，含有两个开关的支路有n条，在某一时刻下流过各个开关的瞬时电流为：i1,i2…i3m+2n，各个开关的阻值为：R1,R2…R3m+2n，根据基尔霍夫电压定律建立开关站的开关电阻方程组：
式中，m、n均为正整数；
步骤1-2、由于瞬时电流i1,i2…i3m+2n之间存在相位差，因此将步骤1-1中开关站开关电阻方程组的瞬时电流i1,i2…i3m+2n替换成电流的有效值I1,I2…I3m+2n，得到开关站开关电阻的不等式方程组：
式中，表示支路和支路两端电压差的上限值，
步骤1-3、根据开关站一天中测量的N组电流工况构建开关站开关电阻的不等式方程组：
上式中，表示开关站中在第j组电流工况下，支路和支路两端电压差的上限值，其公式为：
K为支路电压系数；
步骤1-4、构建开关阻值的目标函数，该目标函数为：
max(||[R1,R2,…,R3m+2n]T||∞)
式中，|| ||∞是无穷范数，代表R1,R2,R3…R3m+2n中阻值最大的开关电阻，上标T表示转置；
步骤1-5、综合上述步骤，得到开关电阻最优规划模型：
max(||[R1,R2,…,R3m+2n]T||∞)
st:
步骤2、把开关电阻的最优规划模型转变成随机规划模型；具体为：
将步骤1-3中的开关站开关电阻的不等式方程组转变为概率约束方程：
Pr{f(R1,R2…R3m+2n)}≥β
式中，Pr{ }是概率约束符号，表示满足开关站开关电阻的不等式约束的概率，β表示需要满足概率约束的最低值，Pr{f(R1,R2…R3m+2n)}的公式如下：
式中，count代表满足开关站开关电阻的不等式方程组的工况数；综上，3/2接线方式开关站开关电阻的随机规划模型为：
步骤3、采用粒子群算法求解随机规划模型，得到开关站开关电阻的阻值。
2.根据权利要求1所述的3/2接线方式开关站开关电阻随机规划评估方法，其特征在于，步骤3采用粒子群算法求解随机规划模型为：
步骤3-1、产生p个初始粒子，具体为：
(1)从一天的N组工况中任意选出t组工况，不考虑相角差，母线电压以及测量误差的情况下，满足下式：
(2)选取R1作为基准电阻，即R1＝1，用最小二乘法拟合上式，得到无误差情况下的一组解：在这组解的基础上产生p个初始粒子：
式中，下标q代表1～p个粒子，rand是随机数，产生粒子时，都需要代入概率约束方程检验，如不满足条件则重新产生，直到有p个满足条件的粒子为止；
步骤3-2、计算每个粒子的适应度fitscoreq(q＝1,2,…,p)，采用每个粒子的最大分量作为该粒子的适应度，所用公式为：
步骤3-3、确定初始的全局最优粒子gbest和个体最优粒子pbestq,选取适应度最大的一个粒子作为全局最优粒子,选取初始粒子作为每个粒子的局部最优粒子，所用公式为：
式中，下标max代表适应度fitscore最大的那个粒子的下标；
步骤3-4、更新粒子的速度和位置，所用公式为：
式中，上标k代表迭代次数，从0开始，ω代表惯性权重，c1和c2是常数，rand是随机数；速度的初始值对上式中得到的每个都代入概率约束方程检验，如不满足条件则重新更新粒子的速度和位置，直到满足为止；
步骤3-5、更新全局最优粒子gbest和个体最优粒子pbestq，计算步骤3-4新产生的p个粒子的适应度，选择适应度最大的粒子与gbest的适应度比较，若大于gbest，则用该粒子替换gbest，否则不替换；再将新产生的p个粒子分别与对应的pbestq的适应度比较，如果大于pbestq，则用该粒子替换pbestq，否则不替换；
步骤3-6、令k＝k+1，若k≤gen，则执行步骤3-4，否则，结束操作，此时的gbest值，就是开关电阻的值。
3.根据权利要求1所述的3/2接线方式开关站开关电阻随机规划评估方法，其特征在于，步骤1-3中支路电压系数K的取值为0.5。
4.根据权利要求1所述的3/2接线方式开关站开关电阻随机规划评估方法，其特征在于，需要满足概率约束的最低值β的值为0.75。
5.根据权利要求2所述的3/2接线方式开关站开关电阻随机规划评估方法，其特征在于，步骤3-1中粒子个数p的取值为20，t的取值为5。
6.根据权利要求2所述的3/2接线方式开关站开关电阻随机规划评估方法，其特征在于，步骤3-4中惯性权重ω的取值为0.8，c1和c2的取值均为2。
7.根据权利要求2所述的3/2接线方式开关站开关电阻随机规划评估方法，其特征在于，步骤3-6中迭代次数的上限值gen的取值为20。
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| CN105205548A (zh) | 2015-12-30 |
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