CN106019077B - 一种电流型行波测距装置优化布点方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电流型行波测距装置优化布点方法，属于电力系统故障测距技术领域。首先，构建电流型行波测距装置优化布点的优化函数和约束条件。其次读入系统电网节点参数，获取网络拓扑结构。并输入各节点的权重系数。然后，求解最小支配集。最后，采用遗传算法和禁忌算法，获取最优布点的方案。本发明考虑输电线路的历史故障率，变电站母线的接线方式以及线路长度，布点方法更具有实用性。

Description

一种电流型行波测距装置优化布点方法

技术领域

本发明涉及一种电流型行波测距装置优化布点方法，属于电力系统故障测距技术领域。

背景技术

目前行波故障定位装置多数安装于220kV及以上变电站，且由电网推广的智能化管理，许多同等级的变电站已经实行无人值守制度。考虑到行波安装的经济与观测特性等因素，合理的在电网中部署行波测距装置，不但便于推广行波故障的测距功能，也能让电网中的故障行波测量样本更加具有针对性，以便进行下一步的研究，且对改进以实测数据为基础的行波分析以及测距算法有促进作用。相较于更高电压等级的输电线路，的输电线路与站点之间有着更加冗杂的拓扑关系，出于对经济性、有效性、以及可靠性的考虑，行波故障定位装置并不是在整个系统中全局安装的。同时，由于行波故障定位技术是近代才开始广泛使用于及以上输电线路的，其硬件与软件的更新频率比较高，且该装置有着安装不可逆的性质，并需要定期进行人工调试作业，但随着越来越多的更新为无人值守变电站，使得行波故障定位装置在一个网路系统中的布置位置问题与安装规律及其条件的优化规划显的尤为重要。

电网中的行波测距装置最优布点，可视作对该系统能否进行最小支配集合(数学领域)计算问题的求解。单端行波测距是电流型行波故障测距工作的基本形式，且故障点造成的反射波，以及对端母线造成反射波、和对故障初始波头的干扰均必需都要纳入考虑范围，布点的过程中需要将之作为考虑因素之一，且最终影响布点目标函数。对于部分置信度不同的节点，加入与之对应的安装权重系数，且同时考虑所求网络系统中对应线路的长度与历史故障频率，最后将之以一定的系数带入计算，影响最终的配置结果。本文将同步向量测量装置布点策略为参照来实行其优化布点，本质来看，其问题的解是求解图论领域内的最短路径和最小生成树。同等级与比之更高压输电网里，电流型行波定位设备有更为普遍的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种电流型行波测距装置优化布点方法，用以解决上述问题。

本发明的技术方案是：一种电流型行波测距装置优化布点方法，首先，构建电流型行波测距装置优化布点的优化函数和约束条件；其次读入系统电网节点参数，获取网络拓扑结构，并输入各节点的权重系数；然后，求解最小支配集；最后，采用遗传算法和禁忌算法，获取最优布点的方案。

具体步骤为：

第一步、构建电流型行波测距装置优化布点的优化函数和约束条件：

其中，变电站数为n，行波测距装置配置数为m，将n个变电站依次标记为1,2,……n，则优化函数和约束条件表示为：

优化函数为：

约束条件：

在式(1)中，x_i只有两个取值，x_i＝1表示i变电站装有行波测距装置，x_i＝0表示i变电站未装有行波测距装置，ω_i表示权重系数；

在式(2)中，f(X)≥1表示全局可观测，集合D₀表示不需要配置行波测距装置；这样的变电站有两类，一类是间接可测的变电站，另一类终端变电站。

第二步、读入系统电网节点参数，获取网络拓扑结构G<V，E>，输入各节点的权重系数；其中V表示变电站，E为站间线路，输入各节点的权重系数；

第三步、求解最小支配集：

对G<V，E>这个系统拓扑图全部节点v_i∈V来说，布尔表达式和1个布尔变量v_i都存在，因此获得全部最小支配集通用计算公式如下：

在式(3)中，为最小支配集，adj(v_i)为与i相邻顶点集；

第四步、获取最优布点的方案：

把最小支配集当成设备的初始配置，采用遗传算法和禁忌算法，根据优化函数和约束条件进行布点，若满足优化函数的收敛条件，则验证，是否满足全局可观条件，若满足，得到的布点方案，就是最优方案；若不满足全局可观的条件，则选择不可观节点中支路最多的节点作为初始值，再进行优化布点。

本发明的原理是：

1、线路拓扑可观性分析

(1)直接可观测

由图论领域来分析，把输电线路网络看做是b条边、n个顶点构成的一个图G<V，E>。V为节点(变电站)，E为边(变电站间的线路)。直接可观测，可以定义为若V节点装设有行波测距装置，则与之相连接的输电线路是可观的。使用节点-支路关联矩阵A＝(a_ij)描述电网的拓扑结构，其元素满足a_ij＝1，表示i变电站与j变电站有线路连接或i＝j，a_ij＝0，表示i变电站与j变电站没有线路连接。因此可观测的约束条件可以写为

(2)间接可观测

间接可测包括两个方面①线长覆盖间接可测，即如果该变电站(该线路)相邻线路的长度均大于本线路长度，那么，测距能够通过相邻线路对端变电站实施。②波阻抗连续间接可测，即若该变电站接线形式为单出线的形式，节点处波阻抗不连续不严重，那么线路可以通过连接该站远端相邻站的方式来实施测距。

2、优化函数和约束条件

设某电网有变电站数为n，行波测距装置配置数为m，将n个变电站依次标记为1，2，……n，则优化函数和约束条件表示为：

优化函数为：

约束条件：

在式(1)中，x_i只有两个取值，x_i＝1表示i变电站装有行波测距装置，x_i＝0表示i变电站未装有行波测距装置，ω_i表示权重系数。在式(2)中，f(X)≥1表示全局可观测。

在式(2)中，集合D₀表示不需要配置行波测距装置。这样的变电站有两类，一类是间接可测的变电站，另一类终端变电站。

3、优化函数中权重系数的确定

(1)计及线路故障历史频度的权重系数

采用G<V，E>来描述输电网络结构，V为节点(变电站)，E为边(变电站间的线路)。总结某电网2012年～2015年三年来总的故障次数为N，每条线路的故障次数为γ_i,j，则每条线路故障的频率为：

则考虑故障频率的节点的权重系数为：

在式(7)和(8)中，j为与i相邻的节点。

(2)计及站点出线数量的权重系数

由上述可观性分析可知，若该节点的波阻抗不连续不严重，那么线路可以通过连接该站远端相邻站的方式来实施测距。因此，考虑相邻站的出线数量的权重系数

(3)计及线路长度的权重系数

考虑线路长度的权重系数为：

在式(7a)中，α_i表示行波幅值衰减参数，l_i，j为i变电站与j变电站的最短路径，C为常数，l′_i,j ²为i变电站与j变电站之间所有线路的平均长度。

由式(4)～(7)可以得到i变电站综合权重系数为：

3、最小支配集

设图G＝<V，E>，若对于使得：(v_i,v_j)∈E，则称v_j支配v_i，并称V^*为G的一个支配集。若支配集V^*的任何真子集都不是支配集，则称V^*是极小支配集。顶点数最少的支配集称为最小支配集。最小支配集中的顶点数称为支配数。

4、遗传禁忌搜索算法GATS

GATS算法中具有遗传算法并行性和禁忌搜索算法的随机搜索能力有效的结合。且遗传算法具有早熟特性，爬山能力较弱等不足被禁忌搜索算法的记忆功能解决，整个算法的收敛速度得到提升，质量得到优化；同时遗传算法的多出发点优势经由其种群操作得以保存。缺乏并行性禁忌搜索的缺陷也同时得到弥补。

本发明考虑的最优布点对象是电流型的行波故障定位设备。核心内容包括，求取电力系统对应的拓扑关系中的支配集极小化计算问题，针对所求网络系统，确立一定的约束条件，以及针对不同的线路参数，配比一定的权重系数参与计算，在以上基础上，对通过最小支配集求解出的系统支配参考节点进行遗传禁忌搜索法以求取最优布置问题，再利用经验模态法分解判断初始故障发生状态，以判断是否满足线路、节点间接可测性质等条件的同时，可以对故障点进行有效判断的条件，最后加权计算最终故障位置以验证方法有效性。

本发明的有益效果是：考虑输电线路的历史故障率，变电站母线的接线方式以及线路长度，布点方法更具有实用性。

附图说明

图1是本发明IEEE30节点的结构图；

图2是本发明经典30节点系统最优配置后效果示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

一种电流型行波测距装置优化布点方法，首先，构建电流型行波测距装置优化布点的优化函数和约束条件；其次读入系统电网节点参数，获取网络拓扑结构，并输入各节点的权重系数；然后，求解最小支配集；最后，采用遗传算法和禁忌算法，获取最优布点的方案。

具体步骤为：

第一步、构建电流型行波测距装置优化布点的优化函数和约束条件：

设某电网有变电站数为n，行波测距装置配置数为m，将n个变电站依次标记为1,2,……n，则优化函数和约束条件表示为：

优化函数为：

约束条件：

在式(1)中，x_i只有两个取值，x_i＝1表示i变电站装有行波测距装置，x_i＝0表示i变电站未装有行波测距装置，ω_i表示权重系数；

在式(2)中，f(X)≥1表示全局可观测，集合D₀表示不需要配置行波测距装置；

第二步、读入系统电网节点参数，获取网络拓扑结构G<V，E>，输入各节点的权重系数；其中V表示变电站，E为站间线路，输入各节点的权重系数；

第三步、求解最小支配集：

对G<V，E>这个系统拓扑图全部节点v_i∈V来说，布尔表达式和1个布尔变量v_i都存在，因此获得全部最小支配集通用计算公式如下：

在式(3)中，为最小支配集，adj(v_i)为与i相邻顶点集；

第四步、获取最优布点的方案：

把最小支配集当成设备的初始配置，采用遗传算法和禁忌算法，根据优化函数和约束条件进行布点，若满足优化函数的收敛条件，则验证，是否满足全局可观条件，若满足，得到的布点方案，就是最优方案；若不满足全局可观的条件，则选择不可观节点中支路最多的节点作为初始值，再进行优化布点。

实施例1：如图1所示，该系统是由30座变电站，34条线路组成的系统连接图。

根据步骤一、采用式(1)和(2)构建电流型行波测距装置优化布点的优化函数和约束条件；

根据步骤二、得到经典30节点系统拓扑图G＝<V，E>，输入各节点的权重系数；

根据步骤三、采用式(3)得到最小支配集将各个点的权重系数加入计算，其中各节点对应权重系数如表1所示；

根据步骤四、采用GATS计算，并取群体规模M＝100，最大迭代次数为T₁＝70、T₂＝10，最后算法收敛，得到点2、6、10、12、18、25、27为行波故障定位装置最优安装点。

节点编号	权重系数	节点编号	权重系数	节点编号	权重系数
						2	0.84	4	0.36	6	0.78
10	0.88	12	0.75	18	0.63
						19	0.13	25	0.51	26	0.22
27	0.56

表1

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (1)

1.一种电流型行波测距装置优化布点方法，其特征在于：首先，构建电流型行波测距装置优化布点的优化函数和约束条件；其次读入系统电网节点参数，获取网络拓扑结构，并输入各节点的权重系数；然后，求解最小支配集；最后，采用遗传算法和禁忌算法，获取最优布点的方案；

具体步骤为：

第一步、构建电流型行波测距装置优化布点的优化函数和约束条件：

其中，变电站数为n，行波测距装置配置数为m，将n个变电站依次标记为1,2,……n，则优化函数和约束条件表示为：

优化函数为：

约束条件：

在式(1)中，x_i只有两个取值，x_i＝1表示i变电站装有行波测距装置，x_i＝0表示i变电站未装有行波测距装置，ω_i表示权重系数；

在式(2)中，f(X)≥1表示全局可观测，集合D₀表示不需要配置行波测距装置；

第二步、读入系统电网节点参数，获取网络拓扑结构G<V，E>，输入各节点的权重系数；其中V表示变电站，E为站间线路，输入各节点的权重系数，具体步骤为：

(1)计算线路故障历史频度的权重系数；

采用G<V，E>来描述输电网络结构，V为节点，E为边，总结电网三年来总的故障次数为N，每条线路的故障次数为γ_i,j，则每条线路故障的频率为：

则考虑故障频率的节点的权重系数为：

在式(3)和(4)中，j为与i相邻的节点；

(2)计算站点出线数量的权重系数；

由上述可观性分析可知，若该节点的波阻抗不连续不严重，那么线路可以通过连接该站远端相邻站的方式来实施测距，因此，考虑相邻站的出线数量的权重系数为：

(3)计算线路长度的权重系数；

考虑线路长度的权重系数为：

式中，α_i表示行波幅值衰减参数，l_i，j为i变电站与j变电站的最短路径，C为常数，l′_i,j为i变电站与j变电站之间所有线路的平均长度；

得到i变电站综合权重系数为：

第三步、求解最小支配集：

对G<V，E>这个系统拓扑图全部节点v_i∈V来说，布尔表达式和1个布尔变量v_i都存在，因此获得全部最小支配集通用计算公式如下：

在式(3)中，为最小支配集，adj(v_i)为与i相邻顶点集；

第四步、获取最优布点的方案：

把最小支配集当成设备的初始配置，采用遗传算法和禁忌算法，根据优化函数和约束条件进行布点，若满足优化函数的收敛条件，则验证，是否满足全局可观条件，若满足，得到的布点方案，就是最优方案；若不满足全局可观的条件，则选择不可观节点中支路最多的节点作为初始值，再进行优化布点。