上海船舶运输科学研究所学报JOURNAL OF SHANGHAI SHIP AND SHIPPING RESEARCH INSTITUTE Vol.44No.1 Mar.2021
441
20213
文章编号：1674-5949(2021)01-0054-06
梁浩哲！龚喜文
(上海船舶运输科学研究所航运技术与安全国家重点实验室，上海200135)
摘要：为解决母联闭合型电网发生故障时的电网重构问题，提出一种基于二进制粒子算法的电网重构策略。 根据深水半潜平台电网特殊的网络架构和电气特性，建立以最大程度恢复重要负载供电为目标，以电网结构和系统容量为约束条件的母联闭合型电网故障恢复模型。为提升求解效率，为该模型设计基于二进 制粒子算法的两阶段优化求解流程，并将求解结果与混沌遗传算法和免疫克隆算法的仿真结果相对比’仿真结果表明，提出的电网重构策略具有较高的搜索效率和较强的寻优能力，能有效提高母闭合型电网故障恢复的速度和精度。
关键词：二进制粒子；故障恢复；母联闭合型电网
中图分类号:U665.12文献标志码:A
A Reconstruction Strategy of Closed Bus-Ties Power Grid Based on
Binary Particle Swarm Optimization
LIANG Haozhe$GONG Xixven
(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology,Shanghai
ShipandShippingResearchInstitute$Shanghai200135$China)
Abstract:According to the network architecture and electrical characteristics of the power grid on deep-water semi-submersible platform,a fault recovery model for the closed bus-ties grid is establish
ed and solved for recovering as many as possible important loads.The objective function is set up accordingly.The constraints are decided by the power grid structure and system ca-pacity.Inordertoacceleratethesolvingprocess,atwo-stagebinaryparticleswarmoptimizationalgorithmisdesigned.Theal-gorithmisverifiedthroughcomparingittothechaoticgeneticalgorithmandtheimmunecloningalgorithm.
Key words:binary particle swarm；fault reconstruction；closed bus-ties power grid
0引言
在设计海工平台中压电力系统时，通常要求其在保证用电经济性和灵活配置的同时，能在复杂条件下安全可靠运行。然而，海工平台电力系统在恶劣海况、人为操作失误和设计存在隐患等情况下都有可能发生故障，轻则降低系统的可信任度，重则引起设备损毁和供电通路阻滞*13+。因此，对电力系统在发生故障情况下的快速恢复策略进行研究具有重要意义’
1母联闭合型电网故障恢复模型
深水半潜平台电力系统在DP-ER(Dynamic Positioning System with Enhanced Reliability)模式下工作时，各电站之间采用环形方式连接。当电网发生故障时，采取故障恢复策略的实质是对电力系统进行重新配
收稿日期:2020-11-23
作者简介：梁浩哲(1991—)，男，河南三门峡人，助理研究员，硕士，主要从事船舶自动化设备控制技术研究°
梁浩哲，等：基于二进制粒子算法的母联闭合型电网重构策略55
置，构建一个新的供电网络⑷，具体如下：
1"电网中各节点的开信息；
2）通过控用供电支路供电开关的通断，隔离故障负载&
远程遥控
3）在满足负载、供电开关通数和发电效率均衡等约束条件的情况下，实现对重要负载的快速恢复供电。
1.1母联闭合型电网结构
型电网船级社提出，在DP-ER模式下，各电站之间采用环形方式连接，发电机连接主汇流板，在流排连接负载，重要负载与负载相互分开连接「5+。型电网结」图1。
Group A
11
llkY60HzW^llkV60Hz
3750kVA Up*UP3750kVA.
F kVl095AT
/\Iac22A\
3000kW J
llkV/650V 2800kVA
11/0.71/ X).71kV 5300/2650 12650kVA
MinSHD 650Y2909A Ioc5000kA
、
DPA UPS
Thruster1
4400W 230VDPAPanel
Thr.l SBD}
650V344A,Iac32,SoA
A60
Group B
11
11kY60Hzk«60Hz
3750kVA VP WW3750kVA
IllkV1095Al
/
_____]Iac^A\/
J3000kW J
llkV/650V
2800kVA
650Y2909A
lac5OOP kA
il f
\
DPA UPS
Thr.2SBD]
650Y344A,Iac32,SoA
A60
Group C
.11/0.71/
p0.71kV
L5300/2650/
勾2650kVA
Thruster3
4400W
230VDPAPanel
I I
11kV60Hz11kV60Hz
3750kVA3750kVA
TllkVl095Al
/)toc22A]/___
J3000kW~□
llkV/650V|
2800kW
650V2909A
lac5000kA
il i
DPA.U PS\
DPA UPS
Thr.3SBD]
650乂344A,lac32,SoA
A60
Group D
11/0.71/纸板加工
)0.71kV
5300/2650/
2650kVA llkV/650VC
2800kg
650Y2909AI
lac5000kA
Thruster3
4400W
230VDPAPanel
II§
DM UPS
Thr.4SBD
11/0.71/
0.71kV
5300/2650/
2650kVA
.Thruster4
、4400W
230VDPA Panel
650V344A,Iac32,SoA
图1母联闭合型电网结构
在该电网结构中，G1〜G8是8台连型电网汇流排的发电机组，每台发电机组都能为所有负载线路供电。
1.2目标函数
于负载复值、供电支路开关通断次数和发电机效率平衡均为母联闭合型电网故障恢复效果的重，因此本文所述模型采用这3种形成的复满意度作为目标函数，根据
的重度设的权值。
1）一：恢复负荷：。
船舶电力系统通常根据承载的电路的不同分为3个级别，其中属于重要负载的船舶电力系统为一级和
二级，有2电路线，分别为正常供电路线用供电路线「6+。考虑发生后最大程度复重要负荷的容量为目标，负荷的重度划分，得复负荷的数为
2122比
max F1=«4J:；g1t P#4工丄吋+y4©；g3肌（1）
t=1j=1X=1
式（1）中；g］为一级负载容量；g2为二级负载容量；L g为三级负载容量C t C j和C x取值为0或1，其中，1表示负载供电，0表示卸载;'、#和y分别为一级负载、二级负载和三级负载的权重系数，可根据不同负载的重要性对其权重进行设定，本文所述模型定义'=1,#=0.1,y=0.01；N1、N2和2分别为一级负载、二级负载级负载的数。
2）：负荷供电支路开关通断次数。
系统复是指通过控制开关，快、最合适的重构供电路线。开关通断次数的目标函数为
2122比
min F2=4S t P4S2@P4S3,⑵
t=1t=1t=1
式（2）中：S lz,S2j和S3，分别为一级负载、二级负载和三级负载开关。
3）：发电机效率均衡。
56上海船舶运输科学研究所学报20211
在重构电力系统网络时，要考虑发电机的工作效率，防止某台发电机的工作效率突然变得过低。因此$将发电机效率均衡作为目标函数之一，可表示为
.P g
min F3=min4(3)
智力积木
P g x
式(3)中P为发电机实际功率;P g x为发电机额定功率。
根据上述3个目标重要性的不同，对这3个目标设定不同的权值，进行归一化处理之后，可得故障恢复满意度(即目标函数)的表达式为
口F1F1min I F2max F2i F3max F3/(\ max F J1f--------Z7F----十W2F-----------Z F----十J f-----------Z F-----(4)
1max1min2max2min3max3min
式(4)中：F,max和F!mm分别为将第2(=1,2,3)个目标作为独立的目标函数优化时，可得到的目标函数最大值和最小值；J，为第i个目标的权重。J，满足关系式
iv1十十J3=1(5)本文选取J1=0.7,w z=0.2,J3=0.1，在修改心、®和J3的数值时，需视实际情况进行修改。
对于目标一，故障发生之后，系统期望能最大程度地恢复重要负荷的容量。因此，针对某种具体的配电网故障情况，在单独考虑目标一的情况下，可计算得到重要负载的最大恢复容量，而系统中重要负载最小恢复容量的情况为没有进行故障恢复，即最小值为0。
对于目标二和目标三，系统期望依靠最少的开关通断次数和最均衡的发电机效率得到最优解，优化结果期望其越小越好。因此，在单独考虑目标二或目标三时，能优化得到最小值，但最大值并不是优化得到的，开关通断次数最大值取为系统所有的开关数量。
1.3约束条件
1.3.1电力系统网络结构约束
对于拥有正常和备用2条供电路线的一级负载和二级负载，在同一时间点只能导通1条供电路线*7+。系统的连续性约束和辐射状限制为
4(1—z t)=4z<⑹式(6)中：-为转换开关集合；z t和z<；分别为同一负载在正常和备用2种状态下的开合状态，用0、1变量表7K。
1.3.2
在重构过程中，要限制系统中支路的容量，不能造成支路容量过载［
4cK i#(7)
i=1
式(7)中：为负载i和支路@的开关状态=0表示开关断开=1表示开关闭合k为负荷或支路用电量；为支路@的容量限制值。
胞苷酸
2策略实现与求解流程
在母联闭合型电网故障恢复模型中，控制变量包括负载容量和支路开关的状态。若在求解该模型过程中同时优化这2个控制变量，会面临开关状态与供电容量不匹配的问题，大大降低求解效率。实际上在求解该模型过程中，供电负荷优化要在开关状态给定的情况下进行，因此本文将求解流程分为2个阶段，其中：第一阶段采用二进制粒子算法优化各类开关状态变量；第二阶段在第一阶段的基础上，采用粒子算法优化供电负荷。
2.1第一阶段
母联闭合型电网故障恢复模型中的开关通断次数为离散变量，因此第一阶段可采用二进制粒子算法对该离散变量进行求解。二进制粒子算法的速度更新公式为
R”十1=R，十C1r1,((i,—X i,)十cgj KP),—X i,)(8)式(8)中：R,=(R1,,2,,…，R n*,)为粒子i第N代的速度，其中N*为种的粒子总数;X”’=C1,C2,,…, C N*,)为粒子i第N代的位置*为第i个粒子迭代到第t代时计算所得个体极值;P g,，为整个种迭代到第
梁浩哲，等：基于二进制粒子算法的母联闭合型电网重构策略
57
i $d $t
>0
(10
i $d $t
V 0
z
代时计算所得全局极值C 1和C 2为学习因子&1，和S t 为均匀分布于［0,1］范围内的随机数'
相比粒子算法，二进制粒子算法的改进之处在于通过给粒子的位置值设定一个阈值进行选择，超过
阈值就设为1否则设为0，该阈值采用sigmoid 函数设定'因此，保持速度公式不变，重新定义粒子的位置
公式，粒子位置更新公式为
_ 1， r V sigmoid （R,d,t ） （、U i ,, = 3 ］
（9）
0 otherwi:e
式（9）中U idt 为第i 个粒子第d 维迭代到第t 代时的位置&为生成的随机数，位于［0,1］区间内为第i
个粒子第d 维迭代到第t 代时计算得到的速度。sigmoid 函数的表达式为
&_1_1 十 e —id,'
sigmoid R = % 1
1
1 十 e —id ，
第一阶段采用二进制粒子算法的求解流程如下：
1） 输入母联闭合型配电网的系统网架结构、故障点位置和节点负荷水平等数据。
2） 对二进制粒子算法进行初始化，初始化内容包括种规模、最大迭代次数、学习因子和权重等。
3） 调用第二阶段算法，计算得到发电机功率均衡率、供电负荷恢复情况和开关状态变化次数，根据相关
计算结果求取此次优化结果的综合满意度。
4） 根据式（8）〜式（10）更新二进制粒子的速度、位置*，"和P g.t 等参数。
5） 根据计算得到的全局最优解判断该最优解是否收敛。若收敛，则结束求解，同时给出相应的故障恢 复方案；若不收敛，则返回流程3），重新进行计算。
2.2第二阶段
母联闭合型电网故障恢复模型中的负荷容量为连续变量，因此第二阶段可采用粒子算法进行计算优
化。普通粒子算法的速度更新公式与式（8）相同，位置更新公式为
X ”t +1 = X i , + R j,t +1
（11）
用 算法的 流 :
1） 输入故障恢复之后的系统网架结构、节点负荷水平和支路阻抗等数据。
2） 对粒子算法进行初始化，初始化内容包括种规模、最大迭代次数、学习因子和权重。
3） 对母联闭合型电网进行计算，得到发电机功率均衡率和供电负荷容量，并据此计算得到综合满意度 指标。
4） 根据式（8）和式（11）更新粒子的速度、位置*，"和P ），等参数。
5） 根据计算得到的全局最优解判断结果是否收敛。若收敛，则结束求解，同时将计算得到的供电负荷 恢复容量数据反馈给第一阶段算法；若不收敛，则重新进行计算。
2.3粒子的离散化处理
对于本文所述电网模型而言，为将算法应用到电网故障恢复中，需对连续的变量进行离散化处理*一10］。
根据式（11）得出对应的连续值，根据负载是否有备用供电线路和划分的区间，将连续的数值对应为不同的离 散值。
1） 有正常供电线路且有备用供电线路：（一1,0. 5）70,0. 51. 5］f 1,（1. 5,+i ）f 2。2） 有正常供电线路但无备用供电线路：（一1,0. 25）70,（0. 25,+1）71。
在进行离散化处理时，将连续值转换为离散值，离散值代表开关的切换，并将相应的切换动作转换为负 载供电状态：离散值为0，代表负载处于失电状态；离散值为1，代表负载处于正常供电状态；离散值为2，代 表负载处于备用供电状态。
3算例分析及对比
3.1算例设置
根据母联闭合型电网的系统架构图对其网络进行分解、抽象之后，可得到其电力系统网络拓扑结构。母
58上 海 船 舶 运 输 科 学 研 究 所 学 报
2021 1
联闭合型电网拓扑图见图2，其中：G1〜G8为8台连接主配电板的发电机组；L1〜L20为网络中的供电负 载；1〜52为52条供电支路。平台电力系统中各负载的容量和相应等级见表1o
(D ⑦I H
L2 L3 L20 L4 L5 L8备 备L7 L8 L5 L9 L10L13L12 L13L10L14L15L18备 备备 备图2母联闭合型电网拓扑图
L17L18L15L19L20备
L3
备
表1平台电力系统中各负载的容量和相应等级
负载
容量/
(kV ・ A "
吸湿剂等级负载
容量/
(kV ・ A "
等级
L13 3001L113 3001
dc资源
L2
100
3L12
200
3L3702
L131 0002
L4
320
3L14
120
3L54002L15900
2L63 3001
L163 3001
L7160
3L17240
3L8
6402
L18
1 0002
L92203L19180
3L10
680
2
L20
600
2
本文所述算例设定支路13、支路31、支路49和支路50等4条供电线路发生故障，模拟故障导致的孤岛
运行情况。采用MATLAB 语言编写故障恢复算法，对设置的故障情形进行模拟仿真；为对比采用不同算法 得到的优化结果，输入相同的仿真参数，对该算法与混沌遗传算法和免疫克隆选择算法进行模拟仿真对比。
初始化参数设置：种规模N * = 100；最大迭代次数T ma x = 100；学习因子C 1 =C 2=2；权重系数a = 1,#= 0. 1 ,y =0. 01o
3.2算例仿真对比
根据本文建立的母联闭合型电力系统故障恢复模型，采用二进制粒子算法、混沌遗传算法和免疫克
隆 算法对上述模型进行故障恢复仿真3种算法的最优个体适应度变化情况见图3，故障恢复结果比较见表2o
图3 3种算法的最优个体适应度变化情况
由图3可知：3种算法均可收敛，其中：两段式二进制粒子算法和免疫克隆算法最终收敛结果的适应 度较高；混沌遗传算法最终收敛结果的适应度相对较低。两段式二进制粒子算法、混沌遗传算法和免疫克
隆算法最终的适应度分别为0.854 6、0. 753 9和0. 834 0 ，收敛到各自的最优解的迭代次数分别为7次、18 次和11次。通过比较可知，二进制粒子算法相比另外2种算法迭代次数最少，收敛速度最快
。
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