采用小电阻治理地磁暴电网灾害的优化方法

技术领域

本发明涉及电网安全与灾害防治领域，尤其涉及采用小电阻治理地磁暴电网灾害的优化方法。

背景技术

太阳风冲击地球产生的地磁暴诱发过魁北克电网大停电以及北欧、北美和南非等大量的变压器损毁事故。其中，北欧、北美高磁纬地区由于地磁暴的地磁扰动相对大，所以受其影响更为严重。地磁暴在230kV电网产生的地磁感应电流(GIC)很大，在变压器中性点串电阻治理GIC不仅需要巨大的投资，而且会改变电网GIC分布和衍生新的GIC事故高风险站点，所以不提倡在中性点治理GIC。

我国地磁维度相对低，相同地磁暴的地磁扰动小，220kV及以下电网发生GIC事故的概率小，因此我国电网的GIC治理需求主要集中在1000kV、750kV和采用大截面导线的500kV电网。随着超特高压的发展，大电网导线电阻越来越小，地磁暴在电网产生的GIC越来越大。较大的0.0001～0.01Hz的GIC流经变压器会造成变压器铁芯的直流偏磁饱和，变压器铁芯饱和次生的谐波、无功损耗等有害干扰可能损毁变压器，进而威胁电网的安全运行。

针对在变压器中性点串接电阻的治理方案，本发明提出了基于改进NSGA-II算法的地磁暴电网灾害治理方案的优化方法，以治理后全网的GIC和治理电阻最小为目标，实现对地磁暴电网灾害治理方案的优化，以提高电网运行的可靠性和治理的经济性。

发明内容

本发明的目的是提出一种采用小电阻治理地磁暴电网灾害的优化方法，其特征在于，包括电网GIC理论计算，构建GIC治理优化模型、目标函数和约束条件，采用改进NSGA-II算法优化计算，以及通过模糊隶属度评价获得优化；具体实现步骤如下：

步骤A：根据大地电性及其构造的数据和资料以及典型地磁暴的地磁扰动和电网的数据和资料，建立大地和电网模型来计算GIC；

步骤B：以变压器中性点GIC最小和治理电阻总阻值最小为优化目标，考虑GIC侵害变压器次生的GIC无功扰动Q

步骤C：采用改进NSGA-II算法和基于模糊隶属度评价的GIC治理方案优化计算方法，获得治理效果最好和投资最小的治理方案；

步骤D：对理论计算的电阻治理最优方案做标准化工程处理，提出治理工程应用方案，比较评价工程方案治理前后的效果。

所述步骤B中的双层模型包括电阻规划层模型和安全校验层模型。

所述电阻规划层模型的目标函数包括：

目标函数DM1：以在任意方向地电场下流过变压器中性点最大GICI

min f

式中，A

A＝max|I

I

式中，M表示变压器的个数，j表示第j个变压器；

目标函数DM2：以变压器中性点装设的电阻的总值最小为目标，

式中，R

目标函数DM3：以全网电压波动总值最小为目标，

式中，Δu

电阻规划层模型的约束条件包括：

约束条件DY1：设定流过变压器GIC最大值的约束为

约束条件DY2：设定流过电网中所有变压器GIC均值的约束为

约束条件DY3：设定中性点串接电阻的约束为

所述安全校验层模型的目标函数为：

目标函数AM：以全网电压越限最小为目标，

式中：u

安全校验层模型的约束条件包括：

约束条件AY1：等约束条件为

在上述无功潮流平衡方程Q

Q

其中，Q

约束条件AY2：不等约束条件为

式中：Q

所述步骤C还包括：

步骤C1：约束竞标赛选择

用违反约束度R

其中，m表示所设约束条件的数量，g

约束竞标赛准则如下：

(A)优先选择可行解，排除不可行解；

(B)优先选择离可行域较近，即R

(C)优先选择离Pareto前沿较近的解；

(D)对不可行解，准则(B)优于准则(C)；

约束竞标赛选择时需要确定个体的优先等级，确定步骤如下：

a)将全部个体根据上述两个目标函数进行Pareto排序定级，R

b)考虑约束条件后得到的个体总等级R

个体等级确定须满足确定的约束竞标赛准则；

根据步骤b)得到个体的总等级大小判断个体是否为可行解，若R

步骤C2：改进精英策略

具体步骤如下：

(a)将生成的父代P和子代P‘的全部个体合为一个总体数为2N的种群Q；

(b)按上述约束竞标赛准则将Q的每个个体按Pareto等级进行排序分级；

(c)在每个非劣前沿等级中选择该等级个体数减1的个体，若存在具有相同序值的个体，则通过计算个体拥挤度，选择拥挤度较大的个体，直到个体数达到N；

步骤C3：模糊隶属度评价

在计算得到Pareto最优解集的此基础上，利用模糊集理论以确定最优解，个体的模糊隶属度值表达式为

式中：f

将具有最大h值的个体作为最优的GIC治理方案。

本发明的有益效果在于：

1、基于Q

2、仿真分析和实际应用结果表明，构建的电阻规划模型和安全校验模型，以及采用改进NSGA-II算法和基于模糊隶属度评价的电网GIC治理方案优化方法，其收敛性和应用性良好。

3、电网GIC的科学有效治理是个难题，结合我国地处中低纬、地磁暴地磁扰动相对小的特点，提出的采用小电阻治理地磁暴电网灾害的优化方法，可有效解决GIC治理中的地磁暴GIC事故高风险厂站站点的转移问题，对我国GIC治理意义重大。

附图说明

图1为电阻治理GIC的4节点等效电路；

图2为电网GIC治理优化双层模型示意图；

图3为改进NSGA-II算法迭代变压器中性点I

图4为改进NSGA-II算法迭代全网电压波动总和∑Δu收敛图；

图5为电网GIC治理方案优化程序流程图；

图6为电网GIC最优治理方案各站点电压治理前后结果对比图。

具体实施方式

本发明提出一种采用小电阻治理地磁暴电网灾害的优化方法，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

治理电网GIC的4节点等效电路如图1所示。U

考虑地磁暴地电场方向不确定特征和国际常用规定，设任意方向各厂站变压器中性点GIC最大值和1分钟平均最大值为：

A＝max|I

I

I

式中，A

1、GIC治理优化的双层模型

为实现变压器中性点GIC最小和治理电阻总阻值最小的优化目标，考虑GIC侵害变压器次生的GIC无功扰动(Q

(1)电阻规划层模型

(a)目标函数

以在任意方向地电场下流过变压器中性点的I

min f

式中：A

为使用较少的治理设备和较小的阻值治理电网GIC。以变压器中性点装设的电阻的总值最小为目标：

式中，R

以全网电压波动总值最小为目标：

式中，Δu

式(3)～(5)构成电阻规划层模型的目标函数。

(b)约束条件

考虑需治理GIC电网导线截面大、线路长，借鉴魁北克电网大停电案例，参照《高压直流接地极技术导则》变压器中性点偏磁电流不宜过大的安全要求，设定流过变压器中性点最大GIC的约束为：

为降低全网的GIC和达到均摊治理效果，设定流过电网中所有变压器GIC均值的约束为：

依据《交流电气装置的接地》的要求，为保证变压器接地及治理装置接地的可靠性，设定中性点串接电阻的约束为：

式(6)～(8)构成电阻规划层模型的约束条件。

(2)安全校验层模型

(a)目标函数

以全网电压越限最小为目标：

式中：u

(b)约束条件

计算各节点的电压分布，基于潮流方程的等约束条件：

在上述无功潮流平衡方程Q

Q

式中，Q

不等约束条件：

式中：Q

2、GIC治理优化的计算方法

在上述模型基础上，采用改进NSGA-II算法优化计算电网GIC的治理方案，计算方法采用的技术如下：

(1)约束竞标赛选择

用违反约束度R

其中，m表示所设约束条件的数量，g

约束竞标赛准则如下：

(a)优先选择可行解，排除不可行解；

(b)优先选择离可行域较近(即R

(c)优先选择离Pareto前沿较近的解；

(d)对不可行解，准则(b)优于准则(c)。

约束竞标赛选择时需要确定个体的优先等级，确定步骤如下：

(a)将全部个体根据上述两个目标函数进行Pareto排序定级，R

(b)考虑约束条件后得到的个体总等级R

个体等级确定须满足确定的约束竞标赛准则。

根据式(15)得到个体的总等级大小判断个体是否为可行解，若R

(2)改进的精英策略

改进精英策略具体步骤如下：

(a)将生成的父代P和子代P‘的全部个体合为一个总体数为2N的种群Q；

(b)按上述约束竞标赛准则将Q的每个个体按Pareto等级进行排序分级；

(c)在每个非劣前沿等级中选择该等级个体数减1的个体，若存在具有相同序值的个体，则通过计算个体拥挤度，选择拥挤度较大的个体，直到个体数达到N。

(3)模糊隶属度评价

在计算得到Pareto最优解集的此基础上，利用模糊集理论以确定最优解，个体的模糊隶属度值表达式为

式中：f

将具有最大h值的个体作为最优的GIC治理方案。

归纳、整理本发明实施方法的上述模型和计算方法，编制电网GIC治理优化程序流程图如图5所示。

3、GIC治理方案的优化效果

根据某省级500/220kV电网，1989年3月13日地磁暴地磁扰动资料，以及图5编写优化程序，完成了GIC计算和GIC治理优化。得到GIC和电压波动的结果如图3和图4所示。

由图3和图4可见，迭代次数达100次时可获得全局最优解，变压器中性点I

电网得GIC治理方案的Pareto最优解集如表1所示。表1中的Pareto解集1治理方案的最优解，该方案在500/220kV变压器的中性点共串接23个电阻，总值为35.641Ω。治理后500/220kV侧的I

表1电阻GIC治理方案的Pareto最优解集

对理论计算最优方案的治理电阻做规范化处理，得到的工程方案治理前后电压结果如图6所示。可见，采用理论计算获得的工程方案治理后，科尔沁站的GIC幅值由120A降到50A以下，220kV站GIC幅值降低到20A以下，治理的效果明显，其它站点GIC幅值差距不大，实现了均摊GIC的治理效果。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。