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一种3/2接线方式变电站开关电阻在线评估方法

摘要

本发明公开了一种3/2接线方式变电站开关设备电阻在线评估方法。该方法在CRIO平台上实现。利用CRIO平台上的电流采集卡获取不同时刻开关电流,根据基尔霍夫电压定律建立开关电阻和电流的不等式约束条件,并选取变电站中开关电阻的最大值作为目标函数,从而建立开关电阻的最优规划模型。采用遗传算法求解该最优规划模型。本发明能够有效解决3/2变电站中开关在线运行电阻评估的问题,及时发现变电站中的故障开关,结果具有明显的参数辨识效果。

著录项

法律信息

  • 法律状态公告日

    法律状态信息

    法律状态

  • 2017-10-13

    授权

    授权

  • 2016-01-13

    实质审查的生效 IPC(主分类):G01R27/02 申请日:20150902

    实质审查的生效

  • 2015-12-16

    公开

    公开

说明书

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接线方式变电站开关电阻在线 评估方法。

背景技术

在工程应用中,测量变电站开关电阻最常用的方法是直流电压降法和直流双臂电桥 法。直流电压降法是通过向开关通入100A以上的恒定大电流,测量开关两端的电压降, 根据欧姆定律计算出开关的接触电阻值。然而这种方法的弊端是长时间通过恒定大电流 容易使触头过度发热和加速氧化,从而引起接触电阻测量值的附加误差,而且通常使用 的大电流发生器体积和重量都比较大,不利于携带和现场测试使用。采用直流双臂电桥 法,即将开关设备接入直流双臂电桥中,调节变阻箱使电桥平衡,根据电路理论计算出 开关阻值。采用双臂电桥法,测量回路中通过的电流很微弱,无法消除触头上的氧化膜, 因此测量结果不够准确。

以上这些测量变电站中开关电阻的方法都是在离线的状态下测量的,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 开了一种基于实时电流量测建立基尔霍夫方程组,通过解方程组求解变电站开关阻值的 方法。该方法需要从大量的电流数据中筛选工况,计算量比较大,而且建立方程的过程 中忽略了瞬时电流相位等误差,计算结果不够精确

由上可知,现有技术当中尚无一种准确地评估3/2接线方式变电站开关设备阻值的 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接线方式变电站开关电阻在线评估方 法。

实现本发明目的的技术解决方案为:一种3/2接线方式变电站开关电阻在线评估方 法,包括以下步骤:

步骤1、构建3/2接线方式变电站的开关电阻不等式约束条件;

步骤2、建立开关电阻目标函数,得到3/2接线方式变电站开关电阻的最优规划模 型;

步骤3、采用遗传算法求解最优规划模型,得到变电站开关电阻的阻值。

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 方式变电站开关电阻,利用CRIO平台采集电流,硬件投入小;2)与求解方程组方法相 比,本方法无需筛选电流工况,计算量大大减少;3)使用本方法评估变电站开关电阻, 能够有效且实时的实现变电站开关设备的状态监测,为维护检修做好预期性准备,并对 变电站的安全运行保驾护航。

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接线方式变电站线路图。

图2是CRIO平台结构图。

图3是西津渡变电站线路图。

图4是实施例的计算结果图。

具体实施方式

本发明的3/2接线方式变电站开关电阻在线评估方法是在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。

一种3/2接线方式变电站开关电阻在线评估方法,包括以下步骤:

步骤1、构建3/2接线方式变电站的开关电阻不等式约束条件;具体为:

步骤1-1、假设3/2接线方式变电站中,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变电站的开关电阻方程组:

i1R1+i2R2+i3R3=i4R4+i5R5+i6R6i4R4+i5R5+i6R6=i7R7+i8R8+i9R9...i3m-5R3m-5+i3m-4R3m-4+i3m-3R3m-3=i3m-2R3m-2+i3m-1R3m-1+i3mR3m...i3m+2n-3R3m+2n-3+i3m+2n-2R3m+2n-2=i3m+2n-1R3m+2n-1+i3m+2nR3m+2n

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中变电站开 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,得到变电站开关 电阻的不等式方程组:

|(I1R1+I2R2+I3R3)-(I4R4+I5R5+I6R6)|α1|(I4R4+I5R5+I6R6)-(I7R7+I8R8+I9R9)|α2...|(I3m-5R3m-5+I3m-4R3m-4+I3m-3R3m-3)-(I3m-2R3m-2+I3m-1R3m-1+I3mR3m)|αm-1...|(I3m+2n-3R3m+2n-3+I3m+2n-2R3m+2n-2)-(I3m+2n-1R3m+2n-1+I3m+2nR3m+2n)|αm+n-1

式中,αl(l=1,2,…,m+n-1)表示支路l和支路l+1两端电压差的上限值;

步骤1-3、根据变电站一天中测量的N组电流工况 构建变电站开关电阻的不等式约束条件:

|(I1(1)R1+I2(1)R2+I3(1)R3)-(I4(1)R4+I5(1)R5+I6(1)R6)|α1(1)...|(I3m+2n-3(1)R3m+2n-3+I3m+2n-2(1)R3m+2n-2)-(I3m+2n-1(1)R3m+2n-1+I3m+2n(1)R3m+2n)|αm+n-1(1)|(I1(2)R1+I2(2)R2+I3(2)R3)-(I4(2)R4+I5(2)R5+I6(2)R6)|α1(2)...|(I3m+2n-3(2)R3m+2n-3+I3m+2n-2(2)R3m+2n-2)-(I3m+2n-1(2)R3m+2n-1+I3m+2n(2)R3m+2n)|αm+n-1(2)...|(I1(N)R1+I2(N)R2+I3(N)R3)-(I4(N)R4+I5(N)R5+I6(N)R6)|α1(N)...|(I3m+2n-3(N)R3m+2n-3+I3m+2n-2(N)R3m+2n-2)-(I3m+2n-1(N)R3m+2n-1+I3m+2n(N)R3m+2n)|αm+n-1(N)

上式中,表示变电站中在第j组电流工况下, 支路l和支路l+1两端电压差的上限值,其公式为:

αi(j)=K·max{|I3i-2(j)R3i-2+I3i-1(j)R3i-1+I3i(j)R3i|,|I3i+1(j)R3i+1+I3i+2(j)R3i+2+I3i+3(j)R3i+3|}

K为支路电压系数,优选为0.5。

步骤2、建立开关电阻目标函数,得到3/2接线方式变电站开关电阻的最优规划模 型;具体为:

构建开关阻值目标函数,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;

综合步骤1中的不等式约束和上述目标函数,得到开关电阻最优规划模型:

max(||[R1,R2,…,R3m+2n]T||)

st:

|(I1(1)R1+I2(1)R2+I3(1)R3)-(I4(1)R4+I5(1)R5+I6(1)R6)|α1(1)...|(I3m+2n-3(1)R3m+2n-3+I3m+2n-2(1)R3m+2n-2)-(I3m+2n-1(1)R3m+2n-1+I3m+2n(1)R3m+2n)|αm+n-1(1)|(I1(2)R1+I2(2)R2+I3(2)R3)-(I4(2)R4+I5(2)R5+I6(2)R6)|α1(2)...|(I3m+2n-3(2)R3m+2n-3+I3m+2n-2(2)R3m+2n-2)-(I3m+2n-1(2)R3m+2n-1+I3m+2n(2)R3m+2n)|αm+n-1(2)...|(I1(N)R1+I2(N)R2+I3(N)R3)-(I4(N)R4+I5(N)R5+I6(N)R6)|α1(N)...|(I3m+2n-3(N)R3m+2n-3+I3m+2n-2(N)R3m+2n-2)-(I3m+2n-1(N)R3m+2n-1+I3m+2n(N)R3m+2n)|αm+n-1(N)

步骤3、采用遗传算法求解最优规划模型,得到变电站开关电阻的阻值。具体为:

步骤3-1、产生群体规模为p的初始个体,p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优选为5,不考虑瞬时电流相位差, 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个初始个体,并令遗传次数k=0:

式中,下标q代表1~p个个体,rand是随机数,产生个体时,都需要代入不等式 约束条件中检验,如不满足条件则重新产生,直到有p个满足条件的个体为止;

步骤3-2、从p个个体中选择父代个体,具体为:

(1)计算每个个体的适应度fitscoreq(q=1,2,…,p),采用每个个体的最大分量作 为该个体的适应度,所用公式为:

fitscore1=max([R1,R2,...R3m+2n]1)fitscore2=max([R1,R2,...R3m+2n]2)...fitscorep=max([R1,R2,...R3m+2n]p)

(2)计算每个个体适应度所占的权重,采用累积计算,所用公式为:

ω1=fitscore1fitscore1+fitscore2+...+fitscorepω2=fitscore1+fitscore2fitscore1+fitscore2+...+fitscorepω3=fitscore1+fitscore2+fitscore3ftiscore1+fitscore2+...+fitscorep...ωp=fitscore1+fitscore2+...+fitscorepfitscore1+fitscore2+...+fitscorep

(3)产生p个0~1之间的随机数,并按从小到大排列,记作r1,r2,…rp,用这p个 随机数产生p个父代个体,首先将r1依次与ω1~ωp比较,找出第一个大于r1的适应度个 体ωx,选择ωx对应的个体作为第一个父代个体,然后将r2依次与ωx~ωp比较,找出第 一个大于r2的适应度个体ωy,选择ωy对应的个体作为第二个父代个体,依次类推,直 到产生第p个父代个体;用这p个父代个体替换步骤3-1中的p个初始个体;

步骤3-3、执行交叉操作,具体为

设置交叉概率pc,优选为0.9,将步骤3-2中的p个父代个体按相邻两个个体分为 一组,一共分成p/2组;产生p/2个随机数r′1,r′2,…r′p/2对应于1~p/2组,将r′1,r′2,…r′p/2分 别与交叉概率pc比较,找出小于pc的组号id_pc,对第id_pc组进行交叉操作,交叉操作 的公式为:

R1R2...R3m+2n2·id_pc-1=rand×R1R2...R3m+2n2·id_pc-1+(1-rand)×R1R2...R3m+2n2·id_pcR1R2...R3m+2n2·id_pc=(1-rand)×R1R2...R3m+2n2·id_pc-1+rand×R1R2...R3m+2n2·id_pc

将交叉操作得到的个体代入不等式约束条件中检验,如不满足条件则重新产生,直 到交叉操作得到的个体满足不等式约束条件为止,用交叉操作得到的个体替换步骤3-2 中对应的个体;

步骤3-4、执行变异操作,具体为:

设置变异概率pm,优选为0.1,产生p个0~1之间的随机数r″1,r″2,…r″p对应于p个个 体,将r″1,r″2,…r″p分别与变异概率pm比较,找出小于pm的个体id_pm,对第id_pm个个体 进行变异操作,变异操作的公式为:

R1R2...R3m+2nid_pm=R1R2...R3m+2nid_pm+0rand...rand

将变异操作得到的个体代入不等式约束条件中检验,如不满足条件则重新产生,直 到变异操作得到的个体满足不等式约束条件为止,用变异操作得到的个体替换步骤3-3 中对应的个体;

步骤3-5、令k=k+1,若k≤gen,gen的取值优选为50,则执行步骤3-2,否则, 结束操作,此时群体中的第一个个体就是开关电阻的值。

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接线方式变电站开关电阻在线评估方法,利用CRIO平台上 的电流采集卡获取不同时刻开关电流,根据基尔霍夫电压定律建立开关电阻和电流的不 等式约束条件,并选取变电站中开关电阻的最大值作为目标函数,从而建立开关电阻的 最优规划模型。以采用3/2接线方式的西津渡变电站为例,具体实施步骤如下:

步骤1,建立西津渡变电站开关电阻的不等式约束条件。西津渡变电站(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,在不同时刻下采集的流过各个开关的电流信息如表1所示:

表1:西津渡变电站电流信息表

I1I2I3I4I5I6I7I8I9工况1 634.06 137.18 -473.39 230.97 -297.55 -608.84 234.72 -256.19 536.22 工况2 754.74 164.12 -563.64 286.65 -363.75 -735.47 285.10 -305.91 642.29 工况3 749.33 67.30 -497.56 210.78 -316.56 -661.60 235.67 -298.51 578.45 工况4 806.93 26.46 -500.90 180.42 -305.91 -678.54 233.38 -308.80 573.44 工况5 877.43 3.21 -525.32 171.80 -314.53 -720.19 243.00 -329.05 596.84

开关阻值满足以下不等式约束约束条件:

|(I1(j)R1+I2(j)R2+I3(j)R3)-(I4(j)R4+I5(j)R5)|α1(j)|(I4(j)R4+I5(j)R5)-(I6(j)R6+I7(j)R7)|α2(j)|(I6(j)R6+I7(j)R7)-(I8(j)R8+I9(j)R9)|α3(j),(j=1,2,...,5)

其中,的计算公式如下:

α1(j)=12max{|I1(j)R1+I2(j)R2+I3(j)R3|,|I4(j)R4+I5(j)R5|}α2(j)=12max{|I4(j)R4+I5(j)R5|,|I6(j)R6+I7(j)R7|}α3(j)=12max{|I6(j)R6+I7(j)R7|,|I8(j)R8+I9(j)R9|},(j=1,2,...,5)

步骤2,建立开关电阻目标函数,得到3/2接线方式变电站开关电阻的最优规划模 型;

开关阻值的目标函数由下式确定:

max(||[R1,R2,…,R9]T||)

其最优规划模型为

max(||[R1,R2,…,R9]T||)

st:

|(I1(j)R1+I2(j)R2+I3(j)R3)-(I4(j)R4+I5(j)R5)|α1(j)|(I4(j)R4+I5(j)R5)-(I6(j)R6+I7(j)R7)|α2(j)|(I6(j)R6+I7(j)R7)-(I8(j)R8+I9(j)R9)|α3(j),(j=1,2,...,5)

步骤3、采用遗传算法求解最优规划模型,得到变电站开关电阻的阻值。

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:

137.18-473.39-230.97297.550000137.18-473.3900608.84-234.7200137.18-473.390000256.19-536.22164.12-563.64-286.65363.750000164.12-563.6400735.47-285.1000164.12-563.640000305.91-642.2967.30-497.56-210.78316.56000067.30-497.5600661.60-235.670067.30-497.560000298.51-578.4526.46-500.90-180.42305.91000026.46-500.9000678.54-233.380026.46-500.900000308.80-573.443.21-525.32-171.80314.5300003.21-525.3200720.19-243.00003.21-525.320000329.05-596.84x2x3x4x5x6x7x8x9-634.06-634.06-634.06-754.74-754.74-754.74-749.33-749.33-749.33-806.93-806.93-806.93-877.43-877.43-877.43

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个初始个体,如表3所示:

表3:遗传算法20个初始个体

个体 R1R2R3R4R5R6R7R8R91 1 2.5 2.8 3 3.5 2.5 5 4.5 1.5 2 1 2.10 2.14 2.61 2.26 2.69 6.74 5.7 2.65 3 1 2.58 2.98 3.44 4.11 2.06 3.40 2.41 0.25

4 1 2.64 2.03 2.04 1.56 1.20 3.06 4.38 2.14 5 1 2.9 1.57 2.9 1.3 1.89 6.13 5.35 3.12 6 1 2.75 2.96 2.88 3.63 2.06 3.51 2.76 0.49 7 1 2.77 2.57 2.89 2.92 2.24 5.03 3.01 1.05 8 1 1.9 2.41 2.05 2.33 1.57 3.11 3.36 1.17 9 1 1.59 2.22 1.57 1.9 1.71 3.53 3.89 1.51 10 1 2.44 3.23 3.36 4.52 3.32 6.33 5.54 1.64 11 1 2.27 2.59 3.26 3.41 3.06 6.76 4.65 1.7 12 1 1.92 3.17 2.58 4.07 2.33 3.46 4.02 0.82 13 1 1.9 3.04 1.66 3.02 2.06 3.12 2.22 0.06 14 1 2.81 2.74 4.25 4.2 3.32 7.41 5.91 2.25 15 1 2.67 2.73 3.4 3.73 3.14 6.71 5.14 1.82 16 1 1.7 2.2 1.88 1.99 1.91 4.4 4.45 1.94 17 1 2.48 1.93 2.23 1.5 2.28 6.22 6 3.02 18 1 2.82 2.33 3.43 3.03 2.61 6.27 4.34 1.88 19 1 3.03 3.21 3.38 4.23 3.07 5.92 6.71 2.36 20 1 3.56 3.11 4.75 4.89 3.05 6.27 5.33 1.86

由这20个初始个体,按照前文所述方法,经过50次遗传进化后,20个个体的值 如表4所示:

表4:经过50次遗传进化后的20个个体

个体 R1R2R3R4R5R6R7R8R91 1 2.66 2.76 3.38 3.75 3.03 6.39 4.94 1.71 2 1 2.64 2.73 3.36 3.72 3.01 6.36 4.92 1.69 3 1 2.63 2.73 3.36 3.72 3 6.36 4.91 1.68 4 1 2.63 2.73 3.36 3.72 3 6.36 4.91 1.68 5 1 2.63 2.73 3.36 3.72 3 6.36 4.91 1.68 6 1 2.63 2.73 3.36 3.72 3 6.36 4.91 1.68 7 1 2.69 2.77 3.39 3.75 3.04 6.39 4.95 1.72 8 1 2.63 2.73 3.36 3.72 3 6.36 4.91 1.68 9 1 2.63 2.73 3.36 3.72 3 6.36 4.91 1.68 10 1 2.63 2.73 3.36 3.72 3 6.36 4.91 1.68 11 1 2.63 2.73 3.36 3.72 3 6.36 4.91 1.68 12 1 2.64 2.74 3.36 3.73 3.01 6.37 4.92 1.69 13 1 2.64 2.74 3.36 3.73 3.01 6.37 4.92 1.69 14 1 2.64 2.74 3.36 3.73 3.01 6.37 4.92 1.69 15 1 2.64 2.74 3.36 3.73 3.01 6.37 4.92 1.69 16 1 2.64 2.74 3.36 3.73 3.01 6.37 4.92 1.69 17 1 2.63 2.73 3.35 3.72 3 6.36 4.91 1.68 18 1 2.63 2.73 3.35 3.72 3 6.36 4.91 1.68 19 1 2.63 2.73 3.35 3.72 3 6.36 4.91 1.68

20 1 2.63 2.73 3.35 3.72 3 6.36 4.91 1.68

由上表可知,最优个体1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:西津渡变电站开关阻值

R1R2R3R4R5R6R7R8R9阻值 1 2.66 2.76 3.38 3.75 3.03 6.39 4.94 1.71

由上可知,本发明的方法能够有效地计算3/2接线方式变电站开关电阻,且本方法 仅需变电站中的电流数据,硬件要求低。

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