基于ABC的分布式电源配电网自适应保护整定方案

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报3（2016）320基于ABC的含分布式电源配电网自适应保护整定方案上午Ibrahima， J. El-Khattama， M. ElMesallamyb， H.A. 塔拉特河埃及Ain Shams大学工程学院abABB，埃及接收日期：2015年10月13日;接受日期：2015年11月5日2016年8月2日在线发布摘要针对分布式电源（DG）冲击下互联电网中DOCR的最优协调问题，提出了一种自适应保护协调方案，采用人工蜂群（ABC）协调技术该方案适应系统的变化，新的继电器设置获得发电机级或系统拓扑结构的变化。所开发的自适应计划适用于IEEE 30节点测试系统的单和多DG的存在，结果显示和讨论。© 2016 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：自适应保护;人工蜂群;方向过流保护;配电网发电;优化配合1. 介绍电力系统在运行过程中可能会发生多种故障，这些故障可能会损坏连接到该系统的设备，因此设计可靠的保护系统的重要性就产生了。为了实现这种可靠性，在主保护发生任何故障的情况下提供备用保护方案。备用方案不应运行，除非主保护未能采取适当的行动，这意味着它应在称为协调时间间隔（CTI）的一定时间延迟后运行，使主保护有机会上述情况导致了继电保护协调的制定，其中包括选择每个继电器的适当设置，以便在继电保护的理想质量下满足其基本保护功能，即灵敏度，选择性，可靠性和速度（Anderson，1999）。然而，将DG引入电力系统领域改变了现有的保护方案。虽然分布式发电在系统设计和运行方面有很多优点（Griffin，2000），但它也有负面影响，其中之一就是*通讯作者。电子邮件地址：amrmohamedhassan@yahoo.com（A.M. Ibrahim），walid el khattam@hotmail.com（W. El-Khattam），mostafa eg21@hotmail.com（M. ElMesallamy），hossam talaat@eng.asu.edu.eg（H.A. Talaat）。电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2015.11.0122314-7172/© 2016电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。上午Ibrahim等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）320321影响是其对系统保护的影响，特别是对现有继电协调造成的干扰（Girgis和Brahma，2001年）。这种扰动是由系统的功率流（正常运行下）和短路电流（故障条件下）的值和方向的变化引起的（Barker和de Mello，2000年）。分布式发电的影响取决于分布式发电的规模、位置、技术类型以及与电力系统互连的方法（Brahma和Girgis，2004年）。由于这些影响，必须检查所有保护继电器的设置，以确保没有发生在系统中的不协调，如果有，最佳的保护继电器的设置必须确定和重新设置，这些导致自适应保护方案的引入。可以用来获得最佳设置的技术之一是ABC;这是在Karaboga和Busturk（2007）中引入的，其动机是蜜蜂的智能行为ABC作为一种优化工具，提供了一种基于种群的搜索过程，其中人工蜜蜂随着时间的推移而修改被称为食物位置的个体，并且蜜蜂的目标是发现具有高花蜜量的食物源的位置，并且最终选择具有最高花蜜的食物2. 协调问题公式化DOCR协调问题可以用公式表示为优化问题，其中要最小化的目标函数是在其时间拨号设置TDS中连接到系统功能的继电器的操作时间之和（Urdaneta等人，1988年）。上述问题可以用数学公式表示为：（1）第一章：第一章：其中Tij是主继电器i对于故障j的操作时间。在这项工作中，使用以下公式近似表示OCR特性（IEC 60255 -3）：TDST=K1MK2+K3（2）哪里我M=IP（3）I是继电器电流，Ip是继电器协调问题受到以下约束（Urdaneta等人， 1988年）：1) 协调标准：为了实现可靠的保护系统，主保护必须由另一个保护方案支持这两个保护方案应相互协调，即，预定义的CTI在备份方案生效之前失效该CTI取决于继电器的类型（基于机电或微处理器）、断路器的速度和其他系统参数。T备份−T主≥CTI（4）2) 继电整定界限：DOCR协调研究的主要目标是计算其TDS和IP。TDSimin≤ TDSi≤ TDSimax（5）IPimin ≤IPi≤IPimax（6）322上午Ibrahim等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）320Σ⎧⎨⎩在本文中，协调问题是作为一个线性优化问题，即，ABC是用来解决协调的问题，寻找TDS的继电器为一个给定的IP此外，应该清楚的是，ABC能够解决线性和非线性优化问题。3. 人工蜂群ABC人工蜂群算法（KarabogaandBusturk，2007）被提出用于求解数值优化问题，Uthitsunthorn等人（2012）将其用于继电保护协调。ABC在ElMesallamy（2014）的DOCR协调中取得了很好的结果。人工蜂群包含三组蜜蜂：受雇蜜蜂和失业蜜蜂：旁观者和侦察员。蜂群的前半部分由人工蜜蜂组成，后半部分由人工旁观者组成。被雇佣的蜜蜂，其食物来源已经耗尽，成为一个侦察蜂。食物源的位置表示优化问题的可能解决方案，并且食物源的花蜜量对应于相关联的解决方案的质量或适合度被雇用的蜜蜂的数量等于食物来源的数量，每个食物来源也代表一个地点，目前正在开发或人口中的解决方案的数量在人工蜜蜂算法中3.1. 初始阶段在初始阶段，通过以下公式随机创建群Xij=Xminj+rand（0，1）。Xmaxj−Xminj（7）3.2. 蜜蜂阶段每只被雇用的蜜蜂确定代表一个地点的食物来源每只被雇佣的蜜蜂与在蜂巢中等待的旁观者分享其食物源信息，然后每只觅食者根据从被雇佣的蜜蜂获取的信息选择食物源地点为了模拟在跳舞区域中被雇佣的蜜蜂的信息共享，使用以下等式通过其适应度值来计算解的概率值适应度值可以使用上述定义来计算，如在等式（1）中所表示的。（八）、菲蒂（八）Pfi=nj=1菲蒂fiti=1a+fifi≥0（九）1+abs（fi）fi03.3. 围观蜜蜂相通过使用基于适应度的选择技术，例如轮盘赌轮选择方法，将旁观者放置到食物源站点上。3.4. 侦察蜂阶段每一个蜂群都有侦察兵，他们是蜂群探险者在寻找食物时没有任何指导在人工蜜蜂的情况下，人工侦察员可能会快速发现可行解组在搜索算法中，选择食物源花蜜已经耗尽或食物源的盈利能力下降到一定阈值水平以下的人工受雇蜜蜂，并将其分类为人工侦察蜂。分类由“放弃标准”或“限制”控制如果一个代表食物源位置的解决方案直到预定次数的试验才得到改善，那么这个解决方案就会被它所爱的蜜蜂抛弃，而被雇佣的蜜蜂就变成了侦察蜂。上午Ibrahim等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）320323−Fig. 1. IEEE 30总线系统。4. 与总干事IEEE 30总线测试用例代表了1961年12月（华盛顿大学西雅图分校，2006年）美国电力系统（美国中西部）的一部分。但由于本文的主要目标是解决分布式电源的影响的配电级，因此仅考虑配电级（33 kV）部分 IEEE 30总线测试系统的改进网络如图所示。 1;它有22个配电级总线和29个继电器（El-Khattam和Sidhu，2008），其中系统建模时使用了所有详细参数。该系统由三个主配电变电站（132/33 kV）在母线10、12和27处供电每个主配电馈线由两个方向过电流继电器保护假设系统模型有29个现有的方向过电流继电器。假设所有继电器都是相同的，并且具有由等式表示的正常逆继电器曲线。（2）K1、K2和K3的常数分别为0.14、1和0.02（IEC 60255-3 A型）。Ips被设置为满负载电流的1.75倍，对于每个备用-主继电器对，CTI被假定为0.3 s。假设两个候选DG位置，它们是变电站总线12和负载总线19。根据环境和燃料可用性限制选择DG位置（El-Khattam和Sidhu，2008年）。所选DG技术为同步型，容量为10 MVA，标称运行滞后功率因数为0.9，基于其容量的瞬态电抗（El-Khattam和Sidhu，2008年）。DG实际上通过假定具有10 MVA容量和0.05p.u的Transformer连接到变电站总线。基于其容量的电抗通过两个算例分析了DG对继电保护整定值的影响以及可能出现的误配合。1) 情况A：这是具有完善的继电器协调的基本情况，其中系统中没有DG2) 案例B：DG加入到系统中，发生继电器不配合。案件A. 原系统的继电器协调。这种情况被认为是一个基本系统的情况下，没有DG评估最佳的继电器设置。ABC用于寻找系统的最优TDS。开发了一个MatLab程序来计算该系统的短路和潮流，在每个继电器的近端施加3个故障（近端故障），还使用另一个MatLab程序来模拟ABC技术，ABC收敛到最优解如图2所示。结果样本见表1-3。B案在 这种情况下，系统在其区域内经历DG操作。DG的存在将改变整个系统的正常潮流以及短路电流，这不仅限于DG连接的母线。将在母线12处添加（10 MVA）DG，然后在母线19处添加，最后在母线12和19处同时添加;由于324上午Ibrahim等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）320表1A情况下的继电器电流、故障电流和IP样本。中继短路（A）负载电流（A）皮卡（A）初级16352111.97195备份19658118.4420723363109.7191初级57003134.7235备份91065312.46546121164150.11262表2不带DG的改进型30节点系统的TDS值号继电器TDS1 0.39912 0.27863 0.19094 0.3475 0.16 0.2417 0.37058 0.19 0.10310 0.311711 0.230912 0.21113 0.329614 0.290415 0.239416 0.167317 0.252818 0.26519 0.179520 0.121 0.122 0.278823 0.124 0.255325 0.263526 0.14927 0.128 0.129 0.1表3案例A中ABC获得的主、备继电器动作时间及其CTI的样本。中继器对ABCT原发性T备份CTI（s）1,190.781.080.301,230.781.090.329,160.420.750.329,220.420.950.52上午Ibrahim等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）32032535302520151050200300400500600700800900100011001200迭代次数图二. ABC收敛到无DG的最优解。DG的存在导致一个继电器发生误配合。 图图3示出了在母线12处添加DG之前和之后的样本继电器对的CTI，发现当在母线12处添加DG时，18个继电器对小于0.3s，当在母线19处添加DG时，22个继电器对，以及当在母线12和19处都添加DG时，24个继电器对。为了评估新的最优继电保护设置，必须重新进行新的继电保护协调，使用ABC技术来找到系统的最优TDS。表4和表5分别显示了新TDS设置的样本和所有场景的三相故障电流样本。图图4示出了在总线12处具有/不具有DG并且在再次进行协调之后的样本继电器对的CTI。5. 自适应协调方案从上一节中可以看出，自适应保护的重要性，因为每次在网络中安装DG时，都必须进行协调研究，正如在Werkran等人中提出的那样。（2014年）。本文中所使用的自适应方案与ABB微电网（2012）中的方案类似，但其对于放置在IEEE 30总线系统的总线12和19正常协调的步骤如前一节所述简单地执行，仅考虑四种操作模式：图三.在总线12处不添加DG/添加DG的情况下，示例继电器对的CTI。最佳解决方案发现时间（秒）326上午Ibrahim等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）320表4添加ABC获得的DG后的TDS设置值示例。中继TDS（总线12处的DG）TDS（DG at bus 19）TDS（DG at bus 1219）初级10.430.480.45备份190.200.260.24230.110.120.19初级50.10.10.1备份90.10.150.14120.220.290.25表5在所有情况下，一次继电器的三相近端故障电流（单位：安培）。号继电器故障电流（无DG）故障电流（12母线处的DG）故障电流（DG在母线19处）故障电流（DG在母线12和19处）1635265846921713826804709969677252369067241750278184709974497707803857003787673608282模式一：无危险品模式II：DG at bus 12模式III：DG at bus 19模式四：12号和19号5.1. 自适应保护方案5.1.1. 变电站主计算机上位机是该方案的主要组成部分，它通过通信模块与系统中的所有继电器进行通信，为每个继电器选择正确的设置，并且上位机还监视系统的任何拓扑变化。见图4。在总线12处和协调之后，不添加/添加DG的样本继电器对的CTI。上午Ibrahim等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）3203275.1.2. 微处理器继电器按照指示，阅读信息，与外界交流，存储设置并在它们之间切换。基于微处理器的继电器固件应评估是否需要应用更新的固件。 虽然许多固件更新可能对继电保护功能并不重要，但应优先考虑纠正关键保护功能的更新固件（北美电力可靠性公司NERC，2013年）。5.1.3. 通信设施大规模自适应保护的一个重要组成部分是变电站计算机和继电保护之间 IEC和IEEE具有数字继电器的标准通信协议，所有继电器制造商都应采用该协议，以促进数字继电器更先进功能的使用和安全性，通信可以通过互联网进行（Zachary Zaremski，2012）。5.2. 拟议的自适应保护方案1. 主变电站计算机定期检查连接到总线12和19的DG的状态以检测当前模式，并选择保存在数字继电器上的正确设置，该数字继电器可以具有多达六组设置。2. 与微处理器继电器和DG的通信可以通过GSM使用连接到主变电站计算机的通信3. 如果由于任何意外情况导致通信失败，则必须设置，以保持保护方案的最低可靠性。组设置编号（5）被分配给通信故障模式。4. 只有5个设置存储在继电器中，而其余组是备用的。设置1：模式I无DG设置2：模式II 12总线设置3：19设置4：总线12和19处的模式IV DG设置5：通信故障设置6：备用图5示出了所提出的自适应保护方案6. DG负载效应不同的DG负载将影响继电器电流，这将需要继电器拾取电流Ip的新设置。在本节中，考虑了DG负载，对DG负载（40、60、80和100%）进行了完整的潮流研究。必须提到的是，从实用的角度来看（康明斯发电白皮书，2007年）;负载高达30%的DG容量被忽略，以保护同步DG发动机免受损坏。四种工作模式如表6所示。模式I：加载条件1，无DG。模式二：2 ~ 5负荷工况，DG在12母线。模式三：6 - 9的负荷工况，DG在19母线。模式IV：10至25的负载条件，DG在12和19母线结果发现，在不同的负载条件下，在40，60和80%的DG容量的一些继电器电流超过IP基于100% DG负载，这可能会导致错误的跳闸，如果采用100% DG负载的设置。系统的安全性将受到威胁。表7示出了这些条件的示例，因为在DG负载的40%、60%和80%处的环绕继电器电流超过基于100%DG负载的Ip电流 图 6表示可能的继电器误跳闸次数。自适应保护方案的建议最佳设置将存储在继电器中- 为了解决针对所有负载条件的所描述的问题，基于最大继电器电流来设置拾取电流，该最大继电器电流可以在DG的不同负载下针对每种模式乘以1.5而通过。328上午Ibrahim等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）320图五.提出自适应保护方案。表612号和19号母线DG的不同负载条件。模式加载条件12号母线上的DG负载占其容量19号母线上的DG负载占其容量模式I100模式2400II3600480051000模式6040III7060808090100模式104040IV11406012408013401001460401560601660801760100188040198060208080218010022100402310060241008025100100上午Ibrahim等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）320329表7安全检查：19母线上的模式III DG，负载条件为6、7、8和9，Ip电流基于100%负载。- 对于通信故障模式;该设置基于Ip等于所有模式下所有条件下可能通过的最大继电器负载电流的1.5倍。- TDS优化中采用的主、备继电器短路电流取为四种模式中的最大短路电流，以保证保护方案的选择性。- 五组的DOCR330上午Ibrahim等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）3206543210见图6。 安全检查表8DOCR号继电器Ip（A）模式设置1模式设置2模式设置3模式设置4模式设置515.14.04.64.34.624.73.93.03.04.134.53.93.93.93.944.33.73.73.73.754.03.53.33.43.564.64.33.74.04.373.93.93.23.93.985.15.23.64.45.294.64.33.74.04.3104.64.52.93.54.5114.34.24.04.54.5123.93.93.23.93.9135.87.04.86.77.0145.87.04.86.77.0155.14.04.64.34.6164.64.52.93.54.5174.34.81.82.84.8184.34.81.82.84.8195.44.43.13.04.6204.53.93.93.93.9213.73.43.13.33.4223.33.93.54.54.5234.73.94.24.14.2243.12.42.42.32.6253.73.02.92.83.2265.44.74.74.74.7274.84.14.14.14.1285.74.94.94.94.9293.63.13.13.13.1可能的继电器误跳次数条件1条件2 条 件 3 条件 4 条 件 5条件 6条件7 条 件 8 条件 9条件 10条件11条件12条件13条件14条件15条件16条件17条件18条件19条件20条件21条件22条件23条件24条件25上午Ibrahim等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）320331表9DOCR号继电器TDS（s）模式设置1模式设置2模式设置3模式设置4模式设置510.400.410.440.440.4720.280.260.370.310.4030.190.120.140.150.1440.350.300.260.390.3850.100.100.100.100.1060.240.260.330.310.3370.370.320.390.380.4680.100.100.100.100.1090.100.100.160.140.16100.310.340.440.400.44110.230.200.290.260.27120.210.210.310.270.27130.330.260.330.320.39140.290.300.370.320.36150.240.210.270.290.31160.170.170.310.190.32170.250.300.430.350.37180.270.250.380.260.38190.180.220.360.300.32200.100.100.100.100.10210.100.100.100.100.10220.280.270.240.410.41230.100.100.230.210.23240.260.210.230.170.17250.260.210.290.320.33260.150.100.100.100.10270.100.100.100.100.10280.100.100.100.100.10290.100.100.100.100.107. 结论ABC是一种通用的算法，可以用于线性和非线性优化问题。它具有很强的解决高约束协调问题的能力仿真结果表明，ABC算法能够成功地收敛到可行的最优设置。结果表明，随着DG容量和台数的变化，继电保护误动的几率增大，这就需要对DOCR进行新的整定，采用自适应协调是解决这一问题的一种可能的所提出的自适应方案是适用的，并有效地为现有的配电系统，最近安装DG，以获得他们的利益，保护系统遵循网络拓扑结构的变化和连接的DG到系统和预先计算的设置组之间的切换基于DG的实际操作状态使用标准的通信和可编程逻辑，这种自适应保护可以增加本地发电的可用性和减少停电时间为客户，而不需要改变现有的硬件，这导致增加系统的选择性和安全性。引用ABB微电网：用于微电网的智能电网自适应保护方案的构建块：在第三届IEEE PES ISGT欧洲会议上发表，德国柏林，10月14日安德森，下午，1999年 电力系统保护。 IEEE出版社，McGraw-Hill，Piscataway，NJ。Barker，P.P.，de Mello，R.W.，2000. 确定分布式发电对电力系统的影响：第1部分：径向配电系统。IEEETrans. 电力熟食店v. 15（April），486-493.332上午Ibrahim等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）320Brahma，S.M.，吉吉斯，匿名戒酒会，2004年分布式电源高穿透率配电系统自适应保护方案的研究。IEEETrans. 电力熟食店v. 19（January（1）），56-63.Mr. Reichran，M.，Ravindra kumar，S.，Somasundaram，P.，2014. 分布式发电配电系统的智能自适应过流保护。Int.J.Adv. 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