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基于粒子群算法的输电线路参数辨识

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。毒l_蠢誊i 誊 l| I 。 笏秀与分 YAN JIU YU FEN 基季粒子群算法的输电线路参数辩识 赵 菲,焦彦军 (华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室,河北保定071003) 摘要:为了确保电力系统建模的精确性和安全稳定分析的可靠性,进行输电线路参数辨识测试是1项重要的工 作。粒子群算法是近几年来迅速发展起来并得到广泛应用的1种新型模拟进化优化算法。在简要介绍粒子群算法 的基础上,将其应用于输电线路的参数辨识,并给出了参数辨识过程的理论分析,算例表明该算法具有可行性和 有效性,对电力系统的发展有一定意义。 关键词:输电线路;参数辨识;粒子群算法 中图分类号:TM744 文献标志码:A 文章编号:1673—7598(2011)09—0030—05 Probe into Parameters Identiicatifon for Transmission Lines Based on Particle Swarm Optimization Algorithm ZHA0 Fei,JIAO Yan-jun (Key Laboratory of Power System Protection and Dynamic Security Monitoring and Control under Ministry of Education,North China Electric Power University,Baoding 07 1 003,China) Abstract: In order to ensure power systems modeling accuracy and reliability of the security and stability analysis,parameters identiicatfion for transmission lines is an important work.Particle swarm optimization is a new type of imitating evolution optimization algorithm that has been rapidly developed and widely used these years.In this paper,particle swarm optimization algorithm(PSO)is used for parameters identiifcation of the transmission lines after brief introduction,and the steps of parameters identiifcation are also presented.The case analysis shows the feasibility and validity of the algorithm mentioned above. Key words:transmission lines;parameters identiifcation;PSO(Particle Swarm Optimization) 大似然法等。这些算法都不同程度地反映了运行中 O 引言 随着我国电力系统的迅猛发展,电力系统的规 的输电线路在各种因素影响下的动态参数。虽然输 电线路参数的测量技术有了很大的发展,并且取得 了很大的进步,但仍然存在不少有待解决的问题。 近年来,优化算法中的粒子群(PSO)算法被广 泛应用于机械工程、电力自动化、化工过程控制、通 模不断扩大.发电机组单机容量和电压等级不断提 高,电网建设已经进入大电网、大机组、高电压和交 直流混合互联电网的新时期,因此对电力系统稳定 信工程等领域。这为电力系统的参数辨识提供了1 条有效的途径。 计算、安全控制、事故分析等提出了更高要求ll_。电 力系统动态仿真是电力系统规划、设计、运行和控 制的依据,发电机、励磁系统、线路、负荷等主要元 件的数学模型及其参数是影响电网仿真计算结果 的直接因素【2 。通过对输电线路参数的实测T作, 可以在电力系统分析研究工作中使用更准确和详细 的参数.从而进一步提高电力系统分析的计算精度, 保证电网的安全稳定运行。 1 输电线路参数辨识机理 系统辨识是指在输人和输出数据的基础上,从 给定的一组模型中确定1个与所测系统等价的模 型 在电力系统中,不同类型的元器件其相应模型是 确定的,但是其参数是未知的。参数辨识的任务就 是确定标准模型中的参数,使输电线路的原模型与 标准模型的输入与输出保持在一定的误差范围之 目前,以在线测量为基础,国内外提出了各种辨 识算法.如最小二乘法、卡尔曼滤波、模拟进化法、最 YAN JIU YU FEN XI研究与分析 内。辨识原理见图1。 图1辨识过程示意图 参数辨识过程为,在同一激励信号r的作用下, 励磁系统的实际模型产生输出Y,励磁系统标准模 型产生输出信号Y,两者误差为E,经过辨识算法不 断调整优化标准模型参数,直至误差E小于给定值 为止 ]。 2粒子群算法简介 粒子群进化算法最早是1995年提出的,其基 本思想是受鸟类的群体行为的启发。粒子群进化算 法模拟鸟类飞行,采用“群体”与“进化”的概念,依 据个体的适应值大小进行操作,能够有效解决目标 函数优化问题【 。 粒子群进化算法的基本思想是:开始时每一只 鸟均无特定飞行目标,直到有一只鸟飞到栖息地. 当期望栖息比期望留在鸟群中的适应值大时.每一 只鸟都将离开鸟群而飞向栖息地。鸟类使用简单的 规则确定飞行方向和飞行速度。当一只鸟飞离鸟群 飞向栖息地时,将导致周围的鸟也飞向栖息地。这 些鸟一旦发现栖息地将降落在此,驱使更多的鸟落 在栖息地,直到整个鸟群落在栖息地。 粒子群进化算法将每个个体看作是在n维搜 索空间中的1个微粒,该微粒在搜索空间中以一定 的速度飞行。飞行速度由个体和群体的飞行经验进 行动态调整。 设X =( , ,…, )为微粒i的当前位置;V = ( …, )为微粒i的当前飞行速度; =(P P ,…,p )为微粒i所经历的最好位置,粒子群算法 的进化方程可描述为: ( +1)= ( )+clrlj(£)(P (t)-x ( ))+ C2t"4( )(p ( )一 ( )) (1) (f+1): ( )+ ( + ) (2) 式中:C 和C 为加速因子,通常在0~2之间取值;r. 和r 是0~1之间的随机数;叫是惯性因子,为1个 非负数,控制前一速度对当前速度的影响。W较大 时,前一速度影响较大,全局搜索能力较强:W较小 时,前一速度影响较小,局部搜索能力较强。通过调 整W的大小来跳出局部极小值。通常采用线性递减 公式计算,即 伽= 二 + (3) Hm 式中: 和W。nd分别为初始惯性因子和终止惯性 因子;£~为最大迭代次数; 为当前迭代次数。 从进化方程可以看出,c 调节微粒飞向自身最 好位置方向的步长,c,调节微粒飞向全局最好位置 方向的步长。为减少微粒在进化过程中离开搜索空 间的可能性, 通常限定在一定的范同内,即 ∈l_ 一, 一1 。这里可以将粒子群算法进化迭代理解 为1个自适应过程,它是根据速度相量进行自适应 变化的。这样就体现了粒子群算法与其他进化类算 法不同之处,粒子群算法在进化过程中同时保留和 利用位置与速度信息,而其他进化类算法仅保留和 利用位置的信息。 3基于PSO的输电线路参数辨识 3.1 理论基础 根据实际线路的电压等级、长度等情况选择相 应的数学模型.再由模型中端口电压电流关系表达 式和线路参数表达式推导各自之间的关系。下面以 长线路(长度大于300 km)的架空线路为例进行阐 述,其数学模型如图2所示。 I I 图2长线路数学模型 线路模型两端电压电流关系为: 删 coshy/-一Z ̄,si nhyz (4) 其中: 、/器 (5) T=%/—(r+jeoL)—(g+jcoC) (6) 式中: .、 分别为线路的特性阻抗和传播常数;,J、 C、r、g分别为线路单位长度电感、电容、电阻和电 导;f为线路长度。 囊 量=t# 豫誊曩 誊 g 惹≯ 群穷与分 YAN J/U YU FEN 愿(7) cos = U 111-二 U212 (8) 由式(5)一式(8)可以建立电压电流和各个参数 的关系。 3-2数据的预处理 通过在线路两端安装的测量装置,可以得到线 路两端电压和电流的相关数据和波形图,利用傅里 叶级数算法㈣可以计算出线路两端的电压和电流基 波分量,即辨识的需要数据(U 、U2、,1、 )。 3.3编码和适应度函数 输电线路参数辨识实质是1个参数的优 化问题,粒子群算法采用实数编码。粒子的维数为 待辨识模型的参数个数,长线路模型中为r, , ,C。 为了借助于适应度值评价解的质量,根据线路 类型和模型关系表达式,提出以下适应度函数: J=min((IP(O)-P,l+lQ(O)-Q 1)) (9) 其中P( )和Q(0)为模型理论上的计算参数, 对应于式(5)和式(6), 和Q 为实测并计算得到的 相应参数,对应于式(7)和式(8)。 3.4参数搜索空间 搜索空间的设置合理性影响着辨识的速度及 辨识结果的准确性,因此可以根据实际经验、设计 手册和厂家提供的模型参数选取1个较小区间作 为参数搜索空间。 3。5参数辨识流程 以下为基于粒子群算法的输电线路参数辨识 的具体步骤。 (1)初始化。确定模型中待辨识的参数(r, , , C),设定适应度函数,设定粒子群规模和算法参数, 如加速因子、惯性因子、速度限值等,设置结束条件 (最大迭代次数)。 (2)随机生成各粒子的初始位置,计算各粒子 的适应度函数,作为各粒子的个体极值,将其中的 最小值作为群体的全局极值。 (3)判断迭代次数是否达到最大迭代次数,若 达到了,则输出群体当前的全局极值作为最优解, 否则继续进行迭代计算。 (4)由式(1)计算各粒子的飞行速度,由式(2) 更新各粒子的位置。 (5)计算各个粒子在新位置的适应度函数,通 过比较更新各粒子的个体极值和全局极值,返回转 硼如 。 行预处理 对线路参数r、g、,、c的 粒子进行初始化 根据式(9)计算每个粒子 的适应度 根据粒子的适应度更新个体极值与全局极值 根据式(1)和(2)更新粒子群的速度和位置 N 达到最大迭代次数或满足最小溟差标准 由 图3粒子群算法流程示意图 4算例 为了验证该算法的准确性和有效性,利用ATP 的仿真功能及Matlab的计算功能进行仿真计算。仿 真采用如图4所示长为300 km的300 kV双端电 源系统(忽略对地电导)。 R B i8  l D S 图4 ATP仿真模型 系统参数设置如下: l=1.00 31.4 Q; l=1.05 31.4 Q; S端电势超前尺端15。。 已知线路参数如下: 1=0.05 Q/kM; Xl-O.417 I1/KM; Cl=0.001 2 bd'/KM。 仿真设置: 仿真时间步长:0.000 1 S; 仿真结束时间:0.2 S。 在给定系统条件下,可以得到线路两端电压和 电流情况.由于二三相对称关系,本文以A相为例给 出两端点电气量波形图,如图5一图8所示。 根据图5一图8的波形数据,再由傅里叶级数算 法可以求得线路两端正序稳态电压和电流(参考方 YAN JIU YU FEN 钎完与分撕 誊舞菇 _ i| 臻 嚣誊警 , 向如图4)为: f/ =一2.424 OxlO -j2.405 9x10 =-2.357 OxlO __j6.624 8xlO l B=328.033 2-j79.258 7 322.945 0-j 106.33 1 3 在实际辨识过程中,种群数量设置为20;加速 =一因子和通常均设为2.0:最大迭代次数设为1 500; 惯性因子W 和 分别设为0.9和0.4;最大速度 设为:0.001;r 和F2为0和1间的随机值。将所得电 s 图5 B点电压波形图 30O 2OO lO0 o _1OO .2OO .300 0 0 04 0 08 0 12 0 l6 0 2O s 图6 D点电压波形图 图7 B点电流波形图 图8 D点电流波形图 气量数据( 、 、 , )输入到基于粒子群算法的 输电线路参数辨识程序中,首先根据式(7)、式(8) 和实测数据计算得到 和coshy/:再根据粒子群算 法搜寻各个线路参数并带入式(5)和式(6)得到相 应Z.和 ;最后建立实测数据计算值和算法搜索值 的差值关系即适应度函数,利用该适应度函数寻找 到最优结果;运行10次,取最优参数辨识值。 辨识结果见表1。 表1 参数辨识结果 5结论 本文将粒子群算法应用到输电线路参数辨识 中,为输电线路参数在线辨识提供了l条新思路。 从上面算例结果来看,辨识结果与实际参数误差较 小,取得了较好辨识效果。从而证明,该算法的有 效性、正确性。 参考文献 [1】蒋蕾,曲祖义.FFT/LSE方法在励磁系统参数辨识巾的应 用『J].东北电力技术,2003,(3):11-14. 【2】倪以信,陈寿孙,张宝霖.动态电力系统的理论和分析 [M].北京:清华大学出版社,2002. 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[2]曾鸣,田廓,李娜.建设现代能源产业体系发挥电力产业 支撑作用IN].中国能源报,2011—2-21(5). [3]刘振亚.建设特高压电网,服务经济社会发展[ 人民日 报,2009—3—2(7). 【4]刘振亚.建设坚强智能电网,支撑又好又快发展 】.人民 日报,2009—9—9(7). 定采用燃气机组对风电或太阳能发电调峰,还需做 进一步的成本效益分析。 (责任编辑收稿日期:2011-07—26 付小平) 投资建设低碳输电系统本身对环境的影响问 题也是不能忽视的,在当前由于不断增加的不确定 因素以及非私有化的属性要求,获取新建输电线路 的优先权变得越来越困难,任何1个项目的实施必 须经过相应的环境管制审查,如我国的“环境评估” 审查制度。因此,新的输电线路的设计必须保证在 基金项目:国家自然科学基金项目(70771039);美国能源基金会项 目(G一1006—12630);国家电网公司科技项目(KJ一2010—26)。 作者简介:田廓(1983一),男,博士,陕西汉中人,主要从事电网投 资规划的管理与研究工作。 

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