本發(fā)明屬于電氣化鐵路系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于蝙蝠算法的電氣化鐵路電能質(zhì)量控制系統(tǒng)的容量?jī)?yōu)化模型。

背景技術(shù)：

近年來，我國的電氣化鐵路發(fā)展迅速。因?yàn)槠錉恳?fù)荷——電力機(jī)車作為非線性大功率單相負(fù)荷，其在從公用電網(wǎng)獲取電能的同時(shí)會(huì)給公用電網(wǎng)注入諧波和負(fù)序電流，會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生危害，其接入電網(wǎng)時(shí)所帶來的電能質(zhì)量問題一直備受關(guān)注。目前處理這些問題常用的措施是安裝合適的補(bǔ)償裝置。其中一位日本學(xué)者提出的鐵路靜止功率補(bǔ)償器，亦稱為鐵路電能質(zhì)量控制系統(tǒng)(Railway Power Quality Manage System,RPQMS)，能對(duì)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)序、無功和諧波綜合治理，表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。由于RPQMS由全控器件絕緣柵雙極型晶體管(Insulated-Gate Bipolar Transistor,IGBT)構(gòu)成，所以如果在不進(jìn)行容量?jī)?yōu)化的情況下使用該系統(tǒng)，則經(jīng)濟(jì)成本太高。所以優(yōu)化補(bǔ)償容量對(duì)RPQMS的發(fā)展具有很重要的意義。

本發(fā)明所涉及的方法通過利用RPQMS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為依據(jù)所推導(dǎo)出的電能質(zhì)量參數(shù)與補(bǔ)償系數(shù)和負(fù)載特性之間的數(shù)學(xué)關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立以RPQMS補(bǔ)償容量最小為目標(biāo)函數(shù)、電能質(zhì)量參數(shù)為約束條件、補(bǔ)償系數(shù)為決策變量的優(yōu)化模型，進(jìn)一步采用蝙蝠算法(Bat algorithm,BA)來求取補(bǔ)償系數(shù)的全局最優(yōu)解和補(bǔ)償容量的目標(biāo)最小值；采用BA算法，能夠在全局范圍內(nèi)滿足電能質(zhì)量指標(biāo)的同時(shí)能夠減少補(bǔ)償容量提高經(jīng)濟(jì)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明通過利用RPQMS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為依據(jù)所推導(dǎo)出的電能質(zhì)量參數(shù)與補(bǔ)償系數(shù)和負(fù)載特性之間的數(shù)學(xué)關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立以RPQMS補(bǔ)償容量最小為目標(biāo)函數(shù)、電能質(zhì)量參數(shù)為約束條件、補(bǔ)償系數(shù)為決策變量的優(yōu)化模型，進(jìn)一步采用蝙蝠算法(Bat algorithm,BA)來求取補(bǔ)償系數(shù)的全局最優(yōu)解和補(bǔ)償容量的目標(biāo)最小值。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括如下步驟：

(1)收集電氣化鐵路牽引負(fù)荷接入后的初始數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)短路容量、變壓器連接組標(biāo)號(hào)、變壓器額定容量、變壓器電壓比、RPQMS容量、串聯(lián)等效阻抗、直流電壓、直流電容、開關(guān)頻率等原始數(shù)據(jù)集；

(2)基于原始數(shù)據(jù)集，根據(jù)V/v-RPQMS系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其相量關(guān)系推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立容量?jī)?yōu)化模型；

(3)基于以上建立的容量?jī)?yōu)化模型，利用BA算法對(duì)該模型進(jìn)行計(jì)算，求取補(bǔ)償系數(shù)的全局最優(yōu)解和補(bǔ)償容量的目標(biāo)最小值；

(4)分析將變壓器二次側(cè)兩相接入不同負(fù)荷時(shí)網(wǎng)絡(luò)各參數(shù)的情況。

在步驟(1)中，原始數(shù)據(jù)集的構(gòu)造應(yīng)包括：

系統(tǒng)短路容量、變壓器連接組標(biāo)號(hào)、變壓器額定容量、變壓器電壓比、RPQMS容量、串聯(lián)等效阻抗、直流電壓、直流電容、開關(guān)頻率等。

在步驟(2)中，基于原始數(shù)據(jù)集，根據(jù)V/v-RPQMS系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其相量關(guān)系推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立容量?jī)?yōu)化模型，具體如下：

①基波優(yōu)化補(bǔ)償：假設(shè)變壓器二次側(cè)兩相之間轉(zhuǎn)移的基波有功電流分量為ΔI_p，變壓器二次側(cè)兩相端口電流從i_a10和i_a20變?yōu)閕_a1和i_a2，計(jì)算

于是基波補(bǔ)償功率為

則總的基波補(bǔ)償功率為

②諧波優(yōu)化補(bǔ)償：根據(jù)國際GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定，只要將公共連接點(diǎn)比較嚴(yán)重的3次、5次、7次和9次諧波電流補(bǔ)償?shù)綕M足國際要求，其他次諧波完全補(bǔ)償，就可以減少RPQMS的補(bǔ)償容量。

諧波優(yōu)化補(bǔ)償需要的補(bǔ)償功率為

其中，I_a1Lh、I_a2Lh和I′_a1Lh和I′_a2Lh分別為變壓器二次側(cè)a1、a2相牽引負(fù)荷產(chǎn)生的補(bǔ)償前后的各次諧波電流。

則總的諧波補(bǔ)償功率為

③負(fù)序電流與電壓不平衡度：

其中，ε^*為電壓不平衡度給定值，S_K為公共連接點(diǎn)三相短路容量(MVA)；且0≤φ_A≤π/6，0≤φ_B≤π/6。

④功率因數(shù)：設(shè)牽引網(wǎng)高壓計(jì)量點(diǎn)處三相功率因數(shù)為PF，根據(jù)電力部門的要求，三相功率因數(shù)要滿足PF≥0.9，在三相負(fù)載不平衡的條件下，三相功率因數(shù)是按照變壓器一次側(cè)三個(gè)端口的功率之和來計(jì)算的，即

如果要滿足PF≥PF^*(PF^*為功率因數(shù)給定值)，則有

⑤RPQMS容量規(guī)劃優(yōu)化數(shù)學(xué)模型：以補(bǔ)償系數(shù)ΔI_p、φ_A和φ_B為決策變量，以補(bǔ)償容量S_c的最小值為目標(biāo)函數(shù)，以電壓不平衡度ε和功率因數(shù)PF與ΔI_p、φ_A和φ_B的不等式為約束函數(shù)，得到RPQMS容量?jī)?yōu)化數(shù)學(xué)模型為

在步驟(3)中，基于以上建立的容量?jī)?yōu)化模型，利用BA算法對(duì)該模型進(jìn)行計(jì)算，求取補(bǔ)償系數(shù)的全局最優(yōu)解和補(bǔ)償容量的目標(biāo)最小值，具體如下：

①BA算法基本原理：設(shè)所有蝙蝠的種群為m，在一個(gè)n維空間里，蝙蝠i的速度和位置分別由式(25)和式(26)來計(jì)算：

f_i＝f_min+(f_max-f_min)α (10)

式中：α是在[0,1]之間的一個(gè)隨機(jī)數(shù)；l_*是在當(dāng)前所處的全局搜索中使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)時(shí)的蝙蝠所處的位置；f_min和f_max分別是蝙蝠所發(fā)出的聲波的頻率最小值和最大值。該算法在初始化的過程中首先要給每只蝙蝠隨機(jī)的分配一個(gè)頻率。其中所分配的頻率的取值都要滿足給頻率所設(shè)定的范圍。

算法在局部搜索過程中，如果最優(yōu)解的集合的一個(gè)解被選中，則該蝙蝠的位置是式(27)來進(jìn)行更新。

l_new＝l_old+βA^t (13)

式中：β為[-1,1]之間的一個(gè)隨機(jī)數(shù)；A^t是所有蝙蝠在時(shí)刻為t時(shí)的平均響度；l_old為局部搜索過程中從最優(yōu)解的集合中隨機(jī)選擇的一個(gè)解。

蝙蝠尋找獵物時(shí)，它所發(fā)出的脈沖的響度A_i和頻度P_i不是固定的，而是一直變化的。如果A_min＝0說明在這個(gè)時(shí)候蝙蝠已經(jīng)找到了獵物，暫時(shí)不向外發(fā)出超聲波來尋找其他的獵物；如果A_max＝10說明蝙蝠盡可能的增大所發(fā)脈沖的強(qiáng)度，用以搜索到更遠(yuǎn)距離的獵物。脈沖響度和頻度由式(28)和式(29)來計(jì)算：

式中：γ和λ分別為脈沖響度增加系數(shù)和脈沖頻度衰減系數(shù)。這兩個(gè)參數(shù)的取值取決于所要研究的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。γ在[0,1]之間，λ為一個(gè)大于零的數(shù)。

在BA算法中，最優(yōu)解就相當(dāng)于蝙蝠的獵物，脈沖響度和頻度的變化可以說明該獵物與最優(yōu)解的臨近程度。

②BA算法求解非線性規(guī)劃問題：容量?jī)?yōu)化補(bǔ)償?shù)暮x就是在能夠滿足電能質(zhì)量基本指標(biāo)的前提下，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償容量最小。將該過程轉(zhuǎn)化到BA算法中就是對(duì)n維空間內(nèi)的蝙蝠種群進(jìn)行優(yōu)化求解。蝙蝠的位置可以由變壓器二次側(cè)的某兩相之間所轉(zhuǎn)移的基波有功電流分量ΔI_p來表示。算法在每次迭代的過程中都要通過所構(gòu)造的目標(biāo)函數(shù)來評(píng)價(jià)各個(gè)蝙蝠所處位置的優(yōu)劣，然后更新蝙蝠的速度和位置，直到滿足所設(shè)定的結(jié)束條件為止，最后所得到的蝙蝠位置即為所搜尋的最優(yōu)解。脈沖響度和頻度分別為ε和PF。具體的算法流程圖如圖4所示。其中蝙蝠i的位置可以初始化為隨機(jī)生成的一行n列的數(shù)組。設(shè)最大的迭代次數(shù)為N-gen和目標(biāo)函數(shù)最小值連續(xù)重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)為count。本發(fā)明將蝙蝠脈沖響度和頻度設(shè)為定值，所以不用對(duì)γ和λ進(jìn)行初始化。

在步驟(4)中，分析將變壓器二次側(cè)兩相接入不同負(fù)荷時(shí)網(wǎng)絡(luò)各參數(shù)的情況。

本發(fā)明的特點(diǎn)在于：針對(duì)采集到的反應(yīng)電鐵牽引負(fù)荷電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，基于牽引負(fù)荷在從公用電網(wǎng)獲取電能的同時(shí)會(huì)給公用電網(wǎng)注入諧波和負(fù)序電流問題，利用RPQMS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相量關(guān)系建立容量?jī)?yōu)化補(bǔ)償模型，利用蝙蝠算法(Bat algorithm,BA)來求取補(bǔ)償系數(shù)的全局最優(yōu)解和補(bǔ)償容量的目標(biāo)最小值，該算法能夠在全局范圍內(nèi)滿足電能質(zhì)量指標(biāo)，同時(shí)能夠減少補(bǔ)償容量提高經(jīng)濟(jì)性。

本發(fā)明具有以效果：本發(fā)明作為一種基于大數(shù)據(jù)處理方法的電鐵牽引負(fù)荷電能質(zhì)量分析方法，能夠?qū)﹄姎饣F路運(yùn)行中牽引負(fù)荷接入電網(wǎng)時(shí)引起的諧波和負(fù)序電流問題進(jìn)行分析，通過對(duì)基于蝙蝠算法的容量?jī)?yōu)化模型的分析，可以對(duì)RPQMS未來的發(fā)展提供理論指導(dǎo)，同時(shí)提高其經(jīng)濟(jì)效益。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式來詳細(xì)說明本發(fā)明：

圖1為本發(fā)明提供的基于蝙蝠算法的電氣化鐵路電能質(zhì)量控制系統(tǒng)容量配置流程圖；

圖2為本發(fā)明提供的V/v-RPQMS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明提供的V/v-RPQMS系統(tǒng)的相量圖；

圖4為本發(fā)明提供的BA算法求解優(yōu)化模型流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖和實(shí)施范例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)闡述。

本發(fā)明提供了一種基于蝙蝠算法的電氣化鐵路電能質(zhì)量控制系統(tǒng)容量配置方法，其流程如圖1所示，包括以下步驟：

步驟1：收集電氣化鐵路牽引負(fù)荷接入的初始數(shù)據(jù)，包括：系統(tǒng)短路容量為450MVA；變壓器連接組標(biāo)號(hào)為Vv0/Vv6；變壓器額定容量：AC繞組為6000MVA，BC繞組為10000MVA；變壓器電壓比為110(1±5％)/27.5；RPQMS容量為8500×2kVA；串聯(lián)等效電阻為0.2Ω，串聯(lián)等效電抗為70mH，直流電壓為85kV；直流電容為6000μF；開關(guān)頻率為1900Hz。

如表1所示即為在三種不同負(fù)載下所得到的補(bǔ)償系數(shù)的最優(yōu)解以及補(bǔ)償容量最小值。

步驟2:在考慮電能質(zhì)量指標(biāo)的前提下，采用BA算法，對(duì)接不同負(fù)載的系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到相應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)、控制器給定值和系統(tǒng)補(bǔ)償容量。其中負(fù)載分別接為①a1相取最大負(fù)載，a2相空載；②a2相負(fù)荷大于a1相負(fù)荷且a2相負(fù)載電流i_a2L滯后于u_B的情況；③a1相空載，a2相取最大負(fù)載。結(jié)果如表1所示。

表1實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

Table1experimental results

步驟3：數(shù)據(jù)分析，表1中，分別為系統(tǒng)接入三種不同負(fù)載時(shí)的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，每種負(fù)載的第一行：完全補(bǔ)償時(shí)的數(shù)據(jù)，第二行優(yōu)化補(bǔ)償1：電能質(zhì)量指標(biāo)只考慮功率因數(shù)而不考慮電壓不平衡度時(shí)求得的補(bǔ)償系數(shù)的最優(yōu)解和RPQMS最小補(bǔ)償容量的數(shù)據(jù)，第三行優(yōu)化補(bǔ)償2：同時(shí)考慮了兩個(gè)電能質(zhì)量指標(biāo)——功率因數(shù)和電壓不平衡度時(shí)所求得的補(bǔ)償系數(shù)的最優(yōu)解和RPQMS最小補(bǔ)償容量的數(shù)據(jù)。

完全補(bǔ)償是指將|(|I_a1Lp-I_a2Lp|)/2|賦給轉(zhuǎn)移的有功功率差值ΔP，將功率因數(shù)角φ_A、φ_B補(bǔ)償為0，從而可以使得負(fù)序電流為0，三相電流完全對(duì)稱，功率因數(shù)為1，由此可得到負(fù)載①的RPQMS的最小補(bǔ)償容量S_c＝12.47MVA。優(yōu)化補(bǔ)償1將電壓不平衡度給定為0，即在只考慮功率因數(shù)的情況下用BA算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到補(bǔ)償系數(shù)的最優(yōu)解φ_A＝20°，φ_B＝0°,以及RPQMS的最小補(bǔ)償容量S_c＝11.83MVA。優(yōu)化補(bǔ)償2是在同時(shí)考慮到功率因數(shù)和電壓不平衡度的情況下進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到補(bǔ)償系數(shù)的最優(yōu)解φ_A＝20°，φ_B＝0°,以及RPQMS的最小補(bǔ)償容量S_c＝7.63MVA。可以看到在接入負(fù)載為負(fù)載①的情況下，最優(yōu)補(bǔ)償系數(shù)中的φ_B＝0°，其原因在于變壓器二次側(cè)a1相的負(fù)載電流i_a1L滯后于電壓u_A，而a2相的負(fù)載電流i_a2L則超前于電壓u_B，所以將i_a2L補(bǔ)償?shù)脚cu_B同相(即φ_B＝0°)所需無功功率比將i_a2L補(bǔ)償?shù)奖萿_B滯后所需的無功功率較少。而且對(duì)比完全補(bǔ)償和優(yōu)化補(bǔ)償2的最小補(bǔ)償容量可以看出優(yōu)化補(bǔ)償2得到的最小補(bǔ)償容量要比完全補(bǔ)償所得到的最小補(bǔ)償容量降低了大概38.8％。

同時(shí)可以看到負(fù)載②在做優(yōu)化補(bǔ)償計(jì)算的時(shí)候其補(bǔ)償系數(shù)的最優(yōu)解φ_B＝16°，不再是負(fù)載①中所計(jì)算出的φ_B＝0°。根本原因在于此時(shí)變壓器二次側(cè)a2相的i_a2L滯后于u_B，所以將i_a2L補(bǔ)償?shù)溅?sub>B＝16°所需無功功率較少。

同理在所接負(fù)載為負(fù)載③的情況下，可以看到補(bǔ)償系數(shù)的最優(yōu)解為φ_A＝0°，φ_B＝16°，其原因在于變壓器二次側(cè)a1相的負(fù)載電流i_a1Lp滯后于電壓u_A，而a2相的負(fù)載電流i_a2L則超前于電壓u_B，所以將i_a1L補(bǔ)償?shù)脚cu_A同相(即φ_A＝0°)所需無功功率比將i_a1L補(bǔ)償?shù)奖萿_A超前所需的無功功率較少。

通過以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到采用蝙蝠算法對(duì)V/v-RPQMS系統(tǒng)做容量?jī)?yōu)化補(bǔ)償，與完全補(bǔ)償進(jìn)行對(duì)比，其可以在滿足基本電能質(zhì)量指標(biāo)的前提下，獲得全局范圍內(nèi)的補(bǔ)償系數(shù)的最優(yōu)解于，并且減少所需最小補(bǔ)償容量，比完全補(bǔ)償具有更好的電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益，使得V/v-RPQMS系統(tǒng)可以獲得更好的利用價(jià)值。

以上實(shí)施范例僅用于幫助理解本發(fā)明的核心思想，不能以此限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，凡事依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上所作的任何改動(dòng)，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。