采用PSO算法对低压断路器的低能耗优化设计

河北工业大学电子信息工程学院的研究人员戴水东、鞠文哲等，在2017年第19期《电工技术学报》上撰文指出，在低压断路器的低能耗设计中，参数设置通常采用经验方式选取，因而很难实现能耗最低化。为此，在分析HSW6低压断路器能耗的数学物理模型的基础上，提出一种采用粒子群算法（PSO）进行低能耗参数优化设计的方法。

首先对断路器的额定电流和内部功耗、铜耗、触头数、触头电阻等影响因素进行分析与建模，并转换成求解这一组参数的最优值问题；然后采用自适应PSO算法进行全局寻优得到参数最优解。

实际应用表明，该文提出的基于PSO算法的低能耗参数优化设计方法不仅能实现断路器低能耗设计要求，而且提高了设计效率。

随着国民经济和电力工业的高速发展，在智能电网、新能源等领域的发展带动下，供配电市场不断扩大。作为主要的开关器件，低压断路器用于接通和分段电路中的电流，当电路中出现故障电流时保护电子电气设施在配电线路中免于过电流受损[1,2]。

低压断路器的多样化设计突出表现在高分段、智能化、小型化、节能化、可通信等各个方面。例如，短路电流峰值对低压系统选择性及其断路器可靠分段十分重要；为节能和节材，需要开发小尺寸、高性能的低压电器和节能电器，提高产品的可靠性才能保证低压配电系统正常、安全运行。由此看出，断路器的可靠性设计是一项长期而困难的工作[3-6]。

目前，额定电流在2 500~6 300 A的低压断路器约占市场份额的一半。据估计，如果每台断路器的主回路电阻降低30%，每年可降低能耗五亿千瓦。因此，从低压、中高压直到特高压直流输配电系统迎来了一个快速发展的黄金时期，相应的各类直流断路器也成为了一个新的研究热点。而提高系统效率、改善供电的可靠性和电能质量，可靠的配电设备更是保障供电可靠的基础[7-9]。

一些跨国公司，如施耐德、西门子都已在产品设计阶段考虑了断路器的能耗问题。国内的杭申电器也将低压断路器的自身能耗设计作为重点考虑，推出具有自主知识产权的断路器产品。

也正是节能减排带动了当前低压塑壳断路器（Moulded CaseCircuit Breaker，MCCB）的发展，要求开发小尺寸、经济型产品，既要满足二级配电系统需求，又能节省材料和加工成本[10]。

此外，随着低压电器的特性仿真与数字化设计的推进以及其专用分析软件的广泛应用[11]，克服了依靠经验和估算的方法以及通过大量样机制作和探索试验的传统设计方法[12]。特别是智能信息处理算法的发展，可以更有效地进行工程优化与计算，如用免疫算法进行配电故障定位、改进BP神经网络的感应电动机定子故障诊断、小波分解法及神经网络对断路器振动特性分析等[13-15]。

在断路器低能耗设计方面，如何实现低压断路器自身能耗最低化成为一个难题，而根据经验设计的产品能耗并不理想。为此，本文提出一种基于粒子群算法（Particle SwarmOptimization, PSO）的断路器低能耗设计方法，首先对HSW6低压断路器的物理模型进行分析，然后采用自适应PSO算法对断路器参数加以改进优化，最后将计算出低压断路器最低能耗和各参数的最优值。

图1  万能断路器的结构示意图

结论

本文通过采用PSO算法对低压断路器的低能耗优化设计，得到如下结论：

1）对低压断路器的经验设计所产生的断路器能耗损失非最小化问题，可以采用先进的智能优化方法对其参数进行优化计算，达到降低能耗的目的。

2）本文提出一种基于改进PSO算法的断路器参数计算方法，首先对HSW6低压断路器的能耗产生进行数学建模分析，然后将改进的PSO算法应用到断路器的低能耗参数设计中。实验表明，采用本文提出的设计方法提高了设计效率与精度，在能耗上比原HSW6断路器降低了4%，耗材减少约2%。

此外，本文针对断路器的参数优化，主要是基于现有HSW6断路器的物理模型而展开的，为了进一步研究断路器的能耗优化问题，还可以从断路器的结构工艺设计、触头材料选取等方面进行深入探究，以取得更为满意的优化效果。