（信号与信息处理专业论文）基于arm和禁忌搜索的变电站电压无功优化控制.pdf

论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 基于a r m 和禁忌搜索的变电站电压无功优化控制 信号与信息处理 任晓莉 程红丽 摘要 ( 签名) ( 签名) 变电站电压无功综合控制是通过自动调节有载变压器的分接头和投切并联补偿电 容器组来实现的，它是确保电压质量和无功平衡、提高供电网可靠性和经济性的重要措 施。采用九区图控制策略的电压无功综合控制，实际运行时存在着频繁调节变压器分接 头和投切电容器组的缺陷，甚至可能会出现震荡现象。 针对上述不足，根据有功功率和无功功率的负荷预测曲线，以降损收益最大为适配 值函数，以电压约束、电气极限约束和控制约束为约束条件，提出了一种改进的禁忌搜 索算法。引入最低收益阈值来限制调节次数的增加，在此基础上建议了一种确定最佳调 整次数的方法。还建议了一种有约束线性最小二乘算法，基于变电站内的量测数据以及 变压器的参数来估计系统电压和系统阻抗参数。算例结果表明建议的方法是可行的，并 且具有可以有效地减少调节次数的特点。 基于a r m 的l p c 2 2 9 2 微控制器和嵌入式实时操作系统( g c o s i i ) ，采用a d s l 2 开发工具进行编程，实现了变电站内电压无功综合控制功能。软件模块开发主要包括： 嵌入式实时操作系统( p c o s i i ) 和图形用户界面g u i 移植，数据读取任务，数据处理任 务，电压无功控制任务，基于g p r s c d m a 的通讯任务、键盘扫描和液晶显示任务等。 采用信号发生器产生电能信号，采用继电器的动作模拟变压器分接头档位的调节和 电容器组的投切，构建了一个变电站内的电压无功控制模拟测试台，对提出的设计方案 进行了全面的功能测试，测试结果表明提出的设计方案是可行的。 关键词：变电站；无功补偿；电压调节；禁忌搜索；最小二乘法；a r m 研究类型：应用研究 s u b j e c t：v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o lb a s e do na r m a n dt a b u s e a r c ha l g o r i t h mf o rs u b s t a t i o n s s p e c i a l t y ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g n a m e：r e nx i a o 1 i i n s t r u c t o r ：c h e n gh o n g - l i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 丝丝竺丝 ( s i g n a t u r e ) t h ev o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o lf o rs u b s t a t i o n si si m p l e m e m e db ya u t o m a t i c a l l y r e g u l a t i o no ft h et r a n s f o r m e rt a p sa n dt h es w i t c h i n go ft h ec a p a c i t o rb a n k ，w h i c hi s a n i m p o r t a n tm e a s 唧et oe n s u r ev o l t a g eq u a l i t ya n dr e a c t i v ep o w e rb a l a n c ea n di m p r o v et h e e c o n o m yo ft h ep o w e rs u p p l y 面d s a tp r e s e n t ，t h ee x i s t i n gv o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e r c o n t r o l sa d o p tt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fn i n e a r e ap l o tm e t h o dw i d e l y h o w e v e r , i nt h ep r a c t i c e ， t h em e t h o dh a st h ed e f e c to ft o of r e q u e n ta d j u s t m e n to ft h et r a n s f o r m e rt a p sa n dt h es w i t c h i n g o ft h ec a p a c i t o rb a n k i ti sw o r s et h a ti ts o m e t i m e sm a yl e a dt ot h ep r o b l e mo fu n s t a b l e c o n t r 0 1 t oo v e r c o m et h ea b o v ed r a w b a c k s ，a ni m p r o v e dt a b us e a r c ha p p r o a c hi sp r o p o s e d t h e f o r e c a s t e dl o a dp r o f i l ei su t i l i z e d m a x i m i z i n gt h er e d u c e dl o s se n e r g yi su s e d 嬲t h ei n d e x t h ec o n s t r a i n t sc o n s i s to fv o l t a g er e q m r e m e n t s ，e l e c t r i c a ll i m i t a t i o n so fa p p a r a t u sa n dc o n t r o l r e s t r i c t i o n s ab e n e f i tt h r e s h o l di si n t r o d u c e dt ol i m i tt h er a i s i n go ft h en u m b e ro ft i m e so f r e g u l a t i o n a ni t e r a t i o nm e t h o dt od e t e r m i n et h eb e s tr e g u l a t i o nt i m e si ss u g g e s t e d a c o n s t r a i n e dl i n e a rl e a s ts q u a r ea l g o r i t h mi sa l s od i s c u s s e dt oe s t i m a t et h es y s t e mb u sv o l t a g e a n ds y s t e mi m p e d a n c ep a r a m e t e r a ne x a m p l ei sg i v e ns h o w i n gt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e d a p p r o a c h ，谢t l lw h i c h ，t h en u m b e ro ft i m e so fr e g u l a t i o nc a nb er e d u c e de f f e c t i v e l y b a s e do nl p c 2 2 9 2m i c r o p r o c e s s o ro fa r ma n dt h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ( i t c o s - i i ) ，t h ef u n c t i o no fv o l t a g ea n d r e a c t i v ep o w e rc o n t r o lf o rs u b s t a t i o n si sa c c o m p l i s h e d b ya d o p t i n gt h ed e v e l o p i n gt o o la d s 1 2 t h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r ei n c l u d e st h et r a n s p l a n t o fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma n dg r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ( g u i ) ，d a t ai n p u tt a s k ，d a t ap r o c e s s t a s k , v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o lt a s k , c o m m u n i c a t i o nt a s kb a s e do ng p r s c d m l ， k e y b o a r ds c a n n i n ga n dl i q u i dc 巧s t a ld i s p l a yt a s ka n de t c at e s tp l a t f o r mf o rv o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o li sb u i l t ，i nw h i c h ，as i g n a l g e n e r a t o ri su s e dt op r o d u c ep o w e rs i g n a l s ，a n dt h er e l a y sa l eu s e dt os i m u l a t et h er e g u l a t i o n o ft h et r a n s f o r m e rt a p sa n dt h es w i t c h i n go ft h ec a p a c i t o rb a n k t h ef e a s i b i l i t yo ft h e p r o p o s e ds c h e m e i sv e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n tr e s u l t so nt h et e s t i n gs y s t e m k e y w o r d s ：s u b s t a t i o nr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n v o l t a g er e g u l a t i o n t a b us e a r c h l e a s t - s q u a r em e t h o d a r m t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：经晚函日期：细g 囊以 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 任吨而 i 指导教师签名： 厕肌径舯 1 绪论 1 绪论 1 1 变电站内电压无功控制的研究目的和意义 作为联系电网和电能用户的中间环节，变电站是电力系统中变换电压、接受和分配 电能、控制电力的流向和调整电压的电力设施，是输电和配电的集结点。变电站的主要 任务是在保证电能质量和安全的情况下经济地向用户提供电能。 电力系统的电压是电能质量的重要指标，电压质量对于电力系统的安全与经济运 行、用户安全生产和产品质量以及用电设备的寿命和安全都有重大影响。另外，改善电 压质量是节能的有效措施，也是提高安全运行水平的重要条件。 电力系统中的电压水平和无功功率的状况密切相关。无功功率在输送过程中会产生 电压损耗，而降低负荷端的电压。另外，无功功率在能量交换的过程中会引起电能的损 耗，并使电网的视在功率增大。无功不足将会降低系统电压，使网络中的功率损耗和电 压损耗加大，影响用户的正常工作，严重时甚至还可能产生电压崩溃；无功过剩将会导 致电压过高，影响用电设备的使用寿命和效率，在超高压网络中还将增加电晕损耗等； 无功的不合理流动，会使线路的压降增大、线路的损耗增加、供电的安全性和经济性都 会下降。 变电站电压无功综合控制是电力系统电压调整和无功优化分配的重要手段，在变电 站正常运行的前提下，通过调节变压器分接头和投切电容器组实现局部电压无功就地综 合优化控制，调整系统电压在合格范围内，控制无功潮流的合理平衡，可以改善电压质 量和提高电能质量，降低变电站中有功功率的损耗，提高电力系统运行的安全性和经济 性。变电站电压无功综合控制的意义主要体现在： ( 1 ) 降低功率损耗与电能损耗，提高设备使用效型l 】； ( 2 ) 减少电压损失，提高供电电压质量【2 1 ； ( 3 ) 降低成本，提高效益，节约能源，改善环境。 然而我国城乡变电站建设相对滞后，设备陈旧老化，无功补偿不足，调节手段落后， 普遍存在电压质量不高的问题。另外，随着现代电网的发展，大容量机组的直接接入会 使超高压电网内无功过剩，大容量机组的故障退出又会使部分超高压线路负荷过重而出 现无功出力严重不足的情况。这些问题的存在将对用户的电压质量，系统的输电能力， 安全及经济等方面产生如下不良影响。 ( 1 ) 电网总电流增加，使元件容量增大，设备及线路的损耗增加，投资费用增大； ( 2 ) 电网的无功不平衡，导致电压水平不合格； ( 3 ) 降低了电网的功率因数，造成大量电能损耗； 西安科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 无功电流的增大，会降低电力系统的发电设备的效率。 然而长期以来，由于受到技术水平、管理水平及建设资金的限制，我国变电站电压 无功控制存在的问题主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 无功补偿设备配置不合理； ( 2 ) 无功补偿设备投运率低； ( 3 ) 无功补偿装置的可靠性和控制精度不高，响应速度较慢； ( 4 ) 可调节的无功容量不足，无功缺额大【3 】。 针对以上存在的问题，建立变电站无功补偿优化模型，进行电压无功优化控制是非 常必要的，而且提高变电站无功优化控制的水平已经成为一项非常迫切的任务。 综上所述，变电站电压无功优化控制的发展有着深刻的社会背景以及重要原因，也 符合我国目前的国情，因此对变电站无功优化控制进行研究具有重要的现实意义。 1 2 变电站内电压无功控制的国内外研究现状 1 2 1 电压无功控制方法 电压无功控制要采用适当的方法来寻找最优解。国内外学者在这方面已经进行了大 量的研究工作，提出了诸多优化方法和理论。大体上可以分为： ( 1 ) 传统优化方法 传统优化方法指从某个初始点出发，按照一定的轨迹不断地改进当前解，最终收敛 于最优解。这类优化方法有线性规划法、非线性规划法、混合整数规划法、动态规划法 以及内点法等。其中，线性规划法和非线性规划法是最常用的求解方法。这些传统的数 学规划方法需要一些假设条件、存在线性化等问题。而且容易收敛到局部最优解。 ( 2 ) 九区图法 无功电压综合控制的典型方法包括：传统九区图法及改进的九区图法( 十一区图法 1 4 1 、十三区图法【5 1 、十七区域图法【6 】、五区图法【7 1 、双九区图法【8 1 ) 。由于九区图法控制 策略是基于固定的或模糊边界的电压无功上下限，而未考虑无功调节对电压的影响及其 相互协调关系，用于运算分析的信号具有分散性、随机性的特点，这就造成了在九区图 的某些边界区域控制策略的盲目性和不确定性。因此在实际运行中，九区图法存在着频 繁调节变压器分接头和投切电容器的缺陷，甚至可能会出现震荡现象。而且九区图法存 在一定的过补或欠补的现象，致使变压器和开关设备故障率增加。 ( 3 ) 智能优化方法 智能优化方法是建立在计算机科学的迅速发展基础之上的直接搜索或者随机搜索 的优化算法。智能优化方法的全局搜索寻优能力强，弥补了传统优化方法的不足。智能 优化方法主要包括：模拟退火算法【9 1 、遗传算法【1 m 1 1 1 、禁忌搜索算法【1 2 】、免疫算法【1 3 】 2 1 绪论 以及新型的人工智能优化算法( 混沌优化算法f 1 4 】、粒子群算法【1 5 】等) 。模拟退火算法的 全局收敛性比常规优化方法好、适应性强，是实现无功优化的好方法。不足是收敛速度 慢，不利于在线分析。文献【9 】定义了有效的邻域结构，采用模拟退火算法取得了较好效 果，但求解的速度与退火参数的设置关系很大，而退火参数的设置比较复杂。遗传算法 能以较大的概率找到全局最优解，但局部搜索能力不强，而且求解速度较慢。文献 1 0 】 采用改进的遗传算法进行优化，虽然速度有所提高，仍比较费时。免疫遗传算法是免疫 原理与传统遗传算法的结合，通过接种疫苗和免疫选择构造免疫算子，免疫遗传算法提 高了算法的整体性能，抑制了优化过程中退化现象的出现，算法的收敛性好。文献 1 3 】 利用基于免疫机制的遗传算法求取电压无功综合控制的最优控制策略，解的质量有所提 高，求解速度仍较慢，而且实现较复杂。混沌优化方法具有遍历性、随机性和规律性的 特点。文献【1 4 】提出了一种新的混沌遗传算法来实现无功优化，在遗传进化过程中引入 混沌移民算子，通过混沌移民操作维持群体中染色体的多样性，以克服传统遗传算法由 于近亲繁殖所导致的早熟问题，确保算法的全局收敛性，加快计算速度。粒子群算法可 以在解空间中并行搜索，收敛速度较快，全局收敛性和求解精度较传统方法有所提高， 但初始种群是随机产生的，粒子的搜索速度的更新也与惯性权重系数和加速常数的设置 有关，如果这些参数设置的不合适则易陷入局部搜索。文献【1 5 针对传统的粒子群算法 中的某些参数需通过试验确定而影响其实用性的问题，提出了一种自适应粒子群算法， 在优化过程中自动调整各参数，从而取得问题的全局优化解，将其应用于电力系统无功 优化问题的求解。粒子群算法和禁忌搜索算法效率较高，利用这两种方法进行电压无功 优化策略搜索已经取得了很好的研究成果。 由于变电站电压无功优化问题在本质上是一个非线性混合整数优化问题，目前还没 有一种算法能保证求出该问题的最优解，因此有许多专家学者仍在进行算法研究。智能 优化方法由于其灵活的求解策略而成为目前的研究热点之一。 1 2 2 电压无功控制方案 在日本，大约有半数电力公司采用个别控制和地区自动控制方式。所谓个别控制是 指发电机单独运行，变电站无功补偿设备和有载调压变压器自动控制的方式；而地区自 动控制是指以发电厂和变电站为核心，对发电机、调压调相设备进行综合控制及对变电 站内的无功补偿设备和调压设备进行组合协调控制的方式。另有一半公司实行在线集中 综合控制。 在法国，其电力网实现了无功功率及电压的区域性集中控制，共分为三个控制层( 一 次、二次及三次) ：一次控制，对快速无规则的电压变化主要由电力系统机组的“一次 作用 进行补偿，其次靠4 0 0 2 2 5 k v 变压器的自动调压分接头；二次电压控制主要通过 自动控制该区被选为“控制机组 的部分机组( 包括部分大容量高压电容器组) 所发出 3 西安科技大学硕士学位论文 或吸收的无功功率，以控制某一“控制区 内的电压；三次控制为手动，由中心调度所 与地区调度所间作电压水平和无功潮流的优化协调。从而取得全系统各节点电压的全面 协调。到1 9 8 6 年，几乎全法国系统都实现了二次控制，相应设有2 7 个控制区。 意大利国家电力系统( e n e l ) 也己实现电压、无功自动控制，至1 9 9 3 年，e n e l 在 整个超高压电网中普遍实现了二次和三次电压调整。 从国外情况看，各电力系统在实施电压无功控制上，具体做法并不相同。既有个别 调节方式，也有综合调节方式；既有区域性集中控制模式，又有分层协调控制模式。电 力系统v - q 控制总的发展趋势是：从运行安全性与经济性着眼，向分层集中综合优化控 制模式方向发展。所谓分层就是将整个电力系统按电压等级分解，由上、下级调度负责 “界面 电压、无功协调控制；所谓集中就是将电力系统按区域划分，每个调度区根据 本辖区无功电源和调节能力进行优化协调控制；所谓综合控制是指针对各种无功补偿设 备、调压设备，根据各自的功效及控制特性进行合理使用、协调控制。 近几年我国的电压无功控制总体上是向着分层分区集中控制方向发展，但是我国的 电压、无功控制相对发达国家还有不少差距。主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 各地区电网的调度自动化水平发展参差不齐。 ( 2 ) 同一地区电网的不同变电站电压无功控制自动化程度差别甚大。 ( 3 ) 各变电站的电压无功控制设备大部分都是不具备通信功能的孤立的系统。 由于以上这些因素，全网电压无功优化实现起来困难较大，目前较多存在于理论研 究阶段，所以在我国电力系统中运用较多的是变电站的电压无功控制，变电站的电压无 功控制是一种分散控制方式。分散控制是指在各个变电站或发电厂中，自动调节有载调 压变压器的分接头位置或其它电压调节器，控制无功功率补偿设备( 电容器、电抗器、 调相机、静止无功补偿器等) 的工作状态，使得当负荷变化时，该地区的电压和无功功 率保持在规定的范围内。分散控制虽然不易实现全网的最优控制，但可实现局部的优化。 1 2 3 电压无功控制方式 对变电站电压无功控制的研究主要有两个方面，即离线优化和实时监控。 离线优化是运用人工智能或计算机在变电站一次侧电压和二次侧有功和无功负荷 预测基础上进行离线优化计算，得到第二天的调节方案，由调度中心下发给各个变电站。 文献 1 6 1 8 提出了变电站电压无功综合控制专家系统，以运行状态辨识及专家经验 为知识库，将统计法用于推理策略。文献【1 9 】将变电站电压相对于给定值的偏移以及主 变高压侧无功作为目标函数，以有载调压变压器分接头调节次数和电容器投切次数作为 约束条件建立了一个动态规划模型。文献 2 0 2 1 通过模糊动态规划的方法，将基于操作 者过去经验的电压无功控制规则和操作者的直观推断加以考虑，以决定一个合适的控制 进程，并用模糊变量来描述一些非确切的语言表达。文献【2 2 设计了一个人工神经网络 4 1 绪论 来得到电容和有载调压变压器的预先控制调度表，然后这个预先控制调度表被模糊动态 规划加工改进而成为最终的调度表。文献 1 0 1 建立电压无功控制的求解模型，针对其计 算空间过大的特点，在负荷预测的基础上引入遗传算法在全局范围内最优解使主变高压 侧无功和二次侧电压偏移最小。文献 2 3 2 4 运用多层前馈人工神经网络找到电容和有载 调压变压器的合适的控制策略。 实时监控【5 。6 ，2 5 2 9 1 是通过对变电站主变高压侧无功功率和目标侧( 中压侧或低压侧) 母线电压不断采样，一旦发现母线电压或无功功率超越限值就根据一定的规则调节有载 调压变压器分接头和投切并联电容器组，将电压和无功控制在各自允许范围之内。 1 2 4 电压无功控制装置 国外较多的使用静止无功补偿器( s v c ) 产品，静止无功发生器( s v g ) 产品在美国和日 本也得到了一定的应用。自动控制装置、调压器、补偿电容器等全部实现自动投切和远 方监控。 就目前国内水平来看，许多科研部门和制造厂家做了大量的工作，无功补偿产品也 得以不断的更新，从分立的电子元件到c m o s 集成电路再发展为以微处理器为核心的 智能型产品。在控制物理量方面从按功率因数投切发展为按无功负载或按无功电流投 切，以及按电压，无功功率两个物理量投切的复合型产品。早期的大部分变电站电压无 功综合控制装置采用九区图控制策略，用断路器作开关，一直未推广使用。目前国内已 经投入使用的变电站电压无功综合控制装置大多都是以单片机为控制器，单片机具有体 积小，性价比高的优点，但抗干扰能力较差，在中、高压无功补偿领域的可靠性差，维 护较复杂。 总的来说，我国无功补偿的可靠性与自动化程度都有较大的提高，变电站变压器低 压侧智能型无功补偿起到了使无功就地平衡的作用，同时也减轻了负荷终端变电站无功 调节。我国开发的变电站电压无功综合控制装置有：清华大学开发研制的m v r 系列微 机电压无功综合控制装置，其中m v r i 型微机电压无功综合控制装置适用于3 5 k v ，6 6 k v 和1 1 0 k v 等变电站，它克服了传统的按时间整定逆调压的局限性，它不断检测和计算变 电站的实时负载，自动计算出变电站母线所应维持的最优电压水平；m v r i i 型微机电 压无功综合控制装置，用于2 2 0 k v 及以上电压等级的枢纽变电站。己有的微机型装置还 有：北京电力自动化设备厂的v q m c i i 型微机电压无功综合控制器，华中理工大学研 制的控制装置等。 就控制装置的实现方式来看大致可以分为：( 1 ) 基于自动化系统后台软件实现的 v q c ，依附于变电站监控主站，是监控系统的一个功能子模块。其数据采集和控制输出 均由间隔层的相关监控装置来完成，它本身没有专用的i o 硬件系统。( 2 ) 自动化系统 网络v q c ，它的核心采用单独的c p u 装置，但其i o 设备仍由网络借助于自动化系统 5 西安科技大学硕士学位论文 i i i 薯r | _ _ fi ii - i 宣；宣昌i i i i i i i i 暑i 暑i 暑i 宣i i i 暑暑i 皇i ；i i i 实现，其本身不带硬件i o 系统，无需单独铺设电缆，装置通过通讯以插件的形式嵌入 自动化控制或保护中。这类装置工作量少，调节和闭锁速度快。( 3 ) 独立的v q c 装置， 不依赖于其他的设备，数据采集和控制输出都是自身功能的一部分，v q c 集i o 系统和 计算判断于一身。特别是有关闭锁信号由相关装置的硬接点输入，大大增强了v q c 闭 锁的快速性和可靠性。 1 3 本文的主要工作 在收集大量资料的情况下，总结和继承前人的研究成果和经验，采用禁忌搜索算法， 基于a r m 的微控制器l p c 2 2 9 2 实现变电站内的电压无功综合控制功能。本文的主要工 作如下： ( 1 ) 对禁忌搜索算法进行改进，引入最低收益阈值来限制调节次数的增加，实现变 电站内的电压无功综合控制策略生成。 ( 2 ) 基于变电站内的量测数据以及变压器的参数，采用有约束线性最小二乘算法估 计系统电压和系统阻抗参数。 ( 3 ) 基于a r m 的l p c 2 2 9 2 微控制器和嵌入式实时操作系统( p c o s i i ) ，研究变电 站内电压无功控制智能终端的设计方案，采用a d s l 2 开发工具进行编程，实现变电站 内电压无功综合控制功能。 ( 4 ) 采用信号发生器产生信号，采用继电器模拟变压器分接头档位的调节和电容器 的投切，构建一个变电站内的电压无功控制模拟测试平台。 ( 5 ) 对提出的设计方案进行全面的功能测试，验证提出的方案的可行性。 6 2 变电站内电压无功控制的基本概念及原理 2 变电站内电压无功控制的基本原理 2 1 变电站内电压无功控制的基本原理 变电站是实现无功分散控制和就地补偿的理想场所。由于电压、无功具有地区性特 征，就地控制对提高受控站供电范围内的电压质量和减少局部网络的电能损耗是很有价 值的，因此变电站的电压无功控制也是实现区域电压无功集中控制的重要组成部分。变 电站电压无功综合控制是变电站自动化的功能之一，是电力系统电压调整和无功优化分 配的重要手段，它通过自动调节变压器分接头和投切电容器实现局部电压无功就地综合 优化控制。 对于无t 接分支的线路，系统和受端变电站的等值电路分别如图2 1 所示。图中氓 为系统电压，r s 和凰分别为系统等值电阻和等值电抗，尼和石分别为变压器绕组电阻 和绕组漏抗，g f 和马分别为变压器铁心电导和铁心电纳，以和以分别为变电站主变压 器高压侧和低压侧电压，风和9 分别为高压侧送入的功率，凡和仇分别为变压器低压 侧的有功和无功功率，c 为补偿电容器组投入的容量，k 为变压器变比。 图2 1 变电站等值电路 设o s = u s z o 。，由图可知 b + 珐= 忍+ j f q + 1 2 ( 尺+ 弘) z 镏t 脒r - 变电站接入系统的等值阻抗，包括线路阻抗和变压器阻抗 u g = k ub ，：旦：巡 代入式( 2 1 ) 得： b + _ ，g ：乞+ 他+ 尝箬( 尺+ ) u g 而 阮= 吼- i ( r + ) 由b + q s = v s ，得 最一j q s = 尬； 7 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 西安科技大学硕士学位论文 所以i _ - 毕( 2 7 ) u s 代入式( 2 5 ) 得： = 以一警( n j x ) o s ( 等等+ j f 等笋) ( 2 8 ) 上式的虚部相对实部来说很小，在计算时其虚部可以忽略不计，于是得 ：k ：( 一墨等等遂) k ( 2 9 ) u s 由公式( 2 9 ) 可知，为了保证变压器低压侧电压符合要求，可以通过以下两种方法实 现： ( 1 ) 调节变压器变比k 当负荷增大时，应降低变压器变比k 以保证符合要求；当负荷减小时，应升高 变压器变比k 。变比可以通过调节变压器分接头来改变。有载调压变压器可以在带负 载的情况下切换分接头位置，从而改变变压器变比以起到调整电压和降低损耗的作用。 ( 2 ) 并联电容器的投切 投切一定容量的电容器q c ，相当于改变了无功负荷的大小，采用与上面同样的分 析方法可分析出增大甄可以使变压器上的压降降低，从而可以提高变压器低压侧电压。 通过变压器的有功损耗为 a s 玎( 辟+ j x r ) ：璺掣( 碍+ j x t ) ( 2 1 0 ) u g 由式( 2 1 0 ) 可以看出，有功损耗n ( q l - q c ) 2 而改变，其数值越小，有功损耗也越小。 从上面分析可以看出控制无功补偿设备的投切，可以改变网络中无功功率的分布， 改善功率因数，减少网损和电压损耗，改善用户的用电质量。 由于无功和电压的紧密关系，单独调节网络节点的电压或无功是不一定有效的。当 系统的无功功率比较充裕时，变电站的调压问题可以通过变压器调压来解决。但这种调 压措施本身不产生无功功率，而系统消耗的无功功率对电压水平有影响。在系统无功功 率不足的情况下，不能用改变变压器变比的办法来提高系统的电压水平。因为当某一地 区的电压由于变压器分接头的改变而升高后，该地区的无功功率就越不充足，该地区所 需的无功也增大了，这就可能扩大无功缺陷，使电压调节效果不明显，同时也使整个系 统的电压水平受到影响。同样，不管电压直接调节无功也是不行的。调节无功时会使电 压发生变化，有可能使电压不满足要求。由此可见，电压无功控制的特点就是必须将电 压和无功综合考虑，综合调节。一般变电站都采用有载调压器调压，投切电容器组来调 节无功。因此，必须把调整变压器分接头和投切无功补偿设备两者结合起来，进行合理 的调控，才能起到既改善电压水平，又降低网损的效果。 8 2 变电站内电压无功控制的基本概念及原理 2 2 变电站内电压无功控制的数学模型 变电站电压无功综合控制，从控制理论的角度上说，是一个多限值( 包括主变分接 头开关日调节次数、电容器日投切次数、电压上下限、无功( 功率因数) 上下限、用户 特定要求) 、多目标( 电压合格、网损最小) 的最优控制问题。 变电站电压无功综合控制的目标是在保证变压器二次侧电压合格、变压器输入侧无 功功率较小的前提下，尽量减少有载调压变压器分接头开关和并联补偿电容器组的调节 次数【3 们。具体地体现在以下四个方面： ( 1 ) 保证供电电压在规定的范围内； ( 2 ) 保持电力系统无功功率平衡； ( 3 ) 尽量减少有载变压器分接头的动作次数和无功补偿设备的投切次数； ( 4 ) 保证在电压合格率的前提下有功损耗最小。 由于变电站是电力系统网络中一个局部部分，系统的变化会影响变电站，而且变电 站的负荷是不断变化的，因此，变电站的运行方式是随着时间变化的。另外，变压器分 接头开关的调节只能按档位进行，补偿电容器组也只能分组投切，所以变电站的电压和 无功变化又是离散的【3 1 1 。因此变电站的电压无功控制是一个多变量、时变的非线性控 制问题，其控制规律是变化的，而且受到变压器分接头极限位置等的边界条件约束，因 此，变电站的电压无功控制是一个复杂的问题，不易建立一个精确的数学模型而加以研 究，故用常规的控制方法来进行变电站电压无功控制的效果一直不理想。传统的九区图 控制策略易产生频繁地调节变压器分接头和投切无功补偿装置的问题，甚至可能会出现 震荡现象，从而会缩短设备的使用寿命和增大投资。 如何更好地解决变电站电压无功综合控制的问题呢? 进行变电站电压无功控制，理 想的情况是预测一天内2 4 或4 8 时段的负荷，然后根据每个时段的负荷变化情况调整可 调变压器分接头和投切适量的无功补偿设备。这样的优化结果对于降低网损、提高电压 合格率效果更好。但变压器分接头和补偿设备的频繁动作会大大减小设备的使用寿命， 导致设备投资的增加。考虑到综合利益，进行变电站电压无功综合控制的时候，要尽量 减少可调设备在一天内的动作次数。单纯基于有功或无功负荷分段进行电压无功优化都 存在一些缺陷，因为电压的变化和有功，无功都有关系。当两者的变化规律不太一致时， 单一考虑一种功率必然不能达到最优的控制效果。为此本文提出了一种改进禁忌搜索算 法，根据有功功率和无功功率的负荷预测曲线，以降损收益最大为适配值函数，以电压 约束、电气极限约束和控制约束为约束条件。根据经验确定考察时间单元内期望的调整 次数范围：( 加圯懈) ，引入最低收益阈值来限制调节次数的增加，如果当考察时间单 元内期望的调整次数为最大限值m 缀时，仍不能确保各个时间段内电压都满足约束条 件，建议在此基础上迭代来确定最佳调整次数。 9 西安科技大学硕士学位论文 i f f 一 i= i 苦；薯 2 3 潮流计算方法前推回代法 变电站潮流计算是变电站无功优化的基础和工具。由于变电站的负荷基础数据准确 精度不高，所以要求变电站的潮流计算方法具有良好的收敛性及数据容错性，以保证无 功优化计算的收敛性。潮流计算方法的优劣直接关系到变电站无功优化算法的速度和准 确性，而且本文解决变电站无功优化问题要采用的禁忌搜索算法需要多次进行潮流计 算，因此选用一种快速有效的潮流计算方法是进行变电站无功优化首要解决的问题。 前推回代算法在解决辐射型网络潮流计算时能够在保证较高精确度的情况下快速 完成潮流计算，而且程序简单容易实现。因此，综合考虑各种不同的配电网潮流计算方 法，本文拟采用前推回代法作为潮流计算的方法。 前推回代潮流计算方法是一种计算配电网潮流的有效方法。它的突出优点是算法成 熟可靠，收敛性极佳；另外还有它的潮流方程为线性方程，收敛阶数为一阶线性的，收 敛速度极快。前推回代法以配电网电源点作为根节点，分为前推和回代两部分。前推部 分从网络末端向根节点推算，仅计算支路的功率损耗而不计算电压降落，求得始端节点 功率；回代部分运用给定的始端电压和求得的始端功率向末端推算电压降落，但这时不 再计算功率损耗。重复上述运算，直到满足收敛条件，计算结束。前推回代法【3 2 】计算方 法如下： 第l 步：从末端开始由采集的末端电压和末端功率向始端逐段推算，求得始端电压 和功率；由公式：a 尸= ( 雩+ 姥) g 畦和q = ( + 鲤) x l 瑶计算线路和变压器的阻抗损 耗，不计电压降落。 第2 步：从始端开始，运用给定的始端电压和由第l 步求得的始端功率向末端逐段 推算，求得末端电压和功率。 研= ( 曙一华2 + ( 华2 ( 2 1 1 ) 第3 步：再运用由第2 步求得的末端电压和采集的末端功率再一次进行第l 步的操 作，依次类推，直到满足收敛条件，否则转到第1 步。潮流计算采用的收敛判据为： | u l f ，其中a u = 畦一畦一，u 为第1 步和第2 步一次循环的电压变化量，式中k 为迭代次数。s 为给定的允许误差。 第4 步：重复上述第1 3 步，当满足收敛条件时，可以得到满足收敛精度的计算结 果。 2 4 短期负荷预测方法 为了实现变电站综合电压无功控制，对补偿电容器的投切和变压器分接头的调节进 行优化，提高设备的安全性和使用寿命，前提是准确的短期负荷预测曲线。 l o 2 变电站内电压无功控制的基本概念及原理 在电力系统控制、运行和计划中，要掌握负荷变化规律，必须进行负荷预测。所谓 “预测，是利用以往的数据资料来认识事物的运动变化规律，最终指出事物发展的趋 势或事物在未来某阶段的状态。电力系统预测是电力系统运行、控制和规划不可缺少的 一部分，它利用历史数据和实时信息对未来电力系统负荷进行预测，负荷预测的结果己 经成为经济调度和电力市场运做的必要基础【3 3 l 。随着计算机在电力系统的日益普及和电 力系统自动化水平的不断提高，负荷预测的精度也有很大提高，逐步实现实用化。从一 定意义上讲，提高预测精度就是提高电力系统运行的安全性和经济性。 因此实际应用时，要分析变电站负荷组成，分时段综合各种标准负荷曲线形成日负 荷参考曲线。电力系统负荷变化有明显的周期性和周日性( 每周的同一天) ，天气变化 引起的负荷波动是电力负荷变化的主要因素，时刻负荷的变化量在某种程度上反映了 天气的变化情况。因此，对于短期和超短期负荷预测来讲，要求必须能很好的处理这种 非线性因素，才能保证负荷预测的精度。 本文利用前人的负荷预测模块得到的负荷预测数据作为进行电压无功控制的负荷 预测曲线。 西安科技大学硕士学位论文 3 基于禁忌搜索算法的变电站内电压无功控制 3 1 禁忌搜索算法 禁忌搜索( t a b us e a r c h ，简称t s ) 算法瞰】是一种局部搜索能力很强的全局迭代寻优 算法，主要应用于组合优化问题。t s 算法采用禁忌表记忆已搜索到的局部最优解，在迭 代搜索中禁忌这些对象，以避免迂回搜索，通过藐视准则解禁被禁忌的最优侯选解，这 也是它与其他组合优化算法相比最大的优点。 3 1 1 禁忌搜索算法的基本原理 禁忌搜索法是由e g l o v e r 在6 0 年代末提出的一套优化理论，它是对局部邻域搜索 的一种扩展，是一种全局逐步寻优算法。t s 算法通过引入灵活的存储结构和相应的禁 忌准则来避免迂回搜索，并通过藐视准则来赦免一些被禁忌的优良状态，进而保证多样 化的有效搜索以最终实现全局优化【3 5 。3 6 】。 禁忌搜索法目标函数选取灵活，无需求导或求逆等复导数数学运算，可以方便地引 入各种约束条件，适合于处理混合非线性和多变量的目标优化问题。与传统的优化算法 相比，它采用了许多独特的方法和技术，归纳起来主要有以下几个方面【3 4 】： ( 1 ) 搜索过程中能够跳出局部最优解，转向解空间的其它区域，从而增强获得全局 最优解的概率。 ( 2 ) 搜索过程中可以接受较差的解，新解不是在当前解的邻域中随机产生，而是或 优于目前最优的解，或为非禁忌对象中的最佳解。因此，选取优良解的概率远远大于其 他解，具有较强的爬山能力。 ( 3 ) 适合解决多变量、非线性、不连续、多约束的全局优化问题，显示出了独特的 优越性。 t s 算法是一种局部搜索能力很强的全局迭代寻优算法，但是也有明显的不足。t s 算法比较依赖于初始解。为了进一步改善禁忌搜索法的性能，一方面可以对禁忌搜索法 本身的操作和参数选取进行改进，另一方面，可以与模拟退火、遗传算法以及基于问题 信息的局部搜索相结合。 3 1 2 禁忌搜索的关键参数和操作 禁忌搜索算法的关键参数【3 4 】包括适配值函数、禁忌对象、禁忌长度、候选解、藐视 准则、邻域函数和终止准则。下面分别简要介绍。 ( 1 ) 适配值函数：用于对搜索状态的评价，进而结合禁忌准则和藐视准则来选取新 1 2 3 基于禁忌搜索算法的变电站内电压无功控制 的当前状态。目标函数可以直接作为适配值函数，目标函数的任何变形也可以作为适配 值函数。当目标函数的计算比较麻烦或费时时，可以采用反映问题目标的某些特征值作 为适配值，但必须保证特征值的最佳性与目标函数的最优性相一致。 ( 2 ) 禁忌对象：指被置入禁忌表中的那些变化元素。禁忌的目的是为了尽量避免迂 回搜索而多探索一些有效的搜索路径。禁忌对象可选取状态本身、状态分量和适配值的 变化等。 以状态本身或其变化作为禁忌对象是最简单、最易理解的途径。具体而言，由 状态x 变化到状态y 时，将状态y 视为禁忌对象，从而在一定条件下禁止了状态y 的再 度出现。 状态的变化包含了多个状态分量的变化，因而以状态分量的变化为禁忌对象将 扩大禁忌搜索的范围，并可以减少相应的计算量。 类似等高线的原理，以适配值或其变化为禁忌对象，则将处于同一适配值的状 态视为相同状态。由于一个值的变化隐含着多个状态的变化，因而这种情况下的禁忌范 围相对于状态的变化将有所扩大。 ( 3 ) 禁忌长度：指禁忌对象在不考虑藐视准则情况下不允许被选取的最大次数。禁 忌长度既可以是固定的，也可以是动态变化的，其值大小的选取与问题特性和研究者的 经验有关，是影响t s 算法的关键参数之一。 ( 4 ) 候选解：候选解集是当前状态的邻域的一个子集，从当前状态的邻域中择