（电力系统及其自动化专业论文）基于智能技术的地区电网电压无功控制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 一= = 目= = ；= = ；= = # = = = = = = = j = = 日= = = = = ；= ；= = ； 1绪论 【本章擅要j 综述自动电压控制的发展和现状，介绍了自动电压控制的类型、作用 和控制策略，阐述了课题的意义，并对本文所做的工作和主要章节安排进行了说明a 1 1问题的提出和研究背景 电压是电能质量的重要指标，电压质量对电力系统的安全与经济运行、对保证用 户安全生产和产品质量以及电器设备的安全与寿命有重要的影响。但是受到多年来电 力建设的方针的影响，我国电网建设中，对配电网的基础投入不多，导致我国的城市 电网中( 特别是配电网) 电压质量不高。随着地区电网的不断发展，电网结构日益复 杂，对于电能质量的要求日益提高。电网电压质量( 特别是电压合格率) 问题就显得 特别突出，并且越来越受到各级供电部门的重视【i 】。 目前国内地区电网电压无功控制存在的问题是： 1 ) 无功电源配置不合理，如无功过剩时一方面会提高系统运行电压，导致运行 中的用电设备的运行电压超出额定工况，缩短设备的使用寿命；另一方面，无功过剩 也会影响线路传输的安全稳定性。导致系统的输送容量下降，给电网运行调度带来不 利影响。而无功不足的时候，一方面会降低电网电压，另一方面，电网中传输的无功 功率还增加了电能传输时的网络损耗，加大了电网的运行成本。这可以通过无功优化 规划计算配以适量的建设资金逐步解决。 2 ) 没有能够实现全网的电压无功优化协调控制，不能实现无功的分层、分区就 地平衡。当前在地区电网中很多变电站都装设有电压无功综合自动控制装置( v q c ) f 2 j f 加j ，只采集变电站内部信息，控制目标为变电站低压母线电压和变电站消耗的无功 功率，不能实现全网的协调控制。 3 ) 有些地区电网中也采用了应用数学方法p 1 1 4 1 1 5 1 如线性规划、非线性规划或是人 工智能算法如遗传算法的电压无功控制软件”】【3 8 】 4 来实现全网的电压无功控制，这些 方法确存在着各种问题如线性规划法因为采取了线性近似处理、降低了控制的精度。 非线性规划法则因为处理离散问题也会带来一定误差，同时其易于收敛在局部最优 华中科技大学硕士学位论文 一= = 目= = ；= = ；= = # = = = = = = = j = = 日= = = = = ；= ；= = ； 1绪论 【本章擅要j 综述自动电压控制的发展和现状，介绍了自动电压控制的类型、作用 和控制策略，阐述了课题的意义，并对本文所做的工作和主要章节安排进行了说明a 1 1问题的提出和研究背景 电压是电能质量的重要指标，电压质量对电力系统的安全与经济运行、对保证用 户安全生产和产品质量以及电器设备的安全与寿命有重要的影响。但是受到多年来电 力建设的方针的影响，我国电网建设中，对配电网的基础投入不多，导致我国的城市 电网中( 特别是配电网) 电压质量不高。随着地区电网的不断发展，电网结构日益复 杂，对于电能质量的要求日益提高。电网电压质量( 特别是电压合格率) 问题就显得 特别突出，并且越来越受到各级供电部门的重视【i 】。 目前国内地区电网电压无功控制存在的问题是： 1 ) 无功电源配置不合理，如无功过剩时一方面会提高系统运行电压，导致运行 中的用电设备的运行电压超出额定工况，缩短设备的使用寿命；另一方面，无功过剩 也会影响线路传输的安全稳定性。导致系统的输送容量下降，给电网运行调度带来不 利影响。而无功不足的时候，一方面会降低电网电压，另一方面，电网中传输的无功 功率还增加了电能传输时的网络损耗，加大了电网的运行成本。这可以通过无功优化 规划计算配以适量的建设资金逐步解决。 2 ) 没有能够实现全网的电压无功优化协调控制，不能实现无功的分层、分区就 地平衡。当前在地区电网中很多变电站都装设有电压无功综合自动控制装置( v q c ) f 2 j f 加j ，只采集变电站内部信息，控制目标为变电站低压母线电压和变电站消耗的无功 功率，不能实现全网的协调控制。 3 ) 有些地区电网中也采用了应用数学方法p 1 1 4 1 1 5 1 如线性规划、非线性规划或是人 工智能算法如遗传算法的电压无功控制软件”】【3 8 】 4 来实现全网的电压无功控制，这些 方法确存在着各种问题如线性规划法因为采取了线性近似处理、降低了控制的精度。 非线性规划法则因为处理离散问题也会带来一定误差，同时其易于收敛在局部最优 华中科技大学硕士学位论文 解、收敛性能较差，也限制了它在电压无功控制中的应用。人工智能算法如遗传算法 而言由于其全局多途径搜索能力，且对于处理问题无非离敞化要求在理论上可以 满足电压无功控制的要求。但是由于地区电网电压无功控制的实际，如控制方案制定 的实时性问题，数据采集的准确性问题、当出现数据不全时如何处理的问题。使得对 于一般的遗传算法必须进行必要的改进措施才能实际应用于地区电网电压控制。 本文在分析了遗传算法1 3 卜4 川应用于电压无功控制的原理和研究了电压无功控制本 质要求的基础上，进行了对于一般遗传算法的改进工作。同时根据地区电网电压无功 控制的协调控制特性。提出了基于智能主体a g e n t 的电压无功控制策略。 1 2 国内外地区电网电压无功控制研究概况 电力系统的优化运行就是希望计算机控制的系统能实旌优化潮流。满足各种安全 运行约束，保证系统的频率为额定值，维持各枢纽点的电压为最佳给定值，而且在满 足负荷需求的条件下，使得发电成本以及网络功率损耗最小。这些目的分别需要通过 a g c ( 自动发电控制) 和a v c ( 自动电压控制) 来实现。 自动电压控制( a u t o m a t i cv o l t a g e c o n t r o l ，a v c ) 是指在自动装置的作用和给 定电压约束条件下，发电厂( 机) 的励磁、变电站和用户的无功补偿装置的出力以及变压 器的分接头都能按指令自动进行闭环式的调整，使其注入电网的无功逐渐接近电网要 求的最优值，从而使全网的无功潮流接近最优，达到电压好和线损低的目的。自动控 制和全网有最优无功潮流是a v c 的两大特征。 自动电压控制的任务可分为两个方面：一是要保证各监视节点的电压维持在设定 值，或偏离设定值尽可能小，以保证电压质量，提高系统稳定性；二是在保证电压稳 定的条件下，通过调节各种无功补偿设备使系统的有功损耗( 变压器及线路损耗) 最 小化。 目前国外川7 j ( 8 1 将电力系统无功功率和电压的自动控制系统按照时间和空间从 功能上分成三个不同的等级，即次、二次和三次，有的称局部的、区域的和整个系 统的。从时闯上分开是为了防止三个系统之间相互作用而造成振荡或不稳定。电压分 级控制包括三个等级： 2 华中科技大学硕士学位论文 解、收敛性能较差，也限制了它在电压无功控制中的应用。人工智能算法如遗传算法 而言由于其全局多途径搜索能力，且对于处理问题无非离敞化要求在理论上可以 满足电压无功控制的要求。但是由于地区电网电压无功控制的实际，如控制方案制定 的实时性问题，数据采集的准确性问题、当出现数据不全时如何处理的问题。使得对 于一般的遗传算法必须进行必要的改进措施才能实际应用于地区电网电压控制。 本文在分析了遗传算法1 3 卜4 川应用于电压无功控制的原理和研究了电压无功控制本 质要求的基础上，进行了对于一般遗传算法的改进工作。同时根据地区电网电压无功 控制的协调控制特性。提出了基于智能主体a g e n t 的电压无功控制策略。 1 2 国内外地区电网电压无功控制研究概况 电力系统的优化运行就是希望计算机控制的系统能实旌优化潮流。满足各种安全 运行约束，保证系统的频率为额定值，维持各枢纽点的电压为最佳给定值，而且在满 足负荷需求的条件下，使得发电成本以及网络功率损耗最小。这些目的分别需要通过 a g c ( 自动发电控制) 和a v c ( 自动电压控制) 来实现。 自动电压控制( a u t o m a t i cv o l t a g e c o n t r o l ，a v c ) 是指在自动装置的作用和给 定电压约束条件下，发电厂( 机) 的励磁、变电站和用户的无功补偿装置的出力以及变压 器的分接头都能按指令自动进行闭环式的调整，使其注入电网的无功逐渐接近电网要 求的最优值，从而使全网的无功潮流接近最优，达到电压好和线损低的目的。自动控 制和全网有最优无功潮流是a v c 的两大特征。 自动电压控制的任务可分为两个方面：一是要保证各监视节点的电压维持在设定 值，或偏离设定值尽可能小，以保证电压质量，提高系统稳定性；二是在保证电压稳 定的条件下，通过调节各种无功补偿设备使系统的有功损耗( 变压器及线路损耗) 最 小化。 目前国外川7 j ( 8 1 将电力系统无功功率和电压的自动控制系统按照时间和空间从 功能上分成三个不同的等级，即次、二次和三次，有的称局部的、区域的和整个系 统的。从时闯上分开是为了防止三个系统之间相互作用而造成振荡或不稳定。电压分 级控制包括三个等级： 2 华中科技大学硕士学位论文 1 、三级电压控制，是以经济和安全准则优化电网的运行状态对各二次电压控制区 进行协调。控制方式是用位于中央调度所的三次电压调节器控制位于各个地区调度所 的= 次电i 玉i l l l 节器。以全系统的稳定运行为目标，并考虑其经济性。 2 、二级电压控制，按电压的观点将电网分成不同的控制区域，在这个区域里面可 以保持一个大体上平坦的电压水平，该区域内有一个或数个特殊节点，即先导节点 ( p i l o tn o d e ) ：该节点的电压变化最能代表该区域内的电压变化，当先导节点电压变 化为0 的时候，区域的电压变化最小，因此对先导节点的电压进行控制，可以维持整 个区域的电压水平在可以接受的范围内。接受三级电压控制目标信号，保证先导节点 的电压维持在设定值范围附近，当先导节点的电压控制发生偏差时，二级电压控制器 则按照预定的控制规律改变一级电压控制器的设定参考值。 3 卜一级电压控制，由负荷的自然波动、网络拓扑结构改变和偶然事故造成的快速 随机电压变化，首先由交流发电机本身的一次电压调节系统部分的吸收。在发生高振 幅电压波动的时候，变压器上的带负荷抽头切换装置开始工作，并联电容器自动投切。 这种一次的控制时分散的、自动的，往往是根据电压的高低而动作的，其目的是维持 节点电压在定范围内。一般是本区域内控制发电机的自动调压器( a v r ) 控制变电 站有载电压调压器( o u ) 及可控硅控制的电容器组，电抗器组，s v c 、s t a t e c o m 等一级电压控制器根据二级电压控制器的控制信号调节系统所需的无功支持，从而维 持系统电压的稳定性。 电压分级控制系统中，每一级都有其各自的控制目标，低级控制接受上级的控制 信号作为自己的控制目标，并向下一级发出控制信号。电压分级控制研究地主要方向 f 6 】【7 删集中在控制区域的划分( 文献【7 】中提及如何有效的划分控制区域以及更好的消 除控制器动作对于临近区域的影响) 、控制区域中先导节点的选取、一级电压控制器 中控制规律的定义、各个一级电压控制器协调工作方式。目前在国内外应用较多的有 传统二级电压控制( s v c ) 、改进二级电压控制( i s v c ) 、协调二级电压控制( c s v c ) 等方法。 本文所讨论的地区电网电压无功控制相当于三级电压控制，从整个系统的安全性 和经济性出发，对各无功源出力、变压器分接头位置、发电机励磁进行设定。二级电 3 华中科技大学硕士学位论文 一= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = # 压控制则是主要研究在各种异常干扰情况下，如发生线路断开、联络线短路、负荷发 生大幅度突变等，如何通过一级电压控制器的协调控制维持二级电压控制区域的先导 节点电压。 a v c 按照其控制的对象和范围分为系统a v c 和厂站a v c ，厂站级a v c 【1 o 】1 4 8 】是 作为一个子系统，使得两者自动协调工作，一方面厂站a v c 能满足系统a v c 提出的 实时要求，具体执行有关的控制命令，另一方面它又为系统控制中心提供各种实时信 息，给系统控制中心反馈信息，以便使下一步的决策更准确、更有预见性、更能满足 整个系统的安全经济运行要求。厂站a v c 在其发展过程中产生了许多种控制策略， 最早是采用试探的方法，逐步缓慢地增减各台发电机组注入母线的无功，使母线电压 向设定值逼进。这种方法调节平稳，但调整速度太慢。对变电站内的a v c 控制，多 采用控制特性图法【m l ，通过测量的无功电压值在控制特性图内进行测位来确定具体 的调节措施。 系统a v c 目前国内外在这方面的研究比较多【1 1 - 1 7 1 1 9 也】，基本上都是将各种调节 手段作为控制变量，将潮流方程及联络线潮流约束作为等式约束，以有功网损作为目 标函数( 或考虑其它因素建立综合目标函数1 1 2 1 ) ，建立非线性优化的数学模型。对于 该数学模型的求解一般分为；基于策略的控制和基于算法的控制。 基于策略控制的思想是：以全网有功网损最小为控制目标，电压合格为约束条件， 按电压等级分层，借助s c a d a 系统采集数据判断当前电网各层所处无功电压状态， 根据灵敏度估算确定控制设备动作量值。它的优势在于：适应性好( 即使局部有坏数 据亦可闭锁相关设备运行) 、计算简单( 灵敏度预先统一计算) 、实时性好。缺点则是 由于采取估算确定动作量则精度不够，经济性较差。国内外很多学者对此进行了众多 研究。例如文献【1 5 】提出了一种全网无功电压优化集中自动控制系统，该系统不是进 行单纯的电网潮流计算，而是建立符合全网网损尽可能小、电压合格的优化及控制判 断规则，这些规贝u 对控制效果的改进明显。文献 1 4 i 提出了一种适用于1 1 0 k v 及以上 电网的自动电压控制方法，该方法基于经济压差优化电压无功潮流程序，对解决e m s 中装设的电压无功优化计算软件的收敛性问题有一定帮助。 基于算法的控制：由于无功电压控制问题是一个多变量、多约束的混合非线性问 一4 华中科技大学硕士学位论文 = 一= = = = ；= ；= ；= ；= l ；= # = = = = = = = = ；= ；= = = = ； 题表述为带有等式和不等式约束的最优化数学问题。要求优化算法满足以下条件： ( 1 ) 足够的鲁棒性：( 2 ) 能处理离散变量问题，能够解决混合整数优化问题，本身 没有对控制变量的连续性假设的限制；( 3 ) 能解决实时性问题：s c a d a 系统采集实 时数据之后，控制方案的制定不应该有太长的滞后。通常采用梯度最速下降法f 3 】【5 】【l l l ， 利用耳标函数关于控制变量的梯度作为控制变量的搜索方向，同时假定有功、无功和 电压相角之间存在解耦的关系，不断地迭代并最终获得控制变量的调整量。这种方法 计算量大，收敛性差且易收敛于局部最优解，而且最优步长因子c 难于选择t 限制了 它在实时、在线控制方面的发展。考虑到某些控制变量的离散特性，如变压器的分接 头、可投切电容器的投切组数，可采用混合整数规划法进行优化求解。另外，还可采 用线性规划1 1 6 1 1 1 s 1 2 萄的优化方法，求出控制变量对无功注入的灵敏度、无功注入对节点 电压的灵敏度、以及有功网损对节点电压的灵敏度，将非线性优化变为线性优化，通 过线性规划来求解，这种方法计算速度快。易于处理各类约束条件，但由于它对非线 性函数作线性化处理，计算精度受到一定的影响。 随着计算机技术的发展和人工智能技术不断完善和改进，人工智能技术 2 3 - 3 0 1 已经 越来越多的代替传统的数学方法应用于无功电压控制。一些模拟进化类1 4 7 的方法，如 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 、进化规划( e v o l u t i o np r o g r a r n ，e p ) 算法、模拟 退火( s i m u l a t e da n n e a l i n g ，s a ) 算法等具有较高的鲁棒性和广泛的适应性，对于求 解问题几乎没有任何限制，可以方便地处理混合整数离散性问题，同时使用多目标函 数，也不涉及常规优化问题的求解的复杂数学过程，从多初值点开始，沿多路径搜索 获得最优解集，但是传统的遗传算法( g a ) 应用于地区电网无功优化又存在容易收 敛于局部最优解、搜索时问过长、实时性较差的问题，这类方法有待进一步改进，有 关改进方法方面的研究也较多：文献 3 2 j 【3 6 】提出了多种加快g a 速度的方法；文献 4 8 】 将g a 和s a 结合起来以便获得更好的优化效果；目前，模糊控制理论也被用来解决 多目标无功优化问题，它首先建立所有日标函数的隶属度函数来对这些优化目标进行 评价，将多目标优化问题转化为以隶属度函数的最大隶属度值为目标、以隶属度约束 及控制变量约束条件为约束的单目标优化函数，这样就可采用线性规划的方法来进行 求解，这种方法能很好地解决多目标优化这类“软限制”优化问题。在人工神经网络 华中科技大学硕士学位论文 = = = 一一：= = ；= = = = ；= ；= = = = = = = = = = = 口= = = j _ 中的h o p f i e l d 网络也可解决无功优化这类非线性优化问题，但若要计算迅速，须采用 硬件的方法实现。本文提出了定空间灵敏度遗传算法，在借鉴基于策略的控制规则基 础上【5j _ 5 2 j 对传统的遗传算法进行改进，以改善算法的实时性，避免局部收敛。 电力市场机制的逐渐完善，将导致大型联合电网的控制越发趋于分散化，使得以 保证系统电压稳定性，兼顾系统经济性的无功电压控制由全网分散控制或是集中控制 向分散协调控制转变的研究日益得到重视。a g e n t 技术的提出和发展h 1 讲1 陋5 引，以及 其分布式问题求解，多a g e n t 系统为实现共同目标的协调控制能力使得其在电网无功 电压协调控制中的应用引起了人们的关注。 1 3 本文主要工作及章节安排 本文在介绍了地区电网电压控制的数学模型、各种控制方式、以及当前应用的一 些数学算法和人工智能算法的基础上。根据地区电网电压无功控制的实际功能要求， 针对现有控制算法以及控制策略在收敛性、实时性、控制精度上的问题，参考了地区 电网电压无功控制的策略规则，利用无功分层平衡思想和灵敏度分析计算来指导遗传 算法的遗传操作。提出了改善了收敛性能、实时性能、经济性能的定空间灵敏度遗传 算法。在此基础上根据电网无功补偿装置、电压调节设备安装的分布式特性、针对关 联分散控制方式，利用智能主体解决分布式问题的协调控制能力，提出了基于a g e n t 的地区电网电压无功控制策略，并对于该多a g e n t 系统的构造、工作方式、通信机制 进行了相应的说明。 本文各章节安排如下： 第一章：阐述了课题意义，概述了自动电压控制的概念、类型、作用及控制策略。 第二章：介绍了地区电网电压无功控制的数学模型、比较了现有的应用于地区电 网电压无功控制实际的控制方式、并着重介绍了地区电网电压无功控制的实现方法。 第三章：着重介绍在地区电网电压无功集中控制采用的定空间灵敏度遗传算法， 首先具体介绍了传统的遗传算法在电压无功控制中的应用和遗传算法在电压无功控 制中的一些改进措施，然后提出了本文研究的定空间灵敏度遗传算法、最后根据相应 的仿真计算结果，比较了这几种算法之间的优缺点。 6 华中科技大学硕士学位论文 = = = 一一：= = ；= = = = ；= ；= = = = = = = = = = = 口= = = j _ 中的h o p f i e l d 网络也可解决无功优化这类非线性优化问题，但若要计算迅速，须采用 硬件的方法实现。本文提出了定空间灵敏度遗传算法，在借鉴基于策略的控制规则基 础上【5j _ 5 2 j 对传统的遗传算法进行改进，以改善算法的实时性，避免局部收敛。 电力市场机制的逐渐完善，将导致大型联合电网的控制越发趋于分散化，使得以 保证系统电压稳定性，兼顾系统经济性的无功电压控制由全网分散控制或是集中控制 向分散协调控制转变的研究日益得到重视。a g e n t 技术的提出和发展h 1 讲1 陋5 引，以及 其分布式问题求解，多a g e n t 系统为实现共同目标的协调控制能力使得其在电网无功 电压协调控制中的应用引起了人们的关注。 1 3 本文主要工作及章节安排 本文在介绍了地区电网电压控制的数学模型、各种控制方式、以及当前应用的一 些数学算法和人工智能算法的基础上。根据地区电网电压无功控制的实际功能要求， 针对现有控制算法以及控制策略在收敛性、实时性、控制精度上的问题，参考了地区 电网电压无功控制的策略规则，利用无功分层平衡思想和灵敏度分析计算来指导遗传 算法的遗传操作。提出了改善了收敛性能、实时性能、经济性能的定空间灵敏度遗传 算法。在此基础上根据电网无功补偿装置、电压调节设备安装的分布式特性、针对关 联分散控制方式，利用智能主体解决分布式问题的协调控制能力，提出了基于a g e n t 的地区电网电压无功控制策略，并对于该多a g e n t 系统的构造、工作方式、通信机制 进行了相应的说明。 本文各章节安排如下： 第一章：阐述了课题意义，概述了自动电压控制的概念、类型、作用及控制策略。 第二章：介绍了地区电网电压无功控制的数学模型、比较了现有的应用于地区电 网电压无功控制实际的控制方式、并着重介绍了地区电网电压无功控制的实现方法。 第三章：着重介绍在地区电网电压无功集中控制采用的定空间灵敏度遗传算法， 首先具体介绍了传统的遗传算法在电压无功控制中的应用和遗传算法在电压无功控 制中的一些改进措施，然后提出了本文研究的定空间灵敏度遗传算法、最后根据相应 的仿真计算结果，比较了这几种算法之间的优缺点。 6 华中科技大学硕士学位论文 第四章：介绍了a g e n t 的概念、结构、工作方式。提出了应用于地区电网电压无 功控制的m a s ( 多a g e n t 系统) ，并对于不同类型的a g e n t 的功能模块、通信方式、 工作原理，以及m a s 的工作方式进行了探讨。 第五章：根据地区电网电压无功控制软件开发与设计的要求，提出了电压无功控 制软件编程环境与设计方法，介绍了电压无功软件主要模块功能及设计要求。 第六章：总结本论文的主要研究结果及体会，并指出了在电压无功控制软件建模、 算法研究及软件开发等方面有待进一步研究的问题。 其中。第三、四章是本文的重点。 一一 ， 华中科技大学硕士学位论文 2 地区电网电压无功控制 【本章擅要1 概述地区电网电压无功控制原理，介绍了各种地区电网电压无功控 制方式，以及在这些方式下采用的控制方法，分析了这些方式方法存在的问题 随着电力事业的蓬勃发展，电网结构目益复杂。电力系统的电压如果波动过大， 不仅会直接影响电气设备的性能，而且还将给系统稳定、安全运行带来困难，甚至引 起系统电压崩溃，造成大面积停电，如1 9 7 8 年1 2 月1 9 目法国大停电，1 9 8 3 年1 2 月2 7 日瑞典大停电，1 9 8 7 年7 月2 3 日东京大停电等都是因无功控制不当引起电压崩 溃，从而造成系统重大事故，随着我国电力市场机制的引入，出现电压崩溃并发展为 全网性事故的可能性正在逐渐增加，采用有效手段降低网损、改善系统电压水平，已 经成为直接关系到电力企业自身经济效益的课题。 2 1电网电压无功控制原理 电压无功控制数学模型：无功电压控制中的变量可以分为控制变量和状态变量： 控制变量为备无功补偿节点补偿容量绞、有载调压变压器变比k 、可调发电机端电 压圪，状态变量为节点电压，其目的是在满足各种约束条件的情况下降低全网有功网 损。 目标函数为： 砌户，= ( _ 2 + 矿? + 2 一0c o s 吼) + 名。p u n2 ( 一) + 五p u n ：( 口，) ( 2 1 ) 式中的旯，九是惩罚系数：p u n ( x ) 函数定义为： p 。一j ? 。一：。， ( 2 2 ) u n ( j ) = oj 舯sx 茎j 蛐 、7 lj j 一j fj j 。 状态变量和控制变量约束条件为： 8 华中科技大学硕士学位论文 2 地区电网电压无功控制 【本章擅要1 概述地区电网电压无功控制原理，介绍了各种地区电网电压无功控 制方式，以及在这些方式下采用的控制方法，分析了这些方式方法存在的问题 随着电力事业的蓬勃发展，电网结构目益复杂。电力系统的电压如果波动过大， 不仅会直接影响电气设备的性能，而且还将给系统稳定、安全运行带来困难，甚至引 起系统电压崩溃，造成大面积停电，如1 9 7 8 年1 2 月1 9 目法国大停电，1 9 8 3 年1 2 月2 7 日瑞典大停电，1 9 8 7 年7 月2 3 日东京大停电等都是因无功控制不当引起电压崩 溃，从而造成系统重大事故，随着我国电力市场机制的引入，出现电压崩溃并发展为 全网性事故的可能性正在逐渐增加，采用有效手段降低网损、改善系统电压水平，已 经成为直接关系到电力企业自身经济效益的课题。 2 1电网电压无功控制原理 电压无功控制数学模型：无功电压控制中的变量可以分为控制变量和状态变量： 控制变量为备无功补偿节点补偿容量绞、有载调压变压器变比k 、可调发电机端电 压圪，状态变量为节点电压，其目的是在满足各种约束条件的情况下降低全网有功网 损。 目标函数为： 砌户，= ( _ 2 + 矿? + 2 一0c o s 吼) + 名。p u n2 ( 一) + 五p u n ：( 口，) ( 2 1 ) 式中的旯，九是惩罚系数：p u n ( x ) 函数定义为： p 。一j ? 。一：。， ( 2 2 ) u n ( j ) = oj 舯sx 茎j 蛐 、7 lj j 一j fj j 。 状态变量和控制变量约束条件为： 8 绯。绯绯一 瓯匿吼， s 蔓 瓦。瓦t ， k 删。rsk m “ ( f 1 n ，r ) ( i 1 以) ，1 ，、 ( f el t ) t 2 一j ， ( 女1 一n r ) ( f e1 一n 口) 潮流等式： p ：v 意q 蛹c 。岛+ 岛s i 呜) ( 2 4 ) j = l g = v q ( gs i r 一8 , i c o n , j ) ( 2 5 ) 1 = 1 式中的n 。，n 尸r ，n f 分别为系统节点总数、p v 节点总数、支路总数，n 。为可 调发电机总数，n ，为可调有载变压器支路总数，q ，为补偿容量。式( 2 - - 4 ) 一( 2 5 ) 中i ，j 表示节点号、n 表示系统节点总数。 如在前言中所述及的对于这种非线形寻优问题可以通过数学算法求解，也可以应 用策略规则解决。而又根据控制方式的不同可以分为集中控制、分散控制、分散关联 协调控制。 2 2 地区电网电压无功控制方式 电力系统线路中存在的电压降落主要是线路传输无功功率造成的，所以对电力系 统的电压控制往往是对线路中传输的无功功率进行补偿。从大的方面来说，电压自动 控制有集中式、分散式、关联分散式三种5 - 1 5 1 1 1 5 2 1 。 1 ) 集中控制：是指调度中心通过调度s c a d a ( 数据采集及监控) 系统，采集包 括个发电厂、变电所等中枢点的电压、发电厂无功、变压器接头位置、无功补偿设各 开断、投入状态等状态量和数字量，经计算机数据处理，以较短的时间调整系统中枢 点的电压，使偏离值减小，并调整无功补偿设备的开断和投入及变压器分接头位置， 实现整个系统的电压和无功功率的闭环控制。理论上讲，这种控制方式是保持系统电 压正常，提商系统运行可靠性和经济性的最佳方案。但它要求调度中心必须具有囡她 制宜的电压和无功优化实时控制软件，而且它需要对各配电中心具有遥测、遥信和遥 9 绯。绯绯一 瓯匿吼， s 蔓 瓦。瓦t ， k 删。rsk m “ ( f 1 n ，r ) ( i 1 以) ，1 ，、 ( f el t ) t 2 一j ， ( 女1 一n r ) ( f e1 一n 口) 潮流等式： p ：v 意q 蛹c 。岛+ 岛s i 呜) ( 2 4 ) j = l g = v q ( gs i r 一8 , i c o n , j ) ( 2 5 ) 1 = 1 式中的n 。，n 尸r ，n f 分别为系统节点总数、p v 节点总数、支路总数，n 。为可 调发电机总数，n ，为可调有载变压器支路总数，q ，为补偿容量。式( 2 - - 4 ) 一( 2 5 ) 中i ，j 表示节点号、n 表示系统节点总数。 如在前言中所述及的对于这种非线形寻优问题可以通过数学算法求解，也可以应 用策略规则解决。而又根据控制方式的不同可以分为集中控制、分散控制、分散关联 协调控制。 2 2 地区电网电压无功控制方式 电力系统线路中存在的电压降落主要是线路传输无功功率造成的，所以对电力系 统的电压控制往往是对线路中传输的无功功率进行补偿。从大的方面来说，电压自动 控制有集中式、分散式、关联分散式三种5 - 1 5 1 1 1 5 2 1 。 1 ) 集中控制：是指调度中心通过调度s c a d a ( 数据采集及监控) 系统，采集包 括个发电厂、变电所等中枢点的电压、发电厂无功、变压器接头位置、无功补偿设各 开断、投入状态等状态量和数字量，经计算机数据处理，以较短的时间调整系统中枢 点的电压，使偏离值减小，并调整无功补偿设备的开断和投入及变压器分接头位置， 实现整个系统的电压和无功功率的闭环控制。理论上讲，这种控制方式是保持系统电 压正常，提商系统运行可靠性和经济性的最佳方案。但它要求调度中心必须具有囡她 制宜的电压和无功优化实时控制软件，而且它需要对各配电中心具有遥测、遥信和遥 9 华中科技大学硕士学位论文 一= = 自= ! = = = = = ；= = = = = = ；= = ；= = = = = = 2 口= = = i 控功能，对通道的可靠性要求高。另外，最好在各配电中心要具备智能执行单元。但 在我国目前各变电站的自动化水平层次不一的情况下，实现全系统的集中优化控制尚 有较大的难度。在些地调系统中，虽然自称对电压和无功可以实行集中控制，但实 际上只是由调度员通过r t u 执行机构，进行远方手动操作，既不能实现自动优化控 制，又增加了调度员的负担。这是目前集中控制普遍存在的一个问题。 2 ) 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。分散控制不易实现全系统的最优控制，但它可以实现局部的优化，对提高受控站 供电范围内的电压质量和降低局部网络变压器的电能损耗，减轻值班员的操作是很有 价值的。分散控制见效快，符合国情。 3 ) 集中控制虽然理论上能实现全局的最优控制，但它要求有复杂的应用软件、可 靠的通道和智能执行终端。即使这些条件都可以实现，因功能过于集中，既增加了软 件的复杂性，又不利于整体的可靠性。目前国内已有的分散控制，虽然能实现局部的 优化但实质上只是局部控制，无法实现全局的优化。关联分散控制的特点是：在正常运 行情况下，由安装在各厂( 站) 的关联分散控制装置根据设计好的控制规律进行调控。 调控范围和定值是从整个系统的安全、稳定和经济运行出发，可先由电压无功优化程 序计算好，在紧急情况下或系统运行方式发生大的变动时，可由调度中心直接控制或 由调度中心修改下属变电站所维持的母线电压和无功功率的定值，以满足系统安全、 稳定、经济运行的新要求。因此关联分散控制的最大优点是，在正常运行情况下，做 到各关联分散控制器责任分散、控制分散、风险分散；在紧急状态下，执行应急程序， 从而从根本上提高全系统的可靠性和经济性。 在不同的实际情况下根据不同的控制方式下应用不同的控制方法，如集中式的算 法控制或策略规则控制；分散式策略规则控制：关联分散控制的a g e n t 实现。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 3 地区电网电压无功控制的实现方法 2 3 1 电压无功的策略控制 在电力系统工程实际上目前应用较多的是基于策略的控制方法，由s c a d a ( 监 控和数据采集系统) 采集的当前数据，根据电力系统电压无功控制特性( 图2 1 ) 可以判断系统当前运行状况( 电压是否正常，无功容量是否充裕) ，从而执行预先制 定的一系列控制措施，以达到消除电压越限，减少网损的控制目标( 由于预定义的控 制措施：升降变压器分接头、投切电容器电感器、调节发电机出力，多满足于就地补 偿无功的原则，减少了无功潮流，从而达到了减少有功网损的目的) 吠。 户u 切电) 感 易?心 1 r 7 t u 、 ( 切 图2 一l 电力系统无功、电压控制特性 对于判定系统当前运行状况可以有多种判据( 电压、无功、功率因数、电压无功、 电压功率因数等) 一般都应用多区图法则( 图2 - - 2 ) 以电压和无功作为判据，大致 如下： 当位于1 区时，先投电容，当电容全部投入后，电压仍低于电压下限值时，发升 压指令。 2 a 区时：发投电容指令。电容器投完仍在该区，则维持。 2 c 区时：如果还有电容器没有投，贝, u y e 将压再投电容器，或维持不动。 3 、4 区：发降压指令。当有载调压变压器处于下极限位置时，发切除电容指令。 5 区时：发切除电容指令。当c 全部清除后，电压仍高于电压上限值时，发将压 指令。 华中科技大学硕士学位论文 6 b 区时：发切除电容指令。若电容器垒切完仍处在该区，则维持。 6 d 区时：如果还有电容器末切除，则先升压，再切除电容器，或是维持不动。 7 、8 区时：发升压指令，当有载调压变压器出于上极限位置时，发投电容指令。 u o jl 3 s4 ，_ 厂 6 b 9 2 c 1 6 d2 a 7 8i u r q 。 q 。 x q 图2 2 电压、无功限值区间划分图 q 一从系统吸收的无功功率 目前大多数电网采用分散调整的方式实施无功电压控制，在变电站中采取了这种 控制策略( v q c ) ，预先将与各母线相关联的控制设备，下级母线编为链表，判断当 前状态后，搜寻链表，取得控制设备当前状况( 是否可控) ，并预先计算该控制设备 的动作量，发出控制指令。这种控制策略的优势在于简单易行；充分利用了变电站电 容器、电抗器；提高了变电站电压合格率。但是该方法在二级有载调压电网会出现电 压频繁调整，容易造成电压调节不合理现象，而且很难实现全网范围的无功电压最优 控制。如某高压变电站( 电源点) 电压不合格，而该电源点同时涉及到几个中压变电 站( 负荷点) 时单纯在负荷变压站就地调节的方式无法从地区电网范围进行合理调节， 无形中增加了厂站设备的调节次数，或在调节过程中出现振荡。 同时目前无功电压集中优化控制也在国内有一些应用，该方法多是根据变电站电 压等级，将电网划分为几层，按照电压等级高低顺序，逐层消除电压越限、无功潮流 越限等情况，首先判断层内越限的变电站的越限状态、分析越限原因、搜寻可动作且 - 1 2 华中科技大学硕士学位论文 有效的动作装簧、通过预计算的灵敏度系数估算消除越限状态所需控制装置的动作量 值。当是上层变电站引起下层变电站产生越限等状况时，对上层变电站进行相应动作。 当是变电站本身引起时，按照多区图原则进行控制措施制定。当变电站本身控制装置 已经达到控制约束限制，还不能消除越限情况时，可以向与同一上级电压母线相联的 电站求助，根据灵敏度系数确定电站发电机端电压。如果没有电站或是仍然不能消除 越限情况，则该产生该变电站报警信息。对电压越限、无功潮流越限的消除时，应当 优先保证电压越限的消除。 集中控制的思路考虑了尽量减少层间无功潮流流动，做到无功分层平衡、就地补 偿。使得无论是主变压器正送还是反送无功都尽量减少。使得在满足安全约束下尽量 减少有功网损。对于策略控制而言，应当注意的实际调节问题有： i ) 在电容器合理投入和主变压器分接头调节量尽可能少的前提下，协调本网范围 内主变压器分接头调节与电容器投切引起的电压波动或无功变化的关系，以满足电压 无功优化控制的目的。 2 ) 为实现各节点电压运行在上限，各变电所电容器合理投入的运行方式，主变压 器分接头与电容器的综合操作条件为：+ a x + us u 2 。其中c 指电容器投入前 的电压实际值；弘指电压上限值；u 指由电容器投- k 弓l 起的电压升高值；a 为主变 分接头调节折算到低压侧每档电压差，常取为o 2 5 k v 或是o 1 2 5 k v ；x 为主变分接头 操作档数。 3 ) 当变电所变压器分接头调至1 档，电容器全部切除时电压仍然超标，双主变经 济运行时，可以实施调减某台变压器运行方式。 4 ) 如果是单母线分段接线，当母线不分段运行时，不论主变压器是否停用，档位 同步调整，使得当需要双主变压器运行时，不在人工干预调整变压器分接头档位一致， 当母线分段运行时，档位调整不要求一致。 5 ) 确保有载调压分级进行，每次只能调一档，前后两次调档应有一定的延时。档 位上下限应有限位措施。 6 ) 人工闭锁或主变压器保护动作后应闭锁调档。 7 ) 电容器组的投切应实行轮换原则，即保证最先投入者最先切除，最先切除者最 一_ - 13 华中科技大学硕士学位论文 = ：= = = = = ；= = = = = 。= ；= ；= = ；= = ；= = = 自；= = ；= 2 先投入。 8 ) 电容器组的轮换投切应考虑运行方式的影响，当多台主变压器既有关联又有独 立性时，应各自投切本身所带的电容器组。 9 1 人工投切的电容器组也应参加排队。电容器检修或电容器保护动作时应将电容 器投切闭锁。 2 3 2 电压无功控制的算法控制t 电网电压无功控制的数学模型说明它是一个非线性离散化约束优化问题。对于这 类优化问题除了传统数学方法外还逐步引进了各种人工智能算法。 1 ) 线性规划( l p ) 模型和算法 控制模型如式( 2 - - 1 ) 至( 2 - - 5 ) ：网损可写成： = 篑s + 象挑+ 卷蛾 p e ， l p 模型利用泰勒一阶展式，在某运行点附近作线性化近似。 f 线1fa 线a a q 6 o a v g a q g c 3 a v a1 fa v e 1 ia v dl = ia y d a 丁占a y d a r 口a y d a r 。0a t s ( 2 7 ) l 幻。jlo a q 。a q ca g 。a q co a q 。a q c 八绞 2 ) 非线性规划( n l p ) 模型和算法 模型求解则是很自然的事情。一般而言，非线性规划【5 】【3 1 需要利用l a g r a n g e 乘子和著 华中科技大学硕士学位论文 ：一 m i n f ( u ，j ) = f ( ，) 十h ( u ，x ) 7 w h ( “，f ) j ， g ( u ，) = 0 ； ( 2 8 ) 即再用l a g r a n g e 乘子将等式约束引入目标函数，构造l a g r a n g e 函数 三( “，z ) = f ( u ，x ) + 五7 9 ( u ，x ) ( 2 9 ) 工满足最优解的条件是满足k u l m t a c k e r 条件( k t 条件) ： 笔= o ，尝= o ，盖= i f , ( 2 - 1 求解上面方程得到最优解。对于n l p 算法基本上可以按下面的约束条件处理和寻 优方向的确定分类。 1 ) 按等式不等式约束条件的处理分类 罚函数类方法把等式和不等式约束都用罚函数引入目标函数，将有约束优化问题 转化为无约束优化问题，( 2 1 ) ( 2 5 ) 式的优化问题变为： r a i n f ( u ，x ) = f ( u ，x ) + g ( u ，x ) w l g ( u ，x ) + h ( u ，x ) 。w 2 h ( u ，x ) ( 2 1 1 ) 式中和玎0 是罚因子对角矩阵，取充分大的正数。对未越界的不等式约束，相应的 罚因子取为0 。 2 ) 按寻优方向的确定分类 求解k t 条件确定的非线性方程组( 2 1 0 ) 需要利用数值方法，确定变量修正方 向的方法有三类。第一类为梯度类算法，包括梯度法即最速下降法，这类方法具有一 阶收敛性；第二类为拟牛顿类算法，如共轭梯度法和各种变尺度法。这类方法的收敛 性介于一阶和二阶之间；第三类为牛顿类算法，例如海森矩阵法，这类方法有二阶收 敛性。 基于微分学的传统规划算法有严密的理论基础，在实用中取得了不少成果，但是 也有不足之处：n l p 算法的收敛条件仅是求取极小值的必要条件，而无功优化是非凸 规划问题，因此找不到全局( g l o b a l ) 极小值；某些控制变量是离散变量，当作连续 变量处理带来误差；利用罚函数特别是外点罚函数处理不等式约束引起病态罚因子问 题，使收敛性变差，不等式约束积极集则会增加很多计算量。 2 、人工智能( a i ) 方法 随着计算速度的不断提高，计算量大但通用性好的人工智能方法【2 4 。川在电力系统 华中科技大学硕士学位论文 优化中得到越来越广泛的应用：遗传算法( g a ) 、神经网络( a 叼、进化算法( e a ) 、 模拟退火算法( s a a ) 、专家系统( e s ) 等各具特色。其基本思想都是基于启发式知识 的直接搜索，即在某指导原则下查找最优解。随着分布式人工智能的发展，适应于解 决协调控制问题的a g e n t 也逐步应用于地区电网电压控制中。 1 ) 专家系统 目前专家系统( 2 4 】【2 5 】在电力系统应用范围很广，在无功电压控制中也有较多的应用 成果，一般认为专家系统是一个具有大量专门知识的智能程序系统，主要由知识库和 推理机构成，它根据某个领域的专家提供的特殊领域知识进行推理，模拟人类专家作 出决策的过程，提供专家水平的解答。专家系统在无功电压控制中的典型应