（电力系统及其自动化专业论文）小水电群区域电网电压控制问题研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e v o l t a g ec o n t r o lr e s e a r c ho ns m a l lh y d r o p o w e r s t a t i o ng r o u pi nr e g i o n a lp o w e rg r i d m a s t e r c a n d i d a t e ：y es h e n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f p e n gx i a n g a n g j u n e2 0 1 0 f a c u l t yo f a u t o m a t i o n g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a , 5 10 0 9 0 竹 删5煳 脚y 卜一 摘要 摘要 近年来，我国农村水电及电气化事业蓬勃发展，已成为农村与县域经济社会发 展的重要支撑。然而，小水电生产及管理的混乱却给地方电网运行带来严峻的考验， 其中一个代表性问题就是全网电压控制问题。小水电的无功出力受其生产技术条件 限制，季节性强，工况波动大，调节手段有限，无法按电网调度要求组织无功生产， 直接导致了小水电群区域电网的电压难于控制；并且，随着小水电装机容量的增长 这种运行特性对电网电压控制问题的影响愈加显著。小水电群区域电网电压控制问 题的优化不但利于保证电网运行安全，而且有助改善小水电运行环境。 本文首先对小水电群区域电网电压无功控制选题背景及意义进行介绍，阐述了 课题研究的必要性。通过对电力系统优化问题现状的研究并结合小水电群区域电网 的运行实际，本文提出针对小水电群区域电网电压控制问题在考虑控制电压偏移目 标的同时应考虑网损的优化，以达到提高电网效能的目的。结合电力系统中多目标 优化算法应用研究，选择基于p a r e t o 最优理论的多目标遗传算法作为本文的优化分 析方法。 根据优化目标，本文设计了一种基于p a r e t o 最优理论的多目标遗传算法，并对 算法的主要算子进行了一系列的改进，主要包括：与标准交叉算子配合的p a r e t o 解 集个体排序重组算子、随机赋值变异算子、与本文潮流计算调用程序配合的p a r e t o 解集分层排序算法、剪切p a r e t o 第一层非支配集的基于类核距离的聚类排除算法。 在构建一个现实的小水电群区域电网仿真模型基础上，通过主变抽头调节、制 定分区水电功率因数考核指标、并联无功补偿装置等控制手段实现对电网电压偏移 及网损目标的优化控制，总结了相关控制规律。通过该算例分析，前文对多目标遗 传算法所作改进的有效性及合理性得到了充分的证明。 本文对基于加权系数法与基于p a r e t o 最优理论的多目标优化算法的优化过程及 结果作了比较，分析了两优化算法的优缺点。通过分析比较认为基于p a r e t o 最优理 论的多目标优化算法对于电网多目标优化问题具有更好的适应性，并且能现实问题 的解决提供更多更有效的控制方案。 关键词：电压优化控制；小水电群；多目标遗传算法；p a r e t o 最优 i nr e c e n ty e a r s ，e l e c t r i cu t i l i t yo fr u r a la r e ai no u rc o u n t r yh a sar a p i dg r o w t h ，a n dh a s b e c o m ea l li m p o r t a n ts u p p o r tf o re c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t ，p r o m o t eh a r m o n i o u s d e v e l o p m e n tb e t w e e nm a na n dn a t u r e h o w e v e r , t h es m a l lh y d r o p o w e rp r o d u c t i o na n d m a n a g e m e n tc o n f u s i o nh a sp o s e ds e r i o u sc h a l l e n g e st ot h e l o c a lp o w e rg r i d o n eo ft h e s e r i o u sp r o b l e mi sv o l t a g ec o n t r o li np o w e r 舒d r e a c t i v ep o w e rp r o d u c t i o no fs m a l l h y d r o p o w e rl i m i t e db yi t sp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yc a l ln o tm a t c ht h er e q u i r e m e n t so fp o w e r 鲥ds c h e d u l i n go r g a n i z a t i o n ；a n d ，s u c ho p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s w i l lm a k et h ep o w e r 鲥d i i i 广东工业大学硕士学住论文 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 目录i v c o n t e n t s v i 第一章绪论_ ：_ o 1 1 1选题背景。1 1 2小水电群区域电网运行研究现状2 1 3本文的主要工作及内容安排4 第二章小水电群区域电网电压控制优化方法研究6 力系统中的多目标优化问题6 水电群区域电网电压控制多目标优化的提出7 目标优化算法的基本理论8 多目标优化算法及其相关定义8 多目标优化方法。1 2 力系统中多目标优化问题算法的应用1 4 水电群区域电网电压控制优化算法选择1 6 章小结17 于多目标遗传算法的小水电群区域电网电压优化控制1 8 标函数18 法设计19 算法框架1 9 初始化2 1 潮流调用程序设计2 1 目录 3 2 4多目标遗传算法算子设计2 2 3 2 5p a r e t o 解集处理2 6 3 2 6多目标优化结果之决策3 4 3 3本章小结3 4 第四章小水电群区域电网电压优化控制算例分析3 5 4 1小水电群区域电网模型建立3 5 4 1 1电网介绍3 5 4 1 2仿真模型建立3 7 4 1 3小水电群区域电网仿真过程总结3 8 4 1 4仿真结果3 9 4 2针对小水电群区域电网的优化设置4 1 4 3优化过程分析4 2 4 4结果分析4 4 4 4 1 优化结果4 4 4 4 2 优化结果及控制措施分析4 8 4 4 3 优化之决策4 9 4 5 基于p a r e t o 最优与基于加权函数法优化结果比较5 0 4 5 1 基于加权函数的多目标优化求解5 0 4 5 2 基于p a r e t o 最优与基于加权函数求解的多目标优化结果比较5 2 4 6本章小结5 3 结论与展望5 4 参考文献5 5 攻读硕士学位期间发表论文6 1 独创性声明6 2 致 射6 3 v c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) i v c o n t e n t s ( e n g l i s h ) v i c h a p t e r1 ：i n t r o d u c t i o n ：。： ”：1 1 1 b a c k g r o u n d 1 1 2 r e s e a r c ho ns m a l lh y d r o p o w e rs t a t i o ng r o u pp o w e rg r i d z 1 1 3m a i nw o r k 4 c h a p t e r2 ：o p t i m i z a t i o n a l g o r i t h mr e s e a r c hi np o w e rg r i d 6 2 1 m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e mi np o w e rs y s t e m 6 2 2 o p t i m i z a t i o nt a r g e t si ns m a l lh y d r o p o w e rg r o u p p o w e rg r i d ， 一 一 2 3 t h e o r yo fm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m 一一8 2 3 1 d e f i n i t i o n s 8 2 3 2t h ed e v e l o p m e n to fm u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm e t h o d s 1 2 2 4 m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h ma p p l i c a t i o n i np o w e rg r i d 1 4 2 5 o p t i m i z a t i o na l g o r i t h mc h o i c ei ns m a l lh y d r o p o w e rg r o u pp o w e r g r i d 16 2 6 s u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 1 7 c h a p t e r3v o l t a g ec o n t r o n lo p t i m i z a t i o nb a s e o nm o g a 18 3 1 o b j e c t i v ef u n c t i o n 1 8 3 2 a 1 9 0 r i t h md e s i g n ”1 9 3 2 1 a l g o r i t h mf r a m e w o r k ”1 9 3 2 2i n i t i a l i z a t i o n ”2 1 3 2 3 p o w e rf l o wc a i l i n gp r o g r a md e s i g n 2 1 3 2 4 o p e r a t o rd e s i g no fg a 2 2 v 1 c o n ，r 卜 n t s = = = = 2 = = = = = ! = ! = ，! ! = = ! = ! ! ! = ! = = 2 1 = = = = ! = ! = ! ! = = = = = 2 1 = = = ! ! ! = = = = = = = = ! ! 1 3 2 5 d e a l i n gw i t hp a r e t os o l u t i o n s 2 6 3 2 6 s e l e c t i o no f t h es o l u t i o n s 一3 4 3 3 s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 。3 4 c h a p t e r4 ：a n a l y s i so f e x a m p l e s 3 5 4 1 p o w e rg r i dm o d e l i n g 3 5 4 1 1 i n t r o d u c t i o no f p o w e rg r i d 3 5 4 1 2 b u i l d i n go fe m u l a t i o nm o d e l 3 7 4 1 3 s u m m a r yo fe m u l a t i o n 3 8 4 1 4 e m u l a t i o nr e s u l t 3 9 4 2i n s t a l l t i o no ft h ep o w e rg r r i d 4 1 4 3 a n a l y s i so fo p t i m i z a t i o np r o c e s s 。4 2 4 4d i c u s s t i o no fo p t i m i z a t i o nr e s u l t 4 4 4 4 1 o p t i m i z a t i o nr e s u l t 4 4 4 4 2 r e s u l ta n a l y s i s 4 8 4 4 3 d i c i s i o n 4 9 4 5 c o m p a r em e t h o db a s eo np a r e t os o l u t i o nw i t hb a s eo nw e i g h t e df u n c t i o n 5 0 4 5 1 o p t i m i z a t i o nb a s eo nw e i g h t e df u n c t i o n 5 0 4 5 2 c o m p a r i s o n 5 2 4 6 s u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 5 3 c o n c l u s i o na n d p r o s p e c t 5 4 r e f e r e n c e 5 5 e n u n c i a b l e p a p e r s 6 1 a n n o u n c eo fo r i g i n a l c r e a t i o n 6 2 a c k n o w l e d g e m e s t s 6 3 v i i 电网络转化为夏季输出水 呈集群性、流域性特点， 小水电站地理位置决定电网中某些线路必然t 接入多个小水电；各区1 1 0 k v 变电站 中低压母线往往接入多条此类线路，导致大量潮流集中输出，严重抬升全网电压水 平。t 接入线路的小水电由于其运行特性、经营特点和本身技术条件限制，无法满 足电网调度要求并给电网安全运行带来了一定的隐患。本文的研究基于茂名市小水 电群区域电网存在的现实问题，通过对小水电群区域电网运行的现状及小水电的运 营状况的调研，论述了小水电群区域电网运行优化的必要性及重要性。 1 1 选题背景 我国水能资源十分丰富，其中可供经济开发利用的农村水能资源1 5 5 亿k w ， 居世界第一位，到2 0 0 5 年底已开发4 3 8 0 万k w ，占可开发量的2 8 2 农村水能遍 布全国各地，主要集中在长江上游、珠江上游和黄河中上游的边远山区、少数民族 地区和革命老区。这些地区地域大、人口少、负荷分散，不适宜大电网长距离输送 供电，而农村水电具有分散布点、就地开发、就近成网、成片供电的特点，能有效的 支撑边远山区的负荷。 农村水能是目前我国贫困山区农村唯一易于开发利用、变资源优势为经济优势 和生态优势的稀有资源。农村水能开发技术十分成熟，与开发小型煤炭等资源相比， 具有十分独特的技术、安全、节约、清洁、可持续发展的优势。在我国，开发水电 能为农民增收解困致富，并服务于社会主义新农村建设。我国广大贫困山区和边穷 地区分布与我国农村水能分布基本一致。5 9 2 个国家扶贫重点县中，有占6 5 的3 8 5 个县农村水能资源丰富，可开发量达5 4 7 7 万k w ，目前开发率仅为1 5 5 。开发农 村水能、发展农村水电，是广大贫困山区和边穷地区解决无电缺电问题，直接惠及 “三农”的最现实最有效最好的途径。近年来，我国农村水电及电气化事业蓬勃发 展，已成为农村县域经济社会发展的重要支撑、保障和动力，对于增加能源供应， 小水电机组的运行状况。 1 2 小水电群区域电网运行研究现状 小水电蓬勃发展，一方面带动了边远山区的经济发展；另一方面，小水电生产 和管理的混乱给地方电网运行带来严峻的考验。在实际生产中一些容量较小的水电 站选择经升压变直接接入l o k v 配电线路，具有较好的经济性。同一条配电线连接 多个小水电站时，将使配电线运行方式变得非常复杂。在丰水期水电站发电量较大， 接于配电线路的各站能满足本地负荷需求，并有电量倒送至大电网。在枯水期则需 从大电网馈电，这种运行方式的变化情况也有可能出现在一个月中的不同天，或一 天中的不同时段【l 】。此外，各小水电的发电机励磁系统的调节能力较差，甚至很多 小水电的发电机无法调节励磁电流，面对地方电网的电压波动时，很多时候是无能 为力或者力争多发有功而不考虑系统的无功优化。小水电的此种运行状况带来大量 接入小水电的地方电网的种种电压控制问题，这些问题从宏观上可以分为电压过高 和电压过低两类问题。 小水电入网带来的电网电压过高问题在各地比较常见，但其成因有一定差异。 湖北恩施州网在丰小运行方式下( 丰水期小负荷) 其州网2 2 0 k v 和1 l o k v 层电压最 高抬到2 4 6 k v 及1 2 4 k v 。其原因是丰小运行方式下系统外送功率，无功输出过型2 1 。 广东乳源县地方电网丰水期电压长期偏高，其l l o k v 、3 5 k v 、1 0 k v 层电压最高分 别达到1 3 l k v 、4 0 k v 、1 2 k v ；其原因主要是粤北小水电装机容量大，需向韶关电网 输送电力，其次小水电站为了达到提高出力和无功考核的目的，通常又违规将电压 抬高一个水平，从而造成局部小水电集中地区电压严重超出正常范围，给用户造成 了损失【3 1 。本文论文课题调研亦发现：广东信宜电网1 l o k v 母线电压最高达到了 2 第一章绪论 1 5 6 k v ；其成因除与恩施、乳源两地相似外，信宜电网的1 l o k v 串供结构亦是恶化 电压控制能力的重要因素。由此可见，小水电入网带来的电网电压过高问题与当地 的网络、负荷及管理政策有一定关系。 接入小水电群的区域电网同样面临电压过低的问题。电压过低从成因上可以分 为电压暂降及稳态电压过低。前者通常是由供电系统或用户内部的短路故障引起的， 也可能是由于大电动机启动不当造成。通常来说接入小水电的地方配网电压会得到 支撑，但是电压暂降过程中，小型同步发电机响应速度可能不能达到抑制电压暂降 的要求1 4 j ；甚至，接入小水电的区域电网在暂态过程中其过程会复杂化、严重化， 由此产生的馈线保护问题也得到广大的关注【5 】【6 】【7 】。稳态电压过低的问题通常是由无 功功率的供需不平衡引起的。这种无功的供需不平衡主要有两方面的原因，其一： 小水电站一般分布在边远山区，远离负荷中心，电气距离大，输电导线半径小，电 阻值大，线路首端电压高，水轮发电机无功出力受电压封锁，出力很低【8 】；其二： 小水电的励磁系统简单，部分小水电励磁系统建立空载电压的电流后无法调节或者 只能手动调节，在当前小水电管理环境下，极少主动跟踪电网电压【9 1 。 为研究大量接入小水电的区域电网电压无功控制及相关问题，对仿真网络及网 络元件的数学模型进行了一定的研究；国内外关于接入分布式电源的配网的网络仿 真进行大量的实验，并在理论研究上有较为理想的结果。文献【1 0 】研究分布式发电 对配电网电压分布的影响，其采用的仿真设置为：反射状链式配电网，恒功率静态 模型负荷，忽略三相线路互感，分布式电源接入节点设为p q 节点。文献 1 1 】对接入 配网的同步发电机模型作了更为详尽的论述，认为同步发电机分成励磁电压恒定型 ( 无励磁调节) 和励磁电压可调型，并对这些模型接入节点的处理作了论述，同时， 该文也对适于配网的潮流算法作了论述和改进。文献【1 2 对同步电机的励磁模型作 了更详尽的处理，并应用该模型从仿真角度分析了配网的稳态电压分布，短路电流， 暂态电压，电压稳定等问题。文献 1 3 对s v c l r t s v r 进行了建模，并考虑通过 无功管理设备的协作调度优化地方配网的运行。综上所述，可以预见对接入小水电 的地方配网的仿真研究条件是比较成熟的，但是应重视小水电的运行特性如：丰枯 季节性、无库容调节、弱励磁调节、低自动化条件。 小水电群区域电网可认为是接入小水电的中低压配网，其运行特性与接入分布 式电源的配网有一定的相似之处，但运行特性受小水电技术条件的影响更为突出。 虽然如此，接入分布式电源的配网研究对分析小水电群区域电网仍有一定借鉴意义。 广东工业大学硕士学位论文 下面结合小水电群区域电网运行问题研究，对接入分布式电源的配网有关分析方法 进行论述。 在各类仿真的基础上，对有源配网的电压无功控制可以得到理论分析。文献 1 4 】 提出了用短路比和电压刚性率来评估分布式电源( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d g ) 对配网 供电电压质量影响的方法，并通过仿真验证方法的可行性。文献【1 5 针对广东清远 电网电压过高的情况采用灵敏度分析法选择了无功补偿装置的安装地点和安装容 量。文献 1 3 通过建立s v c l r t s v r 的模型，通过基于遗传算法的目标函数，对各 种无功设备的协调控制提出了建议。 目前，对分布式电源接入位置和容量接入配电网产生的不同影响也有较为广泛 的研究。文献 1 6 】认为接入分布式电源将会使配网产生大频率偏差和电压闪变，。故 必须对接入配网的电源容量进行控制。文献【1 0 结合仿真试验对一定容量的分布式 电源接入配电网产生的电压变化进行了相关研究。文献 1 7 从反方向的角度出发， 提出了一个配电网对分布式电源接入位置和接入容量的限制。文献 1 8 】提出配网的 电压支撑主要由网络拓扑结构决定，当网络电压主要由下线无功支撑时，接入的 d g 、电压管理设备容量和接入位置必须适当得考虑，以达到良好得利用目的。小水 电作为分布式电源的一种，其接入电网的位置和容量既受自然环境的影响又受电网 条件的约束；对已建成小水电考虑其接入容量和接入位置对电网的影响，对计划建 设小水电考虑其接入容量和接入位置对电网的影响无疑是非常必要的。 综上所述，小水电群区域电网因网内水电机组的运行特性及网络潮流变化特 点，电网电压控制问题的凸现是有其必然性的。通过研究现状的分析，可以认为小 水电群区域电网仿真网络及网络元件的数学模型研究是较为成熟的，前人所用各种 分析优化方法是有一定成效的，小水电群区域电网电压控制问题研究基础厚实。 1 3 本文的主要工作及内容安排 本文在课题“小水电群区域电网安全运行措施”调研基础上，针对小水电群区 域电网电压控制问题，结合多目标优化理论对问题进行了优化分析，提出了较为合 理的控制措施。 本文的内容安排为： 第一章为绪论，主要介绍小水电群区域电网电压控制问题的选题背景，阐述了 4 第一章绪论 小水电群区域电网运行研究的现状。 第二章详细介绍了目前电力系统中的多目标优化问题，提出小水电群区域电网 电压控制的优化目标，对电力系统中多目标优化算法的应用进行了分析，采用目前 较为成熟的多目标遗传算法作为小水电群区域电网电压控制问题的优化分析方法。 第三章建立了优化目标函数模型，说明了其约束条件处理，提出小水电群区域 电网电压控制问题优化方法的框架，设计了一种基于p a r e t o 最优理论的多目标遗传 算法并对算法的主要算子进行了一系列的改进，主要包括：与标准交叉算子配合的 p a r e t o 解集个体排序重组算子、随机赋值变异算子、与本文潮流计算调用程序配合 的p a r e t o 解集分层排序算法、剪切p a r e t o 集第一层非支配个体的基于类核距离的聚 类排除算法。 第四章建立了基于茂名信宜电网实际数据的电网仿真模型，介绍仿真模型设 置，总结了仿真结果；采用基于p a r e t o 最优理论的多目标遗传算法对仿真模型进行 了优化，分析了优化结果，总结了小水电点群区域电网电压控制问题相关措施控制 规律；比较了基于加权函数法与基于p a r e t o 最优理论的多目标遗传算法对此问题的 优化效果。 广东工业大学硕士学位论文 第二章小水电群区域电网电压控制优化方法研究 考虑到小水电群区域电网电压优化控制问题的复杂性，在论述电力系统中的优 化问题及其优化方法的基础上，本章主要关注于小水电群区域电网电压控制优化目 标及优化算法的选择。 2 1 电力系统中的多目标优化问题 电力系统的优化问题一般都有明确的优化目标，但电力系统是由一组非线性方 程组表述的，针对一个“明确”目标进行优化将可能导致一些限制条件或者实际运 行要求被触犯( 或被逼近) ，其结果将导致优化结果不具有可实施性或者不能兼顾全 局。多目标优化算法因其在解决多目标优化问题的优越性被越来越多的应用于解决 电力系统各种优化问题。针对电力系统各个方面的多目标优化研究正得到越来越多 的关注，并有了大量的成功案例。下面就目前多目标优化在电力系统方方面面的应 用进行简单的介绍： ( 1 ) 最优潮流 电力系统最优潮流( o p f ) 是当系统的结构参数及负荷情况给定时，通过对某些 控制变量的优化，所能找到的在满足所有指定约束条件的前提下，使系统的某一个 或多个性能指标达到最优的潮流分布。多目标最优潮流所提优化目标除了传统的燃 耗( 发电成本) 目标外，往往考虑网损最小【19 1 ，电压稳定指标最大【2 0 1 、最小化无功 生产、最大化负荷稳定边界【2 1 , 2 2 1 等子目标。 ( 2 ) 无功优化 电力系统无功优化是保证系统安全、经济运行的有效手段，是提高电力系统电 压质量的重要措施之一，传统的无功优化模型主要考虑有功网损最小的经济性目标， 其它目标只是作为约束条件处理。在多目标优化背景下，无功优化除了考虑网损最 小目标，还往往考虑以电压稳定余度最大【2 3 1 ，电压偏移最：j , 、 2 4 , 2 5 , 2 6 , 2 7 ，2 8 1 ，补偿设备 优化控s u 2 9 】等为目标。 ( 3 ) 电力系统中相关控制器的参数设计 6 第二章小水电群区域t 也网电压控制优化方法研究 多目标优化算法尤其适合于寻找电力系统中相关控制器参数设计，优化所得参 数能较好的兼顾两个或者多个相互制约的目标，使电力系统中的各种控制设备能更 好的根据电网的运行状态进行调节。文献 3 0 】提出评价p s s 及a v r 效能的目标函数， 并对两者的控制参数进行了优化设计；文献 3 1 提出应在尽可能保证系统稳定的同 时最大程度限制p s s 控制器的超调量；文献 3 2 】将滤波后电网谐波含量、无源滤波 器的初期投资、无功功率补偿容量作为三个优化目标并利用多目标遗传算法对无源 滤波器的参数进行优化设计。 ( 4 ) 配网重构及规划优化 多目标优化算法能很好的解决配网的重构及规划问题，优化后的网络具有较好 的可靠性及经济性。多目标优化算法用于配网重构与规划的研究得到越来越多的关 注【2 4 , 3 3 , 3 4 】。配网重构及规划的关注目标主要有：网损、可靠性f 3 3 , 3 5 】、电压偏移 2 4 , 3 4 】、 d g 效率【3 6 】、运营经济性【3 5 , 3 7 】、故障恢复；其优化考虑的控制变量主要有网络的 拓扑结构f 3 羽、d g 的安装地点容量3 9 1 、a v r 的配置【3 4 】、u l t c 及并联补偿装置的配 置 2 4 】等。 ( 5 ) 电力系统的运行维护 电力系统的运行维护一般在考虑其运行成本的基础上，保证电网的可靠安全并 结合其它社会经济效益进行全局考虑。文献【4 0 】提出一种基于最优潮流、计及s v c 影响同时考虑经济效益和环境效益的电力系统多目标交易计划模型；文献 4 1 】以预 期能量损失及寿命损耗为目标进行电网维修时间及维修等级的优化；文献 4 2 】根据 最小化高峰负荷要求、最小化消费者不满意度、最小化运营损失及最大化售电利益 优化结果提出负荷控制的策略；文献 4 3 通过调节发电机处理及进行负荷分流对最 小化线路过载量级降低运行成本进行了优化。总的来说，此类问题的优化结果对优 化电网的运行维护起到显著的作用。 2 2 小水电群区域电网电压控制多目标优化的提出 结合课题“流域小水电群区域电网安全运行措施研究的调研实际，本文认为 小水电群区域电网电压夏季电压超标问题是该型电网的主要矛盾，解决该问题重点 需要控制的是全网电压偏移水平。在保证电网安全运行的基础上，电网运行的经济 性目标亦须列入考虑，该问题主要通过控制全网有功网损进行优化。在不改变现存 7 广东工业大学硕士学位论文 小水电群区域电网网络结构的基础上，电压偏移及网损最小目标是目前提高电网运 行效能最具有代表性的两个目标。 2 3 多目标优化算法的基本理论 目前，在多目标优化问题中应用较为广泛、理论较为成熟的算法主要是多目标 进化算法【4 9 1 ，本节主要介绍了多目标进化算法相关理论。 2 3 1 多目标优化算法及其相关定义 在解决只有单个目标的复杂系统优化问题时，一般智能算法的优势得到了充分 展现；然而，现实世界中的优化问题通常是多约束性的，需对多个目标进行权衡折 衷。这些目标有些是与优化方向完全一致，有些是局部一致，有些目标的优化必然 导致其它目标的劣化( 即优化方向相冲) ；多目标优化问题关键是如何处理这些优化 方向相冲突或者部分冲突的子目标。一个具体的多目标优化问题没有绝对的或者唯 一的最好解；但是在综合衡量( 或折衷) 各子目标优化程度，一个( 一些) 相对满 意的求解结果仍然是可以得到的，其关键在于如何得到这些令人满意的结果。 2 3 1 1 定义 ( 1 ) 定义2 1 多目标优化问题定义 一般多目标优化( m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n ，m o p ) i h - j 题由n 个决策变量参数， k 个目标函数和m 个约束条件组成，目标函数、约束条件与决策变量之间是函数关 系。最优化目标如下： m a x i m i z e y = f ( x ) = ( 石( x ) ，厶( x ) ，以( x ) ，) s u b j e c tt oe ( x ) = ( e l ( x ) ，e 2 ( x ) ，名。( x ) )( 2 1 ) 其中 x = ( x l ，x 2 ，x 。) x y = ( m ，y 2 ，y 。) y 这里x 表示决策向量，y 表示目标向量，x 表示决策向量x 形成的决策空间，y 第二章小水电群区域电闷电压控制优化方法研究 表示目标向量y 形成的目标空间，约束条件e ( x ) 0 是确定决策向量的可行取值范围。 ( 2 ) 定义2 2 最优解集x + 定义 给定一个多目标优化问题f i x ) ，它的最优解x 定义为： 厂伍) = o p ti ( x ) ( 2 2 ) i c e 1 其中， 厂：q 一灭7( 2 3 ) 这里的q 为满足式( 1 2 ) 和式( 1 3 ) n g 行解集，即 q = 扛r ”ig ，( x ) o ，啊( x ) = o ；( f = 1 ，2 ，) ) ( 2 4 ) 称q 为决策变量空间( 简称决策空间) ，相量函数f i x ) 将q 尺”映射到集合 n 尺7 ，n 是目标函数空间( 简称目标空间) ( 3 ) 定义2 3 最优解集x 判定1 给定一个多目标优化问题r a i nf i x ) ，称x q 是最优解( 即p a r e t ot oo p t i m a l s o l u t i o n ) ，若v x q ，满足下列条件： 或者 人( z ( x ) = z ( x ) ) ( 2 5 ) 或者至少存在一个j i ，i = ( 1 , 2 ，r ) ，使 ，( x ) z ( x 。) ( 2 6 ) 其中q 定义同式( 2 4 ) 。 ( 4 ) 定义2 4 最优解集x 判定2 给定一个多目标优化问题r a i nf ( x ) ，若x q ，且不存在其他的x q 使得 ，( x ) ：( 工) ( j = 1 ，2 ，r ) 成立，且其中至少一个是严格不等式，则称x 是m i n f ( x ) 的p a r e t o 最优解。其中q 定义同式( 2 4 ) 。 ( 5 ) 定义2 5p a r e t o 优越关系定义 给定一个多目标优化问题r a i nf i x ) ，设x l ，x 2 q 。 如果z ( 彳。) z ( 置) ，则称x l 比x 2 优越； 9 广东工业大学硕士学位论文 如果z ( x 。) ，使得f t ( p ) = f t ( q ) 。 其中r 为子目标的数量。 此时称p 为非支配的( 不被支配) ，q 为被支配的，表示为p iq ，其中“ - 是 支配关系( d o m i n a t er e l a t i o n ) 符。 ( 9 ) 定义2 9 目标空间中的支配关系定义 设u = ( 材，, 2 ，“，) 和v = ( v iv 2 ，1 ，) 是目标空间中的两个向量，称u 支配v 表 示为( u _ 矿) ，当且仅当“女v 女( k = 1 , 2 ，) 且3 l 1 , 2 ，) ，使u ， - d ”的概念：如果个体z y 第二章基于多目标遗传算法的小水电群区域电网电压优化控制 或x 与y 不相关，则“x dy 0 基于关系“ - d 的概念及其性质【5 0 】，快速排序法的处理思路论述如下：每次 找到一个个体x 作为比较对象( 一般选第一个个体) ，按照关系“ - d ”进行比较，经 过一趟排序后，以x 为边界将p o p 中的个体分为两步分，比x “大 ( 最小目标优化 中，即x y 中的个体y ) 肯定是被支配个体，这部分个体在下一轮排序中就将不被考 虑；第二部分是比x “小”的个体( 最小目标优化中，即x 配。v 吵 一 c ) 式( 3 2 ) 及后文有关目标函数中电压上下限区间 u m i n ，u m a x 】设为 【1 0 4 ，0 9 7 】，其主要作用为限制电压偏移的伺时提高电压水平。式( 3 4 ) 线路 断面无功潮流方向约束中除六运至金山无功潮流应大于线路充电功率外 ( - 7 m v a r ) ，其他断面无功潮流应大于0 。 d ) 目标值搜索边界限制为网损需小于1 5 m w ( i i j 式3 5p d o w n = 1 5 ) ，电压偏移指 标搜索边界需小于1 0 ( 1 1 1 式3 6 中k = 1 2 ) 。 e ) 每代种群由三部分组成：最优个体保存集，p a r e t o 排序后的个体集，随机 生成的个体集。最优个体集中个体数不足时由随机生成的个体补足，晟优 个体集中个体数超过设定要求则需调用聚类分析程序进行剪切。 4 1 广东工业大学硕士学位论文 4 3 优化过程分析 本次优化中个体数设置为8 0 ，最大种群遗传代数5 0 ，最优个体保存数为2 0 ， 优化过程见图( 4 4 ) 。 盏 蹬 g 器 图4 4 优化过程 f i g 4 4o p t i m a lp r o c e s s 优化过程显示，各子目标下降趋势比较明显，但需注意的是网损及电压偏移量 最小目标值个体通常不会在同一个个体，加权函数值亦下降明显。从加权目标函数 值变化趋势看，可以认为p a r e t o 边界可以得到进化，算法基于p a r e t o 理论的算法优 化方向也是较为明确的。需指出的是，算法进入后期寻优能力下降，此时应考虑通 过采取一些手段加强局部范围的寻优能力，比如：增大变异概率，增加变异位。 4 2 遗传代数 图4 5p a r e t o 解个体数变化过程 f i g 4 - 5c h a n g ep r o c e s so fp a r e t os o l u t i o nn u m b e r 通过图( 4 5 ) 我们可以发现，根据最优个体数的变化优化过程可以分为3 个