（电力系统及其自动化专业论文）基于mas的地区电网电压无功优化控制策略研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 针对目前电力系统电压无功控制中存在的就地控制缺乏全局性和全局控制缺 乏实时性的问题，本文从电力系统电压无功调度的分层分区控制出发，结合电网的 拓扑结构，分析了辐射网结构下两种重要的电压无功调节手段对母线电压的影响， 说明了电网中各子网的电压无功调度在空间、时间以至功能上的相对独立性。进而 引入m a s 系统的概念，提出了电力系统电压无功控制m a s 系统模型，针对具有多 个变电站的地区电网建立了地区电网电压无功优化控制m a s 系统，并详细给出了 该系统的控制动作策略。通过在某地区电网中进行仿真，证明该系统的动作策略合 理可行，使系统母线电压保持在合格范围内，避免变压器分接头和补偿设备的频繁 操作，有效降低网损，具有一定的实际应用价值。 关键词；电力系统，无功优化，调度分层控制，m a s 系统 a b s t r a c t t os o l v et h eg l o b a la n dr e a l - t i m 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 lp r o b l e m s ，t h i s p a p e ra n a l y z e st h ee f f e c t so ft h et r a n s f o r m e rt a pa n ds h u n tc a p a c i t o ro nb u sv o l t a g ei n r a d i a t ep o w e rg r i du n d e rh i e r a r c h i c a lc o n t r o lo fe l e c t r i cp o w e rs y s t e md i s p a t c h ，a n d a c c o u n t sf o rt h er e l a t i v ei n d e p e n d e n c eo fv o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rd i s p a t c h i n gi n s p a c ea n dt i m e t h e nt h ev o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rd i s p a t c hm u l t i a g e n ts y s t e mm o d e l b a s e do ns u b - a r e ad i v i s i o ni sp r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h i sm o d e l ，am u l t i a g e n ts y s t e mi s e s t a b l i s h e dw h i c hi su s e di nr e g i o n a lp o w e rg r i dc o m p o s e do fs o m es u b s t a t i o n s a n dt h e m a so p e r a t i o n a ls t r a t e g yi ss t u d i e di nd e t a i l t h es i m u l a t i o no far e g i o n a lp o w e r n e t w o r ks h o w st h i sm a ss y s t e mc a ng i v er a t i o n a la n dv i a b l ec o n t r o ls t r a t e g y ，a c h i e v e g o o dl o k vb u sv o l t a g el e v e l ，a v o i dt h ef r e q u e n to p e r a t i o no fc o n t r o ld e v i c e s ，a n dr e d u c e t h ep o w e rl o s s 。 l u oy a n ( p o w e rs y s t e ma u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h u a n gw e i k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o n ，h i e r a r c h i c a lc o n t r o lo f e l e c t r i cp o w e rs y s t e md i s p a t c h ，m u l t i a g e n ts y s t e m 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于m a s 的地区电网电压无功 优化控制策略研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力 大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：二啦日 期：狸生：兰：! 竺 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：照 日期：丝! ：! ：1 7 导师签名数 日 期：趔、立! ： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 随着电力工业的飞速发展，电力系统的规模日益扩大，电网运行的安全性和经 济性要求也日益提高。随着电力体制改革的深入和电力市场的开放，用电管理逐步 走向市场，用户对电网提供的电能的质量也提出了更高的要求。 电压是衡量电能质量的一个重要指标。电压质量对电网稳定运行，降低线路损 耗，保证工农业安全生产，提高产品质量，降低用电损耗等都有直接影响。电压过 高、过低或偏离一定范围都会影响用电设备的寿命和效率，特别是电压崩溃，曾导 致国内外许多电力系统丢失负荷甚至大面积停电的事故屡见不鲜，造成了巨大的经 济损失。因此，必须对系统各节点电压进行监视和控制，使电压水平维持在一个正 常范围内。 系统无功分布的合理与否直接影响着电力系统的安全和稳定，并与经济效益直 接挂钩。一方面，如果系统内无功功率不足，将使电压水平低下，系统一有扰动， 就可能使电压低于临界电压，产生电压崩溃，从而导致系统因失去同步而瓦解的灾 难性事故。如1 9 7 0 年美国纽约大停电和1 9 8 7 年东京大停电都是由于高峰负荷时无 功不足而造成电压崩溃，进而导致系统瓦解。另一方面，无功过剩也会恶化系统电 压，危害系统和设备的安全，而且过多的无功备用又会浪费不必要的投资。另外， 假如系统仅以发电机无功出力来平衡无功，将会有大量无功在系统中流动，使线路 压降增大、线路损耗增加、供电的经济性下降。总之，合理进行电力系统电压无功 控制能有效地降低网损，保证电压质量、预防事故发生或防止事故的扩大，从而提 高电力系统运行的经济性、安全性和稳定性。 目前，我国电网的电压无功运行和调度方式的安排，虽然已有一些相应的规划， 但大多数仍是依靠经验，与发达国家相比，普遍存在电压质量水平过低，网损偏高 的现象，这不但造成巨大的经济浪费，而且直接影响工农业生产的正常运行。电力 系统无功优化是降低网损、节约能源、提高电网运行水平的重要措施，也是指导调 度人员安排运行方式和计划部门进行电网无功优化不可缺少的工具。因此电力系统 无功优化问题无论在理论上还是实用上都具有十分重要的意义。 华北电力大学硕士学侥论文 1 2 国内外相关研究现状 电力系统的无功功率和运行电压水平有着密切的关系，对电力系统无功优化问 题的研究同时也伴随着对电力系统电压的研究。国内外的专家学者对电力系统无功 优化和电压控制已经进行了多年的研究，取得了大量成果。总的来看，电力系统的 无功电压问题可以分为两类：一类是在系统稳态运行状态下，对系统潮流进行优化， 达到取得无功平衡，保证系统运行电压水平，降低系统损耗等目的，主要包括无功 平衡管理，电压调整等内容；另一类是研究系统在扰动情况下的电压稳定性，包括 静态电压稳定性、动态电压稳定分析等。本文的主要研究内容属于稳态运行时的无 功优化及电压控制，不涉及暂态和动态情况下的电压稳定性。 电力系统无功优化的研究起源于六十年代初。1 9 6 2 年，法国学者j c a r p e n t i e r 提出了建立在严格的数学基础上的电力系统展优潮流模型( o p t i m a lp o w e rf l o w ) 。 经过近5 0 年的发展，优化潮流已经成为具有成熟理论基础的电力系统分析研究方 向，同时也是电力系统规划和日常运行调度的重要组成部分。 所谓最优潮流，就是当系统的结构参数及负荷情况给定时，通过控制变量的优 选，所找到的能满足指定的约束条件，并使系统的某一个性能指标或目标函数达到 最优时的潮流分布。采用不同的优化目标函数，选择不同的控制变量集，并和相应 约束条件集相结合，可以构成不同应用目的的最优潮流问题。 ( 1 ) 目标函数采用发电燃料耗量( 或费用) 最小，以除去平衡节点以外的所有有功 电源出力及所有可调无功电源出力( 或用相应的节点电压) 。还有带负荷调压变压器 的变比作为控制变量，则就是对有功及无功进行综合优化的通常泛称的最优潮流问 题。 ( 2 ) 若目标函数同( 1 ) ，仅以有功电源出力作为控制变量而将无功电源出力( 或相 应节点电压模值) 固定，则就称为有功最优潮流。 f 3 ) 各目标函数采用系统的有功网损最小。将各有功电源出力固定而以可调无功 电源出力( 或相应节点电压模值) 及调压变压器变比作为控制变量，则就称为无功优 化潮流。这就是通常所指的电力系统无功优化。 1 2 1 无功优化问题的分类及其研究范畴 根据所研究问题的时间跨度和目标函数的不同，电力系统无功优化问题又可以 进一步细分为规划优化问题和运行优化问题。其中，电力系统无功规划优化主要以 今后5 1 0 年的电网规划为依据，在保证满足各种典型方式安全约束的前提下，以 投资费用最省为目的，确定无功补偿设备的最优安装地点、类型、容量及无功调节 - 2 华北电力大学硕士学位论文 设备的最佳运行状态，从而达到提高电压稳定性，改善电压质量，降低网损的目的； 而电力系统无功运行优化，则是在现有无功补偿设备配置的基础上，根据系统实际 负荷和运行方式的变化情况或者典型的负荷变化，确定无功设备的投切和调节方 案，以达到系统网损最小( 电压质量最好、无功控制设备的调节次数最少等，或同时 考虑两个以上目标函数) 的优化目标。 电力系统无功运行优化问题在实际应用中又分为经典( 静态) 无功优化、动态 无功优化以及无功电压控制三类。 1 2 2 经典无功优化 经典无功优化一般是对某一个时间断面的运行状态进行优化计算，在保证电压 合格、发电机无功出力不越限的条件下，使系统的有功损耗最小。它不涉及运行状 态之间的耦合约束，仅对某个时刻的断面所确定的运行方式进行优化计算。相对于 考虑负荷变化情况的动态无功优化而言，本文又将其称为静态无功优化。 1 2 2 1 经典无功优化的研究内容 经典无功优化是一个复杂的非线性规划问题， 几个方面着手： ( 1 ) 优化模型。模型处理是优化计算的基础， 学模型分为线性化模型和非线性化模型两种。 对该问题的研究通常需要从以下 从大体上讲，电压无功优化的数 ( 2 ) 目标函数。通常有以下几种目标函数：保证最优电压质量使电压与额定电 压值相差最小；系统有功损耗最小；无功补偿设备投资最小；变压器分接头和电容 器投切次数最少；综合考虑以上几种目标的多目标无功优化等。 ( 3 ) 优化算法不一样。 由于对无功优化模型的处理不同以及优化目标函数的选择不同，所以使用的优 化方法也有差异。 1 2 2 2 经典无功优化算法介绍 静态无功优化的算法很多，总的来说可以分为两类：一类是常规优化方法，它 们从某个初始点出发，按照一定的轨迹不断改进当前解，最终收敛于最优解。另一 类是智能优化算法，它们从一个初始解群体开始，按照概率转移原则，采用某种方 式自适应地搜索最优解。 ( 一) 常规无功优化方法 6 0 年代后，运筹学上的多种优化方法，几乎都在无功优化计算上作了研究、尝试 和应用。其中比较经典的算法有：梯度类算法【1 1 】，牛顿法1 1 2 】，二次规划法【1 3 】【1 4 】和 3 华北电力人学硕士学位论文 线性规划法【1 5 j 。h w d o m m e l 和w e t i n n e y 在1 9 6 8 年提出了简化梯度法解决有功 和无功最优问题，这是国外最早出现的较有影响的无功优化算法，对后来的研究产生 了很大的影响。接着d a v i di s u n 和严正等提出了牛顿优化算法，其中拉格朗日扩展 目标函数的稀疏海森矩阵可以简洁地用来求解最优无功潮流，十分透彻地利用了电 力系统导纳矩阵的稀疏结构。针对无功优化目标函数形式为二次函数的电力系统， 出现了二次规划( s e q u e n t i a lq u a d r a t i cp r o g r a m m i n g ) 算法，它要求无功优化目标函数具 有二次函数的形式，这是一种特定形式的非线性规划解。现实的电力系统是分布参数 的非线性系统，要控制这样的系统，就需要大量的计算空间和时间，为了适应实用控制 的需要，产生了线性规划这种模型。由于二次规划目标函数的一阶偏导数是线性的， 所以二次规划又可以转化为线性规划问题进行求解。 文献【1 6 】采用非线性规划中的梯度法，将补偿节点当作p v 节点考虑，计算结束 前转化为实际补偿量。步长由电压的最大误差比梯度的最大分量来决定，加快了计 算速度。 文献 1 7 1 提出的最优潮流牛顿算法具有二次收敛速度，能经过几次迭代便收敛 而找到最优点。同时将p q 解耦技术应用到算法中，从而减少了计算量和内存容量。 此算法得到了国内外学者的高度评价，但对不等式约束的处理仍然是一个有待进一 步研究解决的问题。 k a r m a r k a r 于1 9 8 4 年提出了求解线性规划的多项式时间算法基于投影尺度 变换的内点算法 1 8 1 以来，内点法以其迭代次数不随问题的规模成指数增长、计算 速度快、鲁棒性强的优点引起了人们的关注，对内点法的研究在最优化领域引起了 又一次热潮。与单纯形法沿着可行域边界移动寻优不同，k a r m a r k a r 最初的算法是 建立在线性规划问题的单纯形结构上的，它从初始内点出发，沿着最速下降方向， 从可行域内部直接走向最优解，因此，k a r m a r k a r 算法也被称为内点法。随后，又 有学者提出了可以直接解标准形式线性规划的仿射尺度法及其变形：对偶仿射尺度 法和原一对偶仿射尺度法。 文献【1 9 】采用原一对偶内点法求解带有模糊运行约束的无功优化问题，详细推 导带有模糊安全约束裕度的逐次二次规划数学模型。带有模糊约束的逐次二次规划 内点法可以实现在满足电压安全约束下的网损最小，其网损的损失很小，而优化后 的电压合格裕度却有较大的增加。 文献【2 0 以有功网损及电压水平为目标，用原对偶内点法进行全局寻优，用完 全分枝定界法及应用了启发经验的简化分枝定界法进行离散量归整。 经典的无功优化算法的优点是在理论上比较成熟，有坚实的数学基础，计算速 度也比较快。但仍然存在两大问题：对于具有多个极值点的非凸目标函数，由于初 始点选择的不同，使优化极有可能陷于局部最优点，而达不到全局最优点，这也是 经典的无功优化算法所无法克服的弊端；由于控制变量例如变压器可调分接头，并 4 华北电力大学硕士学位论文 联补偿电容器组的投切等部是离散的整数值，而一般方法要求可微分或线性化，通 过这些方法求得的连续解无论如何精确，经处理所得的整形控制变量仍会有一定的 误差。 ( 二) 人工智能无功优化算法 为了克服经典的无功优化算法的缺点，近几十年来人们又提出了大量的人工智 能的无功优化算法。人工智能的出现使无功优化算法有了一个很大的飞跃。其中比 较有代表性的有t a b u 搜索算法【2 1 埘】，人工神经网络算法【2 5 , 2 6 】，遗传算法【2 7 删1 等， 分别简述如下： ( 1 ) t a b u 搜索算法( t a b us e a r c h ，简称t s ) t a b u 搜索方法的基本思想是由f g l o v e r 在6 0 年代末提出来的，近年来逐步 形成为一套系统的优化理论，并成功地应用于求解复杂的组合优化问题。t a b u 搜索 是一种扩展邻域的启发式搜索方法，能在搜索过程中获得知识，并用以避免局部极 值点。其基本原理为：从一个初始解开始，通过迭代逼近最优解。对应于每个解， t s 定义一个解的邻域。在每一步迭代过程中，从当前解的邻域中启发式地选择一系 列的特定搜索方向( 即“移动”) 作为试探，并选择实现一个最好的“移动”。为了 避免陷入局部最优解，t a b u 搜索中采用了一种灵活的“记忆技术”，即将最近若干 次迭代过程中所实现的“移动”的反方向“移动”记录到t a b u 表中。凡是处于t a b u 表中的“移动”，在当前迭代过程中不允许实现。另外，为了尽可能的不错过产生 最优解的“移动”，t a b u 搜索还采用了“释放准则”策略，当一个“移动”满足“释 放准则”，即使它处于t a b u 表中，这个“移动”也可以被实现。由上可见，t s 法包 括移动、t a b u 表和释放准则三个基本要素。 ( 2 ) 人工神经网络算法( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 人工神经网络模型简称“神经网络”。神经网络以人脑结构为参考模型，试图通 过简单计算单元的高速互连，来实现类似于人类在语言和图像处理等方面的行为。 它以工程技术手段模拟人脑神经网络的结构与功能，即用大量的非线性并行处理器 ( 处理单元) 来模拟人脑神经细胞间的突触行为。因此人工神经网络是一种大规模并 行的非线性动力系统，具有许多引人注目的特点：大规模的复杂系统，有大量可供 调节的参数，高度并行的处理机制，具有高速运算的能力，高度分散的存储方式， 具有全息联想的特征，高度可变的拓扑结构，具有很强的适应能力，高度冗余的组 织方式，具有很强的坚韧性；高度的非线性运算，具有自组织、自学习的潜力；高 度的集体协同计算，模拟处理与数字处理并存。 ( 3 ) 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简称g a ) 遗传算法的计算过程首先是将实际的优化问题编码成符号串，也称码串、染色 体。将实际问题的目标函数转变为染色体的适应函数，然后在随机产生的一批初始染 色体的基础上，根据各染色体的适应函数值进行繁殖、交叉、变异等遗传操作产生下 5 华北电力大学硕士学位论文 一代染色体。适应函数值的大小决定了该染色体被繁殖的概率，从而反映了适者生存 的原理。交叉和变异操作通过随机的和结构化的交换各染色体之间的信息从而可能 产生更加优秀的染色体。这样经过逐代遗传，就会产生一批适应函数值很高的染色体， 最后将这些染色体解码还原就可以获得原问题的解。 遗传算法作为一种模拟生物进化过程的新方法，以其对非线性和复杂问题的全 局搜索能力及其简单通用、鲁棒性强的显著特点，引起了不同研究领域人们的广泛注 意。 ( 4 ) 模拟退火算法( s i m u l a t e da n n e a l ，简称s a ) 模拟退火算法是模拟加热熔化的金属的退火技术来寻找全局最优解的有效方 法。模拟退火方法用一个随机接受准则有限度地接受恶化解。因恶化解中可能包含 有导致优良解的基因片，使算法可能从局部最优解中跳出。同时接受恶化解的概率慢 慢变小，保证了算法的收敛性。应用模拟退火算法进行无功优化，可通过随机扰动来 产生解群，这种算法寻优能力强于简单遗传算法。 1 2 3 动态无功优化 在电力系统运行优化中，为了跟踪在线负荷的改变，保持系统始终处于最优状 态，理论上需要不断地进行无功优化。然而，在系统实际运行过程中，由于应用和 操作中的困难，并不能经常进行无功优化，因为频繁的无功优化不但造成无功设备 投切过于频繁，影响设备的使用寿命，还会增加操作人员的工作强度。此外，电力 系统在运行中可能远远偏离最优状态，其具体偏离的程度与负荷变化的速度和幅度 有关。可见面对个复杂动态变化的电力系统，传统的静态优化只对动态电力系统 的某一时间断面求取目标最优，忽视了各时间断面之间的内在联系，具有明显的局 限性。为了克服这一局限性，有人提出了更具有实际意义的动态优化问题。 动态无功优化概念的提出相对较晚，相关研究也比较少。 动态无功优化一般是指在已知未来一天2 4 小时负荷预测的基础上，决定电容 器、电抗器和可调变压器变比分接头的运行策略，使得系统在一天中的能量损耗最 小，并且满足电容器、电抗器和变压器分接头调节次数的限制，以及节点电压约束 等。动态无功优化是个十分复杂的时空分布非线性优化问题。一方面，单个时刻的 优化是一个十分复杂的非线性整数优化；另一方面，一段时间内的优化必须考虑负 荷的动态变化，对于这样一个问题，要找出全局最优解十分困难。通常的做法是在 计算效率和全局最优二者中取折中，即在简化模型的基础上求得一个较好的优化结 果。 文献【3 8 】直接从动态无功优化的模型出发，通过控制变量的选取和动作时间量 的预确定，将动态优化模型转化为同普通无功优化模型完全相同的表达形式，提出 6 华北电力大学硕士学位论文 了适用于高中压配电网的动态无功优化算法。但是用静态优化方法求解转化后的动 态优化问题时，问题的维数将随时间段的增多而增大，造成计算量和存储量激增。 文献 3 9 1 提出把负荷曲线分成一些大的时间段( i n t e r v a l ) ，每一个时间段又分成若干 时期( p e r i o d ) ，在各时间段里以系统网损最小为目标，所有离散控制量和连续控制 量为可控变量，进行优化计算：而在个时期里，保持离散控制量不变，通过调节发 电机电压这个连续变量保持系统电压水平不越限。这样可以保证离散变量调节次数 最多等于时间段的数目，但是时间段和时期的划分都是根据负荷曲线凭经验人为划 分的，可操作性不强。 可见，动态无功优化问题是比无功优化问题更加复杂，规模更加庞大的一类动 态优化问题，目前还没有一种比较通用、有效的算法。 现有的关于动态无功优化的文献中，其算法采用的简化模型大致可分为两种： n 1 状态解空间的简化【4 1 】【4 甜， ( 2 ) 动态负荷模型的简化 第一种方法是采用一定的策略来缩小解的搜索空间，在文献 4 w 9 将阶段n 时 的状态变量定义为从阶段0 到n 时电容器的总投切次数，有效地降低了搜索维数。 但是电容器控制变量被简化成0 1 变量，而且当电容器数目或最大允许动作次数增 加时，整个问题的求解规模会变得很大。文献 4 2 1 采用启发式搜索的思路，通过保 存每个阶段有限个目标函数值最好的状态来缩小搜索空间，这种算法所要求的内存 和计算量随着控制变量的增多而急剧增长，无法应用于实际的大规模配电系统。第 二种做法是通过处理动态负荷【4 3 】【4 4 】将十分复杂的时空分布的动态优化问题转化为 几个简单的空间分布的静态优化问题，使静态优化的结果自动满足动态优化约束。 文献4 3 利用母线负荷预报，得到次日负荷曲线和母线负荷曲线，根据负荷水平和 负荷曲线的变化趋势以及补偿调压装置动作次数的限制，先确定分段数，然后对负 荷曲线进行分段，对每一时段进行无功优化就可以得到全天的无功优化方案。文献 4 4 首先对最优网损曲线进行分段、等值，然后相应地划分系统节点负荷曲线段， 从而对全天的负荷曲线进行等值，使得负荷的分段自动满足动态优化约束的要求。 但此算法要求控制设备具有动作同时性，即所有的设备在某一时段都进行投切动作 或都不动作。 电力系统的实际负荷是连续变化的，但是连续的负荷曲线是不适合优化求解 的。通常的处理方法是分时段静态化，即将连续变化的负荷曲线简化为阶梯状分布 的曲线，认为各个时段内负荷保持不变，文献【3 8 4 6 】【4 7 】都是将负荷曲线分为2 4 个小时段进行研究，文献1 3 8 1 通过控制变量的选取和动作时间量的预确定，将动态 无功优化模型转化为普通无功优化进行求解。文献 4 6 1 采用非线性原对偶内点法内 嵌罚函数的方法求解动态无功优化模型，将各个时段之间由于计及控制设备动作次 数约束而存在的耦合准确地反映到了算法中。文献4 7 采用了混合算法求解动态无 7 。 华北电力大学硕士学位论文 功优化问题，将设备动作次数约束在遗传算法的各个遗传算子中进行处理。 1 2 4 无功电压实时控制 无功电压实时控制是运行优化中另一个重要的问题，以往对它的研究大都集中 在就地控制方面。目前我国多数地区采用的是以单变电站电压为目标的就地电压无 功调整控制装置( v q c ) 。 图1 - 1 是v q c 装置的九区原理图1 5j 。纵坐标是界面运行电压约束，u l 、u 2 分 别为电压下、上限；横坐标q 1 、q 2 是考虑无功补偿( 当前补偿容量不足和不平滑 调节) 调整误差后的上下限；虚线是按采样周期计算的无功优化实时值q 优。在变 电站用的九区图中，横坐标右侧表示由电网吸收无功，左侧表示向电网送出无功。 表1 - 1 为九区图对应的变电站由电网吸收无功时装置调整控制策略表，注意当变电 所向电网送出无功时，装置调整控制策略与此相反。 u u 2 123 894 u l 76 5 图1 1 九区控制图 表1 - 1 变电站由电网吸收无功时装置调整控制策略表 分区电压越限无功越限调攘决策 1越上限越下限 退电容器，可能要减小变比 2越上限 合格减小变比，但应闭锁影响二次网电压 3越上限越上限投电容器，不能增大变比 4合格越上限投电容器，增大变比时不能影响一次网电压 5越下限 越上限投电容器，可能要增大变比 6越下限合格 可能要增大变比，但不能影响二次网电压 7越下限越下限 退电容器，减小变比时不能影响一次网电压 8合格越下限 退电容器，减小变比时不能影响一次网电压 9合格合格 无需调整 - 8 华北电力人学硕士学位论文 虽然利用九区图控制方法简单易行，但由于该策略没有考虑电压和无功的相互 影响，也没有考虑电压和无功的变化趋势，在实际运行中会增加变压器分接头和电 容器的动作次数，影响电气设备的使用寿命，甚至可能会出现振荡现象。 此外，由于v q c 装置的控制策略完全从满足本地的无功电压考核指标出发， 难以从全局优化的角度统一考虑各种无功设备之间的配合，实现真正的实时最优控 制。并且当系统严重缺无功的时候，自动无功调节装置的动作可能使系统的无功缺 额更加严重，甚至进入恶性循环，最终引发电压崩溃。 从7 0 年代末期开始，首先从国外开始，一些著名的电力公司开始进行全局实 时无功优化控制的研究，至今已经取得一些的成果，并且在少数电网得到实际应用。 文献 2 0 矛r j 用人工神经网络技术，对一个6 2 节点网络进行了无功优化计算；文献 2 1 1 则采用了混合随机搜索技术，并在i e e e 3 0 系统中进行了验证；文献 2 2 1 提出用结 合启发式数值技术的混合方法应用到实际电网的无功优化中；文献【2 3 】采用了遗传 算法。文献【2 4 】和文献1 2 5 1 分别就利用改进内点法和扩展非线性原对偶内点法在无功 在线优化中的应用作出了探索，但它们是否适用于大规模多电压等级电力系统的集 中调度还未经验证。上述文献提出的方法在用于在线全局无功优化时都有一个共同 的缺陷，即求解时存在求解质量和搜索效率严重冲突的问题。对于规模较大、电压 等级较多的地区电网，因为上百个控制变量的存在，且可控设备数量大、分布广、 层次多，加上实际情况较复杂，采用传统集中式优化方法的求解时间将非常长，无 法满足实时控制的需要。 就无功优化的理论而言，到目前为止，一方面，对无功规划优化和无功运行优 化的原理和方法的研究尚不充分，从而导致或片面追求计算速度，或片面追求全局 最优。实际上，用于实时无功电压控制时，无功运行优化的关键并不在于寻求全局 最优解。因为在此情况下，通过调度无功设备，在很短时间内使系统运行状态发生 较大的变化，以求最大限度地降低有功网损和提高电压质量，将使变压器分接头和 无功补偿设备的调整和投切过于频繁，降低设备的使用寿命，不符合电力系统运行 的长期经济效益，甚至可能成为系统安全运行的隐患。因此，在实时无功电压优化 调度中，无功优化计算只需要寻求在系统的上一时刻运行工作点附近的局部最优 解；但要追求算法的实时性和收敛性。而在电力系统无功规划优化或作运行方式计 划时，计算时间并非问题的关键，且优化几乎不受初始运行状态的制约，但应设法 寻求全局最优解。弄清这个问题，就可以分别抓住无功规划优化和无功运行优化的 主要矛盾，恰当地选择解决问题的方法、充分发挥所采用的优化算法的优势，达到 满意的效果。 另方面，实际运行中的无功电压优化对于电力系统的电压稳定性的综合影响 还需要进一步研究，目前采用的无功优化方法得出的结果还不足以保证从安全和经 济两方面对系统的运行状态进行优化。在事故的紧急状态下，电容器等无功设备的 9 华北电力大学硕士学位论文 出力将随着电压的下降成平方地下降：变压器分接头的调整也只能在系统无功充足 的情况下才有好的效果。此时，发电机或调相机等具有快速响应能力的无功源( 如 s t a t c o m 等1 可以自动地响应系统状态的变化，提供紧急的无功支援。但在某些情 况下，常规无功优化可能导致这类无功源的出力已经接近极限，从而使无功运行优 化的目标函数与系统电压安全之间发生冲突。对这一问题，目前可结合实际系统中 作运行方式计划的专家和运行人员的实际经验，在进行无功规划优化时，通过保留 足够的发电机无功备用来加以考虑；而在线运行的无功电压控制则可以在优化计算 时，根据系统当前的运行状况，考虑发电机的无功备用和合适的电压安全裕度。 此外，实时电压无功控制除了要求无功优化方法计算速度快、收敛稳定可靠以 外，还需要以s c a d a 提供的实时数据为基础。目前，我国e m s 的实用化水平相对 较低，s c a d a 数据准确率难以达到实时优化控制的要求，在电力系统中普及实时 电压无功优化控制亟须解决s c a d a 数据及系统状态估计的准确性及全面性的瓶 颈，以期最终实现闭环实时无功电压控制。 1 3 本文所作的工作 针对目前电力系统电压无功控制中存在的就地控制缺乏全局性和全局控制缺 乏实时性的问题，本文主要在以下方面作了一些研究工作。 1 从电力系统的调度分级结构和电网结构特点出发，介绍了电力系统电压无 功控制的基础理论，并着重研究了辐射网结构下调节变压器分接头和并联电容器对 母线电压的影响。 2 介绍了多a g e n t 系统( m u l t i - a g e n ts y s t e m ，简称m a s 。有些文献译为多智 能体系统，本文认为不甚准确，故暂借用其英文名称) 的概念、特点和结构，探讨 了将m a s 系统应用在电压无功控制中的可行性，提出并建立了电力系统电压无功 控制m a s 系统的基础模型。 3 针对具有多个变电站的地区电网进行研究，根据m a s 系统的特性提出将地 区电网划分为若干相对独立的控制区域，并给出了控制区域的划分标准。在此基础 上建立了地区电网电压无功优化控制m a s 系统，并对m a s 系统的分层控制策略进 行了研究。 4 最后，结合某地区电网对地区电网电压无功优化控制m a s 系统进行了仿真 计算，并对仿真计算结果进行了分析。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章电力系统无功电压控制理论分析 电力系统电压无功控制对于电力系统的运行稳定性、电压质量及经济运行有着 重要影响。本文从电力系统电压无功调度的分层分区控制体系出发，结合对电网的 拓扑结构分析，分析了辐射网结构下两种重要的电压无功调节手段对母线电压的影 响，从而说明了电压无功调度在空间、时间及功能上具有分布性的特点。通过总结 电力系统分层分区控制、全网数据分散、各子网相对独立的实际情况，为下文引入 m a s 系统概念，建立电力系统电压无功控制m a s 系统模型奠定了基础。 2 2 电力系统的调度分级结构 电力系统可按不同的方式分层。我国电力系统的运行调度组织在结构上已形成 各个层次，有电网调度、省网调度、地区电网调度和县网调度四级调度。其分工大 致为网调管辖若干个省调以及大型电厂和5 0 0 k v 变电站；省调管辖若干个地调以及 中小型电厂和2 2 0 k v 变电站；地区调度对其所辖地区的电网安全监控，管辖若干个 监控中心和1 1 0 k v 以下的变电站，目前随着电力系统的不断发展，地区电网调度已 可管理部分2 2 0 k v 变电站。县级调度主要监控1 1 0 k v 及以下农村电网的运行，相当 于地调的一个监控中心。在四级调度的綦础上，再加上国家调度级，就成为五级调 度体制，见图2 - 1 。由国调到县调，随着管辖范围的变小，其电网电压等级逐步降 低。 根据全国互联电网调度管理规程，全国互联电网运行实行“统一调度、分 级管理”。电网调度系统包括各级电网调度机构和网内的厂站的运行值班单位等。 电网调度机构是电网运行的组织、指挥、指导和协调机构，电网调度机构分为五级， 依次为：国家电网调度机构( 即国家电力调度通信中心，简称国调) ，跨省、自治 区、直辖市电网调度机构( 简称网调) ，省、自治区、直辖市级电网调度机构( 简 称省调) ，省辖市级电网调度机构( 简称地调) ，县级电网调度机构( 简称县调) 。 各级调度机构在电网调度业务活动中是上下级关系，下级调度机构必须服从上级调 度机构的调度。其分工大致为网调管辖若干个省调以及大型电厂和5 0 0 k v 变电站； 省调管辖若干个地调以及中小型电厂和2 2 0 k v 变电站；地区调度对其所辖地区的电 网安全监控，管辖若干个监控中心和1 1 0 k v 以下的变电站，目前随着电力系统的不 断发展，地区电网调度己可管理部分2 2 0 k v 变电站。县级调度主要监控1 1 0 k v 及以 1 1 华北电力大学硕士学位论文 下农村电网的运行，相当于地调的一个监控中心。由国调到县调，随着管辖范围的 变小，其电网电压等级逐步降低，如图2 - 1 所示。 图2 - 1 电网调度系统分级示意图 电网的无功补偿实行分层分区就地平衡的原则| 7 4 。电网各级电压的调整、控 制和管理，由国调、各网( 省) 调和各地区调度按调度管辖范围分级负责。 电力系统配置的无功补偿装置应能保证在系统有功负荷高峰和负荷低谷运行 方式下，分( 电压) 层和分( 供电) 区的无功平衡l i 。分( 电压) 层无功平衡的重点是2 2 0 k v 及以上电压等级层面的无功平衡，分( 供电) 区就地平衡的重点是l l o k v 及以下配电系 统的无功平衡。无功补偿配置应根据电网情况，实施分散就地补偿与变电站集中补偿 相结合，电网补偿与用户补偿相结合，高压补偿与低压补偿相结合，满足降损和调压的 需要。各级电网应避免通过输电线路远距离输送无功电力。5 0 0 ( 3 3 0 ) k v 电压等级系 统与下一级系统之间不应有大量的无功电力交换。5 0 0 ( 3 3 0 ) k v 电压等级超高压输电 线路的充电功率应按照就地补偿的原则采用高、低压并联电抗器基本予以补偿。 2 3 电力系统电网结构特点分析 无功功率的平衡比有功功率的平衡局限性更大。有功功率的平衡为全网平衡， 而无功功率的平衡为分区分压平衡。所谓分层，是指按网络电压等级，即网络的传 输能力大小，将电力系统划分为由上至下的若干结构层次i 引。电力系统的分区是一 个电的概念，是对电力系统组成部分的一种认识，它不应该和地理的行政的分区概 念相混淆。按照分区的概念，一个大的电力系统是以受端系统为核心，包括远方电 源在内的一个供需平衡或基本平衡( 当与外系统相联络时) 的区域。在每一个受瑞 系统的内部，实际上是以最高级电压线路为骨干网络组成的区域系统，并以其枢纽 变电站为中心，用次一级电压线路将附近的负荷和地区电源连接在一起，成为一个 独立的供电子系统。如此等而下之，形成了由上而下的辐射状的分区结构。如图2 2 为某地区电网结线示意图。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 5 0 0 k v 变电站 2 2 0 k v 变电站 发电厂 2 2 0 k v 线路 1 l o k v 线路 图2 - 2 地区电网地理接线示意图 目前电力系统中，2 2 0 k v 大都采用环网运行，而l l o k v 以下的电网典型的是采 用开环运行方式，如此一来从2 2 0 k v 变电站向下看，就形成了一种明显的辐射型树 状拓扑关系，如图2 3 所示。 2 2 0 k f 母线 图2 - 3 典型地区电网结线图 在研究电压无功协调控制策略时，可以只针对这种树状拓扑关系进行研究。参 考文献【5 1 】针对树状拓扑结构的特点，详细分析了变电站调节分接头、投切电容器 时对母线电压的相互影响关系，其主要推导在下节中进行了归纳。 - 1 3 华北电力大学硕士学位论文 2 4 辐射网结构下常见无功调节手段对母线电压的影响理论分析 2 4 1 变压器分接头调压对低压母线电压的影晌 圈2 - 4 辐射网结构中上f 级变电站调压示意图 如图2 - 5 所示为上下级连接变电站的数学模型。变压器t l 为上级变，其变比为 k 1 ；变压器t 2 为下级变，其变比为k 2 ，t 2 低压侧带有并联补偿设备c 。r 1 、x 1 # 为变压器t l 和线路的电阻和及电抗和，r 2 、x 2 为变压器t 2 和线路的电阻和及电抗 和。 设变压器t l 高压侧母线电压u 1 保持不变，可得 u2；堕一丛生丛(2-1、kl u 2 1 7 式( 2 - 1 ) 中，u 2 n 为u 2 的额定电压。 ：生一p2r2+qix2，导幽pir2+q2x2(2-2)ku 二 2 3 nk 1 k zk 2 - u 1 nu 3 n 式( 2 2 ) 中，u 3 n 为u 3 的额定电压，且 竺醍。k u 3 。 ( 2 3 ) 则有 玑；导一p1rfl+q1xxp2r2+q2x2(2-4)k 3 h 2k 2 z 彤3 u 3 u 由式( 2 - 1 ) 和( 2 4 ) 可以看出，u 2 主要受k l 的影响，k 2 对u 2 基本没有影响，u 3 同时受k 1 和k 2 的影响。 假设k 2 不变，k 1 变化为k l ，相应的各有功功率和无功功率为p 2 、q 2 、p l 、q l ， 则有 u：，。当一型世(2-5)ku 1 2 1 4 华北电力人学硕士学位论文 = 燕一等等一半 且有p 2 = p 2 、q 2 = q 2 、p 1 = p 1 、q l = q l 结合式( 2 1 ) ( 2 - 5 ) 、( 2 - 7 ) 可得 ( 2 6 ) ( 2 7 ) = - u 2 k l l _ 型硅竽一毒+ 警。u 唼一，c 2 - s ， 同理 - u 3 一以u _ ，z 、i 1 一毒) ( 2 - 9 ) 由式( 2 3 ) 、( 2 8 ) 、( 2 - 9 ) 可得 坐。且e 一刍k 2 。a u a 坐 ( 2 - 1 0 ) u 2u 2 、七1k l ”u 2u 3 、7 由以上分析可知，当下级变压器分接头不动作，上级变压器动作时，对两级变 压器低压侧母线电压的影响有相同的趋势，且电压的变化率近似相等。 我国现行的变压器有载调压分接头，2 2 0 、1 1 0 、6 3 k v 均为8 1 2 5 ，3 5 k v 为3 2 5 ，1 0 ( 6 ) k v 为- i - 4 x 2 5 。设t 1 分接头调节一档的电压变化率为2 5 ， 则升高或降低t ，一个档位相当于对t ：升高或降低一个调节变化率为2 5 的档位。 图2 - 5 同级变压器调压示意图 进一步推广，如图2 5 所示，假设变压器t 1 下级还有一变压器t 3 ，变比为k 3 。 则可得k 3 变化时对u 2 也可认为无影响，则对同级的t 2 变低压侧母线电压u ，的影 响也可忽略不计。同理调节k 2 对t 3 变低压侧母线电压u 。的影响也可忽略。由上述 的理论分析可知，在树状拓扑结构的电力网中，一个变电站调节主变分接头档位只 影响其自身及以下级变电站的低压侧母线电压，而对其上级或相邻的变电站的低压 侧母线电压的影响可以忽略。以上的推导均是基于地区电网的树状拓扑结构，且 2 2 0 k v 侧电压基本保持不变的情况下得出的，符合工程实践。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 2 4 2 并联补偿设备对母线电压的影响 在电力网中由于电阻r 远远小于电抗x ，则式( 2 - 1 ) 、( 2 4 ) 进一步化简为 吣等k 一镑u 2 1 v f 2 1 1 ) 。且一粤一q2rx_兰2(2-12)k 5 l k 2k 2 2 彤3 u 3 v 由式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 可见，变压器低压侧母线电压同流过变压器的无功功率有关。 变压器的l o k v 母线上一般有并联补偿设备( 低压并联电容器或低压并联电抗器) ， 通过投切电容( 抗) 器来改变无功流量的大小可达到调节电压的目的。 如图2 - 5 所示，设投入无功补偿设备c 后发出的无功为q c ( 补偿设备为电容器 时，q c o ：为电抗器时，q c o ) 。则有 q 1 一q 1 一q c ；q 2 = q 2 一皱 ( 2 - 1 3 ) 式( 2 1 3 ) 中q 1 、q 2 为在投入